DISEÑO DE ESCALERA DE EMERGENCIA

Transcripción

1 DISEÑO DE ESCALERA DE EMERGENCIA

2 ÍNDICE Komatsu Proyecto y Problema Metodología de Análisis Resultados Conclusiones

3 KOMATSU KOMATSU GLOBAL Komatsu Ltd., establecida en 1921, es un proveedor diversificado de porductos y servicios de uso industrial. Construcción Minería Vehiculos industriales Logistica Calidad y Confiabilidad Productos innovadores y seguros, que mejor se adapten a las necesidades y expectativas de nuestros clientes en todo el mundo

4 KOMATSU KOMATSU CHILE S.A. Presencia en Chile por más de 50 años. VOL. VENTAS: US$ 1,331MM MINERÍA 70% CONSTRUCCIÓN 29% FORESTAL 0,6% SER PROTAGONISTAS DEL ÉXITO DE NUESTROS CLIENTES

5 KOMATSU Dirección: OPERACIONES MINERAS Mantener contratos con Mineras Subgerencia: ESTANDARIZACIÓN Asegurar la continuidad operacional definiendo el mantenimiento Área de DISEÑO Bases de Traslado Herramientas Especiales Modificación de Equipos y Accesorios

6 PROYECTO Y PROBLEMA Diseño, Fabricación e Instalación de un sistema de Salida de Emergencia para la Pala PC8000. Satisfaciendo todas las especificaciones, requisitos y limitaciones de las partes: Estándar Cliente Restricciones de Fábrica (KMG) Consideraciones del Área de Diseño Mejoramiento Continuo

7 PROYECTO Y PROBLEMA CONSIDERACIONES Aligeramiento de la estructura Reducción de daños por vibraciones Simplificación de mecanismos Sistema de apertura controlado Alejar al operador del rodado del equipo

8 PROYECTO Y PROBLEMA SOLUCIÓN Sistema de Salida de Emergencia resuelto en dos escaleras: Escalera fija vertical Escalera abatible Activación Escalera Abatible: Actuación sobre la palanca de activación Mediante un sistema de palanca y piolas se actúa sobre el trinquete de bloqueo. Se libera permitiendo que la escalera descienda por gravedad.

9 PROYECTO Y PROBLEMA PROBLEMA ALTAS VIBRACIONES DEL EQUIPO Grado de afectación a la escalera Grado de afectación de los elementos de apoyo Vibraciones no estables (por rpm del motor y movimientos propios del equipo permanentemente) Necesario realizar análisis PSD (RANDOM VIBRATION) Punto de Apoyo Superior Punto de Apoyo Inferior (Se alivian los esfuerzos en este apoyo)

10 MARCO TEÓRICO POWER SPECTRAL DENSITY (PSD) ANÁLISIS MODAL El análisis de respuesta vibratoria es obtenido a través del método de superposición modal, por lo cual es necesario obtener los modos de vibrar necesarios para poder caracterizar la dinámica de la estructura, usando la ecuación de movimiento y asumiendo movimiento armónico: Donde: ω [ M ] [ K] ω i { φ} i 2 i [ M ]{ u&& } + [ K]{ u} = { 0} [ M ]{ φ} i sin( ωit + θi ) + [ K]{ φ} i sin( ωit + θi ) = { 0} 2 ( ω [ M ] + [ K] ){ φ} = { 0} Matriz de masa Matriz de rigidez Frecuencia natural Vector de modos de vibrar i i

11 MARCO TEÓRICO POWER SPECTRAL DENSITY (PSD) SEÑALES ALEATORIAS Una excitación aleatoria se puede caracterizar estadísticamente en términos de un diagrama de densidad espectral (PSD) que define una amplitud PSD versus la frecuencia. Esta señal PSD será utilizada como input de carga para el análisis. = 1 2 Ejemplo de señal vibratoria aleatoria PSD de señal de entrada [unit^2/hz]

12 MARCO TEÓRICO ÁNÁLISIS PSD La idea general del análisis PSD es: Análisis modal para obtener los modos de vibrar (frecuencia y masa modal) Muestreo de señales en el tiempo (conocer aceleraciones en servicio) Generar espectro PSD para representación de una o varias señales en frecuencia. Análisis PSD: Calcula curvas de probabilidad para la respuesta combinada de cada uno de los modos (tensiones y vibraciones) de acuerdo al espectro PSD utilizado. Entrega una distribución probabilística de esfuerzos (tensiones y factores de seguridad). Los dos muestreos fueron procesados y convertidos en señal PSD. Los PSD serán utilizada como input de carga para el análisis para cada soporte.

