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Universidad Nacional Experimental Politécnica
                                 Antonio José de Sucre
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                         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
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.
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
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.
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
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
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
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.)
ANEXOS: ESQUEMAS DE LAS ALTERNATIVAS
1                               4                 BOLAS DE ACERO


           IMPACTO                                   ROCAS
                                    RODILLOS
                                    CONDUCIDOS
                                                      RODILLO
                                                      CONDUCTOR




                                                  P

2                               5                 I
                                                 CILINDRO HIDRAULICO
                                                  S
                                                  T
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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