ES2215344T3 - Brazo de grua de material composite. - Google Patents
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Abstract
Al menos una sección (10) de un aguilón de una grúa, como por ejemplo de una grúa móvil, incluye una sección recta compuesta que incorpora una capa de acero (11) cubierta por una o más capas de compuestos de fibra (12, 13). En una realización preferida, se incluye más de una capa de compuesto de fibra (12, 13) y las respectivas capas (12, 13) de fibras están dispuestas de una forma cruzada con relación unas de otras para mejorar la resistencia total de la parte telescópica (10). Además, en una realización preferida la capa de acero (11) del compuesto está en el interior de la parte telescópica (10) para minimizar las tensiones térmicas debidas a los cambios de temperatura causados por las cargas de sol. En otra realización preferida, las capas de fibra de compuestos (12, 13) están dispuestas únicamente en la zona de la sección recta de la pieza telescópica (10), que está sometida a fuerzas de tensión durante el uso.
Description
Brazo de grúa de material composite.
La presente invención se refiere a una pieza
telescópica para el brazo de una grúa o una grúa móvil que tiene una
sección recta cerrada de materiales compuestos. Más específicamente,
la presente invención se refiere a un brazo telescópico para una
grúa o para una grúa móvil, incluyendo una sección base articulada y
al menos una sección telescópica formada de material compuesto.
Los brazos telescópicos, como por ejemplo los
empleados en grúas fijas o móviles, comprenden varias secciones
telescópicas que encajan unas dentro de otras y que pueden
extenderse para alargar el brazo. Cada sección telescópica está
montada de manera que se desliza sobre la otra. Un factor importante
en relación a la capacidad de carga de las secciones individuales es
que la sección recta de la pieza telescópica sea estable.
La estabilidad de las dimensiones está
garantizada por las propiedades del material de las piezas
telescópicas y, por otra parte, por estructuras en los extremos, que
son necesarias para mantener una rigidez correspondiente y para
trasladar las fuerzas a las secciones telescópicas individuales.
Estas estructuras de los extremos se llaman generalmente
collares.
Las secciones rectas de los brazos optimizados
convencionalmente se fabrican con aceros de gran resistencia, de
grano fino, soldables. El peso muerto del brazo, que es
relativamente elevado en los modelos hechos de acero, juega un papel
significativo dado que con el brazo extendido, ya que la mayor parte
de la capacidad de carga de la sección recta se emplea en soportar
el peso muerto. Éste es el motivo por el que las piezas telescópicas
de acero son básicamente demasiado pesadas pero se usan en la
técnica anterior debido a la elevada resistencia del acero.
Se conoce por la patente EP 0 117 774 A1 un brazo
telescópico que comprende piezas que presentan un núcleo de
poliuretano expandido recubierto con un revestimiento de material
compuesto o de aluminio. Sin embargo, pese a que su estabilidad es
relativamente buena debido a la estructura implicada, la resistencia
de este diseño tipo sándwich es inadecuada para brazos telescópicos
largos en situaciones de carga elevada.
El objetivo de la presente invención es
proporcionar piezas/brazos optimizados en peso y resistencia.
Este objetivo se consigue de acuerdo con la
invención por medio de una pieza telescópica que comprende una
sección recta de material compuesto de una capa de acero y al menos
una capa de un compuesto de fibras.
De acuerdo con la invención, parte de la sección
recta de acero de grano fino empleada convencionalmente se reemplaza
con una capa de material compuesto de fibras que muestra un peso
específico relativamente reducido, para las mismas condiciones de
resistencia y rigidez. La proporción entre la capacidad de carga y
el peso muerto se hace más favorable conforme mayor es el módulo de
elasticidad del material compuesto.
Otra ventaja que ofrece una pieza telescópica de
acuerdo con la invención consiste en el hecho de que las
oscilaciones del brazo se reducen. Los brazos de acero de grano fino
tienen unas frecuencias naturales tan bajas que el mero
funcionamiento o el viento pueden provocar resonancia.
