Diseño de Harnero

7/25/2019 Diseo de Harnero

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REVISTA FACULTAD DE INGENIERA, U.T.A. (CHILE), VOL. 11 N2, 2003, pp. 35-40

DESARROLLO DE HARNERO VIBRATORIO

Ernesto PonceL.1 Ren Corts F.1 Claudio Valds R.1

Recibido el 30 de julio de 2003, aceptada el 30 de diciembre de 2003

RESUMEN

Se presenta el desarrollo del clculo de un harnero vibratorio terciario de pendiente variable, para ser construido en laMaestranza de Chuquicamata. La relevancia de realizar este proyecto radica en la necesidad de satisfacer los nuevosrequerimientos de produccin y acortar los tiempos de mantenimiento empleando nuevos conceptos de diseo (comovariacin de algunos parmetros de operacin en terreno) y componentes de materiales avanzados de intercambiorpido. Como elemento de verificacin del diseo, se construy un prototipo de dimensiones mas reducidas, empleandoclculos para un equipo real, sin utilizar reglas de reduccin de escala, por no disponer de esa informacin para equiposde minera . El bajo costo respecto a los equivalentes ofertados en el extranjero y la demostracin de las bondades de su

funcionamiento, indican que es rentable la fabricacin de estas maquinarias en el pas.

Palabras Claves: Harnero vibratorio , tamiz pendiente variable

ABSTRACT

This paper shows the development of a calculation of a vibrating screen with variable slope, to be built in

Chuquicamata. This project is relevant because it helps satisfy the new production demand and reduces maintenancetime. It employs new design concepts and uses advanced materials of fast interchange. As comparison method, a

reduced model was built and tested. The calculations were based on a machine of reduced dimensions because it was

not possible to use those scale rules for mining equipment. The low manufacturing cost of the designed screen compared

with the product supplied abroad, as well as the model good performance, indicates that the manufacture of these

machines in Chile is profitable.

Keywords: Vibrating screen, variable slot screen

1Universidad de Tarapac - CODELCO, Departamento de Ingeniera Mecnica, Casilla 6 D, Arica Chile, Fono 58-205293 FAX 58-205281,[email protected]

INTRODUCCIN

Al ao 2000 los harneros terciarios de la Planta deChancado Terciario de Chuquicamata, eran marcaTyler, modelo Ty-Rock [1] mas conocidos como F-600,

pueden definirse como una mquina vibradora de 4cojinetes con un eje excntrico doble, que produce unmovimiento de carrera en crculo. El cuerpo delvibrador y el eje que soporta los brazos laterales estnaislados de la estructura base por amortiguadores degoma. Cuenta con dos mallas de alambrn para cribado,de abertura 19x123 mm la primera y 13,5x 99 mm lasegunda. Las principales fallas eran de soltura decorreas de transmisin, fallas elctricas, roturas de brazosoporte de amortiguadores; desgaste de mallas,rodamientos y amortiguadores, entre otros. Las mallasdeban voltearse cada semana y ser cambiadas cada 15das, este solo tem obligaba a planificar detenciones

semanales de la seccin, lo que exiga buscar solucionesmas duraderas. Anualmente el tiempo de detencin

promedio era de 6737 horas, por lo que las prdidas dedisponibilidad eran del 6% de la Planta de Chancado.Como reflejo de estas fallas, la detencin de un harnerorepercuta en su gemelo y el chancador terciarioasociado, porque cuando se detiene uno, todo el flujo setraspasa al otro [2]. La capacidad se vea colapsada,adems de pasar un alto porcentaje de material fino altriturador de cono, con el consiguiente desgaste de sucoraza y aumentando la probabilidad de atascamiento.Resumiendo los efectos, se tena que anualmentedejaban de procesarse 296 428 toneladas de mineral, alao 2000 eran prdidas de US $303165 mas US $593272 por gastos de mantenimiento, no se incluyen losindirectos como fallas en los chancadores. Dado quedeban reemplazarse 20 equipos, ubicados en lugarescon espacios muy restringidos y en altura, se decidi la


