Innovación tecnológica de thyssenkrupp

Las plantas de trituración se utilizan en la reducción de tamaño y el procesamiento de materiales en todo el mundo. Tanto en plantas estacionarias como móviles y semimóviles, las trituradoras se instalan en estructuras de acero altas. Estas deben resistir no solo las cargas de peso estático de la trituradora, sino también las cargas de aplastamiento dinámico y las cargas desbalanceadas. En particular, las cargas cíclicas fuera de balance pueden provocar fatiga y excitar la resonancia en la estructura de acero.

Para reducir las cargas en la estructura circundante, aumentar el rendimiento de las plantas de trituración y ahorrar costos, los ingenieros de thyssenkrupp han desarrollado una nueva trituradora de mandíbulas de baja vibración. Cuenta con una innovadora tecnología de equilibrado que elimina en gran medida el desequilibrio y minimiza las vibraciones operativas, especialmente en el caso de la instalación en un edificio de acero o en plantas de trituración semimóviles y totalmente móviles.

En el pasado, las trituradoras a menudo se instalaban en cimientos macizos de concreto que se extendían en algunos casos sobre varios pisos para absorber y amortiguar las vibraciones y las cargas de la máquina. Para instalar trituradoras en plantas semi-móviles y móviles, se necesitaban grandes estructuras de acero. Estas estructuras tuvieron que ser ampliamente probadas para resonancias naturales. Si las frecuencias naturales eran las mismas que la frecuencia de las vibraciones fuera de balance de la máquina, existía el riesgo de que la estructura de acero colapsara. En tales casos, la velocidad de la máquina tuvo que ser desplazada o la rigidez/masa de la estructura de acero adaptada.

El diseño elaborado de tales estructuras de acero provocó automáticamente costos más elevados, en particular para las plantas en las que la trituradora debía instalarse muy por encima del suelo (véase la Fig. 1). Sin refuerzos, tales plantas a menudo vibraban a altas amplitudes. No era raro que las amplitudes en los pisos superiores de la estructura de acero estuvieran entre cinco y diez milímetros. Esto dificultó el trabajo para el personal.

Se lograron ligeras mejoras mediante la instalación de varios elementos de amortiguación debajo de las patas de la trituradora. Sin embargo, para minimizar las vibraciones, se debe desarrollar una nueva solución.

Causa y consecuencias de las cargas fuera de equilibrio

La reducción de tamaño en las trituradoras de mandíbula, como en las trituradoras de cono y giratorias, se basa en un movimiento excéntrico de las herramientas de trituración. Debido a la cinemática específica, surgen fuerzas de desequilibrio residuales que no se pueden equilibrar fácilmente por completo. El centro de gravedad de la herramienta de trituración en una trituradora de mandíbulas de palanca única da como resultado un movimiento elíptico.

A diferencia del movimiento circular del peso fuera de balance, no es fácil de equilibrar. un movimiento elíptico El eje excéntrico se puede equilibrar parcialmente uniendo pesos de equilibrio a los volantes. Como resultado, los pesos de equilibrio llevan a cabo un movimiento circular pero solo equilibran parcialmente el movimiento elíptico de la masa de la herramienta de trituración. Dependiendo de la cinemática y la velocidad de la trituradora, las restantes fuerzas residuales fuera de balance pueden alcanzar órdenes de magnitud correspondientes a varias toneladas de peso.

Una carga oscilante de esta magnitud a una altura de diez a 14 metros (en la estructura de acero) requiere una estructura extremadamente rígida, pesada y costosa para evitar daños a largo plazo. Desde un punto de vista ergonómico, también, no es razonable exponer al personal operativo a tales tensiones debido a las vibraciones de la estructura.

Si tales trituradoras se utilizan en una planta móvil, las fuerzas residuales fuera de balance representan altas cargas no solo para la estructura de acero sino también para los trenes de aterrizaje.

Equilibrado preciso utilizando el principio de maestro / esclavo

En el equilibrado de las trituradoras de mandíbula, las fuerzas circulares de desequilibrio se pueden compensar con los correspondientes contrapesos unidos a los volantes. En el caso de las fuerzas elípticas, solo es posible un equilibrio parcial mediante la adaptación con la ayuda de un movimiento circular.

En la nueva solución desarrollada por thyssenkrupp, las fuerzas elípticas fuera de balance se consideran como la superposición de fuerzas circulares de desequilibrio con diferentes direcciones de rotación. Usando este enfoque, se puede lograr el equilibrio residual ajustando un eje adicional fuera de balance girando en la dirección opuesta al eje excéntrico con una fase específica. El posicionamiento local del eje fuera de balance depende a su vez de la minimización de los efectos de momento restantes. La Fig. 2 muestra una trituradora de mandíbulas con contrapesos en los volantes (1) y un eje adicional desequilibrado (2) para equilibrar las fuerzas restantes de desequilibrio residual.

La trituradora consiste en un revestimiento de mandíbula fijo (4) ubicado en una carcasa (3) y un revestimiento de mandíbula móvil (5) que es accionado por una unidad excéntrica (6). La mordaza de trituración móvil se fija en un pitman (7), en el que se monta el eje excéntrico. Dos volantes están ubicados en el eje excéntrico. A cada uno de ellos se le proporciona un contrapeso (1). Actuando juntos, estos pesos ayudan a equilibrar las fuerzas circulares de desequilibrio.

