Diseño y cálculo de la maquinaria de extracción minera de UPM Etsimm

DISEÑO DE LA MAQUINARIA DE EXTRACCIÓN

OBJETIVOS DEL TEMA

1. Conocer los aspectos clave a definir en el diseño e ingeniería de una máquina de extracción, Comprender la importancia relativa de cada uno de ellos.
2. Conocer los criterios básicos para la determinación de las dimensiones, capacidad y tamaño de los componentes básicos de la máquina de extracción.
3. Conocer los aspectos generales que rigen el cálculo del ciclo de trabajo.
4. Conocer cómo hacer un cálculo preciso del tonelaje horario.
5. Conocer cómo calcular el peso máximo y la capacidad del skip.
6. Conocer el criterio de cálculo de los contrapesos.
7. Conocer cómo son y cómo se fabrican los distintos tipos de cables de extracción.
8. Conocer el criterio general para el cálculo de un cable.
9. Comprender la forma como se calcula el tamaño de un tambor de arrollamiento.
10. Conocer los distintos tipos de máquinas de extracción.
11. Conocer los distintos tipos de amarres, uniones de cable y guionaje.
12. Conocer la forma de calcular la potencia de la máquina de extracción.

INTRODUCCIÓN

Aunque no es posible exponer aquí el diseño detallado completo de la maquinaria de extracción, se intenta en lo que sigue que el lector pueda determinar el ciclo de trabajo y las necesidades eléctricas y de potencia consumidas.

Para determinar las dimensiones, capacidad y tamaño de los componentes mecánicos el diseñador debe tener en cuenta determinados criterios básicos. Son estos entre otros:

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• Velocidad de elevación incluyendo la aceleración, desaceleración o frenado, y velocidad máxima
• Producción en t/h
• Peso máximo que debe ser elevado

Peso de la carga y de los equipos de elevación Diámetro del cable de elevación Con estos datos se puede determinar la potencia del motor eléctrico necesario para subir y bajar los pesos necesarios en los tiempos requeridos.

Los datos deben ser calculados o estimados en el orden siguiente:

1. tiempos de los ciclos de trabajo,
2. velocidad de elevación,
3. pesos de las cargas de mineral y de los medios de transporte,
4. dimensiones del cable de extracción,
5. dimensiones de los tambores,
6. potencia requerida del sistema motor de la máquina de extracción(Root Mean Square power equivalent, RMS kw).

Running Time -. - 12 Constunt Speed- Speed 13 Decelerate - t1 Accelerate tr Rest Jime

CICLO DE TRABAJO

El ciclo de trabajo describe el tiempo total necesario para mover el elemento de transporte desde el punto de carga en la base del pozo de extracción hasta el punto de descarga en la cabeza o parte alta del pozo en el caso de doble tambor con dos skips o jaulas y en el caso de un solo tambor con una sola jaula ó skip el ciclo comprende la subida y la bajada. Para que sea completo el ciclo debe comprender los periodos de tiempo de carga, marcha lenta inicial, aceleración, velocidad plena, desaceleración, marcha lenta de parada, descarga y parada. A menudo se representan estos tiempos mediante un gráfico de tiempos - velocidades.

Las relaciones entre la velocidad máxima, longitud de recorrido, y tiempo de trabajo son como sigue:

Tiempo de aceleración (s) V a Distancia de aceleración (m) Vt _V2 Vh - 2 2 2a Tiempo de frenado (s) A/L r Distancia de frenado (m) VIS - " 2 2r Tiempo a plena velocidad (s) A N Recorrido a plena velocidad (m) L-V2×(+) Dónde a es la aceleración en m/s2, r es la desaceleración o frenado en m/s2, t, es el tiempo de aceleración, t2 es el tiempo de a plena velocidad, t3 es el tiempo de frenado, todos ellos en segundos, V es la máxima velocidad o velocidad plena en m/s, y L es el recorrido máximo asimilable a la profundidad del pozo en m. Si llamamos t, al tiempo de reposo (carga y descarga) tenemos tiempo del ciclo (en s): V V 1=1+1+1+4= + 20 + 2r +. 2a 2r Por ejemplo, si L = 400m; V = 10 m/s; a = r = 0,75 m/s2; t, = 20 s; el ciclo en s es t (ciclo) = 74 (s).