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sustitucin por 10 nuevos, con dimensiones apropiadas .Existiendo muchos modelos y fabricantes, adems demuchos parmetros. Deba seleccionarse un tipo de

diseo avanzado, de probada eficacia, no para copiarlo,sino para comparar sus ventajas respecto a los modelosmas convencionales y considerar las nuevas ideas, verFig.1. Tambin deba tenerse en cuenta la composicinqumica del mineral (por su potencial agresividad conlos materiales empleados); la granulometra, la gravedadespecfica , la densidad, su contenido de humedad (paradecidir si se trata de harneado seco, hmedo o mojado);las caractersticas abrasivas, corrosivas, ngulo defriccin, ngulo de deslizamiento y forma de la partculaentre otros [3], [4]. Otras consideraciones deban incluirlos prejuicios y las inclinaciones de los operarios, estodebe recibir una cuidadosa atencin, as como los

espacios para mantencin y cambio de componentes.Deba pensarse en la standarizacin de repuestos; en ladireccin de rotacin de los vibradores excntricos; elngulo de inclinacin de los tamices, la seleccin delgolpe adecuado (golpe = amplitud x2);la velocidad derotacin del sistema vibratorio; abertura de las mallas;

profundidad del lecho y flujo del material [1], [5].Como filosofa de diseo se pens en hacer una unidaddonde se pudiera variar la fuerza de excitacin, lasuspensin y el ngulo, todo dentro de un rangorazonable. De esta manera sera mas fcil adaptar elequipo a las condiciones de trabajo requeridas ycontrolar problemas no considerados. En la parterelacionada con la resistencia de los materiales debaanalizarse en todas las piezas el efecto de fatiga yconcentracin de tensiones [6], [7], [8].

Fig.1.- Comparacin entre harnero clsico y uno dependiente variable

DESARROLLO

Se realizaron los clculos de un harnero de pendientevariable [9], capaz de satisfacer los requerimientos dealimentacin de un chancador terciario. Luego estosclculos tericos seran verificados con los resultados deun modelo a escala reducida .Como se careca de lainformacin de leyes de escala para equipos de minera,el clculo del modelo se realiz como si se fuese a

comportar en condiciones reales de trabajo. Se decidiutilizar dos bandejas de tamizado (decks) a semejanzade los antiguos F-600. Pero, a diferencia de estos

ltimos, ellas tienen una pendiente alta en la entrada,que se reduce luego en el centro y disminuye an msen la salida, ver Fig.4. No hay una variacin continua,

por las dificultades constructivas que eso traera. Elprimer anlisis debe realizarse sobre los tamaos de laspartculas y su geometra: los efectos son diferentes sison redondeadas o si tienen aristas. El ngulo defriccin interna proporciona la tangente trigonomtrica,que es el coeficiente de rozamiento del material. Elngulo de reposo se produce cuando se le deposita sobreuna superficie horizontal, aqu la compactacin de las

partculas interiores genera un cambio en la friccin,con lo cual este ngulo es menor que el de friccin

interna. Otro clculo importante es el rea del tamiz,una buena proporcin es que el largo sea el doble que elancho, aunque tambin se recomiendan otrasrelaciones[3], [4], [5]. Una vez determinado el flujo delharnero en toneladas cortas / hora, Allis Chalmers [3]recomienda la siguiente formulacin:

rea en pies2= Flujo/(C* M* K* Q1*Q2*Q3*Q4*Q5)

Donde:

C = factor relacionado con la abertura del tamiz (enpulgadas)

M = factor relacionado con el % de material mayorque la abertura del tamiz

K = factor relacionado al % de material que tiene lamitad de la abertura del primer tamiz

Q1 = Factor de la densidad volumtrica

Q2 = Factor del tipo de abertura

Q3 = Factor de forma de la partcula

Q4 = Factor de tamao de la abertura

Q5 = Factor de humedad superficial

Otros fabricantes, por ejemplo la Asociacin de

Fabricantes de Harneros Vibratorios, VSMA, empleanformulaciones parecidas, incluyendo las tablas ogrficas para seleccionar los factores. La profundidaddel lecho es importante y se determina como :

ELD = espesor del lecho del material en la descarga =O*D/(5V*W)

Donde:

O = material con sobretamao en toneladascortas/hora

D = densidad en toneladascortas/pie3


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V = velocidad del material sobre el harnero enpies/minuto

W = ancho de la superficie de cribado en pies

Debe cumplirse que el espesor del lecho sea menor quecuatro veces la abertura del tamiz [3], [4], [5].

