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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.15 n.4 La Serena  2004

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642004000400004 

 

Información Tecnológica-Vol. 15 N°4-2004, págs.: 23-30

DISEÑO MECÁNICO

Análisis Numérico-Experimental del Bastidor Principal de la Cosechadora de Caña KTP-2M

Numeric and Experimental Analysis of the Main Frame of the Cane Harvester KTP-2M

 

R.E. Cingualbres1 y E. Gómez*2

(1) Univ. de Holguín "Oscar Lucero Moya", Centro de Estudios CAD/CAM, Av. XX Aniversario, Km. 1, Holguín-Cuba (e-mail: roberto@cadcam.uho.edu.cu)

(2) Univ. Nacional de Educación a Distancia, E.T.S. Ingenieros Industriales, Juan de Rosal N°12, Ciudad Universitaria, Madrid-España (e-mail: egomez@ind.uned.es)



Resumen

El objetivo de esta investigación es disminuir las pérdidas de caña en el transportador de descarga de la cosechadora KTP-2M durante su trabajo, rediseñando el bastidor y disminuyendo su peso. Se utilizaron técnicas extensométricas de medición determinándose, a través de una pista de obstáculos, los coeficientes dinámicos en diferentes partes de la cosechadora. Utilizando el método de elementos finitos se analiza la resistencia del bastidor principal de la cosechadora, rediseñando su parte posterior. Sin elevar el peso de material empleado se logra aumentar la rigidez de esa parte trasera del bastidor en 2.6 veces y se consigue disminuir 1.53 veces las tensiones máximas actuantes con una mejor redistribución de las mismas. Finalmente se obtuvo una disminución de la masa de 52 Kg. y se verificó que las roturas en el bastidor sucedían por fatiga.
 
Abstract

The objective of this investigation was to decrease the losses of stalks from the discharge conveyor in the KTP-2M harvester during its operation, re-designing the framework and trying to decrease its weight. Extensometric measurement techniques were used over an obstacle course to determine the dynamic coefficients of the different parts of the harvester. A finite element method was used to analyze the resistance of the harvester's main frame and the back portion was redesigned. Without increasing the weight of the material in this element a 2.6X improvement in rigidity was obtained, accompanied by a 1.53X decrease in maximum tensions, which became better distributed. Finally, a reduction in weight of 52 kg in this unit was obtained, while it was also verified that structural fractures of the frame occurred due to fatigue.

Keywords: KTP-2M harvester, strength, extensometric technique, finite element, numerical analysis


INTRODUCCIÓN

La cosechadora de caña es una máquina que realiza diversas funciones: corte, acarreo, troceado, limpieza y por último, descarga de la caña en el medio de transporte adecuado para su posterior traslado a la factoría. Las diferentes formas de trabajo de la cosechadora pueden resumirse en dos regímenes de funcionamiento: modo de cosecha (cuando realiza las operaciones de corte de la caña) y modo de transporte (al trasladarse por diferentes tipos de recorrido hacia los campos de caña o dentro de ellos).

Sobre el bastidor principal de la cosechadora se apoyan directa o indirectamente todos los conjuntos y órganos de trabajo que la conforman. El bastidor debe resistir y tener la rigidez suficiente para soportar las cargas máximas que aparecen durante el trabajo de la cosechadora. Para determinar estas cargas se realizan las pruebas en regímenes extremos de funcionamiento, que si bien a lo largo de la vida de la cosechadora no ocupan gran parte de la misma, provocan grandes esfuerzos debidos a la acción de las fuerzas de inercia de las diversas masas. Estos regímenes extremos que aparecen, fundamentalmente en los desplazamientos de la máquina, se tienen en cuenta en los cálculos de resistencia, no considerándose los mismos para los cálculos de fiabilidad o durabilidad (Androsov, 1974).

