EVALUACION DE CINCO ALTERNATIVAS DE MAQUINA DE ENSAYOS DESTRUCTIVOS DE ROCAS, ANTEPROYECTO PRESENTADO COMO REQUISITO DE LA MATERIA DISEÑO RACIONAL, POSTGRADO UNEXPO PUERTO ORDAZ.
DISEÑO DE UNA MAQUINA PARA ENSAYOS DESTRUCTIVOS DE ROCAS
1. Universidad Nacional Experimental Politécnica
Antonio José de Sucre
Vice-Rectorado Puerto Ordaz
Dirección de Investigación Y Postgrado
Cátedra: Diseño Racional
DISEÑO DE UNA MAQUINA PARA ENSAYOS DESTRUCTIVOS DE MINERALES
(ROCAS)
ING. ROGER MEDINA
PUERTO ORDAZ, MAYO DE 2003
2. INTRODUCCION
En Venezuela, las Instituciones de Educación Superior se han visto
afectadas con el pasar del tiempo, muchas cuentas con equipos de
la década de los años sesenta y otras tienen poco o nada. En el
Estado Bolívar, específicamente en Ciudad Bolívar fue creado el
26 de enero bajo decreto presidencial 1826, el Instituto
Universitario de tecnología del estado Bolívar (IUTEB).
Esta casa de estudios nace con la misión de formar Técnicos
Superiores en cuatro áreas diferentes (Electricidad, Geología y
Minas, Mecánica y Sistemas Industriales), por ser una institución
que recién inicia sus actividades, no cuenta con Talleres y
Laboratorios completamente equipados para realizar prácticas.
Debido a tales circunstancias y otros múltiples factores, se han
planteado alternativas para dotar de Máquinas y Equipos a los
Laboratorios del IUTEB, es por ello que se ha planteado Diseñar y
construir Máquinas de mediana complejidad para la especialidad
de Geología y Minas.
3. DESARROLLO
Los métodos de reducción de tamaño pueden agruparse de varias
maneras, pero como la reducción ocurre en etapas, el tamaño de
las partículas aporta el método primario de agrupamiento. El
termino trituración se aplica alas reducciones subsecuentes de
tamaño hasta alrededor de 25 mm, considerándose las reducciones
a tamaños mas finos como molienda.
Los requisitos de diseño de las maquinas para reducción de
tamaño cambian notablemente al cambiar el tamaño de las
partículas. En prácticamente todas las maquinas, las fuerzas para
lograr la fractura se aplica ya sea por compresión o por impacto.
En cada caso los productos son similares y la diferencia entre las
maquinas esta asociada principalmente con los aspectos mecánicos
de la aplicación de la fuerza a los diversos tamaños de partículas
4. DESARROLLO
En el diseño de una máquina existen una serie de factores y
consideraciones a ser tomadas en cuenta tales como:
Confiabilidad
Mantenibilidad
Disponibilidad
Funcionalidad
Operabilidad
Costos
Tomando en cuenta tales factores, se plantea inicialmente un
estudio que permita evaluar y decidir en función de una
alternativa basándonos en los criterios y aspectos técnicos de
mayor solidez, y que genere una respuesta a los requerimientos
solicitados.
Detectada la necesidad, se plantea el Diseño de una Maquina para
triturar rocas para realizar ensayos de minerales.
5. METODOLOGIA
Planteados los objetivos del problema, este se aborda desde el punto
del Diseño racional, conocidos los requerimientos se plantean
alternativas de solución que permitan combinarlas y analizarlas de tal
manera que genere la mas adecuada.
METODO DE LA CAJA NEGRA
Mineral de rocas Mineral de rocas
?
enteras ensayadas
6. ANALISIS DEL PROBLEMA
En este punto se encuentran definidos las variables de entrada y salida,
que debemos considerar para realizar el diseño conceptual, al igual que
los criterios y las condiciones de restricción.
Variables de entrada:
Tamaño de la roca: 25,4 mm
Forma de la roca: esférica, semiredonda, alargada, rectangular, cuadrada.
