DESCRIPCIÓN BREVE
En la siguiente presentación trataremos de replicar el
mecanismo de descarga de un camión volquete,
haciendo una serie de análisis, y también ver cuáles
son sus ventajas.
MECANISMO DE
DESCARGA DE
UN CAMIÓN
VOLQUETE
Monografía final
Dominguez Benjamin
Mecánica Técnica II
Introducción:
En este trabajo se realizara una síntesis de mecanismo del mecanismo de descarga
de un camión volquete. Esto consiste en diseñar, tanto las longitudes, como las
velocidades, posiciones y aceleraciones del mecanismo deseado, para ello
tendremos que hacer una serie de análisis analíticos para corroborar que el
mecanismo funcione adecuadamente. A esto hay que sumarle también los análisis
gráficos, en los que tiene que coincidir lo calculado con el dibujo resultante. Pero
antes de hablar de este mecanismo debemos preguntarnos que es un camión
volquete, para que sirve y cuáles son sus ventajas.
¿Qué es un camión volquete?
El camión volquete es un camión que se caracteriza por tener en la parte trasera
una caja llamada tolva en la cual puede transportar elementos sueltos tales como
arena o piedras. Además de transportar elementos, también tiene la función de
poder descargarlos donde se desee, ya que presentan un mecanismo hidráulico y
un mecanismo de descarga (el cual se estudiara en este trabajo) el cual permite
levantar la tolva dejando caer lo que se transportaba. Suelen utilizarse mucho en
construcciones para llevar grandes cantidades de arena.
Existen muchos tipos de camiones de volquete, por ejemplo están los tradicionales
que se utilizan en las construcciones. También están los denominados Off-Road
que son uno los camiones más grandes del mundo y se utilizan por ejemplo en
minería para transportar cargas muy pesadas. Incluso hay camiones que son
capaces de hacer una descarga lateral, estos son más alargados y más difíciles de
maniobrar.
Figura 1. Camión volquete del tipo
OffRoad
Figura2. Camión volquete
tradicional
Ahora que ya conocemos esta información vamos a pasar a desarrollar el tema
correspondiente a este trabajo.
Mecanismo de descarga de un camión volquete:
El mecanismo que estudiaremos en este práctico consta de un bastidor, que es la
parte trasera del camión, donde reposa el volquete, un balancín que está sujeto al
bastidor, un acoplador y la caja del camión o volqué, que hace la función de
balancín. Para entender de qué estamos hablando definiremos las partes de nuestro
mecanismo.
-
Balancín: eslabón de rotación oscilatoria (vaivén) pivotado a un elemento fijo
o bastidor
-
Biela o acoplador: eslabón con movimiento complejo, no pivotado a elemento
fijo
-
Elemento fijo o bastidor: eslabón inmóvil sujeto al marco de referencia.
Tenemos dos balancines, la caja de volquete lo vamos a llamar barra c y va a ser el
eslabón de salida, mientras que el balancín restante se va a llamar barra a y va a
ser el eslabón de entrada o impulsor. El acoplador va a ser la barra b y el bastidor
va a ser la barra d que es donde reposa la caja de volquete.
Ahora que sabemos estas definiciones vamos a pasar a darle las medidas a nuestro
mecanismo.
Geometría del mecanismo:
La barra a o balancín a va a medir 2400 milímetros, el acoplador o barra b tendrá
una medida de 1600 milímetros, el otro balancín, o sea, la barra c va a medir 4000
milímetros y por último el bastidor o barra d va a medir 3000 milímetros. Luego los
puntos fijos son los extremos del bastidor y los llamaremos A y B. Por ultimo las
articulaciones son los extremos del acoplador y se llamaran C´ y D. Estas medidas
fueron tomadas luego de hacer unas pruebas en geómetra para determinar cuáles
iban a ser las mejores opciones.
Figura 3. Dibujo del mecanismo propuesto, con sus
medidas, puntos fijos y articulaciones
Figura 4. Representación del mecanismo como un sistema de 4 barras
Figura 5. Mecanismo de 4 barras con sus velocidades angulares y ángulos.
