Analisis-numerico-de-la-falla-para-herramienta

Vista previa del material en texto

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
UNIDAD PROFESIONAL ZACATENCO 
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN 
 
ANÁLISIS NUMÉRICO DE FALLA 
PARA HERRAMIENTA DE IMPLEMENTO 
DE EQUIPO DE MAQUINARIA PESADA 
 
T E S I S 
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE 
MAESTRO EN CIENCIAS 
EN INGENIERÍA MECÁNICA 
PRESENTA 
 
ING. GUSTAVO ADRIÁN REYES JIMÉNEZ 
 
DIRECTORES 
DR. GUILLERMO URRIOLAGOITIA SOSA 
DR. GUILLERMO URRIOLAGOITIA CALDERÓN 
 
MÉXICO, D.F. NOVIEMBRE 2012 
 
 
 
 
 
 
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
SECRETARÍA DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO 
 
 
CARTA DE CESIÓN DE DERECHOS 
 
En la Ciudad de México, Distrito Federal, el día 05 de Noviembre de 2012, el que 
suscribe, ING. GUSTAVO ADRIÁN REYES JIMÉNEZ , alumno del Programa 
MAESTRÍA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA , con número de registro 
A110580 adscrito a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la Escuela 
Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Zacatenco, manifiesta 
que es autor intelectual de este trabajo de Tesis bajo la dirección del DR. GUILLERMO 
URRIOLAGOITIA SOSA y DR. GUILLERMO URRIOLAGOITIA CALDERÓN , 
y cede los derechos del trabajo titulado “ ANÁLISIS NUMÉRICO DE FALLA PARA 
HERRAMIENTA DE IMPLEMENTO DE EQUIPO DE MAQUINARIA PESADA” al 
Instituto Politécnico Nacional para su difusión con fines académicos y de Investigación. 
 
Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o datos 
del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o directores del trabajo. Este puede ser 
obtenido escribiendo a la siguiente dirección electrónica: adreji0713@yahoo.com.mx . 
 
Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la 
fuente del mismo. 
 
 
 
 
 
 
Ing. Gustavo Adrián Reyes Jiménez 
 
 
 
Agradecimientos 
Al Instituto Politécnico Nacional. 
A la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. 
A la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación. 
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. 
A Madisa Caterpillar. 
 
Al Dr. Guillermo Urriolagoitia Sosa por la oportunidad otorgada para la obtención de este 
grado, tiempo, apoyo invaluable y sabios consejos brindados. 
 
A todas las personas cercanas a mi que me aportaron para la culminación de esta tesis y 
obtención del grado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Resumen i 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
Resumen 
En este trabajo de tesis se desarrolla la investigación referente al análisis numérico de falla, a 
través, de la evaluación del estado de esfuerzos y deformaciones presentados por la 
herramienta de implemento de un equipo de maquinaria pesada específicos, así como de sus 
componentes estructurales localizados como críticos, durante diferentes condiciones y etapas 
externas presentadas y propuestas, habiéndose generando en CAD los modelados a evaluar y 
simulándose a partir empleo del Método del elemento finito, a fin de recopilar información 
referente a la falla de tal elemento estructural. Inicialmente se comienza con el desarrollo de la 
investigación a cerca de la información previa sobre esta temática, esto con el fin de 
comprender y determinar sus efectos, su origen y su clasificación, además de los diferentes 
parámetros que han dado su desarrollo, ubicándo el plano y nivel en el que se localiza el arte. 
 
En una primera etapa se involucran los fundamentos teóricos referentes a la generación de una 
gran diversidad de equipos de maquinaria pesada y haciéndose énfasis en los equipos y 
elementos estructurales de nuestro específico interés, localizándo así, lo referente a los 
Tractores de cadenas y sus respectivas herramientas de implemento, así como los inherentes 
elementos mecánicos involucrados en el funcionamiento propio. 
 
Posteriormente se comienza a desarrollar el objetivo fundamental de este trabajo de tesis, por 
lo que son generados los modelados de los diferentes componentes estructurales pertenecientes 
a la herramienta de implemento hasta obtener en su conjunto el ensamble total de la estructura 
que es evaluada y simulada numéricamante a través del Método del elemento finito, por lo que 
son referidas las condiciones en las que se desarrolla tal elemento. Esta evaluación es generada 
primeramente bajo condiciones externas de trabajo cotidianas aplicadas a la herramienta de 
implemento bajo un régimen elástico. Posteriormente es efectuado el análisis bajo condiciones 
elastoplásticas descritas a partir del material específico de construcción con condiciones 
externas propuestas a fin de ubicar al elemento estructural en el rango plástico y obteniendo 
deformaciones permanentes conllevandolo así a su falla para una posterior descarga 
localizando los esfuerzos residuales generados tras la historia previa de carga, de tal análisis 
son apreciados los componentes críticos del elemento, procediendo así finalmente a la 
generación de un análisis de falla similar aplicado a los soportes en especifico, obteniendo así 
los parámetros y condiciones requeridos como objetivo de este trabajo de investigación. 
Abstract ii 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
Abstract 
In this thesis research is conducted concerning the numerical analysis of failure, through, 
assessing the state of stress and strain produced by the tool implement a specific heavy 
machinery equipment, as well as localized structural components as critics, for different 
conditions and external steps and proposals submitted, having generated in the CAD modeling 
and simulating assess from the use of Finite element method in order to collect information 
regarding the failure of such structural element. Initially it starts with the development of 
research about pre-information on this subject, this in order to understand and determine their 
effects, their origin and their classification, in addition to the various parameters that have 
their development, placing the flat and level which is located in the art. 
 