Por otra parte, atendiendo al confort del operario, la determinación de las cargas que actúan en las condiciones habituales de trabajo en los equipos agrícolas es fundamental para conseguir la optimización de estos equipos. En este trabajo se ha investigado el nivel de las aceleraciones en el asiento del operador del tractor según diferentes condiciones y velocidades de la cosechadora (dos Santos, 2003). Otros autores (Pérez, 2002), plantean que la determinación de los coeficientes dinámicos máximos que se van a producir, han de ser medidos en condiciones de laboratorio.

Por último, se pretende mejorar el diseño, reduciendo el volumen de metal de la máquina a la vez que se eleva su productividad y fiabilidad. Este es un objetivo actual que resuelve un problema, no sólo económico, sino también medioambiental, por su influencia en la compactación de los suelos (Navarro, 2001; Herrera, 2003). La introducción en la cosechadora KTP-2M de nuevos órganos de trabajo como son: el cortacogollo, un motor de una mayor potencia y cadenas de rodillos en el transportador de descarga, trajo consigo una elevación de la fiabilidad del equipo, pero al mismo tiempo provocó una redistribución inadecuada del estado de tensiones y deformaciones del bastidor principal y un aumento del nivel de las pérdidas en cosecha por una inadecuada rigidez de la parte posterior del propio bastidor. Por lo tanto se planteó también como objetivo de la investigación analizar la resistencia del bastidor principal de la cosechadora KTP-2M, rediseñándolo y aumentando la rigidez en la parte posterior, sin elevar el volumen de metal necesario.

El bastidor es un elemento complejo que por una parte requiere un estudio especial desde el punto de vista de diseño geométrico y al que, por otra parte, se le añade la complejidad debida al carácter estocástico de las cargas que actúan sobre él. Para su estudio se hace necesario el empleo de las modernas técnicas de análisis numérico y medición experimental. En nuestro caso hemos utilizado técnicas de medición extensométricas, mediante el uso de extensómetros eléctricos, combinadas con el método de elementos finitos. La combinación de ambas técnicas, de medida y análisis, permitieron elevar la rigidez de la parte trasera del bastidor. Se ha optimizando adecuadamente la relación entre la altura y la base de los perfiles rectangulares a partir de los nomogramas de optimización de los mismos en función de las cargas que actúan (Estrada, 2000), y a la vez, se ha conseguido disminuir, con una mejor distribución, las tensiones actuantes. Por último se ha logrado en el nuevo diseño, disminuir la masa del bastidor principal en 52 kg.

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

Para evaluar la resistencia y la rigidez del bastidor principal es necesario conocer el estado de tensiones y deformaciones del mismo. En primer lugar hay que determinar los coeficientes dinámicos máximos que se producen en diferentes partes de la cosechadora KTP-2M. El proceso seguido implica ponderar las cargas estáticas que actúan sobre el bastidor. Para obtener estos datos se desplaza a la cosechadora por una pista dinámica.

Localización y montaje del experimento.

El ensayo de la máquina se realizó en una pista completamente plana de cien metros de longitud situada en el interior de la Fábrica de Implementos Agrícolas en Holguín, Cuba. Las principales magnitudes que fueron objeto de análisis en el banco de prueba son: aceleraciones verticales en el centro de masa de la máquina, en el centro de masa de la sección receptora, en el asiento del operador, y aceleraciones triaxiales en el centro de masa del transportador de descarga. Fueron convenientemente colocados acelerómetros eléctricos que, previa calibración, permitieron la determinación de los parámetros antes señalados (Cingualbres, 1996).

La pista dinámica estuvo compuesta por obstáculos metálicos de forma sinusoidal, colocados en forma de tablero de ajedrez de manera tal que se imitaran las diferentes variables posibles de carga de la máquina durante su desplazamiento en los diversos regímenes de trabajo (Ver Fig. 1). Los parámetros de los obstáculos se determinan basándose en la condición de que en la máquina, en movimiento continuo, se produzcan las condiciones extremas de carga. La velocidad máxima () de traslación de la máquina sobre los obstáculos está determinada por la condición de que se obtengan los valores máximos de dinamismo en los diferentes elementos investigados, siendo esta de 12 km/h para la cosechadora en cuestión.