La eficiencia de remocin de material bajo tamao debeser probada. Si se considera que el sobretamao es el

producto, el harnero debera ser capaz de sacar todo elmaterial de tamao menor a la abertura, pero ningnequipo es comercialmente capaz de hacer esto. Laeficiencia de material removido de bajo tamao en %,sera 100 menos el % de bajo tamao contenido en elque sale junto al de sobre tamao. La eficiencia en

sobre tamao es % de sobre tamao en la alimentacinpor 100 /(%que pasa a la descarga del deck). Tambinexisten otras formulaciones para determinar eficiencias.Para harneado seco la seleccin del vibrador debe ser dedos o cuatro rodamientos (golpe positivo), ambos tienenun buen comportamiento pero la unidad de cuatroarranca y se detiene mas suave, ver Fig.2. Se denominagolpe a dos veces la amplitud de oscilacin. Ladireccin de los vibradores puede ser a favor o contraflujo del material. Los proveedores recomiendan unngulo de variacin de la inclinacin de dos grados dela vibracin respecto del tamiz. Tambin los fabricantes

proporcionan tablas donde recomiendan la longitud del

golpe en pulgadas en funcin del rango de pendiente deldeck; la velocidad nominal en rpm del vibrador y elrango de abertura del tamiz, en malla o pulgadas.

SISTEMA VIBRADOR

Fig. 2.- Vibrador de masas excntricas

Es el corazn del equipo y genera la fuerza deexcitacin que da el movimiento oscilatorio. En estetrabajo se han elegido las masas de giro contrapuesto,

para generar un movimiento lineal paralelo a la criba (oaproximadamente). Esto facilita la clasificacin paraeste tipo de material que tiene una pendiente variable en

el deck. Se hace notar que en los modelos horizontalesse prefiere el movimiento lineal y en los inclinados elelptico o circular. En nuestro caso el primer sector no

requiere demasiada vibracin para lograr laestratificacin por tener una gran pendiente y alcanzargran velocidad (Fig.1). Hacia el final del segundo sectory en la zona de descarga hay una superficie semi planaque necesita fuerza de excitacin para mover el materialhacia la salida, ver Fig.4. Como el sistema es flexible, sino resultare bien se puede modificar a un movimientoelptico con slo cambiar de posicin los engranajes.Ver Fig. 2. La fuerza del vibrador se obtiene derelaciones de los fabricantes. Esta fuerza de excitacin

proporcionada por los contrapesos es igual a la masaexcntrica por el radio de excentricidad por la velocidadangular al cuadrado. Las caractersticas del motor se

obtienen a partir del torque requerido, que puedecalcularse como la aceleracin angular por el momentode inercia de las masas del sistema de excitacin. Laaceleracin angular se obtiene de la velocidad de girodel vibrador dividido por el tiempo que demora elsistema en alcanzar dicha velocidad, el que medido enterreno dio una media de 5 segundos. Conocidas las rpmdel sistema (que deben ser menores a 1200 porrecomendacin de los proveedores), se determina eltorque. La potencia de accionamiento es el torquemultiplicado por la velocidad de giro del sistema. Comoes un diseo flexible, en el transcurso de las pruebas se

pueden variar los contrapesos (Fig.3), luego el momento

de inercia tambin se puede modificar. La transmisinse realiza por engranajes rectos que no producen cargasaxiales, esto es muy importante porque los rodamientosestarn sometidos a cargas de impacto, fatiga,temperatura, contaminacin entre otros; tambin hayque pensar en los sellos que no deben permitir escapesde lubricante para no dejar seca la transmisin nicontaminar el producto. Los rodamientos empleadosfueron de rodillos a rtulas de vida calculada en 20000horas y factor de seguridad 6 en la capacidad de cargadinmica (Fig.2). Esto puede ser motivo de polmica,

pero su costo es nfimo frente al de una detencin noprogramada. Los ejes se calcularon para acero AISI4140 tratado trmicamente y normalizado a 900 grados

C , mediante el cdigo ASME [6], para vida indefiniday confiabilidad 99,99. La caja se hizo de placasapernadas para evitar las distorsiones producidas por lasoldadura, con los consiguientes desalineamientos delos ejes. El espesor para alojamientos de rodamientos ysellos fue mas que suficiente para dar rigidez al sistemacomo un todo monoltico.

