UNIVERSIDAD DE LA SERENA FACULTAD DE INGENIERA

DEPARTAMENTO DE INGENIERA MECNICA

DISEO Y SIMULACIN DE UNA ESTRUCTURA SOPORTANTE PARA REPARACIN DE TOLVAS MINERAS DE CAPACIDADES HASTA 350

TONELADAS. Grupo Insamin.

Maestranza Insamin E.I.R.L.

JAIME DOMINGO MALEBRN SANTANDER KHRISTOPHER JAVIER ZIGA RIVERA

Memoria para optar al ttulo de: Ingeniero Civil Mecnico

COMISIN REVISORA: SR ING. CARLOS GARRIDO SOTO PROFESOR PATROCINANTE SR ING. MARIO CCERES VALENZUELA PROFESOR REVISOR

SR ING. MAURICIO GODOY SEURA PROFESOR REVISOR

LA SERENA, Noviembre 2009

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AGRADECIMIENTOS

Jaime Malebrn Santander

Agradezco de todo corazn a mi familia en especial a mis padres y hermanos, de quienes he tenido y tendr un respaldo incondicional en cada paso de mi vida.

A todas las personas que me han ayudado en este proyecto y que depositaron su confianza en m, entregndome su apoyo en todo momento.

A todos mis amigos y compaeros que me han acompaado en este gran paso y han compartido conmigo su calidad humana.

Khristopher Ziga Rivera:

Mis principales agradecimientos son a mis padres, Alamiro Hernn Ziga Pizarro. Y Zahira Elena Rivera Pizarro. por su incansable esfuerzo y apoyo incondicional a travs de estos aos y a los que vendrn. A mis hermanos Katherine y Boris que siempre me brindaron su apoyo incondicional y por todas las palabras de nimo y cario, que fueron fuente de motivacin durante mis estudios.

Un agradecimiento especial a mis tos Lus y Alicia, por su colaboracin, paciencia y compaa en los momentos en que ms lo necesit y a toda mi familia.

Por ltimo en conjunto agradecemos al Departamento de Ingeniera Mecnica, en especial a Don Carlos Garrido Soto, por su gran ayuda y conocimientos entregados.

A Insamin E.I.R.L. por confiar en nosotros, en especial al Seor Lus Rojas V. por otorgarnos la oportunidad de realizar este trabajo y a don Nicols Beros por entregarnos los conocimientos necesarios.

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DEDICATORIA

Jaime Malebrn Santander

Se lo dedico de todo corazn a mis padres y hermanos, de quienes he tenido y tendr un respaldo incondicional, esto fue posible gracias a ellos.

Khristopher Ziga Rivera:

Dedico este logro mis padres Alamiro Hernn Ziga Pizarro Y Zahira Elena Rivera Pizarro por contar en todo momento con su apoyo, comprensin y amor.

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NDICE GENERAL NDICE DE FIGURAS ..............................................................................................8 NDICE DE TABLAS ................................................................................................9 RESUMEN ............................................................................................................. 11 ABSTRACT ............................................................................................................ 12

CAPTULO I 1 INTRODUCCIN ................................................................................................ 13

1.1 Antecedentes generales. .............................................................................. 13 1.1.1 Descripcin de la empresa. .................................................................... 13 1.1.2 Ubicacin geogrfica y vista area de la empresa. ................................ 14 1.1.4 Principales clientes. ............................................................................... 15 1.1.5 Organizacin. ......................................................................................... 15 1.1.6 Capacidad de produccin de la empresa. .............................................. 16

1.2 Planteamiento del problema. ........................................................................ 17 1.3 Situacin deseada. ....................................................................................... 17 1.4 Objetivos....................................................................................................... 18

1.4.1 Objetivo general. .................................................................................... 18 1.4.2 Objetivos especficos. ............................................................................ 18

1.5 Enunciado del problema (identificacin de fallas). ........................................ 18 1.6 Alcances del estudio. .................................................................................... 19 1.7 Lmite de batera. .......................................................................................... 20 1.8 Alternativas que dan respuesta al proyecto, tecnologas propuestas. .......... 20