 
Fig. 1: Cosechadora y Pista de obstáculos (vista superior).
1, 2, 3 - Posiciones de trabajo del transportador de descarga.

Equipo de medida

Para las mediciones de extensometría se utilizaron amplificadores de la firma japonesa Kyowa, del modelo YA 506A y del modelo YA 508A. Se contó también con un magnetógrafo NO-68, un osciloscopio TRIO, un explorador USB-20A y un indicador de carga estática del modelo UCAM-5BT. Estos elementos se colocaron en un vehículo-laboratorio móvil marca GAZ 66. Los acelerómetros inductivos utilizados fueron del tipo DU-5S.

Coeficientes dinámicos. Determinación.

El criterio seguido para valorar el coeficiente máximo de dinamismo es el de que las aceleraciones, en el asiento del operador, no sobrepasen los niveles establecidos en la norma sanitaria correspondiente (Norma Cubana 19-01-05, 1980). Otra condición para determinar , es la de conservar durante la prueba el eslabón débil que, en el caso de la cosechadora KTP-2M, resultó ser el centro de giro del transportador de descarga.

El coeficiente dinámico será:

(1)

En el caso de las aceleraciones verticales
 

(2)

donde:

- aceleración de la gravedad (9,81 m/s2).

- valores instantáneos máximos de las aceleraciones obtenidos durante las pruebas extremas..
 

En la tabla 1, se indican los coeficientes obtenidos para la cosechadora KTP-2M . En ella se hace referencia a los centros de gravedad: A - de la máquina, B - de la sección receptora, C - del cortacogollo y D - del transportador de descarga.


Tabla 1. Coeficientes dinámicos de la cosechadora KTP-2M.

Posición del transportador de
descarga 

A la derecha 
1.30 
1.20 
2.11 
2.02 
Recto 
1.80 
1.20 
2.20 
2.75 
A la izquierda 
1.50 
1.18 
2.12 
2.06 

ANÁLISIS NUMÉRICO DEL BASTIDOR

A partir del modelo real del bastidor principal de la cosechadora KTP-2M se construyó el modelo fisicomatemático del mismo con ayuda del paquete profesional de Elementos Finitos Cosmos/2.5. Se tuvieron en cuenta diversas simplificaciones. En primer lugar no se consideraron los cartabones de unión de las barras de la cola con los largueros laterales.

Por otra parte los puentes motriz y direccional fueron modelados sin tener en cuenta sus particularidades geométricas, considerándose en ambos casos sus dimensiones externas fundamentales. Los apoyos del puente motriz se consideraron fijos en traslación y libres en rotación, mientras que los apoyos del puente direccional se consideraron fijos en traslación en dirección a los ejes y y z de coordenadas globales y libres en traslación en dirección al eje x, así como libres también en rotación.

Se construyó un modelo formado por elementos de membrana de tres nodos (Shell 3T) para las barras del bastidor, con seis grados de libertad por nodo, teniendo en cuenta que al utilizar este tipo de elemento quedaría situado en la superficie media de la cara modelada. También se usaron elementos sólidos (Solid) con 8 nodos y tres grados de libertad por nodo, para los muñones de apoyo inferior de la sección receptora con el bastidor principal y para la barra de apoyo del bastidor principal al puente direccional. Los materiales considerados fueron acero CT-3 para el bastidor y acero CT-45 para el resto de elementos sólidos con sus respectivas propiedades mecánicas y con característica elástica lineal.

A cada grupo de elementos le fueron asignados sus parámetros fisico-geométricos o constantes de espesor, generándose un mallado uniforme de los mismos. Se obtuvo para el bastidor de la KTP-2M original un modelo de 30 955 nodos (Figura 2 a).


 
Fig. 2: Modelo por Elementos Finitos del bastidos actual de la KTP-2M
a) Modelo original; b) Modelo modificado.

Introducción de las cargas al modelo.

El peso de los diferentes órganos de trabajo y de los conjuntos de la máquina se introduce en los nodos del modelo donde se apoyan.