The first stage involved the theoretical foundations concerning the generation of a wide range 
of heavy machinery equipment and making emphasis on equipment and structural elements of 
our specific interest, locating well, the Bulldozer and their tools implement as well as the 
inherent mechanical elements involved in the operation itself. 
 
Then you begin to develop the fundamental objective of this thesis work, which are generated 
by the modeling of different structural components belongingto implement tool to get a whole 
complete assembly of the structure is evaluated and numerically simulated to through the 
Finite element method, which are referred to by the conditions under which such element is 
developed. This assessment is primarily generated under external conditions applied to 
everyday work tool attachment under elastic regime. Analysis is then carried out under 
conditions described elastoplastic from specific material construction with external conditions 
proposed to locate the structural element in the plastic range and obtaining permanent 
deformations conllevandolo and his subsequent failure to download locating residual stresses 
generated after Load the previous history of such analyzes are critical components appreciated 
element and finally proceeding to the generation of a similar failure analysis applied to 
supports in specific, thus obtaining the required parameters and conditions aim of this 
research. 
 
 
 
Objetivos iii 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
Objetivos 
Objetivo General 
Generar el análisis numérico de falla para la herramienta del implemento en un equipo de 
maquinaria pesada. 
 
Objetivos Particulares 
Para lograr alcanzar el objetivo general que anteriormente se propone, es necesario cubrir con 
una serie de objetivos particulares que a continuación se presentan. 
• Conocer y comprender el comportamiento estructural de trabajo de la herramienta de 
implemento de un equipo de maquinaria pesada. 
• Describir el arreglo geométrico estructural de la herramienta de implemento de un 
equipo de maquinaria pesada, para de esta manera comprender mecánicamente su 
comportamiento. Así como, las condiciones de falla. 
• Desarrollar el análisis numérico del modo propuesto dentro del objetivo general, 
utilizando el método del elemento finito. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Justificación iv 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
Justificación 
La maquinaria pesada es una de la más importantes industrias a nivel mundial en nuestros 
días, con un desarrollo tecnológico incesante y una expansión creciente y acelerada, además de 
ser una de las industrias que mayor cantidad de capitales genera directa e indirectamente; por 
lo anterior no es una industria aislada sólo involucrada únicamente en su producción, si no 
también tiene fuertes efectos e injerencia en diferentes ramas de la industria actual tales como 
construcción general, construcción pesada, minería, canteras, trituración y perforación, 
generación de energía, agricultura y pesca, extracción de petróleo, transporte marino, entre una 
gran diversidad más de aplicaciones y ramas de la industria. 
 
Por lo anterior con el fin de tener una alta confiabilidad en equipos de maquinaria pesada, es 
de primera importancia hacer énfasis a aquellos componentes estructurales en los cuales se 
presenta una mayor cantidad de esfuerzos, fallas, mantenimientos y ciclos de trabajo siendo así 
la herramienta del implemento del equipo la percibida de acuerdo a estos criterios, además de 
ser aquel componente estructural primordial e indispensable para la totalidad de los trabajos 
realizados por el equipo, al ser la herramienta ejecutante del trabajo. Si este componente 
estructural llegara a fallar de manera importante o sufrir un colapso, dependiendo de la 
localización y el daño causado a la estructura, puede conducir a fallas catastróficas y a 
costosos tiempos improductivos y mantenimientos. 
 
Realizar un estudio numérico con base en el Método del elemento finito (MEF), permite 
cuantificar la capacidad de la herramienta del implemento de un equipo de maquinaria pesada, 
con el fin de observar el comportamiento total y la absorción de energía que tiene el 
componente estructural de trabajo, conociendo esto, es posible obtener los parámetros y 
condiciones de falla, desarrollando información en vías de la implementación de mejoras en su 
arreglo estructural, así como la visualización de sus capacidades de trabajo y de tiempo de vida 
útil del componente estructural. 
 
 
 
 
 
Índice general v 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
Índice general 
Resumen i 
Abstract ii 
Objetivos iii 
Justificación iv 
Índice general v 
Índice de figuras xiii 
Índice de tablas xviii 
Simbología xix 
Introducción xxi 
 
