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Los camiones-grúa se utilizan a menudo para la manipulación de cargas. En muchos casos, esto implica transportar materiales pesados, que pueden ejercer grandes fuerzas en varias partes de la grúa. Con COMSOL Multiphysics podemos ver cómo la simulación puede ayudar a identificar el impacto de estas fuerzas y mejorar el funcionamiento de la grúa.

Una máquina móvil

Por su diseño, las grúas ofrecen unas ventajas mecánicas, la elevación y el descenso de materiales pesados que requieren una fuerza más allá de la que puede proporciar un hombre. En muchas aplicaciones de esta máquina - desde la construcción hasta el mantenimiento de la línea eléctrica - otra característica ventajosa es su movilidad. Los camiones-grúa pueden moverse libremente en varias direcciones, así como viajar por carreteras, que pueden ayudar a evitar la necesidad de equipos de transporte adicionales.

camión-grúa
Un ejemplo de grúa montada en un camión. (“Un camión-grúa de Palfinger (Austria). El componente de hormigón (construido en Alemania) es una pequeña planta de tratamiento de agua para una casa de hasta cuatro residentes." por TM — Own. Licenciada bajo Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Alemania, vía Wikimedia Commons.)

En este tipo de grúas, existen varios cilindros hidráulicos que controlan el movimiento de la grúa además de otros muchos mecanismos. Cuando se manejan cargas muy pesadas, los componentes están sujetos a grandes fuerzas. Mediante la simulación, podemos explorar el impacto de estas fuerzas durante el ciclo de operación de la máquina, determinando maneras de mejorar su rendimiento al construir un diseño más eficiente.

Realización de un análisis de cuerpo rígido en la grúa de un camión-grúa

Combinando el módulo de dinámica multicuerpo (Multibody Dynamics Module) con el de mecánica de estructuras (Structural Mechanics Module) de COMSOL, el modelo de grúa montada en un camión analiza las fuerzas en los cilindros y articulaciones de la grúa durante un ciclo operativo. La geometría de la grúa, que es importada de un modelo CAD, está compuesta de 14 piezas que se mueven con relación a las otras.

Geometría de la grúa
Geometría de una grúa de un camión-grúa.

La figura de abajo proporciona una visión más detallada de los mecanismos de enlace de la grúa, seguida de una tabla que define los componentes individuales.

Detalle de la grúa

Pieza Color
Base Azul
Brazo interior Verde
Brazo exterior Amarillo
Extensiones telescópicas Cian, Magenta, Gris
Cilindros de elevación del brazo Rojo, Gris
Pistones de elevación del brazo Amarillo, Magenta
Mecanismo de enlace interno Magenta, Negro
Mecanismo de enlace externo Cian, Azul

 

En este ejemplo, existen dos cargas aplicada - el propio peso en la dirección de las z negativas y una carga de 1.000 kg en el extremo de la grúa. El ciclo operativo consiste en levantar la carga de una posición lejana y ponerla debajo de la grúa. La carga se mueve inicialmente hacia arriba y entonces se dirige hacia adentro a una posición cercana a la grúa. El gráfico de abajo describe la trayectoria del extremo de la grúa durante el ciclo de operación.

Trayectoria del extremo de la grúa durante un ciclo de trabajo
Trayectoria del extremo de la grúa durante un ciclo de trabajo

En realidad, la grúa se maneja mediante el control de las longitudes de tres cilindros — el cilindro interior, el cilindro exterior y los cilindros de extensión. El cilindro interior eleva el brazo interior, el cilindro exterior regula el ángulo entre el brazo interior y el exterior, y los cilindros de extensión determinan el alcance de las extensiones. Aquí los ángulos de los brazos se utilizan como parámetros en lugar de las longitudes de los cilindros, ya que es un método más conveniente.

Los resultados

La imagen más abajo ilustra la posición novena del ciclo de trabajo, que tiene un ángulo de brazo interno con la horizontal de 45°, un ángulo de -30° entre los brazos interior y exterior, y una extensión total de 1.5m.

Posición 9
La grúa durante la novena posición del ciclo de trabajo. El color muestra el desplazamiento total de los componentes de la grúa.

Ahora podemos tratar el impacto de las fuerzas en varias piezas de la grúa. En cada uno de los siguientes gráficos, el número de solución está relacionado con la posición de la grúa. Inicialmente, la grúa recoge una carga en una posición extendida y entonces, en la solución final, suelta la carga cerca de su propia posición.

Empecemos con las fuerzas en los cilindros que controlan el brazo. Aquí, las fuerzas compresivas son positivas. Como se podría esperar, cuando la carga está lejos de la base de la grúa, las fuerzas de los cilindros son mayores. La máxima fuerza durante el ciclo de trabajo determina la capacidad requerida del cilindro.

Fuerzas en los cilindros del brazo
Fuerzas en los cilindos que controlan el brazo.

El siguiente gráfico ilustra las fuerzas en los cilindros de extensión. Como en el caso anterior, una fuerza compresiva se define como positiva. Como que tienen que cargar el peso de los segmenos de extensión a una distancia mayor, los cilindros internos soportan fuerzas más grandes.

Fuerzas en los cilindros de extensión
Fuerzas en los cilindros de extensión.

Finalmente, podemos observar las fuerzas que actúan sobre las articulaciones entre las piezas principales de la grúa. Esta misma táctica puede ser utilizada para analizar las fuerzas entre las conexiones entre cualquier pieza de la grúa. Los resultados más abajo son un valioso recurso para el dimensionamiento estructural de este tipo de detalles.

Fuerzas en las articulaciones
Fuerzas en las articulaciones.

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