Debido al mayor efecto amortiguador de la capa de
material compuesto de fibras empleado de acuerdo con la invención,
tal resonancia puede suprimirse y el brazo alcanza el reposo
rápidamente, no siendo posible en general que se generen
oscilaciones siempre que las capas sean suficientemente gruesas.
Otra ventaja que ofrecen las piezas telescópicas
y los brazos de acuerdo con la invención es la baja deformación
provocada por el calentamiento cuando uno de sus lados se expone al
sol; que en el caso de las piezas telescópicas de acero produce
deformaciones grandes, lo cual reduce la capacidad de carga.
Cuando, de acuerdo con una realización preferida
de la presente invención, la capa de acero forma una capa interior y
la capa de material compuesto de fibras forma una capa exterior de
la sección recta de material compuesto, el núcleo de acero de la
pieza telescópica o del brazo ya no queda expuesta directamente al
sol, reduciéndose de esta manera al mínimo los cambios de las
temperaturas y los cambios que la dilatación térmica ocasiona en el
acero. Debido a que los plásticos conducen poco el calor y a la
propiedad que tienen de encogerse cuando se exponen al calor
mientras que los metales tienden a alargarse, se puede anticipar que
los brazos de acuerdo con la invención permanecen sustancialmente
rectos cuando uno de sus lados se expone al sol.
Dado que el brazo telescópico de acuerdo con la
invención puede ser de diseño más ligero manteniendo la misma
capacidad de carga, se necesitan menos contrapesos para compensar
los momentos que actúan en la corona de rodamiento de una grúa
telescópica.
De acuerdo con la invención, la capa de material
compuesto de fibras comprende un primer compuesto de fibras situado
preferiblemente en el interior y adyacente a la capa de acero,
presentando este primer compuesto de fibras principalmente de
dirección única en la dirección longitudinal de la pieza telescópica
y un segundo compuesto de fibras situado preferentemente en el
exterior y sobre la primera capa, presentando de nuevo fibras
principalmente de dirección única pero orientadas de manera
transversal a la primera capa. En esta disposición, el primero y/o
el segundo compuesto de fibras de dirección única pueden
configurarse con mats de fibras de dirección única.
En esta disposición a modo de sándwich de
material compuesto de fibras, se puede conseguir la acción de
soporte mutuo y más específicamente de sujeción sobre el primer
compuesto de fibras de dirección única por medio de un segundo
compuesto de fibras de dirección única, evitando que las fibras
longitudinales se salgan ya que las fibras transversales se deforman
y se estiran, incrementando de ese modo la presión de contacto sobre
el primer compuesto de fibras. La disposición longitudinal de las
fibras en el primer compuesto de fibras de dirección única genera
una estructura rígida a la flexión porque las fibras se expanden
sólo en su dirección longitudinal y no necesitan ser enderezadas
previamente.
El primer y/o el segundo compuesto de fibras
puede consistir en haces de fibras longitudinales de acuerdo con la
invención.
Hasta la fecha, estas fibras óptimas en peso y en
estabilidad no habían encontrado aplicación en piezas telescópicas
de ingeniería debido a que no se conocía ninguna posibilidad para
unir al brazo estos materiales compuestos de fibra.
De acuerdo con la invención, se aplica el primer
compuesto de fibras y se fija a la capa de acero en posición no
deslizante. Esto puede lograrse por medio de una o más de las
siguientes opciones de fijación:
En primer lugar está la posibilidad de conectar
de manera positiva el primer compuesto de fibras a la capa de acero,
a saber preferentemente por medio de extensiones que sobresalen de
la capa de acero encajadas en el compuesto de fibras y/o por
oquedades formadas en la capa de acero en las que se acopla el
compuesto de fibras.
Otra posibilidad consiste en unir el primer
compuesto de fibras por lo menos a un extremo de la pieza
telescópica, particularmente al collar, preferentemente relleno y/o
formando una unidad que fija el collar al segundo compuesto de
fibras. Los brazos telescópicos colocados uno dentro de otro tienen
porciones en los extremos de las secciones telescópicas individuales
en las cuales el esfuerzo de flexión es cero. En estas porciones
donde los collares están asimismo situados, es donde el anclaje de
material del compuesto de fibras se puede hacer más
ventajosamente.
