PROYECTO ANALISIS DE LA INTEGRIDAD ESTRUCTURAL DE CARGADOR FRONTAL CAT 994F, MEDIANTE EL METODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS

PROYECTO ANALISIS DE LA INTEGRIDAD ESTRUCTURAL DE CARGADOR FRONTAL CAT 994F, MEDIANTE EL METODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS CAD CAE Ingeniería Ltda. Jose López González 02867 Oficina 201, Antofagasta APROBACION MEL: FECHA: REV. FECHA POR REV. APROBO DESCRIPCION 0 30.09.2010 J.M.S. H.L.L. J.C.G. Emitido para Comentarios del cliente

Preparado por: Hernán Lobera López Ingeniero Civil Mecánico U.T.F.S.M Valparaíso 2

INDICE 1. RESUMEN EJECUTIVO Y CONCLUSIONES 2. CARACTERISTICAS DEL EQUIPO DEFINICION DEL PROBLEMA 3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 4. OBJETIVOS 5. CRITERIOS DE DISEÑO 6. CALCULO MEDIANTE EL METODO DE ELEMENTOS FINITOS 6.1. Software utilizado para la modelación SOLIDWORKS y COSMOS 6.2. Tipo de Elemento Finito utilizado para la modelación 6.3. Esfuerzo de Von Mises 6.4. Diagrama de cuerpo libre y casos a analizar 6.5. Enmallado y restricciones 6.6. Resultados de la modelación 6.7. Resumen de los resultados 6.8. Calculo del tiempo de aparición de grietas 7. ANEXOS 7.1. CATALOGO 7.2. RECOMENDACIONES DE ELIMINACION DE CONCENTRADORES 7.3. FACTOR DE SEGURIDAD 7.4. LICENCIA DEL SOTFWARE 7.5. IDENTIFICACION DE PUNTOS CRITICOS. 3

1. RESUMEN EJECUTIVO Y CONCLUSIONES El cargador frontal CAT 994F presenta una serie de fisuras en el pantógrafo o pluma del equipo, es por esto que Minera Escondida Ltda solicita un estudio que identifique los puntos de mayores esfuerzos, específicamente en el pantógrafo y chasis del equipo., con el objeto de identificar las causas de falla del material. El equipo se adquirió el año 2006 y las fisura aparecieron durante un año de operación. El 2010 la aparición de fisuras es a los 6 meses. Se realizo un levantamiento del balde, pantógrafo, cilindros hidráulico, chasis de carga y chasis trasero para realizar la modelación en 3d del equipo. Se determino la fuerza máxima de penetración del equipo al cerro que por catalogo es de 104 [ton]. Luego se determino el peso de la carga sobre el balde que es de 30 [Ton] y la fuerza que ejerce los diferentes componentes sobre el chasis trasero tales como el motor, plataformas, contrapeso, etc. La carga total ejercida sobre el chasis trasero es de 44 [ton]. Para considerar las cargas dinámicas se le agrego un 20% a cada fuerza. La estructura a analizar está compuesto de tres tipos de materiales: ASTM A 572 Gr 50; ASTM A 514 HSL y fierro fundido. Las soldaduras aplicada son dos: Soldadura AWS E 7018 y Soldadura AWS E 10018 en electrodo o alambre tubular. Por lo cual se calculo los esfuerzos máximos en los componentes y los criterios de diseño se comparara según las propiedades mecánicas de cada material mencionado. Las propiedades mecánicas del hierro fundido no se determino con exactitud, se utilizaron valores típicos. Se identifico 4 casos comunes de operación, ver punto 6.4 donde el casos 1 es el más común y el caso 2 es una operación inadecuada del equipo. Los casos 3 y 4 debido al carguío del mineral sobre el balde son operaciones que no presentan problemas estructurales para el equipo ya que se está operando con un factor de seguridad de 5. En todos los casos esfuerzo máximo está debajo del esfuerzo de fluencia de los acero, por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. El mayor esfuerzo es en el bracket (mickey mouse, 204 [MPa]), y esto se produce en el casos 2, que se define como una operación inadecuada, donde la carga se aplica en la mitad del balde, el caso 2 es la operación que más daño produce a la estructura, aunque se está trabajando con un factor de seguridad de 2,4 esfuerzo máximo está debajo del esfuerzo de fluencia del acero, por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. Sin embargo el daño de la estructura se debe a una falla por fatiga y este caso solo acelera el tiempo de la aparición de fisura. En una operación normal que es el caso 1, se estima en un año la aparición de fisuras por fatiga. Finalmente se determino cuantitativa y cualitativamente el límite de fatiga de los materiales, que para el pantógrafo fue de 80 [MPa], en el caso 1 y el caso 3 los 4