1.8.1 Formulacin de soluciones. ................................................................... 20 1.8.2 Proposicin de las soluciones. ............................................................... 20 1.8.3. Anlisis tcnico. .................................................................................... 20 1.8.4 Anlisis econmico. ............................................................................... 21

1.9 Conclusin del anlisis tcnico-econmico. ................................................. 22 CAPTULO II

2. ANTECEDENTES TERICOS .......................................................................... 24 2.1 Dimensiones de las tolvas mineras. ............................................................. 24

2.1.1 Tolva camin Komatsu 930E. ................................................................ 24

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continuacin tabla 3. ....................................................................................... 26 2.1.2 Tolva camin Komatsu 830E. ................................................................ 26 continuacin tabla 4 ........................................................................................ 28 2.1.3 Tolva camin Komatsu 730E. ................................................................ 28 2.1.4 Tolva camin Caterpillar 797B. ............................................................. 30 2.1.5 Tolva camin Caterpillar 793D. .............................................................. 32

2.2 Diseo de sistema de levante. ...................................................................... 34 2.3 Funcionamiento de los cilindros hidrulicos. ................................................ 35

2.3.1 Clculo de la fuerza de empuje. ............................................................. 37 2.3.2 Tipos de cilindros. .................................................................................. 38

2.3.2.1 Cilindros tipo mbolo. ............................................................................... 38 2.3.2.2 Cilindro hidrulico de simple efecto. ...................................................... 39 2.3.2.3 Cilindro hidrulico de doble efecto. ........................................................ 40 2.3.2.4 Cilindros hidrulicos telescpicos. ......................................................... 41

2.3.3 Eleccin del cilindro hidrulico. .............................................................. 43 2.4 Funcionamiento de bombas hidrulicas. ...................................................... 44

2.4.1 Segn el principio de funcionamiento. ................................................... 44 2.4.1.1 Bombas de desplazamiento positivo o volumtrico. ........................... 44 2.4.1.2 Bombas rotodinmicas. ........................................................................... 45

2.4.2 Segn el tipo de accionamiento. ............................................................ 45 CAPTULO III

3. DISEO DE LA ESTRUCTURA......................................................................... 47 3.1 Criterios de diseo. .......................................................................................... 47

3.1 Factor de servicio. ........................................................................................ 47 3.2 Cargas de diseo. ........................................................................................ 49 3.3 Material de construccin. .............................................................................. 49 3.4.- Determinacin de la forma geomtrica del pilar. ........................................ 50 3.5 Software utilizado para la modelacin ALGOR y AUTODESK INVENTOR. ........................................................................................................................... 51

3.5.1 Anlisis de elementos finitos (FEA). ...................................................... 51 3.5.2 Tipo de elemento finito utilizado para la modelacin. ............................ 52

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3.5.3 Esfuerzo de Von Mises. ......................................................................... 52 3.5.4 Lmite de fatiga. ..................................................................................... 53

3.6 Dimensiones del pilar. .................................................................................. 55 3.7 Esfuerzos y momentos verticales producidos en la estructura. .................... 56 3.8 Placa de anclaje de la columna. ................................................................... 57

3.8.1 Evaluacin de las acciones sobre la placa. ............................................ 58 3.8.2 Clculo de las dimensiones de la placa. ................................................ 58 3.8.3 Clculo del espesor de la placa base. ................................................... 60

3.9 Clculo de los pernos de anclaje. ................................................................. 63 3.9.1 Determinacin de la longitud de anclaje. ............................................... 65

3.10 Clculo de espesor de los soportes de rigidez. .......................................... 68 3.11 SOLDADURA. ............................................................................................ 70

3.11.1 Disposicin de la Soldadura entre placa base y pilar. .......................... 70 3.11.2 Consideraciones para el Clculo. ........................................................ 71 3.11.3 Clculo del cordn de soldadura. ......................................................... 71

