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Proyecto aja Compactadora

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Análisis y Optimización de una Caja Compactadora de un camión recolector de basura domiciliaria

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Proyecto aja Compactadora

  1. 1. Univerdidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería Programa de Formación de Pregrado Estática DMIL 131 Proyecto: Optimización del Diseño de una Caja Compactadora Instalada en los Camiones Recolectores de Basura Domiciliaria Grupo: Los Tuercas José Figueroa Johan Muñoz Andrés Torres Diego VenegasProfesores Encargados:Sr. Roberto CárdenasSr. Crispín NoriegaSr. Rolando RíosSrta. Maura Salvo20 de octubre de 2011
  2. 2. Resumen Ejecutivo l proyecto aquí presentado consiste en el rediseño de la Caja Compactadora del camión recolector deE basura de la municipalidad de Máfil, que actualmente no está cumpliendo con la normativa vigenterespecto a los límites de carga. La misión es lograr un producto de alta calidad que cumpla con los requerimientos establecidos porlos usuarios, haciendo uso de todos los recursos de conocimiento ingenieril para resolver el problema. Cabe destacar que el rediseño contempla cambios sobre el modelo actual de la caja, rescatando as-pectos positivos del diseño. Los cambios en la caja están basados en el estudio estático de su estructura,el cual fue realizado por estudiantes de Ingeniería Civil Mecánica de la Universidad Austral de Chile,quienes han tenido una instrucción acabada en el área de Estática y Mecánica de Solidos, y Método deElementos Finitos. El estudio se llevó a cabo mediante el uso del software de elementos finitos, Creo Element/Pro 5.01 ,desarrollando un diseño sólido y posterior análisis de la estructura. Así se determinó que parte importantede ésta se encontraba sobredimensionada, dando la posibilidad de optimizar su diseño, lo que significaríauna disminución en la tara del camión y por ende una mayor capacidad de carga. El resultado de las modificaciones hechas es una Caja Compactadora más liviana, que cumple conlos límites de carga, está diseñada de modo que resista los esfuerzos a los que están sometidos sus com-ponentes durante su funcionamiento y con un índice de seguridad adecuado que asegura su fiabilidad ydurabilidad. Este resultado se traduce en un menor costo en término de materiales y mayor capacidadde carga para poder transitar libremente por la vía pública. Para estructurar este proyecto se utilizo como guía la metodología propuesta en el texto The Me-chanical Desing Process, cuyo autor es David G. Ullman. 1 Software de ptc (Parametric Technology Company) que reemplaza su versión anterior Pro/Engineer 5.0 vigente hastael 2010.
  3. 3. ÍNDICE GENERAL Página 2 Índice GeneralÍndice General 2Índice de Tablas 6Índice de figuras 71. Marco Teórico 12 1.1. Principales Unidades del SI (Sistema Internacional) usadas en el Proyecto . . . . . . . . . 12 1.2. Estática y Mecánica de Sólidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.1. Estática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.2. Mecánica de Sólidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.3. Método de Elementos Finitos (MEF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.1. Puntos Singulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.2. Criterios de Falla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242. Problema de Diseño 26 2.1. Planteamiento del Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2. Definición de la Necesidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263. Objetivos 27 3.1. Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2. Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274. Planificiación de Proyecto 28 4.1. Carta Gantt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295. Definición y Alcances del Proyecto 30 5.1. Definición del Producto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 5.2. Alcances del Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316. Detalles del Proyecto 32 6.1. Función del Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 6.2. Prototipos Desarrollados y Resultados Relativos para Satisfacer las Especificaciones de Ingeniería . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  4. 4. ÍNDICE GENERAL Página 3 6.3. Elección del Concepto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377. Desarrollo del Producto 38 7.1. Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 7.2. Procesos de Manufactura a Utilizar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 7.3. Proceso de Soldado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 7.4. Resultados de Diseño para Confiabilidad (DFR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 7.4.1. Confiabilidad de la Caja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 7.4.2. Confiabilidad del Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 7.4.3. Causas de Falla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 7.5. Diseño para el Medio Ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 7.6. Factores Humanos Considerados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 7.7. Análisis carga basura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 7.7.1. Datos y Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 7.7.2. Análisis de los Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518. Detalle de Documentación de Diseño 52 8.1. Coeficiente de Seguridad para la Caja Compactadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 8.2. Determinación de Centros de Masas del Camión actual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 8.3. Cálculo de Volumen Efectivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 8.4. Determinación de Cargas en la Caja Compactadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 8.4.1. Determinación de Cargas en la Caja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 8.4.1.1. Carga de la Basura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 8.4.1.2. Carga Placa Superior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 8.4.1.3. Carga Placa Lateral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 8.4.1.4. Carga Pala Compactadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 8.4.1.5. Carga Placa Trasera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 8.4.1.6. Cargas Totales Laterales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 8.4.1.7. Cargas en el Soporte Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 8.4.1.8. Cargas Placas Laterales con Soporte Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . 70 8.4.2. Determinación de Cargas en el Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 8.4.2.1. Cargas Permanentes: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 8.4.2.2. Cargas Periódicas: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 8.4.3. Carga Pisaderas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  5. 5. ÍNDICE GENERAL Página 4 8.5. Condiciones de Contorno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 8.5.1. Condiciones de Contorno de la Caja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 8.5.1.1. Condiciones de Contorno de la Placa Base con el Soporte . . . . . . . . . 90 8.5.1.2. Condición de Contorno del Soporte Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . 91 8.5.1.3. Condiciones de Contorno de Placas Latelares con Soporte Tail-Gate . . . 91 8.5.2. Condiciones de Contorno del Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 8.5.2.1. Condiciones de Contorno del Hopper Cargado . . . . . . . . . . . . . . . 92 8.5.2.2. Condiciones de Contorno de Alzamiento del Tail-Gate . . . . . . . . . . . 93 8.5.2.3. Condiciones de Contorno Soporte Compactación . . . . . . . . . . . . . . 93 8.5.2.4. Condición de Contorno Pala Compactadora 2 . . . . . . . . . . . . . . . . 94 8.5.2.5. Condición de Contorno Placa Corrediza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 8.5.2.6. Condición de Contorno de Contenedor de Residuos Líquidos . . . . . . . 