Las velocidades máximas a utilizar serán las siguientes en función del tipo de guionaje utilizado Guionaje de madera 10 m/s Guionaje de carril de acero 15 m/s Guionaje de cable 20 m/s.

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Además el ingeniero ha de comprobar cual es la legislación al respecto en la comunidad autónoma, provincia, estado o país en el que ha de instalarse el pozo minero.

PRODUCCIÓN EN T/H

Debe definirse la producción horaria en t/h en función de las necesidades de producción anual de la empresa o mina en cuestión. Una vez definido el objetivo anual se analizará con extremo cuidado todas las condiciones necesarias para obtener la producción pretendida, tales como la inversión necesaria, la plantilla de personal, las horas de trabajo anuales, las productividades de cada máquina, etc. La humedad del mineral ha de ser tenida en cuenta para el cálculo de la producción horaria asi como el factor de utilización que puede ser tan alto como 0,90 en minas muy bien organizadas, aunque lo normal es 0,70.

PESO MÁXIMO Y CAPACIDAD DEL SKIP

El peso máximo que ha de ser elevado en el pozo de extracción se compone del peso del cable y del peso del skip o peso muerto y del peso del mineral cargado en cada skip o peso útil.

La carga por skip se deduce de:

Peso útil p = producción(t /h)x ciclo(s) 3600(s/h) nº de viajes = 3600(s/h) ciclo(s) A su vez, el peso del skip se aproxima con alguna de las relaciones siguientes:

peso skip = 0,5 peso del mineral + 680 (kg) ó bien 5/8 del peso del mineral en el skip.

De todas formas se consultarà con los fabricantes de los equipos de extracción.

CONTRAPESOS

En determinadas circunstancias y en particular en máquinas de tambor simple se utiliza a veces una sola jaula o skip equilibrado mediante un contrapeso. El contrapeso se ha de calcular como la media de la suma del peso de la jaula o skip totalmente cargado y descargado. Con ello se obtiene el mejor compromiso para el contrapeso.

CABLES DE EXTRACCIÓN

Los factores que deben considerarse en el diseño de los cables de extracción son: 1) los hilos de acero, 2) los torones, 3) el alma, y 4) el trenzado.

1. Los hilos de acero: Los cables de extracción se construyen con hilos de acero de 1,5 a 3,5 mm de diámetro cuya resistencia a la ruptura llega a los 2500 Mpa. Los hilos pueden ser de sección circular, en Z y de doble garganta; estos dos últimos tipos de hilos se emplean en cables cerrados y semicerrados.
2. Los torones: se llama torón o cordón al cable más sencillo que puede obtenerse del hilo de acero y para formar el torón los trozos de alambre se unen con soldaduras que no deben coincidir y se disponen varios hilos en hélice adosados en una o varias capas. El torón se caracteriza por la naturaleza del alma, el número de capas, el sentido del trenzado y el paso de la hélice. Hay cuatro tipos de torones: redondos, triangulares, ovalados y planos. Los torones se designan por el número de hilos del alma y de las capas sucesivas.
3. El alma: el objeto del alma es absorber los esfuerzos internos de compresión que se producen principalmente por aplastamiento en los tambores de arrollamiento y en las poleas. Las fibras naturales como el cáñamo se utilizan normalmente aunque para aplicaciones anticorrosivas se utilizan fibras sintéticas tales como el nylon y el polipropileno.
4. El trenzado: Los cables redondos se forman enrollando en hélice, en una sola capa, 4 a 8 torones alrededor de un alma de cáñamo. El

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Round Strand Hoisting Rope Round Strand Hoisting Rope Flattened Strand Hoisting Rope Flattened Strand Hoisting Rope Locked Coil Hoisting Rope Non-rotating Tail or Balance Rope Full Lock Shaft Guide Rope Half Lock Shaft Guide Rope Diferentes tipos de cables trenzado más normal es a derechas, a menos que por alguna circunstancia especial haya de ser a izquierdas. Los trenzados pueden ser de varios tipos:

a) Trenzado cruzado: los torones se enrollan al contrario que los hilos para obtener cables más rígidos. Tienen buena resistencia a los golpes y no se desenrollan y aguantan bien los aplastamientos y distorsiones. Se usan para eslingas y para cables de equilibrio.