esfuerzos máximos superan este valor. Esto quiere decir que la falla estructura es por fatiga y principalmente se debe a una operaciones inadecuada. En el caso real (1) igualmente se producirá una falla por fatiga. El anexo 7.6 muestra un resumen de los puntos que fallaran por fatiga y el que se debe considerar en una inspección visual o mantención preventiva. En zonas con concentradores de esfuerzos, tales como soldadura, golpes y entalladuras los esfuerzos se pueden duplicar, por lo que es otra de las principales causas de aparición de fisuras en la estructura. Se recomienda seguir procedimiento del anexo 7.2 para eliminar concentradores de esfuerzos. Con un correcto procedimiento de reparación de soldadura, no debería tener problemas estructurales en un plazo de 1 año. El cilindro hidráulico no presenta problemas estructural, las fallas detectadas se debe a problemas metalúrgicos de colada del material o micro estructura. 5

2.- CARACTERISTICAS DEL EQUIPO Nombre del equipo : Cargador Frontal Modelo : Caterpillar 994 F Peso total del equipo : 197 [Ton] Carga útil del cucharón : 35 [Ton] (18 [m3]) Fuerza máxima de penetración : 1020 [kn] (104 [Ton]) Figura 1: Componentes del Cargador Frontal Caterpillar 994F 6

Tabla Nº1: Dimensiones y peso de los componentes del 7

3. DEFINICION DEL PROBLEMA: Actualmente existe un problema estructural, debido a la aparición de fisuras o fractura del material, esto se presenta generalmente en el pantógrafo, bastidor de carga, bastidor trasero y vástagos del cilindro oleohidráulico Tilt. Figura 2: Principales fallas (fisuras y fractura del material) del pantógrafo 8

Figura 3: Fisuras en la soldadura del bastidor de carga Figura 4: Fractura de vástago en el cilindro hidráulico Tilt 9

6.4. Diagrama de cuerpo Libre y casos a analizar Las siguiente figuras muestra la fuerza de penetración y la fuerza debido a la carga, esto se define como diagrama de cuerpo libre, el cual aplicaremos en la modelación. Fp: Fuerza de penetración = 1020 [kn] = 104.081 [kg] (Anexo 5) Fc: Fuerza debido a la carga del mineral = 35 [Ton] (máxima) Para el análisis se evaluara 4 casos que se describen a continuación: Caso 1: Penetración del balde en el cerro Caso 2: Penetración del balde en el cerro con el equipo perpendicular al cerro. La con el equipo inclinado. Equivalente a carga es distribuida en forma homogénea una densidad diferente en el cerro (roca en el labio y las puntas del balde, maniobra y tierra) donde la carga distribuida Fp ideal efectuada por el operador. se realiza en la mitad del balde. Caso 3: Equipo cargado con el balde en su mayor altura, en posición para el carguío del camión. Caso 4: Equipo cargado con el balde con el pantógrafo realizando el mayor momento y en movimiento. 15

Figura 7: Accidentes o mala operación del equipo no serán considerados en este estudio ya que el equipo no está diseñado para estos eventos^ Tabla 2: Cargas a aplicar en chasis trasero, 44 Toneladas 4 Bastidor Trasero 1 8.342 8.342 4.1 Contrapeso 1 6.260 6.260 4.2 Motor 1 10.000 10.000 4.3 Transmisión 1 1.315 1.315 4.4 Caja transferencia 1 2.360 2.360 4.5 Radiador 1 2.132 2.132 4.6 Parachoque 1 6.260 6.260 4.7 Plataformas 1 2.405 2.405 4.8 Cabina 1 1.950 1.950 4.9 Rops 1 3.725 3.725 4.10 Guardabarros 1 975 975 4.11 Barandas 1 635 635 4.12 Tirantes inclinación 1 1.090 1.090 4.13 Accesorios y Otros 1 4.900 4.900 44.007 16