ESTRUCTURA

La estructura se dise en acero ASTM A 36 por tener


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menos pasadas por el laminador y por consiguiente,menos tensiones residuales por deformacin. Paraevitar estas tensiones impresas se excluyeron

soldaduras, siendo casi todas las uniones con pernos dealta calidad y resistencia.

Fig. 3.- Masas de contrapesos opuestos

En los apoyos del sistema de suspensin las soldaduraseran inevitables, luego en estos lugares se especific unalivio de tensiones, para evitar fallas por fatiga . Pormotivos de tamao no se incluyeron pernos patenteHUCK, pero se fabricaron equivalentes. En los costadosse montaron rigidizadores para eliminar vibraciones enlas planchas (Fig. 6) adems se pusieron barrasseparadoras cuya funcin era darle una rigideztridimensional a la estructura. Los espesores de materialse calcularon por teora de estructuras, pero incluyendoefecto de fatiga y un factor de servicio pesado. Elclculo de los pesos de las partes y momentos deinercia del conjunto se realiz con un programacomputacional. Una entrada del material, plana ycubierta de goma proporcionaba un acceso amortiguadoal material, aparte que el elastmero antiabrasivo evitael desgaste de la plancha desnuda. En los costados delas bandejas tambin se puso bandas de elastmeros.

SISTEMA DE SUSPENSIN

El bastidor va soportado sobre placas nervadas que

sujetan los resortes verticales. Hay dos placas en laentrada que soportan la mayor carga y dos en la salida .Las de la entrada estn a mayor altura, por razones de la

pendiente. Los resortes descansan sobre un soporte queest aislado de la base mediante otros resortesverticales, que debilitan la transmisin de vibraciones al

piso, adicionalmente se han montado en este sectorcuatro pares de resortes inclinados para contrarrestarrotaciones angulares a lo largo del equipo, ver Fig. 5 yFig. 6. Se plantean 3 ecuaciones diferenciales para elmovimiento del harnero : Una en el eje vertical X, otra

para el Y horizontal y una ecuacin de rotacin en elplano X-Y. El eje Z transversal no se considera por no

tener utilidad directa en el harneado. Otras tresecuaciones similares se plantean para el movimiento delsoporte de la estructura [10], [11], que tambin vasuspendido con resortes. Habra seis grados de libertad,introduciendo una solucin particular que se deriva dosveces y se introduce en las ecuaciones generales ,construyendo una matriz de seis por seis y resolviendoel determinante igualado a cero (mediante un softwareiterativo que permite determinar los modos de vibracin

principales no amortiguados, con el mtodo de Stodola)se obtienen las seis frecuencias naturales del sistema,que en teora deben evitarse para no entrar enresonancia. Las masas, centros de masas y momentos deinercia se calculan por AUTOCAD. Los resultadosobtenidos indican que las frecuencias de oscilacin delharnero son mucho mas altas que las naturales: 125frente a los 15,3 a 26,6 radianes/segundo.

Las fuerzas G de aceleracin del equipo tienen graninfluencia en la forma de vibrar y en la duracin de losrodamientos.

Fig. 4.- Estructura del Harnero


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Dependen del momento esttico de los contrapesos, delas rpm y del peso total del harnero sin carga. Unfabricante la define como: rpm2 por 2 veces el momento

esttico de los contrapesos dividido por una constante yel peso del harnero sin carga. Para el caso del modelodesarrollado G result 1,05 veces la aceleracin degravedad. La geometra de los resortes de seccincircular se determina por las relaciones de Wahl,resistencia a la fatiga y duracin indefinida [6]. Elmaterial fue acero ASTM A231 al cromo vanadiotratado trmicamente. Se emplearon ademsamortiguadores de goma para absorber vibraciones nodeseadas.