Según otro aspecto de la fijación de acuerdo con
la invención, existe la posibilidad adicional de mantener en
posición el primer compuesto de fibras mediante la acción de brida
del segundo compuesto de fibras que lo envuelve a dicha altura.
Cualquier desprendimiento de las fibras longitudinales de estos
haces de fibra "envueltos" resulta imposible porque las fibras
longitudinales y las transversales se bloquean y de esa forma a
mayor pretensión en las fibras transversales y a mayor tirantez en
las fibras longitudinales, mayor es la compresión. La pieza de
acero, las fibras longitudinales y transversales forman por
consiguiente una conexión por rozamiento positiva.
Según una realización favorita de la pieza
telescópica de acuerdo con la invención, la sección recta de
material compuesto y, más particularmente, el primer compuesto de
fibras está dispuesto sólo en una parte de la sección recta cerrada
y preferiblemente en la zona de carga a tracción básicamente. La
resistencia a la tracción de los materiales del material compuesto
de fibras es sustancialmente mayor que su resistencia a la
compresión de manera que puede ser ventajoso disponer el primer
compuesto de fibras sólo en la zona cargada a tracción de la sección
recta. Para un mismo peso, el grosor de cualquier carcasa de brazo
que emplee un material de compuesto es mayor que el de una sección
recta de acero. Como resultado se obtiene estabilidad añadida al
prevenir fallos localizados tal como placas abolladas y rotura de la
carcasa.
El segundo compuesto de fibras de dirección única
que incluye fibras orientadas de forma transversal al primer
compuesto, evita por una parte, el deslizamiento lateral o el pelado
del extremo del primer compuesto de fibras; por otra parte, protege
de daños al primer compuesto de fibras. De acuerdo con la invención,
puede aplicarse al segundo compuesto de fibras otra capa de
material, en particular una capa protectora y/o una capa deslizante,
protegiendo las fibras altamente sensibles a la compresión
transversal, y proporcionando al mismo tiempo las propiedades
deslizantes adecuadas para la extensión y el repliegue y, en
particular, creando las condiciones óptimas en relación con la
exposición al sol.
Un brazo telescópico, de acuerdo con la
invención, que encuentra aplicación en una grúa o en una grúa móvil,
comprende una sección base ensamblada de forma articulada y al menos
una sección telescópica; y está configurada de forma que al menos
una de las secciones esté configurada como la pieza telescópica de
acuerdo con la descripción y las realizaciones comentadas.
A partir de la descripción detallada que se da a
continuación, se apreciará un ámbito más amplio de la aplicabilidad
de la presente invención. Sin embargo, debe entenderse que la
descripción detallada y los ejemplos específicos, aun mostrando las
realizaciones favoritas de la invención, tienen solo un valor
ilustrativo, ya que los técnicos en la materia apreciarán cambios y
modificaciones variadas dentro del espíritu y el ámbito de la
invención a partir de esta descripción detallada
La presente invención será completamente
entendida mediante la descripción dada a continuación y mediante los
dibujos que la acompañan, que tienen sólo valor ilustrativo y que
por tanto no limitan la presente invención y donde:
La figura 1 es una vista en perspectiva de la
estructura laminar de una pieza telescópica de acuerdo con la
invención así como una ilustración de un primer sistema de fijar el
primer compuesto de fibras sobre la capa de acero:
La figura 1A es una vista en sección recta de la
pieza telescópica de la figura 1;
La figura 2 es una vista correspondiente a la de
la figura 1 de una pieza telescópica ilustrando un segundo sistema
de fijación;
La figura 2A es una vista en sección recta de la
estructura de la figura 2;
La figura 3 es una semisección en perspectiva
ilustrando la estructura laminar de una pieza telescópica incluyendo
un collar;
La figura 3A es una vista en sección del collar
de la figura 3;
La figura 4 es una vista como la mostrada en la
figura 3 de una pieza telescópica, incluyendo un collar designado
como una estructura de material compuesto de fibras;
La figura 5 es una vista en sección recta de una
pieza telescópica de acuerdo con la invención ilustrando una capa de
material compuesto de fibras en la zona de tracción; de la cual
La figura 6 es una ilustración de la estructura
laminar de la pieza telescópica, incluyendo haces de fibras de tipo
varillas.