Capítulo I. Estado del arte 
 I.1.- Maquinaria pesada 2 
 I.2.- Antecedentes históricos de la maquinaria pesada 2 
 I.2.1.- Niveladora 4 
 I.2.2.- Raspador 4 
 I.2.3.- Bulldozer 5 
 I.2.4.- Tractor agrícola 5 
 I.2.5.- Compactadora 6 
 I.3.- Maquinaria pesada con herramienta de implemento 7 
 I.3.1.- Especificaciones de equipos con herramienta de implemento 8 
 I.3.1.1.- Potencia y peso del equipo 8 
 I.3.1.2.- Transmisiones8 
 I.3.1.3.- Eficiencia de combustible 9 
 I.3.1.4.- Herramienta de implemento 10 
 I.4.- Retroexcavadora 10 
 I.4.1.- Definición 10 
 I.4.2.- Operaciones 11 
 I.4.3.- Aplicaciones 11 
 I.4.4.- Tipos 12 
 I.4.4.1.- Retroexcavadora mixta 12 
 I.4.4.2.- Retroexcavadora araña 13 
Índice general vi 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
 I.4.5. Aplicaciones 13 
 I.4.6.- Transporte 13 
 I.4.7.- Mantenimiento 13 
 I.4.8.- Proveedores y marcas 14 
 I.5.- Cargador frontal 14 
 I.5.1.- Definición 14 
 I.5.2.- Operaciones 15 
 I.5.3.- Aplicaciones 15 
 I.5.4.- Tipos 15 
 I.5.5.- Transporte 16 
 I.5.6.- Mantenimiento 16 
 I.5.7.- Proveedores y Marcas 16 
 I.6.- Motoniveladora 16 
 I.6.1.- Definición 16 
 I.6.2.- Operaciones 17 
 I.6.3.- Esquema 17 
 I.6.4.- Aplicaciones 18 
 I.6.5.- Tipos 18 
 I.6.6.- Transporte 18 
 I.6.7.- Mantenimiento 19 
 I.6.8.- Proveedores y Marcas 19 
 I.7.- Tractor bulldozer 19 
 I.7.1.- Definición 19 
 I.7.2.- Operaciones 20 
 I.7.3.- Aplicaciones 20 
 I.7.4.- Tipos 20 
 I.7.4.1.- Por el sistema de traslación 20 
 I.7.4.2.- Por la forma en que mueve su herramienta de implemento 21 
 I.7.4.3.- Otra clasificación según Caterpillar 21 
 I.7.5.- Herramienta de implemento, hoja recta “S” 21 
 I.7.6.- Herramienta de implemento, hoja angulable e inclinable 
 a potencia “P” 22 
Índice general vii 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
 I.7.7.- Herramienta de implemento, hoja amortiguada "C" 22 
 I.7.8.- Herramienta de implemento, hoja universal "U" 23 
 I.7.9.- Herramienta de implemento, hoja semiuniversal “SU” 23 
 I.7.10.- Control de la herramienta de implemento 24 
 I.7.11.- Accesorios Adicionales 24 
 I.7.12. Transporte 24 
 I.7.13.- Mantenimiento 24 
 I.7.14.- Proveedores y Marcas 25 
 I.8.- Planteamiento del problema 26 
 I.9.- Sumario 27 
 I.10.- Referencias 28 
 
Capítulo II. Fundamentos teóricos 
II.1.- Tractor de cadenas D8T 30 
II.2.- Motor C15 con tecnología ACERT 30 
II.2.1.- C1531 
 II.2.2.- Potencia neta constante 31 
 II.2.3.- Bloque del C15 31 
 II.2.4.- Controlador del Motor ADEM A4 31 
 II.2.5.- Suministro de combustible 32 
 II.2.6.- Sistema de combustible MEUI 32 
 II.2.7.- Posenfriamiento de aire a aire remoto y flujo de aire 32 
 II.2.8.- Turbocompresión y posenfriamiento de aire a aire 32 
 II.2.9.- Servicio 32 
 II.3.- Controles de la dirección y del accesorio 33 
 II.3.1.- Control de la dirección 33 
 II.3.2.- Control electrónico del desgarrador 33 
 II.3.3.- Control electrónico programable de la hoja topadora 33 
 II.3.4.- Palanca de control de la herramienta de implemento 34 
 II.3.5.- Inclinación Vertical Automática 34 
 II.3.6.- Opción Lista para AccuGrade (ARO) 34 
 II.3.7.- Sistema de Movimiento de Tierras Asistido por Computadora (CAES) 35 
Índice general viii 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
 II.3.8.- Palanca de control del desgarrador 35 
 II.3.9.- Sistema de control del timón 36 
 II.4.- Tren de impulsión 36 
 II.4.1.- Divisor de par 36 
 II.4.2.- Sistema de dirección de diferencial 36 
 II.4.3.- Servotransmisión planetaria 37 
 II.4.4.- Tracción en la barra de tiro frente a cambios de velocidad 38 
 II.4.5.- Mandos finales elevados 38 
 II.5.- Tren de rodaje 38 
 II.5.1.- Diseño con tren de rodaje amortiguado 39 
 II.5.2.- Suspensión con soportes basculantes 39 
 II.5.3.- Montaje de rodillo superior integrado 39 
 II.5.4.- Rodillos y ruedas guía 39 
 II.5.5.- Bastidores de rodillos 40 
 II.5.6.- Segmentos de ruedas motrices 40 
 II.6.- Estructura 40 
 II.6.1.- Resistencia del bastidor principal 40 
 II.6.2.- Rieles del bastidor 41 
 II.6.3.- Fundiciones de acero pesado 41 
 II.6.4.- Rieles superior e inferior 41 
 II.6.5.- Caja principal 41 
 II.6.6.- Eje pivote 41 
 II.6.7.- Barra compensadora 42 
 II.6.8.- Tirante estabilizador 42 
 II.7.- Herramientas de implemento 42 
 II.7.1.- Hojas topadoras 42 
 II.7.1.1.- Hoja semiuniversal 42 
 II.7.1.2.- Hoja universal 43 
 II.7.2.- Inclinación doble optativa 44 
 II.7.3.- Cuchillas y cantoneras 44 
 II.7.4.- Desgarradores 44 
 II.7.4.1.- Desgarrador con un vástago 44 
Índice general ix 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
 II.7.4.2.- Desgarrador con vástagos múltiples 44 
 II.7.5.- Sistema hidráulico 44 
 II.7.6.- Contrapesos traseros 45 
 II.8.- Capacidad de servicio 45 
 II.8.1.- Filtro de aceite del motor 45 
 II.8.2.- Separador de agua y filtro de combustible 45 
 II.8.3.- Conexiones de desconexión rápida 45 
 II.8.4.- Análisis S.O.S. 45 
 II.8.5.- Product Link PL300 de Caterpillar 45II.8.6.- Respaldo al equipo 46 
 II.8.7.- Componentes remanufacturados 46 
 II.9.- Dimensiones del equipo 46 
 II.10.- Selección de la herramienta de implemento 47 
 II.10.1.- Materiales a mover 47 
 II.10.2.- Limitaciones del equipo 48 
 II.11.- Medición de la producción fuera del trabajo 48 
 II.11.1.- Producción promedio por hora del bulldozer D8T 
 con herramienta de implemento semiuniversal 51 
 II.12.- Medición de la producción en el trabajo 52 
 II.12.1.- El empleo de técnicas de reconocimiento 52 
 II.12.2.- Peso de cargas de la hoja 52 
 II.12.3.- Medición de cargas de la hoja 53 
 II.13.- Soportes de borde de corte para las herramientas de implemento 54 
 II.13.1.- Descripción 54 
 II.13.2.- Características y Beneficios 54 
 II.13.3.- Instrucciones de instalación 54 
 II.13.4.- Cantoneras 55 
 II.13.5.- Finales de hoja 55 
 II.13.6.- Sujetadores roscados 56 
 II.13.7.- Placas de desgaste 56 
 II.13.8.- Barras de desgaste 56 
 II.14.- Sumario 57 
Índice general x 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
 II.15.- Referencias 57 
Capítulo III. Análisis numérico elástico para herramienta de implemento 
 III.1.- Introducción al Método del Elemento Finito (MEF) 61 
 III.1.1.- Breve historia del MEF 62 
 III.1.2.- Conceptos generales del MEF 63 
 III.1.3.- Funcionamiento del MEF 66 
 III.1.4.- Formulación del MEF 67 
 III.2.- Programa computacional Mechanical Desktop de diseño y modelado 68 
 III.2.1.- Ventajas de Mechanical Desktop 70 
 III.3.- Dimensiones de la herramienta de implemento 70 
 III.4.- Construcción tridimensional de la herramienta de implemento 71 
 III.5.- Ensamble de herramienta de implemento 75 
 III.6.- Generación de archivo con extensión SAT 75 
 III.7.- Condiciones de la herramienta de implemento en operación 75 
 III.8.- Requerimientos para análisis por MEF en ANSYS 78 
 III.9.- Análisis numérico por Método del Elemento Finito 79 
 III.9.1.- Preprocesamiento 79 
 III.9.2.- Aplicación de restricciones y agentes externos 81 
 III.9.3.- Postprocesamiento 82 
 III.10.- Análisis de resultados 86 
 III.11.- Sumario 86 
 III.12.- Referencias 87 
 