3.12 Rueda carro mvil. ..................................................................................... 73 CAPTULO IV

4. DETERMINACIN DEL CILINDRO HIDRULICO. ........................................... 75 4.1 Datos tcnicos del cilindro seleccionado. ..................................................... 76 4.2 Dimensiones del cilindro seleccionado. ........................................................ 77 4.3 Capacidad de fluidos del cilindro. ................................................................. 78

5. CLCULOS COMPUTACIONALES. ................................................................. 79 5.1 Resultados grficos. ..................................................................................... 79

5.1.1 Cuadro de resultados de malla. ............................................................. 80 5.1.2 Cuadro de resultados de esfuerzos. ...................................................... 81 5.1.3 Cuadro de factor de seguridad. .............................................................. 82 5.1.4 Cuadro de lmite de fatiga. ..................................................................... 83

CAPTULO VI 6 SISTEMA HIDRULICO. .................................................................................... 87

6.1 Central hidrulica. ......................................................................................... 87 6.1.1 bomba hidrulica. ................................................................................... 87

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6.1.2 Filtro colador. ......................................................................................... 87 6.1.3 Motor elctrico. ...................................................................................... 88 6.1.4 Vlvula antiretorno en lnea. .................................................................. 88 6.1.5 Vlvula de seguridad. ............................................................................ 88 6.1.6 Manmetro. ............................................................................................ 88 6.1.7 Filtro de baja presin. ............................................................................ 88 6.1.8 Vlvula manual. ..................................................................................... 88 6.1.9 Vlvula controladora de caudal. ............................................................. 88 6.1.10 Acoplamientos. .................................................................................... 89 6.1.11 Vlvula antiretorno pilotada. ................................................................. 89

6.2 Conexiones................................................................................................... 89 7 PAUTAS BSICAS PARA EL MANTENIMIENTO DEL SISTEMA HIDRULICO. ............................................................................................................................... 90

7.1 Ventajas del mantenimiento preventivo. ....................................................... 91 7.2 Programa del mantenimiento preventivo. ..................................................... 91 7.3 Programa de inspeccin. .............................................................................. 91

7.5.1 Motivos de la contaminacin del aceite. ................................................ 94 7.6 Control de la contaminacin durante los cambios de filtros. ......................... 95

CAPTULO VIII 8 EVALUACIN ECONMICA. ............................................................................. 97

8.1 Introduccin. ................................................................................................. 97 8.1.1 Cubicaciones de equipos principales. .................................................... 97 8.1.2 Cubicaciones de equipos secundarios. .................................................. 97 8.1.3 Cubicaciones de materiales e insumos. ................................................. 98

8.2 Beneficios otorgados por el proyecto. .......................................................... 99 8.3 Valor del proyecto ......................................................................................... 99 8.4 Rentabilidad del proyecto. .......................................................................... 100

CAPTULO IX 9.1 CONCLUSIONES. ...................................................................................... 101 REFERENCIAS ................................................................................................ 103 ANEXOS .......................................................................................................... 104