6.6. Resultados de la modelación Figura 10: Modelación del caso 1, vista superior, esfuerzo máximo 135 [MPa] está debajo del esfuerzo de fluencia del acero 690 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. Las zonas rojas identifican las fallas por fatiga por sobre 80 [MPa]. 18

Figura 12: Modelación del caso 2, vista superior, esfuerzo máximo 208 [MPa] está debajo del esfuerzo de fluencia del acero 690 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. Las zonas rojas identifican las fallas por fatiga por sobre 80 [MPa] 20

Figura 14: Modelación del caso 3, esfuerzo máximo de 123 [MPa] está debajo del esfuerzo de fluencia del acero 690 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. Las zonas rojas identifican las fallas por fatiga por sobre 80 [MPa]. 22

Figura 24: Modelación del caso 3, balde, esfuerzo máximo 10 [MPa] está debajo del esfuerzo de fluencia del acero 345 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. Figura 25: Modelación del caso 4, balde, esfuerzo máximo 30 [MPa] está debajo del esfuerzo de fluencia del acero 345 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. 29

Figura 26: Modelación del caso 1, bastidor de carga, esfuerzo máximo de 119 [MPa] está debajo del esfuerzo de fluencia del acero 345 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. Las zonas rojas identifican las fallas por fatiga por sobre 80 [MPa]. Figura 27: Modelación del caso 2, bastidor de carga, esfuerzo máximo de 204 [MPa] está debajo del esfuerzo de fluencia del acero 345 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. Las zonas rojas identifican las fallas por fatiga por sobre 80 [MPa]. 30

Figura 28: Modelación del caso 3, bastidor de carga, esfuerzo máximo de 115 [MPa] está debajo del esfuerzo de fluencia del acero 345 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. Las zonas rojas identifican las fallas por fatiga por sobre 80 [MPa]. Figura 29: Modelación del caso 4, bastidor de carga, esfuerzo máximo de 79 [MPa] está debajo del esfuerzo de fluencia del acero 345 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. Las zonas rojas identifican las fallas por fatiga por sobre 80 [MPa]. 31

Figura 30: Modelación del caso 1, bastidor de trasero, esfuerzo máximo de 105 [MPa] está debajo del esfuerzo de fluencia del acero 345 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. Las zonas rojas identifican las fallas por fatiga por sobre 80 [MPa]. Figura 31: Modelación del caso 2, bastidor de trasero, esfuerzo máximo de 107 [MPa] está debajo del esfuerzo de fluencia del acero 345 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. Las zonas rojas identifican las fallas por fatiga por sobre 80 [MPa]. 32

Figura 32: Modelación del caso 3, bastidor de trasero, esfuerzo máximo de 109 [MPa] está debajo del esfuerzo de fluencia del acero 345 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. Las zonas rojas identifican las fallas por fatiga por sobre 80 [MPa]. Figura 33: Modelación del caso 4, bastidor de trasero, esfuerzo máximo de 103 [MPa] está debajo del esfuerzo de fluencia del acero 345 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. Las zonas rojas identifican las fallas por fatiga por sobre 80 [MPa]. 33