Capítulo IV. Análisis numérico elastoplástico para herramienta de implemento 
IV.1.- Elastoplasticidad 89 
IV.2.- Teoría Elastoplástica 90 
 IV.2.1.- Superficie de fluencia 90 
 IV.2.2.- Regla de flujo 90 
 IV.2.3.- Relación tensión-deformación 91 
IV.3.- Tratamiento Elastoplástico 91 
IV.4.- Comportamiento elastoplástico del acero estructural 92 
IV.5.- Modelo elastoplástico 93 
Índice general xi 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
IV.6.- Criterio de Von Mises para Elastoplasticidad 97 
IV.7.- Endurecimiento por deformación 98 
 IV.7.1.- Endurecimiento cinemático 100 
 IV.7.2.- Endurecimiento cinemático lineal 101 
IV.8.- Esfuerzos residuales 102IV.8.1.- Efectos de los esfuerzos residuales 102 
IV.9.- Condiciones de la herramienta de implemento para análisis 
 elastoplástico 104 
IV.10.- Modelado y exportado de herramienta de implemento en CAD 105 
IV.11.- Requerimientos para análisis por Método del Elemento Finito 106 
IV.12.- Análisis elastoplástico por Método del Elemento Finito 107 
 IV.12.1.- Preprocesamiento 107 
 IV.12.2.- Procesamiento 110 
 IV.12.3.- Postprocesamiento 111 
IV.13.- Análisis de resultados 117 
IV.14.- Sumario 117 
IV.15.- Referencias 118 
 
Capítulo V. Análisis numérico elastoplástico para soportes 
 de herramienta de implemento 
V.1.- Elementos estructurales del sistema hidráulico en maquinaria pesada 120 
 V.1.1.-Mangueras 122 
 V.1.2.- Acoplamientos 123 
 V.1.3.- Bombas y motores hidráulicos 123 
 V.1.4.- Sellos 123 
 V.1.5.- Válvulas 124 
 V.1.6.- Cilindros hidráulicos 124 
 V.1.7.- Camisas 124 
 V.1.8.- Soporte de aplicación del cilindro hidráulico 124 
V.2.- Dimensionamiento de soportes para cilindros hidráulicos 125 
V.3.- Condiciones de soportes de cilindros hidráulicos para análisis 
 elastoplástico 126 
Índice general xii 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
V.4.- Modelado y exportado de soportes para levante e inclinación en CAD 128 
V.5.- Elementos necesarios para análisis elastoplástico por MEF 128 
V.6.- Análisis elastoplásticos de soportes por MEF 129 
 V.6.1.- Preprocesamientos 129 
 V.6.2.- Procesamientos 132 
 V.6.3.- Postprocesamientos 133 
V.7.- Análisis de resultados 139 
V.8.- Sumario 139 
V. 9.- Referencias 140 
 