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NDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Logo de la empresa ............................................................................ 14 Figura 1.2. Ubicacin geogrfica maestranza INSAMIN E.I.R.L. .......................... 14 Figura 1.3. Vista area maestranza INSAMIN E.I.R.L. ......................................... 14 Figura 1.4. Organigrama de la empresa ............................................................... 16 Figura 2.1. Dimensiones laterales camin KOMATSU 930E ................................ 24 Figura 2.2. dimensiones delanteras y traseras camin KOMATSU 930E ............. 25 Figura 2.3. Dimensiones laterales camin KOMATSU 830E ................................ 26 Figura 2.4. Dimensiones delanteras y traseras camin KOMATSU 830E ............ 27 Figura 2.5. Dimensiones laterales camin KOMATSU 730E. ............................... 28 Figura 2.6. Dimensiones delanteras y traseras camin KOMATSU 730E. ........... 29 Figura 2.7. Dimensiones laterales camin CATERPILLAR 797B.......................... 30 Figura 2.8. Dimensiones delanteras y traseras camin CATERPILLAR 797B ...... 31 Figura 2.9. Dimensiones laterales camin CATERPILLAR 793D ......................... 32 Figura 2.10. Dimensiones delanteras y traseras camin CATERPILLAR 793D.... 33 Figura 2.11. Plano isomtrico de la estructura ...................................................... 34 Figura 2.12. Cilindro hidrulico .............................................................................. 36 Figura 2.13. Carrera de empuje del cilindro hidrulico .......................................... 37 Figura 2.14. Retraccin del cilindro hidrulico....................................................... 37 Figura 2.15. Unidad de superficie del cilindro hidrulico ....................................... 38 Figura 2.16. Cilindro actuador tipo mbolo de simple efecto ................................ 39 Figura 2.17. Cilindro mbolo de doble efecto ........................................................ 40 Figura 2.18. Cilindro telescpico de simple efecto ................................................ 41 Figura 2.19. Cilindro actuador tipo mbolo telescpico ......................................... 43 Figura 3.1. Esfuerzos en cilindro ........................................................................... 50 Figura 3.2. Esfuerzos en viga ................................................................................ 50 Figura 3.3. Factores de modificacin de acabado superficial para el acero. ......... 54 Figura 3.4. Dimensiones del tubo cuadrado .......................................................... 55 Figura 3.5. Reacciones en la estructura ................................................................ 56 Figura 3.6. Dimensiones de la estructura .............................................................. 59 Figura 3.7. Dimensiones de la estructura .............................................................. 60

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Figura 3.8. Reacciones en la base ........................................................................ 61 Figura 3.9. Reacciones en la placa ....................................................................... 63 Figura 3.10. Patilla normalizada ............................................................................ 67 Figura 3.11. Esquema de los soportes .................................................................. 68 Figura 3.12. Esquema para clculos ..................................................................... 68 Figura 3.13. Disposicin general soldadura .......................................................... 70 Figura 3.14. Detalle Cordn de soldadura ............................................................ 71 Figura 3.15. Dimensiones principales rueda seleccionada ................................... 73 Figura 3.16. Diseo estructura .............................................................................. 74 Figura 4.1. Cilindro telescpico de doble accin ................................................... 76 Figura 4.2. Cilindro telescpico de doble accin .................................................. 77 Figura 4.3. Dimensiones del Cilindro telescpico ................................................. 77 Figura 5.1. Malla resultante en la estructura ......................................................... 80 Figura 5.2. Resultados de esfuerzos en la estructura. .......................................... 81 Figura 5.3. Resultados de factor de seguridad en la estructura ............................ 83 Figura 5.4. Modelo desplazado ............................................................................. 84 Figura 6.1. Manguera SAE 100 R9 ....................................................................... 89

NDICE DE TABLAS Tabla 1. Anlisis tcnico de las soluciones planteadas. ........................................ 21 Tabla 2. Anlisis econmico de las soluciones planteadas. .................................. 22 Tabla 3. Dimensiones camin KOMATSU 930E. .................................................. 25 Tabla 4. Dimensiones camin KOMATSU 830E. .................................................. 27 Tabla 5. Dimensiones delanteras y traseras camin KOMATSU 730E. ................ 29 Tabla 6. Dimensiones camin CATERPILLAR 797B. ........................................... 31 Tabla 7. Dimensiones camin CATERPILLAR 793D. ........................................... 33 Tabla 8. Coeficiente de seguridad. ........................................................................ 48 Tabla 9. Clculo esfuerzo de fatiga para diferentes aceros. ................................. 54 Tabla 10. rea resistente de tornillos de dimetro nominal ( ). ........................... 64 Tabla 11. Coeficiente m. ....................................................................................... 66 Tabla 12. Predimensionamiento del cordn de soldadura. ................................... 72