b) Trenzado Lang: los torones se enrollan en el mismo sentido que los hilos para cables más flexibles. Estos tipos de cables son los habituales en extracción. Estos cables tienen mayor resistencia a la abrasión y se alojan mejor en los tambores. Por su tendencia a destrenzarse no se emplearán si las cargas a elevar no van guiadas.

c) Cables compuestos Nuflex: se realizan con dos capas de torones de hilos de acero más finos. Son flexibles y antigiratorios. Existen otros tipos de cables tales como los especiales formados por torones de sección triangular, aplastados en la última capa que se usan poco. Los cables cerrados están formados por series de capas de hilos circulares, de dos gargantas o en Z, siendo de estos últimos la superficial. Estos cables son anticorrosivos, antigiratorios y de fácil enrollamiento aunque más rígidos, además de ser sensiblemente más caros y propensos a destrenzarse.

Los cables planos están formados por 6 a 12 cables de 4 torones y alma de cáñamo, trenzado alternativamente e derechas e izquierdas, adosados paralelamente y cosidos. Se arrollan en bobinas sobre sí mismos. Son también antigiratorios y se usaban en Bélgica antes del cierre de la minería del carbón

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CARACTERÍSTICAS DE LOS CABLES

Las características físicas más importantes de los cables son:

• la sección teórica: es la suma de las secciones de los hilos
• el diámetro teórico: es el círculo circunscrito a la sección teórica
• el diámetro práctico: es el del cable nuevo sin usar y es mayor en un 2 a 5 % al usado
• el peso por metro: figura en los catálogos en kilogramos.

Las características mecánicas principales son:

• la carga de rotura experimental que se determina sometiendo un trozo de cable a un ensayo de tracción en el laboratorio
• la resistencia totalizada experimental que se obtiene sumando las individuales de los hilos del
• cable obtenidas por separado
• la resistencia que se retendrá a efectos reglamentarios es la obtenida sobre el cable completo
• por un ensayo de rotura a tracción en un laboratorio homologado
• el alargamiento: el limite elástico llega al 0,75 de la carga de rotura. Hay un alargamiento de acomodación que llega al 3 % del largo del cable, y otro elástico que se recupera
• fatigas: el cable está sometido a fenómenos de giro, sacudidas diversas y fenómenos de resonancia.

CÁLCULO DE LOS CABLES

Los esfuerzos que soporta el cable son cargas estáticas, esfuerzos dinamicos, flexiones de enrollamiento, presiones diversa, torsiones, fenómenos de fatiga, roces, etc.

El cálculo detallado del cable es cuestión de especialistas, y en la práctica el Ingeniero de Minas necesitará calcular el esfuerzo estático o carga máxima que ha de soportar el cable y multiplicarla por un coeficiente de seguridad o :

R = O . Cmar

donde:

• R es la resistencia a la ruptura
• Cmax es la carga máxima
• La carga máxima Cmax se obtiene mediante la expresión siguiente.
• Cmax = Cm + Cu + Po'L en donde
• Cm = carga muerta (jaulas, skips, etc.) Cu = carga útil (la del mineral, personal, equipos)
• Pe = peso por m del cable. Se puede estimar sabiendo que el hilo de acero pesa 0,0095 kg/cm3
• L = longitud del cable

VALORES DE O Profundidad mts. Koepe Otros tipos 0- 500 500 - 1.000 1.000 - 1.500 7 6,9 a 6,5 6,4 a 6 7 5.9 a 5,5 5,4 a 5

El valor de o = 8 es el minimo que debe tomarse en condiciones normales. En realidad un análisis detallado permitiria ajustar el valor o de acuerdo con la autoridad minera local, de modo que se establezca un protocolo completo para el control periódico del cable de extracción. Este procedimiento se establecerá par escrito y previa la autorización adecuada será seguido escrupulosamente.

Valores deo en función de la profundidad y del tipo de máquina de extracción.

Además, para evitar fatigas excesivas en el arrollamiento, se deben cumplir las siguientes condiciones: Si D es el diámetro del tambor de arrollamiento, d el del cable y 8 el del hilo, todos ellos en mm, se tiene:

D= 1200 8; 8= = +1; D=80 a 110 d. 2000

A grandes profundidades, mayores de 1500 m, las fórmulas anteriores no pueden aplicarse y debe Powered by CS CamScanner