3.2.3 CABLES DE IZAJE El Cable de Acero es una máquina simple, que está compuesto de un conjunto de elementos que transmiten fuerzas, movimientos y energía entr e dos puntos, de una manera predeterminada para lograr un fin deseado. El conocimiento pleno del inherente potencial y uso de un Cable de Acero, es esencial para elegir el cable más adecuado para una faena o equipo, tomando en cuenta la gran cantidad de tipos de cables disponibles. Cada cable de acero, con sus variables de diámetro, construcción, calidad de alambre, torcido, y su alma; se diseñan y fabrican cumpliendo las Normas Internacionales como:
American Petroleum Institute (A.P.I. Standard 9A)
American Federal Specification (RR-W-410D)
American Society For Testing & Materials (A.S.T.M.)
British Standards Institute (B.S.)
Deutsches Normenausschuss (D.I.N.)
International Organization for Standardization (I.S.O.)
El entendimiento completo de las características de un cable de acero es esencial e involucra un conocimiento profundo de las condiciones de trabajo, factores de carga y resistencias del cable, porque hay que tener presente que: "donde hay un cable de acero trabajando, hay vidas humanas en juego y que frecuentemente es usado como un fusible en los diferentes equipos".
36
Dependiendo del tipo de izaje en los winches; ya sea por fricción o enrollamiento; los cables de izaje pueden ser fabricados de aluminio o de alambre de acero; los mismos que, son colocados ordenadamente para desempeñar el trabajo de izar los skip o las jaulas. Para formar cables, se arrolla un gran numero de hilos de aluminio o acero de alta resistencia (entre 130 y 180 kg/mm2). Estos hilos se disponen en cordones y torones, según sea el caso.
3.2.3.1. CABLES DE ACERO Y SUS ELEMENTOS Los cables se componen de Alambre, Torones y Núcleo o Alma
Fig. Nº 14. Elementos del cable de acero
A. A l a m b r e : Es el componente básico del cable de acero, el cual es fabricado en diversas calidades, según el uso al que se destine el cable final.
37
B. Torón : Está formado por un número de alambres de acuerdo a su construcción, que son enrollados helicoidalmente alrededor de un centro, en una o varias capas. La mayoría de alambres utilizados en la construcción de cables son redondos y de diámetro comprendido corrientemente entre 2 y 3 mm.
C. A l m a : Es el eje central del cable donde se enrollan los torones. Esta alma puede ser de acero, fibras naturales o de polipropileno. El Alma es el eje central o núcleo de un cable, alrededor del cual van colocados los torones. Su función es servir como base del cable, conservando su redondez, soportando la presión de los torones y manteniendo las distancias o espacios correctos entre ellos. Hay dos tipos principales de Almas:
Fibra (Naturales y Sintéticas) Acero (de Torón o lndependiente) lndependiente)
Alma de Fibras Naturales. Estas pueden ser "Sisal" o "Manila", que son fibras largas y duras. Existen también de "Yute", "Cáñamo" o "Algodón", pero no se recomiendan por ser blandas y se descomponen rápidamente, pero sí está permitido usar estas fibras como un relleno en ciertas aplicaciones y construcciones. En general las Almas de Fibras Naturales se usan en cables de ingeniería (Ascensores y cables de izaje de minas), porque amortiguan las cargas y descargas por aceleraciones o frenadas bruscas. br uscas. 38
Se recomienda no usar en ambientes húmedos y/o altas temperaturas (sobre 80ºC).
Alma de Fibras Sintéticas. Se han probado varias fibras sintéticas, pero lo más satisfactorio hasta hoy día es el "Polipropileno". Este material tiene características físicas muy similares a "Manila" o "Sisal", y tiene una resistencia muy superior a la descomposición provocada por la salinidad. Su única desventaja es ser un material muy abrasivo entre sí, por lo tanto, tiende a perder su consistencia si está sujeto a muchos ciclos de operación sobre poleas con mucha tensión. Por esta razón un alma de "Polipropileno" no es recomendable en cables para uso en ascensores o piques de minas. Generalmente se usa en cables galvanizados para pesca y faenas marítimas, dando en estas actividades excelentes resultados. No debe emplearse en ambientes de altas temperaturas.