Fig. 5.- Suspensin

MDULOS DE POLIURETANO

Dentro de las superficies de cribado en los tipos deplacas perforadas se incluyen estos mdulos. Tienenhasta 5 veces mas duracin que las mallas metlicas enaplicaciones de material seco y hmedo. Son elsticos yceden bajo carga de impacto, pero no se rompen porquela absorben. Resisten temperaturas en rango de 35 a176 grados F y resisten los solventes comunes. Sefabrican por moldeo a inyeccin en paneles standardmltiplos de un pie cuadrado( 1X1, 1X2, 1X3 ...). Altener configuracin modular se pueden reemplazarfcilmente en zonas de mayor desgaste y no en toda lasuperficie como en las mallas de metal. El montaje y

desmontaje lo hace una sola persona empleandoelementos de unin trabados (similares a pernos de

plstico, pero que funcionan con una cua interior queimpide su despiece). Este tipo de material fue empleadoen el prototipo.

TRANSMISIN

La transmisin original contemplaba dos motoresmontados en ambos costados del harnero, conectadosdirectamente al eje mediante acoplamientos cardnicoso flexibles, esto da un diseo bien balanceado y sin los

problemas propios de una conexin por correas, queentre otras dificultades incluye una importante cargaradial y potenciales desalineamientos En el tema

largamente discutido, prim el criterio de un solo motorconectado mediante correas trapezoidales a poleas deacero fundido (que tienen mayor duracin frente a las dealuminio). Algunas mnimas dificultades presentadas enel prototipo dieron la razn a la primera alternativa.

PRUEBAS

El prototipo se hizo funcionar sin carga por varios dassin detenerse. Tambin se hizo trabajar con cargaalimentado desde una tolva. En ambos casos no

present problemas, salvo una leve accin de frenado

debido a variacin de tensin de las correastrapezoidales descrita con anterioridad.

Fig. 6.- Perspectiva del harnero de pendiente variable:35-20-10 grados

CONCLUSIONES

El desarrollo del prototipo permiti establecer queciertos parmetros deben disearse con holgura, as hayuna mayor flexibilidad en la operacin. Se hademostrado que es posible proyectar y construir algunosequipos de minera en el pas con tecnologa moderna.El beneficio econmico de elaborar un harnero propiose traduce en una reduccin de un 50% del costo de unoequivalente importado, con la ventaja de disponer derepuestos standard y el conocimiento para repararlos.

Esto se puede proyectar a la exportacin de estosharneros, no limitndonos a las materias primas, sinotambin a productos manufacturados.

BIBLIOGRAFA

[1] Tyler Industrial Products: Manual deFuncionamiento , Mantencin y Partes paraHarnero Vibrador Ty-Rock, USA, 1998.

[2] D. Romanini, R. Steigmaier; Informe FinalProyecto: Continuidad de Marcha en Planta de

1

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Chancado Secundario-Terciario CODELCOChuquicamata, UTFSM ,Depto. Industrias, 1998.

[3] Allis Chalmes (Svedala); Vibrating Screen,Theory and Selection, printed in USA, AllisChalmes Co.

[4] C. Matthews; Que Saber Sobre los Harneros,Publicaciones Mc Lean-Hunter, Reimpreso porRocks Products, 1997.

[5] VSMA, Vibrating Screen, USA, 1998.

[6] V. Faires; Diseo de Elementos de Mquinas,Ed. Uteha, primera edicin en espaol, Mxico1990.

[7] R. Mott; Diseo de Elementos de Mquinas,Edit. PHH, segunda edicin, Mxico, 1997.

[8] R. Norton; Diseo de Mquinas, EditorialPearson, Primera Edicin, Mxico, 1999.

[9] Nordberg; Multi-Slope Banana Vibrating ScreenInstruction Manual, 1999.

[10] R. Singeresu; Mechanical Vibrations, AdisonWesley Publising Company, USA, 1996.

[11] W. Thomson; Teora de Vibraciones, EditorialPHH, Segunda Edicin, Mxico, 1996.

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