95 8.5.3. Condiciones de Contorno Pisadera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 8.6. Resultados de Análisis en ProMechanica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 8.6.1. Datos de los Materiales Usados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 8.6.2. Resultados de Análisis de la Caja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 8.6.2.1. Resultados de Soporte con la Placa Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 8.6.2.2. Resultados del Soporte del Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 8.6.2.3. Resultados de las Placas Laterales con el Soporte del Tail-Gate . . . . . . 102 8.6.3. Resultados y Análisis del Tail-Gate2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 8.6.3.1. Análisis Hopper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 8.6.3.2. Análisis Alzamiento Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 8.6.3.3. Análisis en Compactación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 8.6.3.4. Análisis Pala Compactadora 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 8.6.3.5. Análisis Placa Corrediza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 8.6.3.6. Análisis Contenedor de Residuos Líquidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 8.6.4. Resultados Pisaderas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 8.7. Optimizaciones a partir de los Resultados de ProMechanica . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 8.7.1. Consideraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 8.7.2. Optimizaciones de la Caja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 8.7.2.1. Optimización Placa Base-Soporte Caja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 8.7.2.2. Soporte Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 2 Los esfuerzos en estos análisis estarán en kP aLos Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  6. 6. ÍNDICE GENERAL Página 5 8.7.2.3. Placas Laterales con Soporte Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 8.7.2.4. Optimización Final de la Caja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 8.7.3. Optimización Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 8.7.3.1. Cambio de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 8.7.3.2. Optimización de Espesores y Dimensiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1299. Resultados Finales de Optimización 13910.Costos 142 10.1. Lista de Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14211.Resultados de Pruebas de Diseño y Análisis de Experimentos 143 11.1. Diseño de Experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 11.1.1. Ventajas de un Diseño Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 11.2. Desarrollo del Experimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 11.2.1. Planteamiento de Hipótesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 11.2.2. Gráfico de Pareto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 11.2.3. Gráfico Normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 11.2.4. Superficie de Respuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 11.2.5. Modelo de Regresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 11.3. Conclusiones del Diseño Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14812.Seguridad 149 12.1. Durante la Fabricación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 12.2. Durante la Operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15013.Instrucciones para la Calidad 15114.Conclusión 15215.Agradecimientos 15516.Bibliografía 15617.Anexos 157Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  7. 7. ÍNDICE DE TABLAS Página 6 Índice de Tablas 1.1.1. Tabla de unidades del SI usadas en el Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 6.3.1. Matriz de Pughs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 7.1.1. Propiedades Mecánicas de Aceros Utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 7.2.1. Procesos de Manufactura a Usar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 7.4.1. FMEA (Modos de Falla y Análisis de Efectos) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 7.4.2. Valores de Tazas de Fallo de la Caja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 7.4.3. Valores de Tazas de Fallo de la Caja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 7.7.1. Cargas Transportadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 7.7.2. Percentiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 8.6.1. Datos de los Materiales Usados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 9.0.1. Comparación de las Condiciones de los Camiones Actuales y Optimizado . . . . . . . . 141 10.1.1. Lista de Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 11.2.1. Niveles del Experimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 11.2.2. Datos de los Niveles de la Experimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 11.2.3. Análisis de Varianza para el Desplazamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 11.2.4. Coeficientes de Regresión para el Desplazamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  8. 8. ÍNDICE DE FIGURAS Página 7 Índice de figuras 1.2.1. Equilibrio de una partícula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.2. Diagrama de Cuerpo Libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.3. El vector posición r y la fuerza F en un cuerpo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.4. Tipos de Cargas en un Cuerpo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.5. Cargas Internas en un Plano Tridimensional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2.6. Fuerzas Internas en el Plano Bidimencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2.7. Esfuerzos Normales y Cortantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2.8. Diagrama Esfuerzo-Deformación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2.9. Estado de Esfuerzo bidimensional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.3.1. f (x) = 1/x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3.2. TRESCA v/s Von Mises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.0.1. Plan Cascada del Proceso de Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 5.1.1. QFD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 6.1.1. Función del Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 6.2.1. Esquema de Morfología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 6.2.2. Optimización Estructural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 6.2.3. Caja Compactadora inclinada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 6.2.4. Caja que Compacta desde el Suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 6.2.5. Caja que Compacta desde el suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 7.4.1. Árbol de Falla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 7.4.2. Gráfico de Confiabilidad de la Caja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 7.4.3. Gráfico de Confiabilidad del Tail-Gate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 7.5.1. .5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 7.7.1. Datos arrojados por StatGraphics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 8.2.1. Camión sin Caja Compactadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 8.2.2. Centro de Masa del Camión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 8.2.3. Camión con Caja Compactadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 8.2.4. Centro de Masa del Recolector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 8.2.5. Camión con Caja Compactadora y Carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 8.2.6. Centro de Masa de la Basura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 8.3.1. Vista Lateral Caja Compactadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  9. 9. ÍNDICE DE FIGURAS Página 8 8.3.2. Medidas Frontales Caja Compactadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 8.3.3. Medidas finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 8.3.4. Medidas Finales con Volumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 8.4.1. Caja Compactadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 8.4.2. Carga Placa Superior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 8.4.3. Carga q2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 8.4.4. Carga Pala Compactadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 8.4.5. Carga Placa Trasera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 8.4.6. Cargas totales laterales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 8.4.7. Reacciones y Centro de Masa del Soporte Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 8.4.8. Teorema del Seno para hallar α . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 8.4.9. Reacciones del Soporte Tail-Gate en descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 8.4.10. Primera Idealización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 8.4.11. Segunda Idealización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 8.4.12. Tercera Idealización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 8.4.13. Tercera Idealización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 8.4.14. Carga del Cargador de Contenedores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 8.4.15. Áreas del Hopper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 8.4.16. Cargas en el Hopper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 8.4.17. Fuerzas en la pared del Hopper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 8.4.18. Corte Transversal del Hopper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 8.4.19. Hooper del Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 8.4.20. Ilustración Gráfica de las Cargas en el Hooper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 8.4.21. Estado de Inicio de Levantamiento del Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 8.4.22. Diagrama de Cuerpo Libre del Tail-Gate en Reposo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 8.4.23. Tail-Gate en Estado de Descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 8.4.24. Diagrama de Cuerpo Libre del Tail-Gate en Descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 8.4.25. Cargas en las Placas Laterales de la Caja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 8.4.26. Cargas de la Basura Compactada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 8.4.27. Cargas en la Pala Compactadora del Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 8.4.28. Diagrama de Cuerpo Libre de la Pala Compactadora del Tail-Gate . . . . . . . . . . . . 85 8.4.29. Diagrama de Cuerpo libre de la Placa Corrediza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 8.4.30. Fuerza en la Placa Corrediza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  10. 10. ÍNDICE DE FIGURAS Página 9 8.4.31. Cargas en contenedor de Residuos Líquidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 8.4.32. Cargas Pisadera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 8.5.1. Primera Condición de Contorno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 8.5.2. Segunda Condición de Contorno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 8.5.3. Condición de Contorno del Soporte Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 8.5.4. Condiciones de Contorno Placas-Soporte Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 8.5.5. Condiciones de Contorno del Hopper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 8.5.6. Condiciones de Contorno del Tail-Gate en Alzamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 8.5.7. Condiciones de Contorno del Tail-Gate en Compactación . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 8.5.8. Condición de Contorno Placa Compactadora 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 8.5.9. Condición de Contorno Placa Corrediza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 8.5.10. Condición de Contorno de Contenedor de Residuos Líquidos . . . . . . . . . . . . . . . 95 8.5.11. Condiciones de Contorno Pisadera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 8.6.1. Resultados de los Esfuerzos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 8.6.2. Resultados Gráficos de los Esfuerzos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 8.6.3. Fuerzas en estado de Carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 8.6.4. Valores de los Esfuerzos es estado de Carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 8.6.5. Resultados Gráficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 8.6.6. Fuerzas en estado de Descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 8.6.7. Valores de Esfuerzos en estado de Descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 8.6.8. Resultados Gráficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 8.6.9. Valores de los Esfuerzos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 8.6.10. Valor del Máximo Esfuerzo Principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 8.6.11. Detalle del Punto de singularidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 8.6.12. Resultados de Análisis Hopper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 8.6.13. Resultados Gráficos Analisis Hopper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 8.6.14. Esfuerzo Máximo Hopper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 8.6.15. Dezplamiento en el Hopper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 8.6.16. Resultados Análisis en Alzamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 8.6.17. Resultados Gráficos de Análisis de Alzamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 8.6.18. Esfuerzo Máximo en Alzamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 8.6.19. Desplazamientos en Alzamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 8.6.20. Resultados Análisis en Compactación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  11. 11. ÍNDICE DE FIGURAS Página 10 8.6.21. Resultados Gráficos en Compactación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 8.6.22. Desplazamientos en Compactación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 8.6.23. Ilustración del Pasador en la Pala Compactadora 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 8.6.24. Resultados Análisis Pala Compactadora 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 8.6.25. Detalle Análisis Pala Compactadora 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 8.6.26. Desplazamiento en la Pala Compactadora 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 8.6.27. Resultados de Análisis Placa Corrediza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 8.6.28. Resultados Gráficos de Análisis Placa Corrediza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 8.6.29. Esfuerzo Máximo en el Análisis Placa Corrediza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 8.6.30. Desplazamientos en Análisis Placa Corrediza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 8.6.31. Resultados Análisis Contenedor de Residuos Líquidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 8.6.32. Resultados Gráficos Análisis Contenedor de Residuos Líquidos . . . . . . . . . . . . . . 115 8.6.33. Vista Detallada del Análisis Contenedor de Residuos Líquidos . . . . . . . . . . . . . . 116 8.6.34. Desplazamientos Análisis Contenedor de Residuos Líquidos . . . . . . . . . . . . . . . . 116 8.6.35. Resutados de los Esfuerzos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 8.6.36. Resultado gráficos Pisadera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 8.7.1. Pala Compactadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 8.7.2. Perfil Chasis Original . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 8.7.3. Perfil Chasis Optimizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 8.7.4. Perfil Lateral Original . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 8.7.5. Perfil Lateral Optimizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 8.7.6. Perfil Frontal Original . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8.7.7. Perfil Frontal Optimizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8.7.8. Placa Base Original . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 8.7.9. Placa Base Optimizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 8.7.10. Comparación Entre el conjunto Placa Base-Soporte Original y el Optimizado . . . . . . 123 8.7.11. Volumen del Soporte Original . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 8.7.12. Volumen Soporte Optimizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 8.7.13. Volumen del Soporte Tail-Gate Original . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 8.7.14. Volumen del Soporte Tail-Gate Optimizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 8.7.15. Caja Original . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 8.7.16. Caja Optimizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 8.7.17. Funcionamiento Original y Modificado del Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  12. 12. ÍNDICE DE FIGURAS Página 11 8.7.18. .5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 8.7.19. Optimización Placa Lateral Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 8.7.20. Estructura Lateral Original del Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 8.7.21. Perfil A (espesor 4mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 8.7.22. Perfil B (espesor 4mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 8.7.23. Perfil C (espesor 4mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 8.7.24. Perfil D (espesor 4mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 8.7.25. Perfil E (espesor 6mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 8.7.26. Estructura Lateral Optimizada del Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 8.7.27. Perfil Q (espesor 3mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 8.7.28. Perfil R (espesor 3mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 8.7.29. Perfil S (espesor 2mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 8.7.30. Perfil T (espesor 6mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 8.7.31. Perfil U (espesor 3mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 8.7.32. Modificación Capacho del Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 8.7.33. Modificación Contenedor de Residuos Líquidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 8.7.34. Cambios Generales del Tail-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 9.0.35. Diagrama de Cuerpo Libre de la Caja Compactadora Actual . . . . . . . . . . . . . . . 139 9.0.36. Ubicación Gráfica del Centro de Masa de la Caja Compactadora Optimizada . . . . . . 140 9.0.37. Resultados de Masa y Centro de Masa de Caja Compactadora Optimizada . . . . . . . 140 9.0.38. Diagrama de Cuerpo Libre de la Caja Compactadora Optimizado . . . . . . . . . . . . 141 11.2.1. Gráfico de Pareto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 11.2.2. Gráfico Normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 11.2.3. Superficie de Respuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 12.2.1. Arnes de Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 17.0.2. Multa del Camión Recolector de Basura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  13. 13. 1 MARCO TEÓRICO Página 12 Sección 1. Marco Teórico1.1. Principales Unidades del SI (Sistema Internacional) usadas en el Pro- yecto En la Tabla 1.1.1 se presentan algunas de las unidades más utilizadas en mecánica, éstas serán utili-zadas en el proyecto Optimización de una Caja Compactadora instalada en los camiones recolectores debasura domiciliaria. Cantidad Unidad Simbolo Fórmula Tiempo Segundo s s Metro per segundo al Aceleración ... m/s2 cuadrado Área Milímetro cuadrado ... mm2 Masa Kilogramo kg kg Volumen (Sólidos) Milímetro cubico ... mm3 Kilogramos per milí- Densidad ... kg/mm3 metro cúbico Fuerza Newton N kg · m/s2 Momento de una fuer- Newton-milímetro ... N · mm za Presión Mega Pascal MPa N/mm2 Esfuerzo Mega Pascal MPa N/mm2 Tabla 1.1.1: Tabla de unidades del SI usadas en el Proyecto1.2. Estática y Mecánica de Sólidos1.2.1. Estática El material bibliográfico utilizado fue el libro Mecánica Vectorial para Ingenieros de FerdinandP. Beer, E. Russel Johnston, Jr. y Elliot R. Eisenberg donde se aplicaron los principios básicos de lamecánica para resolver el problema de cargas en el proyecto. Equilibrio de una partícula Cuando en una partícula el efecto neto de las fuerzas es nulo se dice que ésta en equilibrio. “[...]Así pues, podemos definir que cuando la resultante de todas las fuerzas aplicadas a una partícula es 2 Algunas oraciones son tomadas sin alteración alguna de los libros que se mencionarán, por lo que pueden esta en primerapersona. Estas notas se identificarán con los símbolos [...] y/o “ ”.Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  14. 14. 1 MARCO TEÓRICO Página 13 nula, la partícula está en equilibrio.” [Beer et al., 2000, p. 30] Una partícula sometida a la acción de dos fuerzas estará en equilibrio si las dos fuerzas tienen el mismo módulo y la misma recta soporte (dirección) pero sentidos contrarios. La resultante de las dos fuerzas será nula. Este caso se representa en la Figura 1.2.1 Figura 1.2.1: Equilibrio de una partícula La Ecuación 1.2.1 representa de forma algebraica las condiciones de equilibrio de una partícula. ∑ R= F =0 (1.2.1) De lo anterior, las condiciones necesarias y sucientes para que una partícula esté en equilibrio son: ∑ Fx = 0 (1.2.2) ∑ Fy = 0 (1.2.3) Diagrama de Cuerpo Libre o de Sólido Libre [...]Se llama diagrama del espacio a un dibujo rápido en el que se esquematizan las condiciones físicas de un problema. [Beer et al., 2000, p. 31] Se consigue ello eligiendo una partícula signicativa y dibujando otro esquema en el que figuren la partícula y todas las fuerzas que actúan sobre ella. “Este esquema se llama diagrama de sólido libre.”[Beer et al., 2000, p. 32]. En la Figura 1.2.2 se esquematiza el Diagrama de cuerpo libre el cual representa las fuerzas que actúan en él.Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  15. 15. 1 MARCO TEÓRICO Página 14 Figura 1.2.2: Diagrama de Cuerpo Libre Fuerzas Externas e Internas • “Las fuerzas externas representan la acción de otros cuerpos sobre el sólido rígido considerado. Son enteramente responsables del comportamiento externo del sólido rígido3 . Harán que se mueva o permanezca en reposo.” [Beer et al., 2000, p. 67] • “Las fuerzas internas son aquellas que mantienen unidas entre sí a las partículas que forman el sólido rígido.” [Beer et al., 2000, p. 68] Momento de una fuerza con respecto a un punto “Se define el momento de F con respecto a O como el producto vectorial de r y F.” [Beer et al., 2000, p. 74] MO = r × F (1.2.4) Figura 1.2.3: El vector posición r y la fuerza F en un cuerpo Si se llama θ al ángulo formado por las rectas soporte del vector posición y de la fuerza F, se encuentra que el modulo del momento de F con respecto a O es: MO = r · F · sin θ = F · d (1.2.5) 3 Se llama sólido rígido aquel cuerpo que no sufre deformaciones por fuerzas externasLos Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  16. 16. 1 MARCO TEÓRICO Página 15 donde d representa la distancia del punto O a la recta soporte de F. Como la tendencia de una fuerza a hacer girar un sólido alrededor de un eje fijo perpendicular a la fuerza depende de la distancia de F a dicho eje, así como el módulo de F, se observa que el módulo de MO mide la tendencia de la fuerza F a imprimir al sólido rígido una rotación alrededor de un eje dirigido según MO . En el sistema de unidades si, en el que la fuerza se mide en newton (N ) y una distancia en metros (m), el momento de una fuerza se expresará en newton-metro (N · m) [Beer et al., 2000, p. 74].1.2.2. Mecánica de Sólidos La ayuda bibliográfica en el ámbito de ciencias de los materiales se enmarcó dentro del texto Mecá-nica de Materiales de Ferdinand P. Beer, E. Russel Johnston, Jr. y John T. Dewolf y Mecánica deMateriales de R. C. Hibbeler para tener un amplio conocimiento sobre el comportamiento interno deun cuerpo deformable al estar sometido a fuerzas externas 4 . En primer lugar se debe definir dos conceptos que son relevantes: Materiales Dúctiles “Los materiales dúctiles como el acero estructural, así como muchas aleaciones de otros metales, se caracterizan por su capacidad de fluir a temperaturas normales[...]” [Beer et al., 2007, p 51] “[...] Todo material que pueda estar sometido a deformaciones unitarias grandes antes de su rotura se llaman material dúctil.” [Hibbeler, 2006, p. 91]. Materiales Frágiles “Los materiales frágiles como el acero colado, el vidrio y la piedra se caracterizan por el fenómeno de que la fractura ocurre sin un cambio notable previo a la taza de alargamiento. Así, para los materiales frágiles, no hay diferencia entre la resistencia última y la resistencia a la fractura, como no lo es con los materiales dúctiles[...]” Ver Figura 1.2.8. “[...] Los materiales que exhiben poca o nunguna fluencia antes de su rotura se llaman materiales frágiles. [Hibbeler, 2006, p. 93]. Equilibrio de un Cuerpo Deformable • Cargas Externas: Un cuerpo puede estar sometido a diversos tipos de cargas externas; sin embargo, cualquiera de éstas puede clasificarse como fuerza de superficie o como fuerza de 4 En esta sección se profundizará el tema de fuerzas externas e internas tratadas en Estática.Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  17. 17. 1 MARCO TEÓRICO Página 16 cuerpo. Ver Figura 1.2.4 [Hibbeler, 2006, p. 4]. ◦ Fuerzas de superficie: Las fuerzas de superficie son causadas por el contacto directo de un cuerpo con la superficie de otro. ◦ Fuerza de cuerpo: Una fuerza de cuerpo se desarrolla cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro sin contacto directo físico directo entre los cuerpos. ◦ Reacciones en los soporte: Las fuerzas que se desarrollan en los soportes o puntos de contacto se llaman reacciones. Figura 1.2.4: Tipos de Cargas en un Cuerpo • Ecuaciones de Equilibrio: El equilibrio de un miembro requiere un balance de fuerzas para impedir que el cuerpo se traslade o tenga movimiento acelerado a lo largo de una recta o curva, y un balance de momentos para impedir que el cuerpo gire. Estas condiciones se pueden expresarse matemáticamente con las dos ecuaciones vectoriales: [Hibbeler, 2006, p. 6]. ∑ F =0 (1.2.6) ∑ MO = 0 (1.2.7) ∑ ∑ Aquí, F representa todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo y MO representa la suma de los momentos de todas las fuerzas respecto a cualquier punto O sobre o dentro del cuerpo. En el caso de las fuerzas que se encuentran en un plano xy (fuerzas coplanares), entonces las condiciones para el equilibrio del cuerpo pueden especificarse por medio de sólo tres ecuacionesLos Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  18. 18. 1 MARCO TEÓRICO Página 17 escalares de equilibrio, éstas con: ∑ Fx = 0 (1.2.8) ∑ Fy = 0 (1.2.9) ∑ MO = 0 (1.2.10) • Cargas Internas Resultantes: Para determinar las cargas internas que actúan sobre una región específica dentro del cuerpo es necesario usar el método de las secciones. Esto requiere hacer una sección imaginaria o “corte” a través de la región donde van a determinarse las cargas internas [Hibbeler, 2006, p. 7]. Ver Figura 1.2.5 . ◦ Fuerza Normal, N. Esta fuerza actúa perpendicularmente al área. Ésta se desarrolla siem- pre que las fuerzas externas tienden a jalar o empujar sobre los dos segmentos del cuerpo. ◦ Fuerza Cortante, V. La fuerza cortante reside en el plano del área y se desarrolla cuando las cargas externas tienden a ocasionar que los dos segmentos del cuerpo resbalen uno sobre el otro. ◦ Momento Torsionante o Torca, T. Este efecto se desarrolla cuando las cargas tienden a torcer un segmento del cuerpo con respecto al otro. ◦ Momento Flexionante, M. El momento flexionante es ocasionado por las cargas externas que tienden a flexionar el cuerpo con respeto a un eje que se encuentre dentro del plano del área. Si el cuerpo está sometido a un sistema de fuerzas coplanares, ver Figura 1.2.6, entonces sólo existen en la sección componentes de fuerza normal, fuerza cortante y de momento flexionante. Esfuerzo Normal La intensidad de fuerza, o fuerza por área unitaria, actuando normalmente a ∆A se define como esfuerzo normal, σ (sigma). Como ∆Fz es normal al área, entonces: P σ= · (sin 2 · θ) (1.2.11) 2·ALos Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  19. 19. 1 MARCO TEÓRICO Página 18 Figura 1.2.5: Cargas Internas en un Plano Tridimensional Figura 1.2.6: Fuerzas Internas en el Plano Bidimencional Se empleará un signo positivo para indicar un esfuerzo de tensión (cuando el esfuerzo “jala”) y un signo negativo cuando es de compresión (si “empuja”). Esfuerzo Cortante La intensidad de fuerza, o fuerza por área unitaria, actuando tangente a ∆A se llama esfuerzo cortante, τ (tau). Aquí se tienen las componentes de esfuerzo cortante, P τ= · (1 + cos 2 · θ) (1.2.12) 2·A El subíndice z en σz se usa para indicar la dirección de la linea normal hacia fuera, que específica la dirección del área ∆A, ver Figura 1.2.7. Para las componentes del esfuerzo cortante se utilizan dos subíndices, el primero indica la orientación del área y el segundo se refiere a los ejes coordenados en cuya dirección actúan los esfuerzos cortantes [Hibbeler, 2006, p. 23].Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  20. 20. 1 MARCO TEÓRICO Página 19 Figura 1.2.7: Esfuerzos Normales y Cortantes Deformación bajo carga axial “[...]definimos la deformación unitaria normal en una varilla bajo la carga axial como la defor- mación por unidad de longitud de dicha varilla. Si la deformación unitaria normal se representa por(épsilon), se tiene: δ ϵ= (1.2.13) L Elaborando la gráfica de esfuerzo σ = P/A en contraste con la deformación ϵ = δ/L, se obtiene una curva que es característica de las propiedades del material y no depende de las dimensiones de la muestra particular utilizada[...]”[Beer et al., 2007, p. 49] Diagrama de Esfuerzo-Deformación “[...]el diagrama que representa la relación entre el esfuerzo y la deformación en un material dado es una característica importante del material. Para obtener el diagrama de esfuerzo-deformación de un material se lleva a cabo un ensayo o prueba de tensión sobre una probeta5 del material[...]” [Beer et al., 2007, p. 50] La Figura 1.2.8 muestra las zonas y puntos característicos en un diagrama de esfuerzo-deformación. Ley de Hooke “La mayor parte de las estructuras de ingeniería se diseñan para sufrir deformaciones relativamente pequeñas, que involucran sólo la parte recta del diagrama de esfuerzo-deformación correspondiente. Para esta porción inicial del diagrama (Figura 1.2.8), el esfuerzo σ es directamente proporcional a la deformación , y puede escribirse: σ =E·ϵ (1.2.14) 5 Pieza normalizada la cual se ensaya para conocer las características de un material.Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  21. 21. 1 MARCO TEÓRICO Página 20 Figura 1.2.8: Diagrama Esfuerzo-Deformación Esta relación se conoce como Ley de Hooke. El coeficiente E se denomina módulo de elasticidad del material involucrado o, también, módulo de Young. Como la deformación en una cantidad adimensional, el módulo E se expresa en las mismas unidades que el esfuerzo σ, es decir en Pascales. [Beer et al., 2007, p. 56] Esfuerzos Principales “Para un elemento de masa en 2D podemos graficar su estado de esfuerzo de la siguiente forma:” Figura 1.2.9: Estado de Esfuerzo bidimensionalLos Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  22. 22. 1 MARCO TEÓRICO Página 21 “Dependiendo del ángulo de rotación del plano de análisis, el estado de esfuerzo será diferente.” [Bustamante and M., 2009, p. 1] El estado de esfuerzo en un solo sistema de coordenadas no entrega toda la información necesaria. En la Figura 1.2.9 el eje xy que determina los estados de esfuerzo, no necesariamente se encuentran los esfuerzos máximos que hacen fallar al material. Es decir que puede existir un sistema de refe- rencia en donde los esfuerzos normales son máximos, éstos se denominan esfuerzos principales. Además existe otro sistema de referencia en donde los esfuerzos de corte son máximos. Estos se determinan de la siguiente forma: √( ) σx + σy σx − σy 2 σ1,2 = ± + τxy 2 (1.2.15) 2 2 √( ) σx − σy 2 τmáx =± + τxy 2 (1.2.16) 2Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  23. 23. 