Alma de Acero de Torón. Un cable con un alma de Torón es un cable donde el alma está formada por un solo Torón, cuya construcción generalmente es la misma que los torones exteriores del cable. Principalmente, esta configuración corresponde a cables cuyo diámetro es inferior a 9.5 mm (3/8").
Alma de Acero Independiente. Esta es en realidad otro cable de acero en el núcleo o centro del cable y generalmente su construcción es de 7 torones con 7 alambres cada uno (7x7). Un cable de acero con un Alma de Acero de Torón o Independiente, tiene una resistencia a la tracción y al aplastamiento superior a un cable con alma de fibra, pero tiene una menor elasticidad.
39
Se recomienda el uso de cables con Alma de Acero, donde hay altas temperaturas (superiores a 80ºC) como en hornos de fundición o donde existan altas presiones sobre el cable, como por ejemplo en los equipos de perforación petrolera, palas o dragas mecánicas.
Alma de Acero Plastificada. Últimamente se ha desarrollado Alma de Acero Plastificada, cuya característica principal radica en eliminar el roce entre los alambres del alma con los alambres del torón del cable (su uso principal está en los cables compactados). El alma de acero se utiliza para zonas donde el cable esta sujeto a severos aplastamientos o cuando el cable trabaja en lugares donde existen temperaturas muy elevadas que ocasionen que el alma de fibra se dañe con el calor. También este tipo de alma proporciona una resistencia adicional a la ruptura, de aproximadamente un 10%, dependiendo de la construcción del cable [4].
3.2.3.2. ALAMBRES PARA CABLES DE ACERO Los alambres para la producción de cables de acero se clasifican en: Tipos, Clases y Grados.
Tipos. Según su recubrimiento y terminación serán de tres tipos:
Tipo NB: Negro brillante.
Tipo GT: Trefilados después de zincados.
Tipo G: Zincados después de trefilados.
40
Clases. Según la cantidad de zinc por unidad de superficie serán de dos clases:
Clase A: Zincado grueso, (pesado).
Clase Z: Zincado liviano.
Grados.
El grado que designa a cada cable, depende de la calidad nominal
del acero de sus alambres, definida por su resistencia nominal a la tracción, número de torsiones, doblados, adherencia del recubrimiento de zinc, uniformidad del recubrimiento de zinc y peso del recubrimiento de zinc. En la Tabla Nº 02 Tenemos los grados y el detalle de ellos Tabla Nº 02. Clasificación de los cables de acero según el grado.
GRADO
NOMBRE COMÚN
Resistencia nominal A la tracción [ Kg / mm2
Grado 1
Acero de tracción
120 - 140
Grado 2
Arado suave
140 - 160
Grado 3
Arado
160 - 180
Grado 4
Arado mejorado
180 - 210
Grado 5
Arado extra mejorado
210 - 245
Grado 6
Siemens – Martin
70 mínimo
Grado 7
Alta resistencia
100 mínimo
Grado 8
Extra alta resistencia
135 mínimo
El grado 1 solo se usará con alambre sin zincar.
Los grados del 2 a 5 se usaran con alambre con o sin zincado.
Los grados del 6 al 8 se usaran solo con alambre zincado.
41
Cuando el alambre sea zincado se agregara una G en la designación.
Los grados 1, 2, 3, 4 se consideraran corrientes.
La calidad de los grados 5, 6, 7, 8 pueden ser establecidas por convenio entre comprador y productor o vendedor, el intervalo de resistencia a la tracción será inferior o igual a 20 Kg/mm 2.
Designación de los alamb res.
Los alambres para cables de acero se
designan por su diámetro nominal, grado del acero, luego entre paréntesis se anota el intervalo de resistencia a la tracción, el tipo y clase de terminación.
Obtención de m ateriales.
Los alambres para cables de acero se pueden
obtener por trefilado en frío de aceros laminados en caliente. El acero utilizado debe cumplir requisitos tales como:
Obtenerse por cualquier proceso básico, excepto el de convertidor Bessemer Thomas (aire o mezcla aire oxigeno).