13 ADQUISICIÓN DE SEÑALES Komatsu Reman Center fue la unidad encargada de la adquisición de señales de aceleración en un equipo Komatsu PC 5500 en servicio, en dos ocasiones, el primer muestreo cubrió 108 segundos (Muestreo 1) y el segundo 120 segundos (Muestreo 2). La posición de los acelerómetros fue la siguiente: Los resultados mostrados en este documento son obtenidos a partir de las señales entregadas, las que fueron procesadas e ingresadas como input a la simulación PSD

14 SEÑALES EN EL TIEMPO Las señales superior izquierda e inferior del muestreo 2 se presentan en las siguientes imágenes de manera ilustrativa: Señal superior izquierda Señal inferior Frecuencia de muestreo [Hz] 853,33 Unidades de medición amplitud G(aceleración de gravedad) Cantidad de líneas (columna de datos) Tiempototal de muestra [s] 120

15 OBJETIVOS DEL ESTUDIO Objetivo General: Validar a través de simulación FEA - PSD (Método de Elementos finitos y función de densidad potencia espectral) la respuesta a una carga vibratoria aleatoria de un diseño de escalera de emergencia y verificar la respuesta estructural de la misma sometida a su carga de peso propio. Objetivos específicos de la simulación: Obtener los gráficos de densidad de potencia espectral (PSD) de cada una de las señales de aceleración entregadas por el cliente. Obtener suficientes modos de vibrar mediante un análisis de elementos finitos modal para poder caracterizar el comportamiento dinámico de la estructura. Obtener la respuesta en esfuerzo de las señales de entrada para la simulación propuesta mediante un análisis de vibración aleatoria PSD para observar el comportamiento estructural de la escalera. Obtener la respuesta estructural de la escalera sometida al peso propio de la misma.

16 DESCRIPCIÓN DEL MODELO (MALLA) La malla de elementos finitos fue construida refinando zonas de conexión geométrica y partes que estarán sometida a la máxima carga. Estadísticas de la malla Tipo de elemento Solid187 tetraédrico Tamaño máximo de elemento [mm] 30 Tamaño mínimo de elemento (refinamiento)[mm] 2 Cantidad de elementos Cantidad de nodos Cantidad de elementos en contacto 50606

17 DESCRIPCIÓN DEL MODELO (CONTACTOS) Dado que la geometría es un ensamblaje de componentes con diferentes materiales y comportamientos mecánicos, es necesario definir contactos entre los cuerpos, para ello se procedió a identificar las zonas de conexión y se definieron contactos, los cuales se muestran en el siguiente esquema: Contacto «No separation» entre componentes de diagonal. Contacto «Bonded» entre placas de anclaje. Contacto «Bonded» entre sistema de accionamiento y soporte de anclaje escalera. Contacto «No separation» entre sistema de accionamiento y gancho escalera. Contacto «No separation» entre componentes de sistema pivote. Contacto «Bonded» entre componentes de soporte de giro. Contacto «Bonded» entre tope elastómero y soporte anclaje escalera. Contacto «No separation» entre tope de elastómero y escalera.

18 DESCRIPCIÓN DEL MODELO (CONDICIONES DE BORDE) Para las simulaciones PSD se utilizó una condición de soporte fijo «fixed support» en el diseño de escala de manera independiente en cada zona, de tal manera de ingresar una señal PSD según corresponda. Dado que en la posición de análisis (escalera cerrada) los cilindros hidráulicos no efectúan trabajo, se consideró eliminar la condición de borde de soporte cilíndrico. Soporte fijo «Fixed support» en cara de anclaje de diagonal. Soporte fijo «Fixed support» en cara de anclaje de escalera (componentes de señal superior izquierda). Soporte fijo «Fixed support» en cara de anclaje a pasillo (componentes de señal inferior).

19 DESCRIPCIÓN DEL MODELO (PROPIEDADES MECÁNICAS) Para el análisis se utilizaron las siguientes propiedades mecánicas: Acero A-36 X105CrMo17 (rodamientos) Elastómero Módulo de Poisson [-] 0,26 0,27-0,3 0,42 Módulo de Elasticidad[GPa] ,1 Densidad[Kg/m^3] Limite de Elasticidad [MPa] N/A Dado que el tipo de análisis que se efectuará es de carácter lineal, sólo son necesarias las propiedades elásticas del material. Referencias A-36 AISI 440C Elastómero ENTREGADA POR ESSS

20 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN - NOMENCLATURA Dirección coordenadas globales utilizadas: Las coordenadas globales que serán referenciadas para obtener todos los resultados (modal y PSD), son las siguientes: Coordenadas globales usadas para la simulación (X,Y,Z). Y (Vertical) X (Horizontal) Z (Axial)