1 MARCO TEÓRICO Página 221.3. Método de Elementos Finitos (MEF) El método de elementos finitos (mef), es la técnica de cálculo numérico más usada para obtenersoluciones aproximadas de cierto tipo de ecuaciones diferenciales parciales. A pesar de que sus orígenesse encuentran en el análisis estructural, ha tenido como método un gran desarrollo en los últimos añosy sus aplicaciones hoy son muy variadas, pudiéndose destacar entre ellas aplicaciones de problemas detrasferencia de calor, fluidos, electromagnetismo. etc., siendo actualmente centro de interés de numerososinvestigadores en la rama de la matemática, física aplicadas e ingeniería. Lo que caracteriza al método es que el dominio de la aproximación es subdividido en subdominios con-vexos llamados elementos (triángulos, rectángulos, cubos, etc) y la función de aproximación es construidacon funciones simples, generalmente polinomios, definidas en los elementos de tal manera que ciertascondiciones son satisfechas. [Oliveira, 1990, p. 135] Se deben distinguir dos métodos de convergencia dentro de mef:a) Se define la convergencia h como el proceso en el cual las funciones de interpolación son mantenidas fijas y aumentando el número de elementos en el mallado para conseguir una mayor precisión.b) Se define la convergencia p como el proceso en el cual la malla de elementos finitos es mantenida fija y el grado p de las funciones polinómicas de interpolación es aumentado uniforme o selectivamente.1.3.1. Puntos Singulares “Advertencia: las medidas marcadas con asterisco fueron evaluadas (o cerca) en resultados singulares.Los valores de estas medidas pueden ser inexactos, y debes usar criterio ingenieril para interpretarlas”.Es un mensaje que se encuentra en algunos estados de análisis que arroja el software de elementos finitos,Creo Element Pro 5.0, y que en la mayoría de los resultados los esfuerzos son elevados, y peor aún, sepresentan en zonas en donde es poco probable que se concentren esfuerzos como los que muestra el soft-ware. Es por ello que cabe hacer una búsqueda de información para adentrarse en el tema de FuncionesSingulares. Existen varias definiciones de singularidad, pero todas convergen a un mismo a un mismo punto: Definición Matemática: “Una función f (x) es analítica en x = a si f (x), se puede expresar por una serie de potencias en términos de h = x−a dentro de un radio de convergencia: D > |x−a| > 0.Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  24. 24. 1 MARCO TEÓRICO Página 23 Una condición necesaria para que una función sea analítica es que todas sus derivadas sean conti- nuas tanto en x = a como en alguna cercanía alrededor de ese punto. Un punto donde una función f (x) no es analítica recibe el nombre de punto singular[...]” [Aranda, 2003, p. 218]. 1 Una función practica para entender el concepto es f (x) = x. Esta función posee una singularidad en x = 0. Figura 1.3.1: f (x) = 1/x Definición Física-Mecánica: “[...](Cinética) las fuerzas que supusimos que actuaban sobre las partículas eran funciones continuas dependientes del tiempo, de la posición o velocidad. Sin em- bargo, en muchas aplicaciones, estas fuerzas actuan de forma discontinua. Algunas de ellas son las explosiones intermitentes de un motor de combustión interna y el golpeteo de un cojinete de amortiguación[...] [?, p. 124] Donde se presentan con mayor manera este fenómeno es en el estudio de la mecánica lineal de fractura.Para ello se trabaja con software basados en la versión p porque constituyen una herramienta extrema-damente eficiente ya que son capaces de “absorber” singularidades sin necesidad de asumir a priori elcarácter de éstas. [Oliveira, 1990, p. 143]. En la naturaleza hay comportamientos que no se predicen como realmente ocurren. Por consiguiente,los modelos físicos-matemáticos a veces fallan en estos puntos (discontinuidades), lo que conlleva a erroresde cálculo y predicción.Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  25. 25. 1 MARCO TEÓRICO Página 241.3.2. Criterios de Falla “El criterio de falla en resistencia de materiales es la deformación plástica, es decir, un material fallacuando éste se deforma plásticamente.” [Bustamante and M., 2009, p. 2] Nota: Se presentarán dos criterios de falla, ya que el software de elementos finitos da como opcióndos para materiales dúctiles (los que se describirán) y uno para frágiles6 Esfuerzo Cortante Máximo (tresca) Estipula que la fluencia comienza cuando el esfuerzo de corte máximo de cualquier elemento iguala al esfuerzo de corte máximo de una probeta de ensayo de tracción del mismo material cuando esta probeta empieza a fluir. Ver primer Item de la Sección 1.2.2 σf l τmáx ≤ (1.3.1) 2 Los signos de σ1 y σ2 son iguales. máx {|σ1 |, |σ2 |} ≤ σf l (1.3.2) Los signos de σ1 y σ2 son distintos |σ1 | − |σ2 | ≤ σf l (1.3.3) Teoría de la Energía Máxima de Distorsión (Von Mises) “Estipula que la falla por fluencia ocurre cuando la energía de deformación total en un volumen unitario alcanza o excede la energía de deformación en el mismo volumen correspondiente a la resistencia de fluencia en tracción o compresión.” [Bustamante and M., 2009, p. 3] σf l √ = σ1 2 − σ1 · σ2 + σ2 2 (1.3.4) FS Donde FS es el factor de seguridad. σf l = σadm (1.3.5) FS 6 La definición de estos tipo de materiales se encuentran en la Sección 1.2.2Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  26. 26. 1 MARCO TEÓRICO Página 25 Compactación entre los 2 Métodos “[...] El criterio de tresca no predice tan bien las fallas como el de Von Mises, pero es más conser- vador y mas fácil de calcular. ” [Bustamante and M., 2009, p. 3] La Figura 1.3.2 muestra gráficamente los dos métodos antes mencionados. El criterio de Von Mises “abarca” una mayor área de trabajo que el de tresca, es por ello que a éste último se apoda como conservador. Figura 1.3.2: TRESCA v/s Von MisesLos Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  27. 27. 2 PROBLEMA DE DISEÑO Página 26 Sección 2. Problema de Diseño2.1. Planteamiento del Problema Durante el traslado del camión recolector de basura desde Máfil al vertedero, éste debe pasar porel pesaje que efectúa vialidad para controlar los límites de carga en los camiones. El camión no pasasatisfactoriamente el control y la Municipalidad de Máfil es multada por la infracción cometida.2.2. Definición de la Necesidad El camión debiera cumplir con el decreto MOP 150 de 1980, contenido en el DFL n◦ 206 de 1960, Leyn◦ 18305 de 1984; Ley n◦ 19171 de 1992 y DFL n◦ 850 de 1977 de cargas en los camiones con exceso depeso transportado, la cual establece que los camiones de dos ejes no pueden sobrepasar los 7000 kg en eleje delantero y 11000 kg en el eje trasero.Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  28. 28. 3 OBJETIVOS Página 27 Sección 3. Objetivos3.1. Objetivo General Rediseñar la Caja Compactadora de residuos sólidos del camión recolector de basura perteneciente ala municipalidad de Mafil, para que cumpla con la norma chilena referente a la distribución de carga envehículos mayores.3.2. Objetivos Específicos Hacer un levantamiento de datos de la Caja Compactadora de residuos sólidos. Generar un modelo sólido de la caja Caja Compactadora en Creo Element/Pro 5.0. Obtener las cargas distribuidas en cada eje del camión que soporta la Caja Compactadora. Determinar las causas principales que originan el problema. Proyectar cambios necesarios en la estructura de la Caja Compactadora, para solucionar el proble- ma. Generar un informe con el detalle de todo el proceso de diseño.Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  29. 29. 4 PLANIFICIACIÓN DE PROYECTO Página 28 Sección 4. Planificiación de Proyecto El proceso de diseño está formado por seis etapas principales, con las cuales se guió el presente pro-yecto. [Ullman, 2010, p. 81]. Para llevar a cabo un correcto proceso de diseño es necesario contar con un plan de trabajo. Haymuchos tipos de planes de proyecto, los más simples y utilizados son: el plan Stage-Gate o plan de cas-cada y el plan de espiral [Ullman, 2010, p. 113-117]. Luego de un análisis de los planes mencionados, elequipo de trabajo determinó que el más adecuado para el desarrollo del proyecto es el método Stage-Gate(ver Figura 4.0.1), ya que, a diferencia del método de espiral, permite una buena gestión del proceso yun trabajo secuencial. La estructura general fue situar en cada nivel de la cascada las diferentes etapasdel proceso de diseño, y el paso de una etapa a otra estaría restringido por una evaluación del trabajorealizado, donde se determina si se cumplieron los objetivos para pasar al siguiente nivel, o si es necesarioinvertir más trabajo para refinar la etapa. El detalle de la planificación de las tareas a desarrollar en el proyecto se muestra en la Carta Gantt. Figura 4.0.1: Plan Cascada del Proceso de DiseñoLos Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  30. 