Dureza: 9,8 kg/cm^2 a 26,5 kg/cm^2
Densidad: 2,5 kg/cm^3 a 3,5kg/cm^3
Variables de salida:
Tamaño de la roca: 3/8 plg a 1/4 plg
Roca ensayada: 4 kg/hr a 6 kg/hr
7. ANALISIS DEL PROBLEMA
Restricciones:
Capacidad de la máquina: 5 kg
Peso de la máquina:120 kg
Tiempo de trituración: 30 min
Voltaje: 120 voltios
Operación semiautomática
Variables de solución:
Tamaño de la máquina: 120x80x80 cm
Rotura de la roca: impacto, desgaste, rodadura, explosión, compresión, corte
Otros:
Costos de fabricación
Diseño flexible
Facilidad de operación
Costo de mantenimiento
Confiabilidad
Mantenibilidad
8. BUSQUEDA DE SOLUCIONES
A continuación se plantean las distintas variables a considerar para
establecer las alternativas seguidamente.
Rotura de la roca:
Impacto
Compresion
Corte
Desgate
Explosion
Rodadura
Sistema de accionamiento:
Motor reductor
Piñon cadenas
Poleas correas
Biela manivela
Neumatico
Hidraulico
9. EVALUACION DE ALTERNATIVAS
Seguidamente planteamos las diferentes alternativas de solución.
Impacto (1) Trituración por rodadura (2)
Recipiente rectangular y un embolo 3 Tornillos sin fin dispuesto en
con cabeza dentada ( baja y sube). forma triangular y montados en una
caja metálica rectangular.
Impacto y fricción (4)
Explosión con TNT (3)
Tambor cilíndrico y bolas de acero,
Recipiente cilíndrico rígido y
montado sobre rodillos giratorios.
compuerta de acceso.
Compresión (5)
Recipiente rectangular rígido y
embolo con cabeza dentada.
10. ANALISIS DE ALTERNATIVAS
En base a las consideraciones y en función de varios criterios
que se han establecido como parte de los requerimientos de
entrada y salida para la búsqueda de la mejor selección de la
alternativa, se estudiaran varias opciones que a continuación se
describen:
ALTERNATIVA 1: Es un arreglo que presenta bastante
funcionalidad, la rotura de la roca dependerá de un numero elevados de
ciclos para obtener el tamaño de grano requerido, este tipo maquina
produce muchas vibraciones y altos ruidos, su confiabilidad tiende a
ser media, y su mantenibilidad aumenta con el uso frecuente; a pesar
de factores adversos es uno de los métodos de rotura de rocas más
usados, es un prototipo de maquina que no presenta complejidad para
ser construida, resulta de fácil operación, y los costos de
mantenimiento no resultarían elevados.
11. ANALISIS DE ALTERNATIVAS
ALTERNATIVA 2: Es un arreglo que permite triturar rocas de
tamaño poco variable, maneja poco volumen de material, y debe ser
introducido de forma manual y progresiva, presenta una baja
confiabilidad y requiere alta mantenibilidad al usarse continuamente;
este tipo de maquina no seria muy funcional, lo que implica que no
seria una buena elección.
ALTERNATIVA 3: Es un arreglo que permite manejar volúmenes y
tamaños variables de rocas, sin embargo resulta altamente peligroso,
genera ruido y vibraciones indeseadas, necesita de personal altamente
calificado en el manejo de explosivos , genera altos costos la compra
de explosivos; no seria una solución para el fin requerido.
12. ANALISIS DE ALTERNATIVAS
ALTERNATIVA 4: Es una combinación de una máquina motriz y un
elemento mecánico que aprovecha la energía cinética para impactar
las rocas y defragmentar las misma hasta lograr un tamaño de grano
adecuado, esta maquina resulta altamente funcional, presenta alta
confiabilidad, baja mantenibilidad, es sencilla de operar, sin embargo
debe estar siempre sincronizada la velocidad de giro de los rodillos; ya
que de lo contrario no es posible romper las rocas, se necesita parar la
maquina al momento monitorear proceso para verificar la
granulometría del material, la factibilidad de construcción es un poco
compleja; ya que se desconocen muchos parámetros de diseño, el costo
de construcción es aproximadamente $ 2500 a $ 3500.