Análisis de posición, análisis de velocidad y análisis de aceleración:
En esta parte propondremos una velocidad de entrada, aceleración de entrada y un
ángulo de entrada, para hacer los análisis de posición, velocidad y aceleración. Para
el análisis de posición lo que se hace es ver cada eslabón como un vector, y hacer
un polígono cerrado con ellos. Una vez que tenemos esto a los vectores los
expresamos como R= longitud*e±jθ, y sabiendo que e±jθ=cosθ + j*senθ separamos
la parte real e imaginaria y resolvemos nuestro sistema de dos ecuaciones. Pero
como el despeje es muy complejo utilizaremos un software para resolverlo.
Con los siguientes valores ingresamos al programa octave, y con el archivo provisto
por la catedra para un mecanismo de 4 barras obtendremos los resultados
deseados:
Θ2 (ángulo de entrada)= 100 °
ω2 (velocidad de entrada)= 120 RPM = 4Π rad/s
α2 (aceleración de entrada)= 0
a= 2400mm
b= 1600mm
c= 4000mm
d= 3000mm
Luego de ingresar esto el octave nos devuelve:
ω3 (velocidad angular barra b)= -7,34 rad/s
ω4 (velocidad angular barra c)= 6,65 rad/s
α3 (aceleración angular barra b)= -97254,22 rad/s2
α4 (aceleración angular barra c)= 62,79 rad/s2
θ3, 1 = 38,63 °
θ4, 1 = 122,8 °
Los subíndices de tita están anotados así, ya que hay dos posibles casos en el que
el mecanismo cumple con las variables de entrada, la solución abierta, que es la
que utilizamos en este trabajo y la solución cruzada, que no es de interés para el
estudio que estamos haciendo. Esta posición que obtuvimos de octave la vamos a
verificar mediante geogebra.
Figura 6. Análisis de posición grafico
En la imagen se ve que los ángulos nos dan como esperábamos, pero para poder
verlo mejor los expresaremos de la siguiente manera:
θ3, 1 = 218,55 ° - 180 ° = 38,55°
θ4, 1 = 180 ° - 57,2 ° = 122,8 °
De esta manera también queda verificado con el método gráfico.
¿Mecanismo de Grashof?
Un mecanismo es considerado de Grashof si al menos uno de sus eslabones es
capaz de realizar una revolución completa, con respecto al plano de fijación. Es
decir este eslabón es considerado una manivela. La ventaja que tiene un
mecanismo de Grashof es que se puede mecanizar. Pero para saber si un
mecanismo es de Grashof o no, se debe cumplir con la siguiente condición:
𝑆+𝐿 ≤𝑃+𝑄
S: largo de la barra más corta
L: largo de la barra más larga
P: una de las barras restantes
Q: la barra restante
En nuestro mecanismo podemos ver que esta condición no se cumple:
1600 𝑚𝑚 + 4000 𝑚𝑚 ≤ 2400 𝑚𝑚 + 3000 𝑚
5600 𝑚𝑚 ≤ 5400 𝑚𝑚
Como dijimos antes, no se cumple la condición de Grashof, por lo tanto tenemos un
mecanismo no Grashof de doble balancín.
Velocidad y aceleración en un punto del eslabón impulsado:
Ahora calcularemos la velocidad y aceleración en el punto D de nuestro eslabón
impulsado tomando como referencia el punto A, para esto utilizaremos estas
ecuaciones:
|𝑉𝐷 | = 𝜔4 ∗ 𝑐 = 6,65
𝑟𝑎𝑑
𝑚𝑚
∗ 4000 𝑚𝑚 = 26600
𝑠
𝑠
|𝐴𝐷 | = 𝐴𝑛𝐷 + 𝐴𝑡𝐷 = 𝜔42 ∗ 𝑐 + 𝛼4 ∗ 𝑐 =
6,65𝑟𝑎𝑑 2
rad
(
) ∗ 4000 𝑚𝑚 + 62,79 2 ∗ 4000 𝑚𝑚 = 428055 𝑚𝑚/𝑠 2
𝑠
s
Estos valores salieron tanto del análisis de velocidad y aceleración que hicimos
antes.
Curva del acoplador:
Para poder trazar nuestra curva del acoplador seleccionamos un punto en el
acoplador, que es el eslabón que se mueve de manera compleja. Para poder
determinarla seleccionamos el punto medio del acoplador, y simulamos el
movimiento de ese punto con geogebra, quedando como resultado la siguiente
curva:
Figura 7. Curva del acoplador en el punto E
Para esta curva en concreto seleccionamos el punto sobre el acoplador que está a
800 mm del punto C, esto sería el punto medio.