30. Universidad Austral de ChilePágina 29 Nombre de tarea Duración Comienzo Fin marzo 2011 mayo 2011 julio 2011 septiembre 2011 01 marzo 01 abril 01 mayo 01 junio 01 julio 01 agosto 01 septiembre 01 octubre 06/03 20/03 03/04 17/04 01/05 15/05 29/05 12/06 26/06 10/07 24/07 07/08 21/08 04/09 18/09 02/10 16/10 Duración total 129 días lun 11/04/11 jue 06/10/11 Descubrimiento del producto 5 días lun 11/04/11 vie 15/04/11 Elección del proyecto 2 días lun 11/04/11 mar 12/04/11 Definición de la necesidad 1 día mié 13/04/11 mié 13/04/11 Identificación de la fuente 1 día jue 14/04/11 jue 14/04/11 Caracterización del producto 1 día vie 15/04/11 vie 15/04/11 Planificación del producto 7 días lun 18/04/11 mar 26/04/11 Creación de una lista de tareas 2 días lun 18/04/11 mar 19/04/11 Estimación de los recursos del proyecto 2 días lun 18/04/11 mar 19/04/11 Análisis de implementación necesaria 1 día mié 20/04/11 mié 20/04/11 Selección del modelo de trabajo a utilizar 2 días jue 21/04/11 vie 22/04/11 Creación de la carta gantt 2 días lun 25/04/11 mar 26/04/11 Definición del producto 8 días mié 27/04/11 vie 06/05/11 Identificación de los clientes para el producto 2 días mié 27/04/11 jue 28/04/11 Registro de los requisitos de los clientes 2 días vie 29/04/11 lun 02/05/11 Formulación de las especificaciones de ingeniería 2 días mar 03/05/11 mié 04/05/11 Definición de las expectativas de desempeño 2 días jue 05/05/11 vie 06/05/11 Producir matriz QFD 2 días jue 05/05/11 vie 06/05/11 Diseño conceptual 5 días lun 09/05/11 vie 13/05/11 Generación de conceptos 1 día lun 09/05/11 lun 09/05/11 Desarrollo de un modelo conceptual 1 día mar 10/05/11 mar 10/05/11 Desarrollo de informe de presentación 1 día mié 11/05/11 mié 11/05/11 Elección de la mejor alternativa 1 día jue 12/05/11 jue 12/05/11PLANIFICIACIÓN DE PROYECTO Refinamiento del producto 1 día vie 13/05/11 vie 13/05/11 Desarrollo del producto 104 días lun 16/05/11 jue 06/10/11 Desarrollo de un modelo en proengineer 33 días lun 16/05/11 mié 29/06/11 Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Recesión 22 días jue 30/06/11 vie 29/07/11 Estudio de cargas 8 días lun 01/08/11 mié 10/08/11 Realización de un análisis por MEF 12 días jue 11/08/11 vie 26/08/11 Registro de documentación técnica referente al producto días 10 lun 29/08/11 vie 09/09/11 Formulación de instrucciones de control de calidad 3 días lun 12/09/11 mié 14/09/11 Generación de documentos para presentación 16 días jue 15/09/11 jue 06/10/11 Carta Gantt Proyecto: carta PROYECTO Tarea Hito Resumen del proyecto Hito externo Progreso Fecha: mié 05/10/11 División Resumen Tareas externas Fecha límite Página 1 4.1.4
  31. 31. 5 DEFINICIÓN Y ALCANCES DEL PROYECTO Página 30 Sección 5. Definición y Alcances del Proyecto5.1. Definición del Producto Entender el problema de diseño es una base esencial para el diseño de un producto de calidad. “En-tender el problema"se refiere a traducir los requisitos de los clientes en una descripción técnica de lo quedebe ser diseñado [Ullman, 2010, p. 143]. El método utilizado para lograr el entendimiento del problemaes la matriz QFD (Quality Function Deployment) [Ullman, 2010, cap. 6]. Ver Figura 5.1.1 Figura 5.1.1: QFDLos Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  32. 32. 5 DEFINICIÓN Y ALCANCES DEL PROYECTO Página 315.2. Alcances del Proyecto El problema de las Cajas Compactadoras se presenta en varias municipalidades de la zona, por estarazón se procedió a evaluar los casos en Máfil y Valdivia. Una vez analizados ambos casos, y por limita-ciones de tiempo, se decidió enfocarse solo al camión de Máfil, que es el que presenta la situación masdesfavorable. . Para solucionar el problema solamente se puede modificar la Caja Compactadora; no elcamión que la soporta. Se asumió que la caja es simétrica con respecto a su eje central, ya que las variaciones aparecidas sedeben a pequeños errores en la manufactura. El análisis de diseño experimental se trabajó con medidas para una caja paralelepípeda, puesto que esmás fácil de trabajar para el tema de cálculo y entrega información relevante de priorización, semejantea la caja original.Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  33. 33. 6 DETALLES DEL PROYECTO Página 32 Sección 6. Detalles del Proyecto6.1. Función del Sistema La función principal del sistema es compactar, transportar y expulsar la basura al basurero municipal,las sub-funciones se muestran en el diagrama de la Figura 6.1.1. Figura 6.1.1: Función del SistemaLos Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  34. 34. 6 DETALLES DEL PROYECTO Página 336.2. Prototipos Desarrollados y Resultados Relativos para Satisfacer las Es- pecificaciones de Ingeniería En el desarrollo de los prototipos se utilizaron dos métodos: lluvia de ideas y morfología, con la pri-mera herramienta se generaron los primeros 3 bocetos, y con el segundo, que es más sofisticado, se diseñoun cuarto prototipo. A continuación, la Figura 6.2.1 esquematiza cómo se armo el cuarto boceto: Figura 6.2.1: Esquema de Morfología Boceto n◦ 1: Optimización Estructural La idea de este boceto es optimizar la estructura de la Caja Compactadora. Esto significa disminuir espesores y dimensiones, cambiar la posición y forma de algunas piezas con la intención de mini- mizar los esfuerzos, y, finalmente, eliminar partes que no estén cumpliendo una función provechosa en la caja.Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  35. 35. 6 DETALLES DEL PROYECTO Página 34 Figura 6.2.2: Optimización Estructural Boceto n◦ 2: Caja Compactadora Inclinada Esta opción se centra en inclinar la Caja Compactadora con respecto al chasis, dejando en voladizo una parte de la caja, con el objetivo de concentrar la distribución de carga más adelante, mejorando su distribución con respecto a los ejes. La ventaja en este boceto es la facilidad para modificar las Caja Compactadora actuales, de modo que el problema se solucionaría de manera rápida y con muy bajo costo.Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  36. 36. 6 DETALLES DEL PROYECTO Página 35 Figura 6.2.3: Caja Compactadora inclinada Boceto n◦ 3: Caja que Compacta desde el Suelo Figura 6.2.4: Caja que Compacta desde el Suelo Este prototipo tiene como principal característica de poseer un sistema de compactación ubicado en la base de la Caja.Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  37. 37. 6 DETALLES DEL PROYECTO Página 36 Boceto n◦ 4: Caja de Carga Lateral Figura 6.2.5: Caja que Compacta desde el suelo Con este boceto se pretende eliminar el Tail-Gate ubicado en la parte posterior de la Caja Com- pactadora y reemplazarlo por un sistema que cargue por el costado. La ventaja en este modelo es que se eliminaría la gran concentración de carga en el eje trasero y, además, disminuiría de manera considerable la masa de la caja, lo que permitiría cargar mucha más basura. El inconve- niente es que probablemente sería muy difícil respetar el ancho máximo permitido para camiones en Chile de 2.6 metros, y la capacidad volumétrica del cargador sería muy inferior al sistema actual.Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  38. 38. 6 DETALLES DEL PROYECTO Página 376.3. Elección del Concepto La evaluación de los conceptos se realizó mediante la Matriz de Pughs, (ver Tabla 6.3.1), de la cual seobtuvo como resultado que el concepto más viable es la optimización de estructura. La Matriz de Pughspermite apreciar que la caja que compacta por el costado es mejor en posicionamiento y seguridad, sinembargo, no cumple con la norma de dimensionamiento, la cual establece que los camiones no puedensuperar los 2.6 metros de ancho. Ante esta situación, se concluye que no es factible construir una caja queno pueda circular por las calles, y se toma la decisión de elegir por la optimización de estructura comoconcepto a desarrollar. Ahora bien, existen ventajas en los otros conceptos que van a ser aprovechadas eincluidas en el concepto escogido. Optimización Estructural Caja de Carga Lateral Caja C. Angulada C. C. desde el suelo Elegir alternativa de diseño para Caja Compactadora Cumple con lo límites de carga 30 0 0 0 Capacidad de Carga 20 1 -1 1 Manufacturización 10 -1 -1 -1 Seguridad y posicionamiento 10 0 0 1 Cumple con las normas de dimensionamiento 30 0 0 -1 Total 0 -2 0 Peso Total 10 -30 -10 Tabla 6.3.1: Matriz de PughsLos Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  39. 39. 