Conclusiones y discusiones 142 
Trabajos futuros 145 
 
Índice de figuras xiii 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
Índice de figuras 
Capítulo I 
Figura I.1.- Maquinaria pesada 2 
Figura I.2.- Maquinaria pesada en la antigüedad 3 
Figura I.3.- Niveladora autopropulsada introducida por primera vez en 1909 4 
Figura I.4.- Motoniveladora actual 4 
Figura I.5.- Tractor de oruga de término genérico Caterpillar 5 
Figura I.6.- Uno de los primeros tractores asociados a actividades 
 de agricultura 6 
Figura I.7.- Compactadora mecánica manufacturada en Reino Unido, 
 líder en producción 6 
Figura I.8.- Bulldozer Caterpillar, equipo con herramienta de implemento 7 
Figura I.9.- Presentaciones más comunes para combustible 
 diesel y aceites Caterpillar 9 
Figura I.10.- El bulldozer más grande del mundo, Komatsu D575A-3 
 Super Dozer 10 
Figura I.11.- Dimensiones de maniobrabilidad de una retroexcavadora Case 11 
Figura I.12.- Cargador frontal Volvo 14 
Figura I.13.- Motoniveladora 170B New Holland 17 
Figura I.14.- Tractor bulldozer D8T Caterpillar 19 
Figura I.15.- Herramienta de implemento, hoja recta “S” 22 
Figura I.16.- Herramienta de implemento, hoja amortiguada “C” 23 
Figura I.17.- Herramienta de implemento, hoja semiuniversal “SU” 23 
 
Capítulo II 
Figura II.1.- Bulldozer D8T Caterpillar en operación 30 
Figura II.2.- Motor C15 ACERT Caterpillar 31 
Figura II.3.- Desgarrador (ripper) para bulldozer D8T Caterpillar33 
Figura II.4.- Pantalla del CAES 35 
Figura II.5.- Tren de impulsión acoplado a motor 36 
Figura II.6.- Servotransmisión planetaria de tren de impulsión 37 
Figura II.7.- Mandos finales elevados desarrollados por Caterpillar en 1982 38 
Índice de figuras xiv 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
Figura II.8.- Tren de rodaje con rueda motriz elevada 39 
Figura II.9.- Bastidor principal 41 
Figura II.10.- Herramienta de implemento semiuniversal SU 43 
Figura II.11.- Dimensiones de bulldozer D8T Caterpillar 46 
Figura II.12.- Producción estimada para hojas semiuniversales 
 de equipos D6N a D11R 49 
Figura II.13.- Producción estimada para hojas universales 
 de equipos D6N a D11R 50 
Figura II.14.- Producción estimada para hojas rectas 
 de equipos D6N a D11R 50 
Figura II.15.- Porcentaje de pendiente de terreno contra factor de empuje 51 
Figura II.16.- Factores de corrección para condiciones de trabajo 52 
Figura II.17.- Vistas superior y lateral de parámetros de pilas de material 53 
Figura II.18.- 1) Identificación de partes, 2) Dimensiones críticas 55 
 
Capítulo III 
Figura III.1.- Discretización del continuo 61 
Figura III.2.- Condiciones de contorno, contorno y dominio 63 
Figura III.3.- Viga en voladizo con carga puntual en extremo 64 
Figura III.4.- Discretizado del dominio 65 
Figura III.5.- Solución a problemas odontológicos con MEF 66 
Figura III.6.- Pantalla principal de Mechanical Desktop 69 
Figura III.7.- Mediciones físicas de herramienta de implemento 71 
Figura III.8.- Modelado de soporte de brazo de sujeción 72 
Figura III.9.- Modelado de extremo 72 
Figura III.10.- Modelado de hoja frontal 73 
Figura III.11.- Modelado de cara posterior y esqueleto interno 73 
Figura III.12.- Modelado de soporte de cilindro de elevación 74 
Figura III.13.- Modelado de soporte de barra estabilizadora 74 
Figura III.14.- Modelado de soporte de cilindro de inclinación 74 
Figura III.15.- Modelado de ensamble de herramienta de implemento 75 
Figura III.16.- Cargas y restricciones en herramienta de implemento 76 
Índice de figuras xv 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
Figura III.17.- Velocidad vs. Fuerza de tracción, por avances 77 
Figura III.18.- Pantalla principal de ANSYS 78 
Figura III.19.- Herramienta de implemento en ANSYS 80 
Figura III.20.- Mallado de herramienta de implemento 81 
Figura III.21.- Restricciones de movimiento en muñones de soportes 82 
Figura III.22.- Aplicación de presión en área efectiva de empuje 82 
Figura III.23.- Forma básica y deformada 83 
Figura III.24.- Sumatoria de deformaciones en ejes x, y, z 83 
Figura III.25.- Esfuerzo principal S1 en la herramienta de implemento 83 
Figura III.26.- Esfuerzo principal S2 en la herramienta de implemento 84 
Figura III.27.- Esfuerzo principal S3 en la herramienta de implemento 84 
Figura III.28.- Esfuerzos por energía de distorsión máxima 
 o Criterio de Von Mises 84 
Figura III.29.- Esfuerzos en eje de accionamiento x 85 
Figura III.30.- Esfuerzos en eje de accionamiento y 85 
Figura III.31.- Esfuerzos en eje de accionamiento z 85 
 