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Tabla 13. Especificaciones tcnicas de cilindro telescpico. ................................ 77 Tabla 14. Dimensiones del cilindro telescpico. .................................................... 78 Tabla 15. Factor de correccin. ............................................................................. 86 Tabla 16. Problemas en el sistema hidrulico y sus soluciones............................ 92 Tabla 17. Mantenimientos recomendados. ........................................................... 93 Tabla 18. Presupuesto de la estructura principal. ................................................. 97 Tabla 19. Presupuesto de los componentes de fabricacin. ................................. 98 Tabla 20. Presupuesto de los componentes comerciales. .................................... 98

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RESUMEN

Este proyecto de memoria se realiz en la Maestranza INSAMIN E.I.R.L, empresa ubicada en el Barrio Industrial, Alto Peuelas, sitio N 271, galpn N 2 sector Puerto Seco en la comuna de Coquimbo y consisti en el diseo y simulacin de una estructura soportante para la reparacin de tolvas mineras de capacidades hasta 350 toneladas. El problema se genera debido a la falta de gras o de una estructura que tenga la capacidad de soportar la tolva a reparar, se crean inconvenientes como; mala posicin de la tolva, falta de nivelacin, sensacin de inseguridad en el apoyo adecuado de las bases de sustento etc., estos son componentes que hacen la diferencia al momento de realizar este tipo de trabajos. El objetivo de la empresa al apoyar este proyecto, es realizar el diseo de una estructura que soporte tolvas mineras de capacidades hasta 350 toneladas, con el fin de no slo mejorar los servicios que ofrece la empresa, sino tambin comercializar este producto a las empresas y as realizar la asistencia tcnica necesaria. El diseo que se propone, est enfocado a las flotas de camiones Caterpillar 797B, 793D, y Komatsu 930E, 830E, 730E, la estructura ser adaptable a las diferentes tolvas, debido a que son los equipos mas utilizados en la minera actualmente, por lo que resulta beneficioso realizar este proyecto para reparar tolvas de este tipo de maquinarias. La alternativa seleccionada es una estructura que consiste en cuatro pilares provistos de brazos que tienen la capacidad de subir y bajar por todo el largo de los pilares, con el fin de levantar la tolva. El costo de esta alternativa se recupera en un periodo de 5 meses, despus de este periodo la empresa se ahorra US$ 13.138 mensuales, los cuales son solo beneficios para la empresa. Los beneficios esperados son mejorar sus procesos frente a la gran competencia que existe hoy en la industria metalmecnica y as lograr darle un valor agregado a los trabajos que se realizan en la empresa.

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ABSTRACT

This project realized in Insamin Meastranza E.I.R.L, company located in the Industrial neighborhood, Alto Peuelas, site N 271, shed N 2 Puerto Seco sector in Coquimbo's commune and consisted of the design and simulation of a structure support for the repair of mining hopper of capacities up to 350 tons. The problem is generated due to the lack of cranes or of a structure that has the aptitude to support the hopper to repairing, disadvantages are created as; wrong position of the hopper, lack of leveling, sensation of insecurity in the suitable support of the bases of sustenance etc., these are components that do the difference to the moment to realize this type of works. The aim of the company on having supported this project, is to realize the design of a structure that supports mining chutes of capacities up to 350 tons, in order to not only to improve the services that the company offers, also to commercialize this product to the companies and this way to realize the technical necessary assistance. The design proposed, is focused on the fleets of trucks Caterpillar 797B, 793D, and Komatsu 930E, 830E, 730E, the structure will be adaptable to the different hoppers, due to the fact that they are the most used equipments in the mining industry nowadays, for what it turns out to be beneficial to realize this project to repair hoppers of this type of machineries. The selected alternative is a structure that consists of four props provided with arms that have the aptitude to rise and go down for the whole length of the props, in order to raise the hopper. The cost of this alternative recovers in a period of 5 months, after this period the company saves monthly US$ 13,138, which are only in benefits. The awaited benefits are to improve the processes against the great competition that exists today in the in the metal mechanics industry and this way gives a value added to the works that are realized in the company.