La figura 7 es una vista en perspectiva de la
estructura laminar de la pieza telescópica, incluyendo haces de
fibra tipo varilla.
Refiriéndonos ahora a la figura 1, se ilustra una
pieza telescópica 10 en una vista en perspectiva mostrando expuesta
la estructura laminar. Como componente básico más interior, la pieza
telescópica 10 comprende una carcasa de acero 11 rodeada en primer
lugar por el primer compuesto de fibras unidireccional 12, cuyas
fibras están orientadas en la dirección del eje longitudinal de la
pieza telescópica. El collar está a continuación identificado
también como un compuesto de fibras longitudinales 12, que puede
estar también configurada como un mat de fibras.
Sobre el compuesto de fibras longitudinal 12 se
encuentra el segundo compuesto de fibras unidireccional 13 que
incorpora fibras, esto es de forma circunferencial, siendo llamado
éste consiguientemente también compuesto de fibras transversal 13,
que puede estar configurado del mismo modo como un mat de fibras,
rodeando el compuesto de fibras longitudinal 12, de forma que define
a este último sobre la carcasa de acero 11.
Con el fin de ayudar a fijar en posición el
compuesto de fibras longitudinal 12, esto es para impedir que el
compuesto de fibras longitudinal deslice de su posición
longitudinalmente sobre la carcasa de acero 11, se dispone un
sistema de unión adicional en la realización de la figura 1. Este
sistema de unión consiste en extensiones 21 que sobresalen en la
carcasa de acero 11. Estas extensiones están mostradas en la figura
1 solamente en una sección longitudinal, pero pueden estar
distribuidas sobre toda la circunferencia. El compuesto de fibras
longitudinal 12 comprende oquedades 22 en las cuales encajan las
extensiones 21 de forma ajustada.
El sistema de unión está ilustrado en la figura
1A, que representa una sección recta (vista desde el eje
longitudinal de la pieza telescópica 10) de la sección plana
superior de la pieza telescópica 10. En esta vista en sección es
evidente que las extensiones 21 sobresalen hacia arriba en la
carcasa 11 donde están rodeadas por el compuesto de fibras
longitudinal en las oquedades. Sobre el compuesto de fibras
longitudinal, el compuesto de fibras transversal 13 cierra la
disposición. Debido a la conexión positiva entre el compuesto de
fibras longitudinal 12 y la carcasa de acero 11 a través de las
extensiones 21, queda asegurada la disposición de material compuesto
de fibras longitudinal, fijado en posición no deslizante.
Refiriéndonos ahora a la figura 2, se ilustra
otro sistema de unión del compuesto de fibras longitudinal 12. En
esta realización, la carcasa de acero 11 comprende oquedades 23 en
las cuales - como es evidente en la sección recta de la figura 2A -
penetran protuberancias de material 24, que sobresalen hacia abajo
desde el compuesto de fibras longitudinal 12. Esto ilustra por tanto
la condición inversa a la mostrada en la figura 1, asegurándose
también aquí una conexión que fija el sistema en posición.
Refiriéndonos ahora a la figura 3, se muestra una
vista en perspectiva de una pieza telescópica de acuerdo con la
invención que incorpora una carcasa de acero 11, un compuesto de
fibras longitudinal, un compuesto de fibras transversal 13 (mostrado
en parte) y un collar de acero 30. La figura 3A es una sección
longitudinal en la región del collar. El compuesto de fibras
longitudinal 12 está ilustrado solo en la porción superior, esto es
en la zona de carga a tracción. En esta realización la unión del
compuesto de fibras longitudinal 12 está hecha introduciendo las
fibras en el collar 30. Como es evidente de la sección longitudinal
de la figura 3A, el collar 30 puede ser llenado también con material
de fibra para dar rigidez. Los brazos telescópicos como el mostrado
en la figura 3 tienen en el extremo del collar una porción en la que
los esfuerzos de referencia son pequeños. Este es el motivo por el
que la disposición para anclar el compuesto de fibras longitudinal
12 en el collar de acero 30 es más sencilla en la porción del
collar.
