Desarrollo de un prototipo virtual de una pala cargadora hidráulica. Simulación dinámica y FEM

Abstract

El presente trabajo de fin de grado tiene como objetivos fundamentales el desarrollo de un prototipo virtual, simulación dinámica y análisis FEM de una pala cargadora, cuyo campo de aplicación se centra en el movimiento de tierras, y cuyo uso está muy expandido para los procesos de excavación y carga, junto con otras máquinas como las excavadoras o los bulldozers. Todo el proyecto se ha desarrollado mediante el software Autodesk Inventor Professional 2016, que ofrece grandes posibilidades en el campo del modelado 3D. El trabajo comienza con un proceso de investigación acerca de los diseños de palas cargadoras existentes para conocer las ventajas técnicas de cada uno y aproximar un modelo inicial a partir del cual se realiza el prototipo. Posteriormente se modelan las piezas que forman la estructura, con los materiales y medidas adecuados para hacer una representación realista del equipo, que luego se ensamblarán con las condiciones adecuadas para que el conjunto ensamblado sea capaz de realizar los movimientos propios de una cargadora. El trabajo también incluye la obtención de las fuerzas necesarias para la realización de los movimientos además de un análisis de tensión con el método de los elementos finitos, que permite comprobar si una pieza tiene las medidas geométricas adecuadas para no soportar un nivel excesivo de tensiones que comprometa la integridad del conjunto. Finalmente, se realizan una serie de modificaciones en la pieza para garantizar un coeficiente de seguridad lo suficientemente elevado para que el ensamblaje opere sin riesgos.

El present treball de fi de grau té com a objectius fonamentals el desenvolupament d’un prototipus virtual, simulació dinàmica y anàlisis FEM d’una pala carregadora, el camp d’aplicació de la qual es centra en el moviment de terres, amb un ús molt expandit en els processos d’excavació y càrrega, junt a altres màquines com excavadores o bulldozers. El projecte al complet s’ha desenvolupat mitjançant el software Autodesk Inventor Professional 2016, que ofereix grans possibilitat en l’àrea del modelat 3D. El treball comença amb un procés d’investigació sobre el dissenys de pales carregadores existents per a tractar de conèixer el seus avantatges tècnics y aproximar un model inicial del qual partir per a la realització del prototipus. Posteriorment, es modelen les peces que formen l’estructura, amb els materials y les mides geomètriques adequades per a obtindre una representació realista de l’equip, que després serà engalzat segons les condicions adequades amb l’objectiu de que l’engalzament siga capaç de realitzar el moviments propis d’una carregadora. El treball també inclou l’obtenció de les forces necessàries per a la realització dels moviments previstos, a més d’un anàlisis de tensions amb el mètode d’elements finits, que permet comprovar si la peça té les mides geomètriques adequades per a no suportar un nivell excessiu de tensions que fique en perill la integritat del conjunt. Finalment, es realitzen una sèrie de modificacions en la peça per a garantir un coeficient de seguretat suficientment elevat que possibilite que l’engalzament opere sense riscs.

The main aims of this final degree project are the development of a virtual prototype, a dynamic simulation and a FEA of a loader, whose main application field is the lands load and which is a machine with a highly expanded use in the land movements’ field, like other machines such as the excavators or bulldozers. The whole project has been developed by the use of the Autodesk Inventor Professional 2016 software, which offers several tools in the 3D modelling. It begins with a hard information research process about the existing patterns of loader with the aim of becoming aware of the benefits of each one and being able to define the prototype to follow. After that, the pieces of the structure will be shaped, with the appropriate measurements and in the correct materials, and then joined with the correct restrictions, getting a realistic structure that will be able to perform the usual movement of a loader. This project also includes getting the forces that are necessary to do those movement and, as said before, a FEA that allows to check if any piece has wrong measurements. In that case, some geometrical modifications will be applied to it with the objective of reducing the stress levels and getting an acceptable safety factor to avoid risks.