Capítulo IV 
Figura IV.1.- Efectos no producidos para Elastoplasticidad 92 
Figura IV.2.- Modelos simplificados del comportamiento resistente 
 del acero estructural 92 
Figura IV.3.- Modelo elastoplástico para acero estructural 94 
Figura IV.4.- Criterio de plastificación de Von Mises 98 
Figura IV.5.- Comportamiento esfuerzo-deformación unitaria 
 para descarga y carga 100 
Figura V.6.- Superficie de cedencia inicial y subsecuente en endurecimiento 
 cinemático 101 
Figura IV.7.- Regla lineal de endurecimiento cinemático 101 
Figura IV.8.- Esquema de un estado de esfuerzos residuales 103 
Figura IV.9.- Cargas y restricciones en herramienta de implemento 104 
Figura IV.10.- Herramienta de implemento modelada en CAD 106Figura IV.11.- Pantalla de arranque de ANSYS 106 
Índice de figuras xvi 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
Figura IV.12.- Importación del modelo por SAT a ANSYS 108 
Figura IV.13.- Plasticidad con endurecimiento cinemático por Von Mises 109 
Figura IV.14.- Mallado con elemento Tet 10 node187 110 
Figura IV.15.- Restricción de grados de libertad en soportes 111 
Figura IV.16.- Presión aplicada para primer paso de carga 111 
Figura IV.17.- Modelo básico y deformado 112 
Figura IV.18.- Sumatoria de deformaciones en ejes x, y, z 112 
Figura IV.19.- Esfuerzo principal S1 en la herramienta de implemento 112 
Figura IV.20.- Esfuerzo principal S2 en la herramienta de implemento 113 
Figura IV.21.- Esfuerzo principal S3 en soporte de la herramienta 
 de implemento 113 
Figura IV.22.- Esfuerzos por energía de distorsión máxima 
 o Criterio de Von Mises 113 
Figura IV.23.- Esfuerzo cortante xy 114 
Figura IV.24.- Esfuerzo cortante yz 114 
Figura IV.25.- Esfuerzo cortante xz 114 
Figura IV.26.- Deformación elástica 115 
Figura IV.27.- Deformación plástica 115 
Figura IV.28.- Esfuerzos residuales a la descarga 116 
 
Capítulo V 
Figura V.1.- Soportes en herramienta de implemento para aplicación 
 de cilindros hidráulicos 125 
Figura V.2.- 1) Soporte de cilindro de inclinación, 2) Soporte de cilindro 
 de levante 126 
Figura V.3.- Soportes de cilindros hidráulicos, componentes críticos 127 
Figura V.4.- Modelos de 1) soporte para inclinación y 2) soporte 
 para levante, en CAD 128 
Figura V.5.- ANSYS como software de simulación 129 
Figura V.6.- Importación de archivos SAT para cada soporte 130 
 
Índice de figuras xvii 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
Figura V.7.- Plasticidad con endurecimiento cinemático por Von Mises 
 para ambos casos 131 
Figura V.8.- Mallado de soportes con elemento Tet 10 node187 131 
Figura V.9.- Restricciones de movimiento en áreas de contacto directo 
 con cilindros 132 
Figura V.10.- Presiones aplicadas en áreas de contacto con cara anterior 
 de la herramienta 133 
Figura V.11.- Modelos básicos y deformados de los soportes 134 
Figura V.12.- Sumatoria de deformaciones en ejes x, y, z en soportes 134 
Figura V.13.- Esfuerzos principales S1 en soportes 134 
Figura V.14.- Esfuerzo principal S2 en soportes 135 
Figura V.15.- Esfuerzo principal S3 en soportes 135 
Figura V.16.- Esfuerzos por energía de distorsión máxima o Criterio 
 de Von Mises 135 
Figura V.17.- Esfuerzos cortantes xy 136 
Figura V.18.- Esfuerzos cortantes yz 136 
Figura V.19.- Esfuerzo cortante xz 136 
Figura V.20.- Deformaciones elásticas en soportes 137 
Figura V.21.- Deformaciones plásticas en soportes 137 
Figura V.22.- Esfuerzos residuales a la descarga de los soportes 138 
 
 
 
 
Índice de tablas xviii 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
Índice de tablas 
Capítulo III 
Tabla III.1.- Velocidades y fuerzas de tracción, por avances 77 
Tabla III.2.- Especificaciones de la hoja 8SU 78 
 
Capítulo IV 
Tabla IV.1.- Especificaciones de la hoja 8SU 105 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Simbología xix 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
Simbología 
2D Dos dimensiones 
3D Tres dimensiones 
CAD Computer aided design (Diseño asistido por computadora) 
ε Deformación 
EMódulo de elasticidad o de Young 
F Fuerza 
T Tensión 
MEF Método del elemento finito 
mm Milímetro 
Pa Pascal 
MPa Mega Pascal 
GPa Giga Pascal 
υ Relación de Poisson 
N Newton 
mph Millas por hora 
SAT Standart ACIS Text 
σ Esfuerzo 
σmax Esfuerzo máximo 
σu Esfuerzo último 
σy Esfuerzo de cedencia 
SAE Society of Automotive Engineers (Sociedad de Ingenieros Automotrices) 
S1 Esfuerzo principal 1 
S2 Esfuerzo principal 2 
x Eje x 
y Eje y 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INTRODUCCIÓN 
 
 
 
 
Introducción xxi 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
Introducción 
El término maquinaria es de origen latino y hace referencia a todo lo que permite llevar 
adelante una determinada tarea, según el área en la que se esté trabajando. Antiguamente, el 
término era empleado para mencionar a todo arte que enseñaba las distintas etapas de la 
fabricación de las máquinas. En la actualidad, maquinaria no solo comprende a las máquinas 
en sí sino también a las piezas u otros elementos que formen parte de esa ejecución mayor. Es 
decir, que la combinación de piezas, máquinas, accesorios, novedades técnicas, todo eso da 
como resultado la maquinaria propiamente dicha. 
 