Tener un contenido de azufre inferior o igual a 0.050% y de fósforo inferior a 0.050%. En el caso que se requiera un alambre zincado, este deberá aplicarse electrolíticamente o por inmersión en caliente, el zinc deberá tener un una pureza igual o superior a 98.5%. Los alambres obtenidos mediante este método son almacenados en: rollos, bobinas o quesos. Los alambres que no han sido galvanizados son bañados en aceite para evitar su oxidación ya que esta influye en la resistencia a la tracción sobre todo en los alambres de menor diámetro. El resto de los alambres son almacenados sin ninguna clase de recubrimiento que los proteja.
42
Formas, dimension es y tolerancias.
Los alambres para cables de acero
son de sección circular, con un diámetro que varia de 0.19 hasta 5 mm (la variación del diámetro depende del fabricante). Se les realiza una comprobación de su diámetro con dos dimensiones, a 90º una de otra, en la misma sección del alambre, las cuales deben quedar dentro de las tolerancias dadas en la tabla referente a los grados.
Selección.
El alambre para cable de acero se selecciona según el tipo de
cable que se quiera fabricar, es así como se utiliza un alambre galvanizado para cables que trabajaran en ambientes húmedos. Depende también de la flexibilidad que se le quiera dar al cable, así como de la cantidad de alambres que llevara y del trato al cual será sometido este.
Ensayos.
Los alambres para cables de acero son sometidos a varios
procesos de ensayo para comprobar su calidad, los ensayos a los que son sometidos son: Ensayo de tracción, Ensayo de torsión, Ensayo de doblado, Determinación de la adherencia del recubrimiento de zinc, Ensayo de uniformidad del recubrimiento de zinc, Determinación del peso del recubrimiento de zinc.
3.2.3.3. TIPOS DE CABLES De acuerdo a su torcido los cables pueden ser Regular o Lang.
a. Regular: Los alambres del torón, están torcidos en dirección opuesta a la dirección de los torones del cable. Los cables con torcido REGULAR son más fáciles de manejar, son menos susceptibles a la formación de "cocas" y son más resistentes al aplastamiento
43
y destorsión. Presentan menos tendencia a destorcerse al aplicarles cargas aunque no tengan fijos ambos extremos.
b. Tipo Lang: Los torones en un cable tipo Lang, están torcidos en la misma dirección (lang derecho o lang izquierdo). Los cables con torcido lang son ligeramente más flexibles y muy resistentes a la abrasión y fatiga, pero tiene el inconveniente de tener tendencia a destorcerse por lo que únicamente deberán utilizarse en aquellas aplicaciones en que ambos extremos del cable están fijos y no le permitan girar sobre sí mismo.
Fig. Nº 15. Tipos de Cables Regular y Lang
Los cables pueden fabricarse en TORCIDO DERECHO o IZQUIERDO, tanto en el torcido REGULAR como en el LANG. En la mayoría de los casos, no afecta el que se use un cable con TORCIDO DERECHO o IZQUIERDO. Los cables con TORCIDO DERECHO se conocen como los de "fabricación normal", por lo tanto, son los que se utilizan en la mayoría de las aplicaciones. 44
Sin embargo, existen aplicaciones en que los cables con TORCIDO IZQUIERDO proporcionan ciertas ventajas, como en el caso de las máquinas perforadoras de percusión, al tender a apretar las roscas de los aparejos. También existen otros tipos de torcidos conocidos como el torcido Alternado o HERRINGBONE que consiste en alternar torones regulares y lang. Estos tipos de cables tienen muy pocas aplicaciones.
Preformado.
El concepto de Preformado significa que tanto los alambres
individuales como los torones tienen la forma helicoidal exacta que llevarán en el cable terminado. Las principales ventajas del Preformado son mayor flexibilidad, facilidad de manejo, superior resistencia a las "cocas" y distribución uniforme de la carga entre todos los alambres y torones. En los cables no Preformados, los torones son mantenidos en su sitio a la fuerza, por lo que están sujetos a grandes tensiones internas. En un cable Preformado los alambres y torones están en reposo, dado que su forma definitiva le fue aplicada durante el proceso de fabricación. La eliminación de esfuerzos internos en el cable preformado garantiza una mayor vida útil. Por las razones mencionadas, se fabrican según las normas de los cables en estado preformado.