Angulo de transmisión:
Se define al ángulo de transmisión como el ángulo que se forma entre el eslabón de
salida y el eslabón b, que en este caso es el acoplador, este valor varía entre un
máximo y un mínimo. Este ángulo da una idea de la calidad de la transmisión de la
Fuerza y Velocidad en la junta o cupla cinemática.
En este caso tenemos un mecanismo de no Grashof de doble balancín, por lo que
el ángulo de transmisión quedaría definido de la siguiente manera:
𝜇 = 𝑎𝑟𝑐𝑜𝑠 [
(𝑎 + 𝑏)2 + 𝑐 2 − 𝑑 2
]
2 ∗ 𝑐 ∗ (𝑎 + 𝑏)
(2400 𝑚𝑚 + 1600 𝑚𝑚)2 + (4000 𝑚𝑚)2 − (3000 𝑚𝑚)2
𝜇 = 𝑎𝑟𝑐𝑜𝑠 [
] = 44,05°
2 ∗ 4000 𝑚𝑚 ∗ (2400 𝑚𝑚 + 1600 𝑚𝑚)
Figura 8. Angulo de transmisión en la posición de agarrotamiento
En este caso el eslabón de entrada y el de salida son colineales, por lo tanto
tenemos una posición de agarrotamiento, eso quiere decir que el mecanismo se
detiene, y tenemos una posición límite (la única en este mecanismo).
El ángulo de transmisión mínimo lo obtuve gráficamente, y me quedo que va a ser
µ=34,09° y va a ser cuando la biela a tenga un ángulo θ2=180°.
Figura 9. Angulo de transmisión mínimo
En este caso el ángulo de transmisión nunca es nulo, ya que el eslabón de salida y
el acoplador nunca son colineales debido a la geometría del mecanismo.
Para encontrar este ángulo trace una recta entre los puntos C y D, luego marque un
punto E sobre la misma y medí el ángulo. Esta no es una posición de agarrotamiento
debido a que no hay linealidad entre ninguno de los eslabones móviles.
Ventaja mecánica:
La ventaja mecánica se puede definir como la relación entre la fuerza de entrada y
la fuerza de salida del sistema, se puede entender como la cantidad de fuerza
utilizada por un mecanismo para llevar a cabo una determinada función. Cuando el
ángulo de transmisión formado entre el eslabón de salida y el acoplador sea cero,
la ventaja mecánica va a ser cero, por lo tanto será la ventaja mecánica menor.
Mientras que si el ángulo de transmisión entre el eslabón de entrada y el acoplador
se acerca a cero, la ventaja mecánica se va a hacer muy grande.
𝑚𝐴 =
𝐴𝐷 𝑠𝑒𝑛𝜇 𝑟. 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝜔4 𝑟. 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
∗
∗
=
∗
𝐵𝐶´ 𝑠𝑒𝑛𝜈 𝑟. 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝜔2 𝑟. 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
ν: ángulo de transmisión entre el eslabón de entrada y el acoplador
µ: ángulo de transmisión entre el eslabón de salida y el acoplador
r. entrada: longitud del eslabón de entrada
r. salida: longitud del eslabón de salida
En el mecanismo que estamos trabajando, la ventaja mecánica máxima la tenemos
en la posición inicial, dado que es cuando el ángulo ν es mínimo. Para calcularlo
debemos hacer un análisis de velocidad, para obtener el ω4 en esa posición, el cual
haremos con el código de octave que utilizamos anteriormente.
𝑚𝐴 =
𝜔4 𝑎
5,59 2400
∗ =
∗
= 0,27
𝜔2 𝑐 12,57 4000
Figura 10. Posición donde la ventaja
mecánica es máxima.
Bibliografía:
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Teoría brindada por la catedra
Geogebra para ver ángulos y posiciones
Octave para realizar despejes de ecuaciones
https://www.interperu.pe/blog/camion-volquete-consejos-manejo-descarga/
https://diariodetransporte.com/2021/07/volquetes-caracteristicas-de-su-estructura-yvariedades/
https://www.tauro.mx/camiones-de-volteo/