No es casual, entonces, que a la maquinaria se la clasifique por el ambiente en el que se la 
utiliza. Las máquinas que forman parte de la gran maquinaria también están constituidas por 
un conjunto de elementos, que en este caso se agrupan con una función determinada para que 
todo se ejecute a la perfección. Las máquinas presentan distintas variedades, aunque todas 
tienen como finalidad la de guiar una forma de energía con el propósito de que aumente la 
producción, el nivel de trabajo. Su función es la de transformar la energía, a partir del motor, 
que es la fuente de la cual dicha energía es tomada para que el trabajo en cuestión pueda seguir 
su camino. En cuanto a la clasificación de las máquinas integradoras de distintos tipos de 
maquinarias, los parámetros no son muy claros. Por un lado, se ha convenido en clasificar a las 
máquinas según los tipos de motores que poseen, según su mecanismo (es decir, su conjunto 
de elementos de índole mecánico)o según el bastidor, encargado de soportar el peso del motor 
y del mecanismo. También se las clasifica por su utilidad, de ahí que haya máquinas 
compresoras, embaladoras y taladradoras. La maquinaria taladradora, por ejemplo, a su vez 
comprende distintos tipos de máquinas que van desde aquellas que son más simples a aquellas 
máquinas que presentan características mucho más complejas. En el caso de las simples, estas 
son menos sofisticadas y poseen un solo eje destinado a la portación de herramientas. Además 
de esto, sus partes constitutivas son: la columna, el cabezal y el pie. Entre los ejemplos de 
estas maquinas simples nos podemos encontrar con las que se utilizan para lograr taladrados 
rápidos, imprescindibles en obras de construcción y reparación. Entre las ventajas, se 
encuentra su peso, que generalmente es muy liviano, lo cual hace de estas máquinas un 
elemento cómodo y de fácil transporte. Otros ejemplos de estas máquinas cuentan con el 
mismo número de piezas, aunque a éste se le agregan mesas o bancos donde pueden ser 
también montadas. Hay otra variedad de máquinas simples, dentro de las maquinarias, que son 
Introducción xxii 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
aquellas que no se limitan a tareas relativamente sencillas. Son aquellas máquinas 
empleadas para realizar agujeros de tamaños significativos. Por esta razón, se recomienda el 
modelo de máquina simple que, opuesto al caso mencionado, es mucho más pesada y menos 
rápida, pero muy efectiva par a cuando se quieren trabajar en superficies de mayor tamaño. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO I 
ESTADO DEL ARTE 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo I 2 
 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
I.1.- Maquinaria pesada 
La maquinaria pesada, de acuerdo a la relación de peso/volumen, es decir, según su capacidad, 
es descrita poseedora de grandes proporciones geométricas comparado con vehículos livianos. 
Tienen peso y volumetría considerable; requiere de un operador capacitado, porque varía la 
operación según la maquinaria; se utiliza en movimientos de tierra de grandes obras de 
ingeniería civil y en obras de minería a cielo abierto [I.1]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.1.- Maquinaria pesada 
 
I.2.- Antecedentes históricos de la maquinaria pesada 
Los Estados Unidos fueron los primeros en desarrollar innovaciones para ahorrar mano de 
obra, primero en agricultura, después en construcción, los dos encajándose en una vigorosa 
tradición de mecanización [I.2]. El Reino Unido y Europa se hallaban en considerable atraso 
en ambos sectores, probablemente debido a la abundancia de mano de obra y la menor escala 
de las obras para realizar, lo que llevó a una disolución del ímpetu hacia una mayor 
productividad [I.3]. Los manufactureros norteamericanos de equipamientos, pioneros en la 
obsolescencia planificada, al contrario del principio Europeo de la construcción duradera, 
también alimentaron el proceso de cambio. Además de que los lazos entre los manufactureros 
y los usuarios siempre estuvieron estrechos. Así permitiendo que lecciones de operación se 
incorporaran en el proceso de diseño. 
 
Capítulo I 3 
 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
La historia del mejoramiento en el diseño de máquinas, que se dió principalmente en los 
Estados Unidos, lo que permite observar una fascinante ilustración del principio de cómo la 
forma sigue a la función [I.4]. La especialización del equipamiento de mover tierra, 
esencialmente como función de la distancia de acarreo, hizo aparecer a la niveladora, el 
raspador, el bulldozer, la compactadora, el cargador y el ubicuo tractor agrícola. Éste 
proceso se dió más o menos alrededor de los 1880 y hasta el final de la primera guerra 
mundial [I.5]. Ya en esta época, todos habían adquirido su silueta familiar. El diseño elegante 
y utilitario del tractor de hacienda cambió poco en los últimos noventaaños. Las primeras 
niveladoras, raspadores y compactadoras eran de tracción animal. Sin embargo, el esfuerzo 
de tracción necesario requería de equipos de un tamaño excesivo (se mencionaron equipos de 
hasta dieciséis mulas). Entonces rápidamente el tractor y luego el asentador de vías fueron 
adaptados para poder jalarlos. Luego fueron motorizados. La adición de la cuchara del 
bulldozer al tractor arrastrador, una innovación clave para desplazar tierra sobre cortas 
distancias, llegó un poco más tarde. En la medida en que la tracción por vapor no dominaba 
cómo era el caso en el Reino Unido, donde la indestructibilidad (las máquinas de vapor 
victorianas quedaron en servicio por medio siglo y más) era sin duda un freno al desarrollo de 
maquinaria relativamente ligera y ágil [I.6]. El motor a combustión interna fue adoptado 
rápidamente. Sin duda, el hecho de que fuera tan compacto y práctico estimuló mucho el 
diseño. A pesar de que no fuera una tarea trivial encender un motor a petróleo en temperaturas 
de congelamiento a principios de siglo, los procedimientos para arrancar una máquina de 
vapor ocupaban las primeras horas de cada día [I.7]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.2.- Maquinaria pesada en la antigüedad 
Capítulo I 4 
 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
Después del desarrollo rápido de los treinta años antes de la primera guerra mundial, se 
consolidó el diseño en los años 20 y 30. El tamaño y la potencia de los motores incrementaron, 
los motores diesel se volvieron bastante universales, así como, los sistemas hidráulicos [I.2]. 
Al umbral de la segunda guerra mundial la maquinaria de construcción había llegado grosso 
modo a su forma actual. 
 