ANEXO 7.1 CATALOGO DEL EQUIPO 38

Dimensiones Todas las dimensiones son aproximadas. Estándar* Levantamiento alto** Levant. súper alto*** Neumáticos 53.5/85-57 Neumáticos 53.5/85-57 Neumáticos 58/85-57 1 Altura hasta la parte superior de los tubos de escape 6.988 mm (22,9 pies) 6.988 mm (22,9 pies) 6.747 mm (22,1 pies) 2 Altura hasta la parte superior de la estructura ROPS/FOPS 6.736 mm (22,1 pies) 6.736 mm (22,1 pies) 6.494 mm (21,3 pies) 3 Altura hasta la parte superior del capó 4.833 mm (15,9 pies) 4.833 mm (15,9 pies) 4.591 mm (15,1 pies) 4 Altura hasta el centro del eje 1.829 mm (6 pies) 1.829 mm (6 pies) 1.587 mm (5,2 pies) 5 Espacio libre del parachoques 1.474 mm (4,8 pies) 1.474 mm (4,8 pies) 1.232 mm (4 pies) 6 Espacio libre sobre el suelo 811 mm (2,7 pies) 811 mm (2,7 pies) 569 mm (1,9 pies) 7 Alcance a levantamiento/descarga máx. 2.309 mm (7,6 pies) 2.764 mm (9,1 pies) 3.400 mm (11,2 pies) 8 Espacio libre a levantamiento/ descarga máx. 5.578 mm (18,3 pies) 6.024 mm (19,8 pies) 7.296 mm (23,9 pies) 9 Pivote del cucharón a levantamiento máximo 8.140 mm (26,7 pies) 8.479 mm (27,8 pies) 10.058 mm (33 pies) 10 Altura total cucharón levantado 10.933 mm (35,9 pies) 10.643 mm (34,9 pies) 14.372 mm (47,2 pies) 11 Longitud del eje trasero al parachoques 4.557 mm (15,0 pies) 4.557 mm (15,0 pies) 4.557 mm (15,0 pies) 12 Distancia entre ejes 6.400 mm (21,0 pies) 6.400 mm (21,0 pies) 6.400 mm (21,0 pies) 13 Longitud Del eje delantero a la punta del cucharón 5.920 mm (19,4 pies) 6.564 mm (21,5 pies) 8.569 mm (28,1 pies) 14 Longitud total 16.877 mm (55,4 pies) 17.521 mm (57,5 pies) 19.526 mm (64,1 pies) * Máquina estándar equipada con cucharón de 5.650 mm (222 pulg) con capacidad de 19 m 3 (24,5 yd 3 ) ** Máquina de levantamiento alto equipada con cucharón de 6.220 mm (245 pulg) con capacidad de 18 m 3 (23,5 yd 3 ) *** Máquina de levantamiento súper alto equipada con cucharón de 6.220 mm (256 pulg) con capacidad de 36 m 3 (47 yd 3 ) 20 Cargador de Ruedas 994F especificaciones