La dirección de rotación de la unidad excéntrica con el pitman hacia la cámara de trituración está marcada en los volantes. El eje adicional fuera de balance para equilibrar las fuerzas residuales fuera de balance está unido a la parte delantera de la carcasa. Este eje fuera de balance gira en la dirección opuesta al eje excéntrico. Como resultado de las direcciones opuestas de rotación de los ejes, las fuerzas se suman en una dirección y restan en la dirección perpendicular a la misma. Esta propiedad significa que las fuerzas elípticas pueden equilibrarse.

Un factor clave en esto es la sincronización en fase de los dos ejes (eje excéntrico y eje adicional fuera de balance). La sincronización se puede lograr de diferentes maneras. Una posibilidad sería conectar los dos ejes con unidades de accionamiento. Debido a la inversión de la dirección de rotación, las transmisiones por correa serían difíciles de implementar. Con las unidades de engranajes, el peso del eje fuera de balance en el campo gravitacional de la tierra tendría un efecto negativo. Con cada rotación, la carga se alternaría, ejerciendo un estrés extremo en la unidad de engranajes. Para evitar estos problemas, los ingenieros de thyssenkrupp optaron por un innovador sistema electrónico de control “maestro-esclavo”.

Para esto, el eje adicional fuera de balance y el eje excéntrico están equipados con sensores de rotación para registrar la posición angular de la masa fuera de balance. El sensor instalado en el eje de la trituradora es el “maestro”. Mide la curva de velocidad de la trituradora causada por el proceso de trituración. El eje adicional fuera de balance actúa como el “esclavo” y tiene que adaptarse a la posición del maestro. Es impulsado por un motor de par más pequeño (en relación con el motor principal) unido al eje.

thyssenkrupp ya tiene una amplia experiencia de esta tecnología desde su uso en cribas para producir fuerzas de elíptica y fuerzas de excitación dirigidas por medio de dos ejes desequilibrados que giran en direcciones opuestas.

Optimización por simulación multicuerpo

Un requisito clave para la implementación del procedimiento descrito para equilibrar las trituradoras de mandíbula es el conocimiento preciso de las fuerzas de desequilibrio. Mediante el uso de la simulación de cuerpo múltiple (MBS), thyssenkrupp se basa en los métodos innovadores de simulación numérica. Los sistemas reales de múltiples cuerpos se modelan por sus propiedades físicas en asociación con la geometría de los cuerpos individuales y se conectan de acuerdo con las condiciones cinemáticas de acoplamiento existentes. Las fuerzas restrictivas que surgen en los rodamientos proporcionan las fuerzas desequilibradas. Los datos determinados de esta manera forman la base para el dimensionamiento y el posicionamiento del eje adicional fuera de balance. La Fig. 3 muestra un modelo de reemplazo para el cálculo de MBS.

 Verificación de los resultados de la simulación

Para verificar los cálculos teóricos y las simulaciones, el mecanismo de equilibrio se ajustó a una trituradora real. La Fig. 5 muestra la trituradora en una instalación de prueba. El eje adicional fuera de balance está montado en el frente de la trituradora, atornillado a las paredes laterales. Pesa alrededor de 4,5 toneladas y se extiende entre las paredes laterales izquierda y derecha. Los pesos ajustables adicionales están unidos al extremo del eje fuera de balance. Estos permiten una mayor reducción de las fuerzas de desequilibrio a medida que avanza el desgaste de las herramientas de trituración.

Usando los ajustes elegidos, se logró una reducción significativa en las vibraciones horizontales a la frecuencia de operación de la trituradora. En los resultados de las mediciones de vibración con y sin el eje adicional fuera de balance, se confirmó experimentalmente la reducción prevista en las fuerzas de desequilibrio en alrededor del 50 por ciento frente al enfoque convencional.

Nueva trituradora de mandíbulas de baja vibración en la práctica

La nueva trituradora de mandíbulas de baja vibración es muy adecuada para su uso en plantas estacionarias, semi-móviles y, sobre todo, móviles, en las que las vibraciones deben ser particularmente bajas debido a la altura de la estructura. La nueva máquina ha estado funcionando con éxito en tres plantas móviles de trituración en Brasil desde 2016 (Fig. 7). Las plantas procesan mineral de hierro altamente concentrado con una capacidad de alrededor de 2.500 a 3.000 toneladas por hora cada una (tamaño de partícula del producto de 0 a aproximadamente 250 mm).

Las plantas móviles trituran el mineral de hierro a un tamaño transportable directamente en la superficie de la mina en sincronía con el progreso de la explotación. Se instalan en un tren de rodaje con correa que permite una gran flexibilidad y movilidad. Uno de los desafíos clave fue mover las unidades pesadas a medida que continuaba la trituración. Las bajas vibraciones de las trituradoras, el peso y las dimensiones de la planta jugaron un papel esencial en esto.

Perspectivas

Las capacidades especiales de rendimiento de la nueva trituradora de mandíbulas de baja vibración se han demostrado tanto en simulaciones como en el uso práctico. Gracias a la innovadora tecnología de equilibrado patentada basada en el principio maestro/esclavo, las fuerzas de desequilibrio se reducen en un 50 por ciento y las vibraciones de operación se reducen al mínimo. En comparación con los modelos convencionales, la trituradora de mandíbulas de baja vibración ofrece una serie de ventajas importantes: menores tensiones en la estructura circundante, menores requisitos de mantenimiento, mayor rentabilidad y seguridad en el funcionamiento. La trituradora es tan adecuada para plantas estacionarias como para sistemas móviles y semimóviles. Los posibles usos incluyen la reducción primaria de material de mediano a muy duro. La nueva tecnología de equilibrio se ofrece como un extra opcional. Se puede usar tanto en plantas nuevas como como una solución de modernización para plantas existentes.