Sus valores fueron determinados analíticamente calculando las reacciones en los apoyos para introducirlos en forma de acciones. Así se hizo con el cortacogollo y la cercha de apoyo del transportador de descarga. En el resto de los elementos se determinó mediante galgas extensométricas, o con dinamómetros, la reacción que producían en sus respectivos puntos de apoyo (Cingualbres, 1996; Virskii, 1990). Para determinar la masa de los diversos elementos se utilizó un dinamómetro mecánico de 2.5 t de capacidad con una precisión de 50 kg, y un error de ± 2 %. A partir de estos datos se obtiene el estado de tensiones y deformación estático para el modelo original con vistas a realizar su validación mediante medición extensométrica.

Para llegar al nuevo modelo se decide partir del modelo original y modificarlo parcialmente donde resulte necesario. Eso se hace así teniendo en cuenta las limitaciones tecnológicas y la posibilidad real de realizar la modificación del bastidor principal en equipos ya en funcionamiento. Se busca hacer un uso óptimo del metal utilizado, conservando la resistencia del conjunto y aumentando la rigidez de la parte trasera de la máquina.

En el bastidor original los largueros de cola están formados por perfiles rectangulares de 123 mm de altura, 150 mm de base y 4 mm de espesor, con refuerzos interiores a todo lo largo de los mismos formados por láminas inclinadas de 4 mm de espesor. Las características geométricas que le corresponden son las siguientes: Área de la sección transversal A = 3 183 mm2, con unos momentos de inercia Ixx = 5 123 806 mm4, Iyy = 7 453 012 mm4 e It = 11 226 312 mm4. Estos largueros fueron sustituidos por perfiles rectangulares de 150 de altura x 123 de base y 4 mm de espesor, sin refuerzos interiores con: A = 2 120 mm2 y unos momentos de inercia Ixx = 7 153 906 mm4, Iyy = 5 263 816 mm4 e It = 10 656 510 mm4.

Los travesaños originales, de perfil rectangular de 120 x 150 x 4, fueron sustituidos por otros de 150 x 80 x 4. A su vez la unión de la cola con la parte central que estaba formada por un tubo de 120 mm de diámetro y 4 mm de espesor se sustituyó por un tubo rectangular de 150 x 120 x 4 (Figura 2 b). La relación óptima entre la altura y la base para los perfiles rectangulares propuestos se obtuvo a partir de los nomogramas de relación óptima de dichos parámetros en función de las solicitaciones actuantes sobre los mismos. Estas solicitaciones fueron obtenidas utilizando galgas extensométricas (Cingualbres, 1996).

Validación del modelo del bastidor principal de la cosechadora KTP-2M.

El modelo numérico que se estudie debe corresponderse lo más exactamente posible con el objeto real. Según Spichenkov, y Chestenko (1989), se toman dos criterios para realizar la validación de los modelos analíticos:

  1. La correspondencia entre el valor de las reacciones verticales en los puntos de apoyo en el modelo y en el prototipo de la máquina.
  2. La correspondencia entre los valores de las tensiones normales en los nodos del modelo, coincidentes con las propias tensiones normales determinadas a partir de la medición experimental producto a las cargas estáticas de los órganos de trabajo.

La determinación de las reacciones verticales en el prototipo se realizó pesando la máquina en una báscula de 20 ton de capacidad, mostrándose los resultados según el primer criterio en la Tabla 2.


Tabla 2. Reacciones verticales en los puntos de apoyo de la cosechadora KTP-2M

 

   

  Valor de la carga (kN)   
 
 
Lugar de la carga  Modelo analítico  Prototipo experimental % de diferencia

Rueda motriz izquierda (Q1) 
44,00 
44,00 
0,00 
Rueda motriz derecha (Q2) 
44,20 
45,00 
1,80 
Rueda direccional izquierda (Q3) 
15,40 
14,10 
9,20 
Rueda direccional izquierda (Q4) 
15,40 
15,50 
0,65 

Para comprobar el segundo criterio habrá que tener en cuenta que no coinciden el nodo del modelo analítico con la posición geométrica del punto de medición de la galga extensométrica. A partir de las mediciones experimentales y según su distribución gráfica, asumiendo lineal en esa distribución tanto en la sección transversal de las vigas como a lo largo de estas se obtuvo la tensión en el punto exacto de comparación.