Especificaciones de operación Levantamiento alto Para máquinas equipadas con neumáticos 53.5/85-57, 76 PR L-5 vea las tablas adicionales para otros tamaños de neumáticos. Cucharón para carbón Cucharón angosto Cucharón ancho (6.200 mm/ (5.640 mm/222 pulg) (6.200 mm/244 pulg) 244 pulg) Cucharón para carbón con cuchilla Cucharón para roca Cucharón para roca recta con con cuchilla de pala, con cuchilla de pala, diente y con diente y segmento con diente y segmento segmento Capacidad nominal ( ) m 3 14 15 17 19 18 19 31 yd 3 18,5 19,5 22,5 25 23,5 25 41 Ancho ( ) mm 5.640 5.640 5.640 5.640 6.200 6.200 6.200 pies/pulg 18' 6" 18' 6" 18' 6" 18' 6" 20' 4" 20' 4" 20' 4" Capacidad a ras ( ) m 3 11 12 14 15 14,5 15 27 yd 3 14,4 15,7 18,3 19,6 19 19,6 35,3 Altura de descarga a mm 6.110 6.110 6.002 5.895 6.002 5.902 5.974 levantamiento máximo pies/pulg 20' 0" 20' 0" 19' 8" 19' 4" 19' 8" 19' 4" 19' 7" y 45 ( ) Alcance en posición de mm 2.632 2.632 2.721 2.827 2.721 2.839 2.867 levantamiento máximo pies/pulg 8' 8" 8' 8" 8' 11" 9' 3" 8' 11" 9' 4" 9' 5" y descarga de 45 ( ) Alcance con los brazos mm 5.556 5.556 5.696 5.846 5.696 5.850 5.819 de levantamiento en pies/pulg 18' 2" 18' 2" 18' 8" 19' 4" 18' 8" 19' 2" 19' 1" posición horizontal y el cucharón nivelado Profundidad de excavación ( ) mm 123 123 123 123 123 123 78 pulg 5" 5" 5" 5" 5" 5" 3" Longitud total ( ) mm 17.396 17.396 17.536 17.686 17.536 17.690 17.622 pies/pulg 57' 0" 57' 0" 57' 6" 58' 0" 57' 6" 58' 0" 57' 10" Altura total con el cucharón mm 11.058 11.058 11.205 11.250 10.960 10.975 12.184 completamente subido ( ) pies/pulg 36' 3" 36' 3" 36' 9" 36' 11" 36' 0" 36' 0" 40' 0" Círculo de giro del cargador mm 12.959 12.959 12.993 13.030 13.249 13.285 13.285 con el cucharón en la pies/pulg 42' 6" 42' 6" 42' 7" 42' 10" 43' 6" 43' 7" 43' 7" posición de transporte ( ) Carga límite de equilibrio estático kg 108.695 108.926 108.111 106.543 105.978 104.795 107.068 con la máquina recta** ( ) lb 239.631 240.140 238.344 234.887 233.641 231.033 236.044 Carga límite de equilibrio estático, kg 93.575 93.757 92.914 91.399 90.871 89.753 91.770 a pleno giro de 40º ** ( ) lb 206.297 206.699 204.840 201.500 200.336 197.871 202.318 Fuerza de desprendimiento*** ( ) kn 1.091 1.091 1.015 951 1.020 957 936 lb 245.475 245.475 228.375 213.793 229.305 215.325 210.421 Peso en orden de trabajo** ( ) kg 194.634 194.774 195.434 196.514 196.734 197.464 197.904 lb 429.094 429.403 430.858 433.239 433.724 435.333 436.303 ( ) Las especificaciones y clasificaciones cumplen todas las normas aplicables estándar recomendados por la Society of Automotive Engineers (Sociedad de Ingenieros Automotrices). La norma SAE J732c rige la capacidad nominal del cargador, indicada en el texto por ( ). * Las dimensiones se toman desde la punta de los dientes del cucharón para proporcionar información fiable de espacio libre. La norma SAE especifica el tipo de cuchilla a utilizar. ** La carga límite de equilibrio estático y el peso en orden de trabajo indicados se basan en la configuración estándar de la máquina con neumáticos 53.5/85-57, tanque lleno de combustible, refrigerante y lubricantes. *** Medida 102 mm (4 pulg) detrás de la punta de la cuchilla con pasador de bisagra del cucharón como punto pivote según norma SAE J732c. 24 Cargador de Ruedas 994F especificaciones

Cambios en las especificaciones de levantamiento alto debido al tamaño de los neumáticos Cambios dimensionales 50/80-57 52/80-57 55/80R57 53.5/85-57 58/85-57 Altura libre de descarga mm 136 143 89 0 +17 en la posición de máxima pulg 5 6 3,5 0 +0,7 elevación con un ángulo de descarga de 45 Alcance en la posición de mm +118 +143 +68 0 15 máxima elevación con un pulg +5 +6 +3 0 0,6 ángulo de descarga de 45 Alcance con los brazos mm +118 +143 +68 0 15 de elevación y el cucharón pulg +5 +6 +3 0 0,6 horizontales Profundidad de excavación mm +136 +143 +89 0 17 pulg +5 +6 +4 0 0,7 Longitud total mm +90 +94 +59 0 12 pulg +4 +4 +2 0 0,5 Altura total con el cucharón mm 136 143 89 0 +17 en la posición de máxima pulg 5 6 4 0 +0,7 elevación Ancho total con neumáticos mm 5.305 5.302 5.509 5.460 5.524 pulg 209 209 217 214 217 Cambios de peso 50/80-57 52/80-57 55/80R57 53.5/85-57 58/85-57 Carga límite de equilibrio kg 3.643 2.878 +43 0 +281 estático con la máquina recta lb 8.031 6.344 +95 0 +620 Carga límite de equilibrio kg 3.217 2.541 +38 0 +248 estático, a pleno giro de 40º lb 7.092 5.602 +84 0 +548 Peso en orden de trabajo kg 5.388 4.256 +64 0 +416 lb 11.878 9.383 +141 0 +917 Cargador de Ruedas 994F especificaciones 25

ANEXO 7.2. RECOMENDACIONES PARA ELIMINAR CONCENTRADORES DE ESFUERZOS 39

40

ANEXO 7.3. FACTOR DE SEGURIDAD Y CONCENTRADORES DE ESFUERZOS 42