3.9. Tutorial Excavadora 3.9.1. Introducción En este tutorial se va a simular el funcionamiento de una retroexcavadora. Como se sabe, el movimiento de una excavadora está gobernado por unos cilindros hidráulicos, los cuales forman parte de un circuito hidráulico integrado en la máquina y que es controlado con un mando por el usuario de la propia retroexcavadora. Figura 125. Tutorial excavadora La simulación de la excavadora podría hacerse siguiendo varios métodos, por ejemplo, utilizando las articulaciones para controlar su giro, utilizar los cilindros hidráulicos y aplicarles una determinada fuerza, si ésta fuese conocida, o bien como se va a hacer en este tutorial, que es controlando la carrera de los cilindros hidráulicos, es decir, atendiendo al movimiento longitudinal de éstos. A partir de estos movimientos, se deducirán las fuerzas que soportan dichos cilindros, y con éste dato se podrán dimensionar los mismos. El control de las carreras de los cilindros se llevará a cabo mediante la opción Motor Lineal y dentro d esta opción Desplazamiento. Se utilizará la herramienta Expresión que permite realizar muchos movimientos diferentes en función del tiempo.
3.9.2. SolidWorks Motion En Estudio de movimiento 1 seleccionamos la pestaña Análisis de movimiento. En primer lugar, hay que asegurarse de que la parte trasera de la excavadora está fija, mientras que el resto de componentes de la excavadora están libres. También es importante activar la opción Gravedad ya que el fin del tutorial es dimensionar los cilindros en base a la fuerza que éstos tienen que realizar, y los resultados no serían correctos si no se tuviese en cuenta la fuerza de la gravedad. Se activa sin más que acudir al menú de SolidWorks Motion y escoger dicha opción. Es importante elegir la dirección Y. Figura 126. Excavadora 1 A continuación ya se pasará a definir los actuadores. Como se ve en la imagen, habrá tres actuadores lineales, más un cuarto motor en la unión de la parte fija y la móvil, que será rotatorio, para dotar al conjunto de un grado más de libertad. Figura 127. Excavadora 2 Para definir los cilindros hidráulicos, en el menú de SolidWorks Motion escogemos la opción Motor Lineal, y en la casilla Movimiento, se escoge Distancia, ya que
lo que se quiere controlar es la carrera. El Componente/Dirección a seleccionar es el vástago de un cilindro concreto, y la pieza para Mover con respecto a: es la botella de ese mismo cilindro. Figura 128. Excavadora 3 A continuación, se mostrará mediante una serie de imágenes la selección realizada para cada uno de los tres actuadores lineales, siguiendo los criterios descritos: - Cilindro 1
Figura 129. Cilindro 1 - Cilindro 2 Figura 130. Cilindro 2
- Cilindro 3 Figura 131. Cilindro 3 En cuanto al mecanismo encargado de hacer girar la excavadora, se modelizará con un motor rotatorio, seleccionándolo en el menú de SolidWorks Motion. Se escoge la cara perteneciente a la parte móvil que se ve en la imagen, y se ordena que se mueva con respecto al eje seleccionado. Con el fin de facilitar el control de esta variable, en la pestaña Movimiento, se escoge Distancia, con lo que se introducirán cantidades en grados, y no en rpm como en la opción Velocidad.
Figura 132. Motor rotatorio Llegados a este punto, ya están los tres actuadores lineales instalados además del mecanismo de giro, con lo que el modelo ya puede ser simulado. Se ha dejado para el final la elección de los parámetros Distancia en todos los motores, con el fin de que el alumno haga sus propias pruebas y sea capaz de relacionar los parámetros seleccionados con el resultado que se obtiene en la simulación. No obstante, en este tutorial se va a dar una solución adoptada que consta de cuatro fases, y para la que se ha utilizado la herramienta Expresión. Como ya se ha visto en otros tutoriales esta utilidad es muy útil ya que se puede usar en multitud de casos y siempre con gran versatilidad. Para acceder a ella, no hay más que escoger en la pestaña Movimiento de cada motor, la opción Expresión, y una vez aquí, y para el caso que se está tratando en este tutorial la opción Desplazamiento. La expresión f(x) a introducir sigue la estructura: STEP(TIME,x1,y1,x2,y2), donde x representa el tiempo en segundos, e y representa el desplazamiento en mm. Siguiendo esta metodología, a continuación se detallan las expresiones a introducir en cada uno de los motores, con el fin de conseguir una simulación en la excavadora en la que el proceso a realizar sea:
o 1 Extensión de la excavadora o 2 Carga del material o 3 Descarga del material o 4 Vuelta a la posición de inicio - Cilindro 1 Figura 133. Cilindro 1 - Cilindro 2
Figura 134. Cilindro 2 - Cilindro 3
Figura 135. Cilindro 3 - Motor rotatorio Figura 136. Motor rotatorio
Una vez introducidos todos los datos, puede procederse al Cálculo del modelo y a la fase de análisis de resultados. Figura 137. Excavadora El primer resultado que se va a analizar es el objetivo que teníamos al principio de la práctica, es decir, la fuerza que se ejerce en cada cilindro, y que el diseñador utilizará a posteriori para dimensionar los cilindros. Para ello, en el menú de Resultados, se escoge la opción Fuerzas, Fuerza Aplicada y Magnitud. Se selecciona directamente en el menú de operaciones el actuador, en el primer caso sería LinearMotor1. Se acepta y ya está el resultado creado.
Figura 138. Resultados Se repite el mismo proceso con los tres cilindros, y se obtiene el siguiente resultado: Figura 139. Resultados 1
Como se puede observar, las fuerzas que se obtienen son relativamente bajas, lo cual se debe a que la simulación de la excavadora se está realizando sin someter a ésta a ninguna carga a parte de la fuerza de la gravedad. Estos resultados serían válidos para dimensionar la máquina sin carga, pero para realizar una simulación más real, se someterá a la excavadora a una fuerza durante los periodos de carga y descarga, esto es entre los segundos 8 y 14 de 500 Newtons, haciendo la suposición de que en cada carga el cazo transporta 50 Kg. aproximadamente. Para ello, en el menú de SolidWorks Motion se escoge Fuerza de Solo Acción y se selecciona la cara del cazo y la arista para que la fuerza sea perpendicular a ella, tal y como se ve en la imagen. Se scoge la función Step con los parámetros antes descritos y que se ven en la imagen. Aceptamos. Figura 140. Carga excavadora Tras una nueva simulación el resultado obtenido es el siguiente:
Figura 141. Resultados 2 Se observa que los resultados han aumentando ostensiblemente, ajustándose éstos mucho más a la realidad. En caso de que los 500 Newtons de fuerza fuera la carga máxima que puede transportar la excavadora de cada vez, estos valores de fuerza máxima obtenida, serían los utilizados para dimensionar los cilindros.