Analizando estos resultados se obtuvo una diferencia del 13,8 %, comparando las mayores de las tensiones experimentales y analíticas. Según Ichenko, (1992), es aceptable para la utilización de elementos de membrana de los modelos por elementos finitos aplicados a las máquinas agrícolas. Por lo tanto quedaba validado el modelo de elementos finito para el bastidor principal de la cosechadora KTP-2M con las simplificaciones referidas. Una vez validado el modelo y que se puede afirmar que aplicándole diversas entradas reproduce la respuesta de igual forma que el modelo real, se pasa a realizar el análisis correspondiente.

Determinación del estado tensional extremo.

Para obtener el estado de tensiones y deformaciones extremo máximo de los modelos se incrementaron las cargas estáticas por los respectivos coeficientes dinámicos obtenidos en las pruebas de obstáculos. Esas pruebas se realizaron al modelo original, y los resultados, que aparecen en la Tabla 1, sirvieron para realizar el análisis de la resistencia y rigidez de ambos modelos.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Evaluación de la resistencia y la rigidez.

Al efectuar el análisis de las tensiones experimentales extremas obtenidas en la pista de obstáculos y las determinadas en el análisis del modelo original, se aprecia que las tensiones máximas se producen cuando el transportador de descarga se encuentra en posición recta, en la zona de unión de la cola de la máquina con el tubo circular. En este punto, que a su vez la une a la parte central de la máquina se obtiene un valor máximo de las tensiones según Von Mises de 193 MPa (Figura 3). Esta zona de análisis coincide con la zona en la que se vienen localizando grietas en diversas cosechadoras con alrededor de 10 años de explotación.


 
Fig. 3: Tensiones de Von Mises en el bastidor actual bajo cargas extremas.

No obstante este valor de carga está por debajo del límite de fluencia del material, que para el acero CT 3 es de 250 MPa. Eso nos lleva a determinar que la rotura no se produce por fractura, siendo el efecto característico del fallo por fatiga mecánica. Por otra parte, al analizar la distribución de las tensiones en el resto del bastidor se observa que no sobrepasan los 75 MPa, lo que lleva a concluir que existe una distribución no uniforme de las tensiones y un exceso de material en otras zonas del bastidor.

La tensión máxima en elementos del bastidor modificado, según Von Mises, tiene un valor de 126 MPa (Fig. 4), quedando margen para disminuir todavía más el material empleado. Se mantienen para el resto de las partes del bastidor valores de tensiones por debajo de 70 MPa por lo que la distribución en este caso es más equilibrada y uniforme.


 
Fig. 4: Tensiones de Von Mises en el bastidor modificado bajo cargas extremas.

Como resultado del análisis de la rigidez en ambos modelos observamos, según se aprecia en la Figura 5 a), que el desplazamiento vertical máximo se produce en la zona de apoyo del transportador de descarga.


 
Fig. 5: Desplazamientos verticales.
a) En el bastidor actual; b) En el bastidor modofocado.

Este desplazamiento es el causante de pérdidas de caña durante las operaciones de cosecha al girar la tolva recolectora del transportador respecto al ángulo de caída de la gramínea al segundo transportador intermedio. El desplazamiento alcanza un valor de 45,3 mm. Las modificaciones introducidas en las secciones transversales consiguieron elevar la rigidez en el plano vertical. Estas modificaciones tuvieron de nuevo en cuenta la relación óptima de las secciones transversales en función de la relación de las cargas actuantes en cada zona.

Con la modificación propuesta se llega a un valor de 17,4 mm en desplazamiento vertical del punto crítico (Fig. 5 b), con lo que se resolvió el objetivo fundamental de esta investigación.

Al disminuir el área de la sección de las vigas en la zona trasera del bastidor transversal se obtuvo una disminución de la masa de 52 kg. Esta disminución es importante no sólo desde el punto de vista económico sino también desde el momento en el que un menor peso supone una disminución de la compactación en el suelo cultivado.