21 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN MODOS DE VIBRAR Análisis modal: Para el presente estudio fue necesario obtener los modos de vibrar para las dos simulaciones propuestas y dado que las condiciones de borde (restricciones) son iguales para las dos, los modos de vibrar son idénticos. Los resultados de los modos de vibrar de la simulación realizada se presentan en la siguiente tabla: Análisis modal simulación 1 y 2 Cantidad de modos de vibrar obtenidos 1117 Masa efectiva dirección X [%] 78 Masa efectiva dirección Y [%] 71 Masa efectiva dirección Z [%] 72

22 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN MODOS DE VIBRAR Análisis modal (modos de vibrar con mayor masa) Modo 1 Frecuencia : 0,59 [Hz] Dirección : Z Modo 2 Frecuencia : 0,72 [Hz] Dirección : X

23 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN MODOS DE VIBRAR Análisis modal (modos de vibrar importantes) Modo 3 Frecuencia : 1,0 [Hz] Dirección : Z Modo 7 Frecuencia : 3,5 [Hz] Dirección : X

24 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN ANÁLISIS PSD CON SEÑALES MUESTREO 1 Análisis PSD muestreo 1: Esfuerzo equivalente de Von-mises (3σ) Esfuerzos máximos obtenidos: 1σ (68,269 % de la respuesta total) [Mpa] 40,81 2σ (95,450 % de la respuesta total) [Mpa] 81,63 3σ (99,730 % de la respuesta total) [Mpa] 122,45 Los cuales se obtienen en la zona del gancho de la escalera y la estructura del sistema de accionamiento.

25 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN ANÁLISIS PSD CON SEÑALES MUESTREO 1 Análisis PSD señales muestreo 1: Esfuerzo equivalente de Von-mises (3σ) zonas de concentración.

26 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN ANÁLISIS PSD CON SEÑALES MUESTREO 2 Análisis PSD muestreo 2: Esfuerzo equivalente de Von-mises (3σ) Esfuerzos máximos obtenidos: 1σ (68,269 % de la respuesta total) [Mpa] 2,018 2σ (95,450 % de la respuesta total) [Mpa] 4,036 3σ (99,730 % de la respuesta total) [Mpa] 6,054 Los cuales se obtienen en la zona del gancho de la escalera y la estructura del sistema de accionamiento.

27 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN ANÁLISIS PSD CON SEÑALES MUESTREO 2 Análisis PSD muestreo 2: Esfuerzo equivalente de Von-mises (3σ) zonas de concentración.

28 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN ANÁLISIS PESO PROPIO Análisis peso propio Caso 3: Esfuerzo equivalente de Von-mises Esfuerzo equivalente de von mises obtenido: 12,686 [Mpa] Los cuales se obtienen en la zona de rebaje para sistema de anclaje en la escalera.

29 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN ANÁLISIS PESO PROPIO Análisis peso propio Caso 3: Desplazamiento total Desplazamiento máximo obtenido: 88,819 [mm] El cual se obtiene en la zona superior de la escalera.

30 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN RESUMEN COMPARATIVO Análisis PSD y peso propio - Resumen simulaciones: Muestreo 1 Esfuerzo equivalente [Mpa] Resumen análisis aceleración aleatoria (PSD) muestreos 1 y 2 Muestreo 1 Factor Seguridad Muestreo 2 Esfuerzo equivalente [Mpa] Muestreo 2 FactorSeguridad Respuesta total / Representatividad [%] Resultados 1σ 40,81 6,13 2, ,89 68,27 Resultados 2σ 81,63 3,06 4,036 61,94 95,45 Resultados 3σ 122,45 2,04 6,054 41,30 99,73 Resumen Análisis de peso propio Caso 3 (estático) Simulación n 3 Factor de seguridad Esfuerzo equivalente [MPa] 12,686 19,7 Se observa que para el análisis PSD muestreo 1 se obtuvo un esfuerzo equivalente (3σ) de 122,45 [MPa] donde la zona de mayor concentración de esfuerzo corresponde al sistema de accionamiento, específicamente en el gancho de anclaje y sistema de pasadores. Se observa que para el análisis PSD muestreo 2 se obtuvo un esfuerzo equivalente (3σ) de 6,054 [MPa] donde la zona de esfuerzo corresponde a las mismas zonas de la simulación n 1 (sistema de accionamiento, específicamente en el gancho de anclaje y sistema de pasadores), pero se presentan diferencias en las magnitudes de los resultados obtenidos. Para el caso de la simulación n 3 (peso propio) se obtuvo un esfuerzo equivalente de 12,686 [Mpa] lo cual está bajo el límite de fluencia del material generándose en la transición de posicionamiento del sistema de anclaje en la escalera.

31 PASOS SIGUIENTES REPETIR ANÁLISIS DE VIBRACIONES EN MODELO ARMADO EN EL EQUIPO. DE ESTA MANERA, SE PUEDE CORROBORAR EL MODELO ANALÍTICO Y CERRAR EL CÍRCULO.