ALTERNATIVA 5: Es un prototipo que se estaría ensayando,
manejaría tamaño y volúmenes variables de rocas, seria altamente
funcional, se estima una alta confiabilidad y baja mantenibilidad, su
operación no requiere de alta pericia, permitiría obtener tamaños de
granos adecuados, pero la cantidad de rocas a defragmentar se estaría
limitando, si la dureza de la misma es muy elevada; ya que habría que
aplicar grandes presiones para romperlas, la factibilidad de
construcción resultaría sencilla; ya que los elementos y componentes
para su fabricación son de poca complejidad, y también se requiere un
costo aproximado de $ 2000 a $ 2500.
13. RESULTADOS: SELECCION DE LA ALTERNATIVA
• Las cinco alternativas planteadas serán sometidas al escrutinio y
análisis, tomando en cuenta el criterio de experto, y técnicas de
comparación y descarte hasta obtener, la alternativa que cumpla con
las consideraciones de diseño que nos permitirá dar solución al
problema que se ha planteado inicialmente.
• Para la defragmentación de rocas usando métodos que implican el uso
de explosivos (Alternativa 3) queda totalmente descartado; ya que
representa un constante peligro y requiere de personal calificado para
lograr los requerimientos establecidos.
• Alternativa 5, observamos que ambas son prototipos de una gran
flexibilidad de construcción, su manejo no requiere de alta pericia, sin
embargo operan bajo principios diferentes, impacto y compresión
respectivamente, siendo la trituración por impacto el método más y que
ofrece mejores resultados en menor tiempo y bajos costos.
14. RESULTADOS: SELECCION DE LA ALTERNATIVA
• Al realizar comparaciones entre la Alternativa 1 vs la Alternativa 4, se
nos presentan dos opciones que generalmente suelen ser las mas
empleadas para obtener tamaños de granos de rocas adecuados para ser
analizados en laboratorios. En el caso de la Alternativa 1, la misma
presenta pocas limitaciones; y están referidas a la confiabilidad y
mantenibilidad dadas las condiciones bajo la cual opera esta máquina,
sin embargo permite monitorear constantemente el tamaño de la roca,
y los costos de construcción y mantenimiento son bajos.
• Al referirnos a la Alternativa 4, esta es una maquina que ofrece muy
buenos resultados; ya que su principio de operación permite triturar las
rocas mediante impacto de bolas que caen sobre estas desde una altura
preestablecida y, también aprovecha el movimiento de rotación de un
tambor giratorio, el cual contribuye a que las rocas se muevan
constantemente para permitir un tamaño homogéneo, sin embargo,
durante el proceso se dificulta monitorear el tamaño de las rocas y el
tiempo aproximado de trituración, su construcción resulta altamente
compleja; ya que intervienen muchos parámetros de diseños que están
relacionados y son desconocidos, además los costos de fabricación
resultan elevados comparados con la alternativa antes mencionada.
15. RESULTADOS: SELECCION DE LA ALTERNATIVA
Al evaluar todas las alternativas, y tomar en cuenta:
Confiabilidad
Mantenibildad
Funcionalidad
Diseño flexible
Facilidad de operación
Costo del equipo
En definitiva, se opta por la Alternativa 1.
16. CONCLUSIONES
El uso delas herramientas y técnicas del Diseño racional, permitió
plantear una gama de posibles soluciones para lograr el mejor diseño
conceptual de la máquina.
De las cincos alternativas planteadas, el diseño más adecuado resultó
para un prototipo de máquina de ensayos destructivos por impacto.
La máquina seleccionada representa una alternativa de solución, para
los requerimientos exigidos (costos, confiabilidad, mantenibilidad,
diseño flexible, funcionalidad,etc.)
17. ANEXOS: ESQUEMAS DE LAS ALTERNATIVAS
1 4 BOLAS DE ACERO
IMPACTO ROCAS
RODILLOS
CONDUCIDOS
RODILLO
CONDUCTOR
P
2 5 I
CILINDRO HIDRAULICO
S
T
TORNILLO SIN FIN O COMPRESION
N