CONCLUSIONES

A partir de los resultados obtenidos del análisis teórico - experimental de la cosechadora de caña de azúcar, modelo KTP-2M

1) Se obtuvieron los coeficientes dinámicos máximos para la cosechadora, que permitieron realizar el análisis de las tensiones y deformaciones máximas del bastidor.

Estos coeficientes pueden utilizarse en el análisis de otros elementos estructurales de la cosechadora o bien como referencia en prototipos de geometría y masas análogos.

2) Se determinó la existencia de una distribución no uniforme de tensiones y reserva de resistencia en el bastidor elevándose la rigidez en 2,6 veces en su parte posterior, factor que contribuirá a la disminución de las pérdidas en la cosecha.

3) Dada la configuración compleja de la geometría del bastidor de la cosechadora, con un elevado grado de hiperestaticidad, solo es posible acometer la optimización estructural del mismo con el empleo de los métodos modernos de análisis y experimentación y donde se tengan en cuenta la relación óptima entre los lados de los perfiles rectangulares huecos en función de los esfuerzos actuantes.

4) Se determinó que existen reservas de resistencia en el bastidor. Se deduce que las roturas que se han producido en el mismo no son por fractura mecánica instantánea, sino que se deben a fallo por fatiga, recomendándose realizar los estudios correspondientes para la vida útil o longevidad del bastidor.

 

REFERENCIAS

Androsov, A.A, "Investigación de las cargas de explotación de los elementos portantes de las cosechadoras de granos de alta productividad". Tesis de Doctorado en Ciencias. Rostov del Don, ICMA, Facultad de Ingeniería, 100 pág. (1974).         [ Links ]

Cingualbres, R.E, P.R. Pérez y R.R. Guethón, "Informe Técnico de la evaluación extensométrica del prototipo de cosechadora cañera KTP-2M". Holguín, 83 pág. (1996).         [ Links ]

Estrada C.R. "Optimización de los perfiles rectangulares de paredes delgadas". Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 5(3), 9-14, (2000).         [ Links ]

Dos Santos Filho, P.F "Utilizaçao de um sistema de aquisiçao automática de dados para a avaliaçao dos niveis de vibraçao vertical no assento de um trator agrícola de neumáticos". Revista Ciencias Tècnica Agropecuarias, 12 (1), 17–24, ( 2003).         [ Links ]

Herrera S.M. "Descompactaciòn poscosecha de los vertisuelos mediante el empleo de escarificadores alados". Revista Ciencias Técnica Agropecuarias, 12 (1), 7-12, (2003).         [ Links ]

Ichenko, R.I, "Sobre la cuestión de la valoración de las cargas por los métodos numéricos, de los bastidores de las máquinas". Revista Dinámica y resistencia de las máquinas agrícolas. Rostov del Don, pág 8-15 (1992).         [ Links ]

Navarro O.M. "Aspectos más importantes sobre la metodología para el cálculo y fundamentación económica de las variantes de fabricación de máquinas cosechadoras". Revista de Ingeniería Mecánica, ISPJAE. 4 (4), 19- 26, (2001).         [ Links ]

Norma Cubana 19-01-05, "Sistema de normas de protección e higiene del trabajo. Vibración general. Requisitos generales higiénico-sanitarios". (1980).         [ Links ]

Pérez P.R. "Investigación experimental de las cargas de explotación en el aparato trozador de la cosechadora de caña KTP". Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias 11 (2), 15– 21, (2002).         [ Links ]

Spichenkov, B.B, A.B. Chestenko, "Dinámica en los sistemas portantes de las cosechadoras de trigo". Revista Dinámica de los Elementos y Agregados de las máquinas agrícolas. Editorial Mechbuz. Rostov del Don, pág 18-23 (1989).         [ Links ]

Virskii, A.N. "Investigación de la carga del chasis". Revista Tractores y Máquinas Agrícolas (en Ruso). 11, 20-27 (1990).           [ Links ]

 

*autor a quien debe ser dirigida la correspondencia