Refiriéndonos ahora a la figura 4, se muestra un
brazo telescópico que incorpora una carcasa de acero 11, un
compuesto de fibras longitudinal 12 y un compuesto de fibras
transversal 13 en una vista que corresponde a la mostrada antes en
la figura 3. Sin embrago, en esta realización como muestra la figura
4, el collar 40 está configurado como una estructura de material
compuesto de fibras y los extremos del compuesto de fibras
longitudinal 12 están entretejidos en este collar 40 con el
resultado de que se asegura una unión adecuada.
En todos los ejemplos de sistema de fijación
antes citados, el compuesto de fibras transversal 13 rodea el
compuesto de fibras longitudinal 12 fijándolo en posición sobre la
carcasa de acero 11 mediante unión por rozamiento únicamente. El
compuesto de fibras transversal 13 sirve adicionalmente para impedir
el pelado de los extremos del compuesto de fibras longitudinal.
Refiriéndonos ahora a la figura 5, se muestra una
vista en sección recta de una pieza telescópica de acuerdo con la
invención en la que se dispone la estructura de fibra longitudinal
únicamente en la zona de tracción Z. Esta estructura - vista desde
el interior hacia el exterior - incorpora la carcasa de acero, el
compuesto de fibras longitudinal 12, el compuesto de fibras
transversal 13 y una capa deslizante o de protección 14 que cubre el
compuesto de fibras transversal 13; esta estructura es evidente de
nuevo en la figura 6.
La pieza telescópica mostrada en la figura 5 no
comprende ningún compuesto de fibras longitudinal 12 en la zona de
compresión D. La resistencia a la compresión de las fibras en la
dirección longitudinal de la fibra es sustancialmente menor que su
resistencia a la tracción. Esta es la razón por la que puede ser una
ventaja eliminar el compuesto de fibras longitudinal en la zona
sujeta a esfuerzos de compresión como en la realización mostrada en
la figura 5. Sin embargo con el fin de asegurar que el compuesto de
fibras longitudinal está fijado en su posición, el compuesto de
fibras transversal 13 rodea toda la circunferencia de la
sección.
La capa de protección o de deslizamiento 14, por
una parte protege de daño al compuesto de fibras transversal 13,
puesto que es altamente sensible a la compresión transversal,
mientras que por la otra permite el satisfactorio deslizamiento de
las piezas telescópicas correspondientes cuando están dispuestas una
dentro de la otra en un brazo de grúa. Adicionalmente, la capa 14
puede ser configurada además de forma que contrarresta los efectos
perjudiciales de la exposición a la luz solar.
Refiriéndonos ahora a la figura 7, se muestra
otra realización de una pieza telescópica de acuerdo con la
invención en la que la carcasa de acero está rodeada por un
compuesto de fibras de tipo varilla 12', que a su vez está cubierto
por un haz de fibras transversales 13' para fijarlo en posición. En
estas disposiciones de haces de fibras firmemente empaquetadas, no
existe posibilidad de que las fibras longitudinales sean estiradas
fuera de su posición puesto que las fibras longitudinales y las
transversales 12' y 13' respectivamente se sujetan mutuamente en
posición la una a la otra. Cualquier estirón fuerte sobre las fibras
longitudinales 12' provoca que la presión de contacto aumente
debido a que las fibras transversales 13', la carcasa 11, las fibras
longitudinales y transversales 12' 13' forman una conexión fijada
por fricción.
Será obvio que la invención descrita de esta modo
puede ser variada de muchas formas. Tales variaciones no deben ser
vistas como apartadas del espíritu y alcance de la invención y todas
estas modificaciones, como sería obvio a un experto en la materia
deben ser incluidas dentro del alcance de las reivindicaciones
siguientes.
