Determinación de esfuerzos utilizando una vinculación entre los métodos de elementos finitos y elementos discretos actuantes en un cucharón de pala hidráulica

Abstract

El presente trabajo de investigación se enfoca en la determinación de esfuerzos en la zona de cucharón de una pala hidráulica Hitachi EX5600-6 en condiciones de operación para un proyecto minero, utilizando una vinculación entre el método de elementos discretos y elementos finitos. Se espera conocer las zonas donde se deben aplicar refuerzos, incrementando la vida útil del equipo. El método de elementos discretos se aplicó mediante simulaciones en el software Rocky-DEM. Se obtuvo la fuerza ejercida por el cucharón al realizar el carguío de las partículas de roca; introduciendo las propiedades físicas de los cuerpos en contacto. Este resultado se verificó mediante una comparación con una fuerza de carguío calculada matemáticamente utilizando el modelo FEE clásico (Fundamental Earth Moving Equation). El resultado de las simulaciones del Rocky-DEM, arrojaron una fuerza de excavación real promedio de 300kN, mientras que la fuerza analítica calculada fue de 296kN, obteniendo una precisión del 98% con respecto a este factor operativo. El resultado de la simulación se introdujo al software ANSYS, que utiliza el método de elementos finitos, obteniendo los esfuerzos actuantes en el cucharón. La ubicación de estos esfuerzos se validó mediante la comparación con el historial de refuerzos aplicados al cucharón. Con el fin de facilitar la validación, se dividió el cucharón en secciones, implementando posteriormente un fraccionamiento porcentual de esfuerzos y refuerzos conforme al área total de cada sección; encontrando una coincidencia porcentual más baja de 67% y la más alta de 95%, validando la ubicación de los refuerzos aplicados al cucharón previamente al estudio realizado.

The present research work focuses on the evaluation of stresses acting on a shovel Hitachi EX5600-6 bucket, operating on a mining project. A linkage between the discrete element method and the finite element method will be used. It is expected to know the bucket zones where the metal reinforcements will be applied, increasing the life span of the equipment. The discrete element method is applied through simulations on Rocky-DEM software. The acting force in the bucket generated by the loading of rock particles is calculated by the software. The input data for these simulations are the physical properties of the bodies in contact. This result will be verified through a comparison with a loading forcé calculated mathematically using the FEE classic model (Fundamental Earth Moving Equation). The output of Rocky – DEM simulations for a real excavation force was an average of 300kN, while the analytical was 296kN, obtaining a precision of 98%. The previous simulation result is introduced to ANSYS, a software which uses the finite element method to determine the acting stresses on the bucket. The location of the reinforcements was validated through a comparison with an applied reinforcements maintenance history for the bucket. In order to facilitate the validation, the bucket was divided in sections, implementing a fractionation percentage applied to stresses and reinforcements in accordance with the total area of each section. The lowest coincidence percentage of 67% and highest of 95% validate the previous applied reinforcements location.