I.2.1.- Niveladora 
La primera niveladora reconocible apareció en 1886. Era naturalmente de tracción animal. Sin 
embargo, se ve asombrosamente similar a su descendiente [I.4]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.3.- Niveladora autopropulsada introducida por primera vez en 1909 
 
I.2.2.- Raspador 
El raspador Fresno era el ancestro de los monstruos actuales, los cuales pueden jalar 240 
metros cúbicos por hora sobre una distancia de cien metros [I.5]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.4.- Motoniveladora actual 
 
Capítulo I 5 
 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
I.2.3.- Bulldozer 
La historia del bulldozer empieza con el desarrollo del vehículo asentador de vías. El primero, 
que funcionaba a vapor, fue utilizado por primera vez en Crimea en 1854. Modelos tempranos 
tomaron cierto tiempo en encontrar su forma ideal y tomó su tiempo antes de que el manejo 
por control diferencial de la velocidad de la llanta de oruga se volviera generalizado y 
permitiera deshacerse del eje principal [I.2]. Se puede apreciar la manera en que el motor de 
combustión interna facilitó la unión de forma y función. 
 
El término genérico Caterpillar (tractor de oruga) fue utilizado por primera vez en 1909. En 
1914 su silueta era poco diferente de los actuales [I.2]. La provechosa unión del tractor de 
oruga y la hoja requirió cierto tiempo. El bullboard había sido desarrollado separadamente 
para la tracción animal. Los primeros bulldozers reconocibles aparecieron alrededor de 1922 y 
en los años siguientes sufrieron innovaciones intensivas en la montura y el control de la 
cuchara para lograr máxima productividad. En 1930 el típico tractor de oruga se diferenciaba 
poco de los que se encuentran en la actualidad. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.5.- Tractor de oruga de término genérico Caterpillar 
 
I.2.4.- Tractor agrícola 
El tractor nació para sustituirse, en las faenas agrícolas, a los animales de tracción, los cuales 
estaban alcanzando rápidamente precios prohibitivos. Resulta interesante notar que alimentar 
un caballo durante un año requería apartar dos hectáreas de cultivo y una hora por día de 
cuidado [I.4]. El primer tractor reconocible apareció en 1890. Fue precedido, lógicamente, en 
particular en el Reino Unido, por el motor a tracción. Sin embargo, su peso y su costo 
Capítulo I 6 
 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
impedían que se reemplazara el caballo para varias faenas agrícolas cotidianas. Se utilizaban 
más generalmente como máquinas estacionarias para arado y trillado, a menudo alquilándose 
para uso diario. El tractor se acercó rápidamente de su diseño óptimo justo después de la 
primera guerra mundial, cuando el motor y el tren de conducción reemplazaron el chasis. 
Luego, la innovación consistió únicamente en cambios de detalles asociados con el incremento 
continuo de tamaño y potencia [I.4]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.6.- Uno de los primeros tractores asociados a actividades de agricultura 
 
I.2.5.- Compactadora 
La Gran Bretaña lideraba en el desarrollo de compactadoras mecánicas, debido probablemente 
a la propagación rápida de los caminos de Macadam durante el siglo XIX [I.5]. Las primeras 
apisonadoras, manufacturadas por Aveling and Porter, fueron utilizadas en 1867 [I.6]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.7.- Compactadora mecánica manufacturada en Reino Unido, líder en producción 
 
Capítulo I 7 
 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
Éstos eran, así como las máquinas de tracción a vapor, exportados en grandes cantidades hacia 
los Estados Unidos de América. El vapor permaneció una fuente corriente de energía durante 
gran parte del siglo XX [I.7]. Sin embargo, se precisaba gran cantidad de trabajo para levantar 
el vapor, regar la máquina y moverla. Además, apareció y se difundió rápidamente el rodillo 
vibrante, el cual resultaba también ser más portátil. Estos factores causaron su desaparición de 
las carreteras europeas en los años 50. 
 
I.3.- Maquinaria pesada con herramienta de implemento 
A finales de 1800 en América, el término destrucción se utiliza para describir el uso de la 
fuerza en empujar más o empujar a través de algún obstáculo. En el decenio de 1930 el 
término se utiliza para describir una máquina que se utiliza para empujar más a través de 
obstáculos. En términos generales, la máquina es un camión con placa de metal adjunta al 
frente. La placa que se conoce como la hoja, y se utiliza a sentir el peso de las capas del suelo 
o dos tallos de árboles cortados o empujados y otros obstáculos de distancia [I.2]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.8.- Bulldozer Caterpillar, equipo con herramienta de implemento 
 
Tal vez Caterpillar es el fabricante más conocido de equipos de maquinaria pesada, pero a lo 
largo de los años los ingenieros hacen los equipos necesarios para completar las operaciones a 
gran escala en la tierra, al igual que otras empresas, Komatsu, Fiat Allis, John Deere, 
International Harvester, por nombrar algunos desarrolladores y fabricantes en sus versiones 
de la gran pista en la tierra de todo tipo de máquinas. A través de los años se han convertido en 
Capítulo I 8 
 
 
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada 
excavadoras más grandes y poderosas, y mucho más sofisticados. Algunas de las áreas de 
mejora, es que se incluyen