Claims (11)
1. Una pieza telescópica para el brazo de una
grúa o una grúa móvil, incluyendo una sección transversal cerrada,
en la que la mencionada pieza telescópica comprende una sección
transversal de material compuesto que incorpora una capa de acero
(11) y al menos una capa de material compuesto de fibras (12, 13),
caracterizada porque dicho compuesto de fibras (12, 13)
comprende un primer compuesto de fibras de dirección única (12),
preferentemente adyacente a la mencionada capa de acero (11), que
incorpora fibras orientadas longitudinalmente a la mencionada pieza
telescópica además de un segundo compuesto de fibras de dirección
única (13), preferentemente exterior y situado sobre el mencionado
primer compuesto, que incorpora fibras orientadas transversalmente
al mencionado primer compuesto (12).
2. La pieza telescópica según la reivindicación
1, caracterizada porque la mencionada capa de acero (11)
forma una capa interior y la mencionada capa de material compuesto
de fibras (12, 13) forma una capa exterior de la mencionada sección
recta de material compuesto.
3. La pieza telescópica según las
reivindicaciones 1 ó 2 caracterizada porque el mencionado
primero y/o segundo compuesto de fibras de dirección única está
formado por mats de fibras de dirección única.
4. La pieza telescópica según se describe en las
reivindicaciones 1 ó 2 caracterizada porque el mencionado
primero y/o segundo compuesto de fibras comprende haces
longitudinales de fibras.
5. La pieza telescópica según cualquiera de las
reivindicaciones de la 1 a la 4, caracterizada porque el
mencionado primer compuesto de fibras (12) está dispuesto fijado en
posición no deslizante sobre la mencionada capa de acero (11).
6. La pieza telescópica según cualquiera de las
reivindicaciones de la 1 a la 5, caracterizada porque el
mencionado primer compuesto de fibras (12) está conectado
positivamente a la mencionada capa de acero (11), preferentemente
mediante extensiones (21) que sobresalen de la mencionada capa de
acero (11) encajadas en el mencionado compuesto de fibras (12) y/o
mediante oquedades (23) configuradas en la mencionada capa de acero
(11) en las que encaja el mencionado compuesto de fibras (12).
7. La pieza telescópica según cualquiera de las
reivindicaciones de la 1 a la 5, caracterizada porque el
mencionado primer compuesto de fibras (12) está fijado por lo menos
en un extremo de la mencionada pieza telescópica, más
específicamente a un collar (30, 40), preferentemente llenando y/o
formando una unidad que fija el mencionado collar (30, 40) y el
mencionado segundo compuesto de fibras.
8. La pieza telescópica según cualquiera de las
reivindicaciones de la 1 a la 7, caracterizada porque el
mencionado primer compuesto de fibras (12) está fijado en posición
mediante el efecto de brida del mencionado segundo compuesto de
fibras (13) situado sobre el mismo.
9. La pieza telescópica según cualquiera de las
reivindicaciones de la 1 a la 8, caracterizada porque la
mencionada sección recta de material compuesto y más específicamente
el mencionado primer compuesto de fibras (12) está dispuesto sólo en
parte de la mencionada sección recta cerrada y preferente y
sustancialmente en la zona del esfuerzo a tracción (Z).
10. La pieza telescópica según cualquiera de las
reivindicaciones de la 1 a la 9, caracterizada porque
dispuesto sobre el mencionado segundo compuesto de fibras (13) hay
una capa de material (14), más concretamente una capa protectora y/o
una capa deslizante.
11. Un brazo telescópico para una grúa o para una
grúa móvil, que comprende una sección articulada y al menos una
sección telescópica, caracterizado porque al menos una de las
secciones está configurada como una pieza telescópica según
cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 10.
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|---|---|---|---|
| DE19829829A DE19829829A1 (de) | 1998-07-03 | 1998-07-03 | Verbundwerkstoff-Teleskopteil und -ausleger |
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