7 DESARROLLO DEL PRODUCTO Página 38 Sección 7. Desarrollo del Producto7.1. Materiales Entre los materiales de construcción comunes el acero tiene una posición relevante; combina la resis-tencia mecánica, su capacidad de ser trabajado, disponibilidad y su bajo costo. Los aceros al Carbono comunes, simplemente laminados y sin ningún tratamiento térmico, constituyenun porcentaje considerable dentro de los aceros estructurales. Los requisitos fundamentales que deben cumplir estos aceros, son los siguientes: Ductilidad y homogeneidad. Valor elevado de la relación resistencia mecánica/límite de fluencia. Soldabilidad. Apto para ser cortado por llama, sin endurecimiento. Resistencia a la corrosión, razonable. Un contenido relativamente bajo de Carbono y el trabajado en caliente de laminación de los perfilesestructurales, garantizan la ductilidad necesaria, además de la homogeneidad en todo el material. Laductilidad de estos aceros garantiza una excelente trabajabilidad en operaciones como el corte, doblado,perforado, etc., sin que se originen fisuras u otros defectos. El límite de fluencia, así como el módulo de elasticidad, son las características del acero que se utilizanen el proyecto y el cálculo de la estructura. La soldabilidad, por otra parte, es otra característica muy importante en este tipo de material deconstrucción, ya que la soldadura de los elementos y piezas en una estructura es práctica común. Losaceros al Carbono comunes también satisfacen este requisito, pues deben ser soldados sin alterar su micro-estructura. Del mismo modo, el corte por llama, muy empleado en piezas estructurales, afecta levementea estos aceros, desde el punto de vista de sus alteraciones micro estructurales en las proximidades de lazona de corte.Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  40. 40. 7 DESARROLLO DEL PRODUCTO Página 39 En este país, los aceros estructurales están normalizados por el Instituto Nacional de Normalizacióny sus requisitos se describen en la Norma Chilena Oficial NCh 203. Of77. Dicha norma se aplica a losproductos planos, perfiles y barras de uso en la construcción de estructuras. De acuerdo a las desig-naciones adoptadas, los aceros estructurales nacionales han adoptado tres grados de aceros, según suscaracterísticas mecánicas; estos son el A37-24ES, A42-27ES y A52-34ES. En esta nomenclatura, la letraA significa que el material es acero al carbono; los números se refieren a la resistencia a la tracción y allímite de fluencia mínimo por tracción, respectivamente expresados en Kgf /mm2 ; la letra E indica queel acero es para usos estructurales y la letra S que el acero es de soldabilidad garantizada. Un segundo requisito que debe cumplirse en esta norma, es que los productos laminados deberánresistir un doblado a 180◦ sin que se observen grietas en la zona sometida a tracción. Finalmente, para garantizar la soldabilidad del producto, sin que sea necesario someter a tratamientosespeciales el cordón y dar garantías de unión bajo cargas de servicio, el acero debe cumplir exigencias ensu composición química. Por ejemplo, el acero A42- 27ES admite como máximos en Carbono, Manganeso, 7Fósforo y Azufre 0,27 %, 1,30 %, 0,05 % y 0,063 % respectivamente. Para la construcción de la mayor parte de Caja Compactadora (planchas y Perfiles) se utilizará elacero A42-27ES, esta decisión atiende primeramente a las características mencionadas anteriormente,seguido de la mayor disponibilidad de este material en el mercado y finalmente a la buena relación entresus características mecánicas y precio que presenta. Elementos fabricados con otros materiales: La Plancha de piso de la Caja y del Tail- Gate será fabricada de acero anti abrasivo 500HB por losrequerimientos de resistencia a la abrasión que se dan en esas zonas. El acero antiabrasivo es un aceroaleado con tratamiento térmico de normalizado. Diseñado para obtener alta resistencia a la abrasión,impacto y corrosión atmosférica. Las propiedades inherentes a este acero permiten alcanzar un excelentedesempeño al ser usado en equipos de movimiento de tierra, tolvas, canaletas de traspaso, baldes de dra-gado, transportadoras deslizantes, cuchillos de bulldozer, mezcladores de hormigón, aspas de ventiladores,etc. (Otero) 7 Fuente: Conpendio de Normas Productos de Acero: Gerdau AZA 2002.Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  41. 41. 7 DESARROLLO DEL PRODUCTO Página 40 Los pasadores se fabricaran de acero SAE 1045 que es un Acero de mediano contenido de carbonoutilizado ampliamente en elementos estructurales que requieran mediana resistencia mecánica y tenacidada bajo costo. posee baja soldabilidad, buena maquinabilididad y excelente forjabilidad. Es utilizado paratodo tipo de elementos que requieren dureza y tenacidad como ejes, manivelas, chavetas, engranajes debaja velocidad, espárragos, acoplamientos, pasadores, etc. (Otero) Límite de Fluencia Resistencia a la Tracción Acero Dureza (HB) Elongación ( %) (Kgf /mm2 ) (Kgf /mm2 ) A42-27ES 115 27 42 20 SAE-1045 170 40 63 15 Antiabrasivo 500 1200 1400 7 Tabla 7.1.1: Propiedades Mecánicas de Aceros Utilizados7.2. Procesos de Manufactura a Utilizar Para la fabricación de la Caja Compactadora se usarán diferentes procesos de manufactura, en laTabla 7.2.1. se detallan los procesos para los diferentes componentes. Proceso de Manufactura Maquinaría Aplicación Torneado Torno Longitudinal Pasadores Soldado Soldadora mig Unión de Planchas y Perfiles Taladro Taladro Pedestal o Radial Perforación para Pasadores Plegado Plegadora Curvas en Planchas de la Caja Equipo Oxicorte, Esmeril angu- Cortar para dar forma y dimen- Dimensionado lar siones a los componentes Tabla 7.2.1: Procesos de Manufactura a Usar7.3. Proceso de Soldado Todo el proceso de soldadura de la Caja Compactadora se realizará a través del sistema mig. Estesistema está definido, por la sociedad americana de soldadura (aws), como un proceso de soldadura alarco, donde la fusión se produce por calentamiento con un arco entre un electrodo de metal de aportecontinuo y la pieza, donde la protección del arco se obtiene de un gas suministrado en forma externa, elcual protege de la contaminación atmosférica y ayuda a estabilizar el arco. [IND, 1998, p. 74].Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  42. 42. 7 DESARROLLO DEL PRODUCTO Página 41 Por sus características este sistema presenta múltiples beneficios: 1. No genera escoria. 2. Alta velocidad de deposición. 3. Alta eficiencia de deposición. 4. Fácil de usar. 5. Mínima salpicadura. 6. Aplicable a altos rangos de espesores. 7. Baja generación de humos. 8. Es económica. 9. La pistola y los cables de soldadura son ligeros haciendo más fácil su manipulación. 10. Es uno de los más versátiles entre todos los sistemas de soldadura. El metal de aporte que se utilizará es el indura 70S-6 de espesor 1.2 mm. Este es un electrodoque ofrece una excelente soldabilidad, con una alta cantidad de elementos desoxidantes para soldadurasdonde no pueden seguirse estrictas normas de limpieza. Esta soldadura ofrece un deposito prácticamentesin escoria, reduciendo al mínimo las operaciones de limpieza. Su contenido de silicio y manganeso ofreceexcelentes propiedades desoxidante, lo que asegura una soldadura libre de porosidades sobre una ampliagama de trabajos.Los Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile
  43. 43. 7 DESARROLLO DEL PRODUCTO Página 427.4. Resultados de Diseño para Confiabilidad (DFR) Entre los análisis realizados para dfr se encuentra el árbol de análisis de falla (fta), Figura 7.4.1. Elcual presenta la falla de la función principal de la Caja Compactadora, que es compactar, y por lo tantoen que podría fallar. El FTA va de arriba hacia abajo y es un análisis de fallas deductivo, en el que se analiza un estado nodeseado de un sistema, que utiliza la lógica para combinar una serie de eventos de nivel inferior. Puestoque ningún sistema es perfecto, analizar los fallos del subsistema es una necesidad, y cualquier sistemade trabajo podría tener una falla en algún lugar.8 [Farges, 2001] Figura 7.4.1: Árbol de Falla 8 Para mayor información visite la página web: Wikipedia FTALos Tuercas, 20 de octubre de 2011 Universidad Austral de Chile

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