C ab l e s C o m p a c t ad o s .
Los cables de Acero con torones Compactados
(Palex, Izaflex, Toroplex, Toropac, Barracuda, etc.), son un nuevo tipo de cable de acero para determinadas aplicaciones y de características diferentes a las tradicionales.
45
Los torones son compactados durante el proceso de torcido, obteniendo con ello una mayor área metálica y por lo tanto una mayor resistencia a la rotura, para un mismo diámetro nominal; una mayor superficie de contacto de los alambres exteriores con las poleas, tambores, etc,. dando una mayor resistencia a la abrasión, por lo tanto, menor desgaste de las poleas, tambores, etc. También ofrece una mayor resistencia al aplastamiento y disminuyendo de vibraciones internas, su alma puede ser de acero, acero plastificado o fibra.
3.2.3.4. GRUPOS DE CABLES. Los principales grupos de cables son:
Grupo 6x7 (con 3 a 14 alambres por torón).
Aunque hay varias
alternativas en esta serie la mas común es donde cada uno de los seis torones que forman el cable, está construido de una sola hilera de alambres colocado alrededor de un alambre central. Debido a que el número de alambres (7) que forman el torón es reducido, nos encontramos con una construcción de cable armado por alambres gruesos que son muy resistentes a la abrasión, pero no recomendable para aplicaciones donde requiere flexibibilidad. Diámetro mínimo de poleas y tambores. 42 veces el diámetro del cable.
Grupo 6X19 (Con 15 a 26 Alambres por Torón).
Existen varias
combinaciones y construcciones de cables en este grupo, los torones se construyen usando de 15 hasta 26 alambres, lo que facilita la selección del cable mas adecuado para un trabajo determinado.
46
Anteriormente, la construcción mas en uso en cables mayores a 8 mm. de diámetro era la construcción 6x19 Filler (12/6F/6/1), conocido también como 6x25 por tener la ventaja de tener un nivel de resistencia a la abrasión y aplastamiento aceptable, pero también suficiente flexibilidad para trabajar en poleas o tambores que no tengan un diámetro muy reducido en relación al diámetro del cable. La construcción 6x19 Filler está formada por seis torones de 25 alambres cada uno que están integrados por dos capas de alambres principales colocados alrededor de un alambre central, con el doble de alambres en la capa exterior (12) a los que tienen la capa interior (6). Entre estas dos capas se colocan 6 alambres más delgados, como relleno (Filler) para darle la posición adecuada a los alambres de la capa exterior. Diámetro mínimo de poleas y tambores: 26 veces el diámetro del cable. Con el pasar del tiempo ha surgido otra construcción que está reemplazando el diseño anterior debido a que se ha demostrado que este nuevo diseño ofrece un mayor rendimiento y utilidad para los usuarios. La construcción 6x26 está formada por seis torones con 26 alambres cada uno, que están integrados por tres capas de alambres colocados alrededor de un alambre central En la capa exterior hay 10 alambres la capa intermedia hay 5 alambres de un diámetro y 5 alambres de un diámetro interior puestos en una manera alternada y la capa interior también tiene 5 alambres puestos sobre un alambre central. Aunque esta construcción tiene una flexibilidad un poco menor que la construcción antigua (6 x 25), la construcción 6 x 26 tiene una sección de
47
acero mas sólida y alambres exteriores mas gruesos, por lo tanto, tiene una mayor resistencia a la compresión y a la abrasión. Diámetro mínimo de poleas y tambores 30 veces el diámetro del cable. En este grupo hay una tercera construcción que tiene un alto volumen de consumo en trabajos bien definidos y ésta se llama 6x19 Seale. Esta construcción está formada por 6 torones de 19 alambres cada uno, que están integrados por dos capas de alambres del mismo número (9), colocados alrededor de un alambre central. En este caso, los alambres de la capa exterior son mas gruesos que los alambres de la hilera interna, con el objeto de darle una mayor resistencia a la abrasión, pero su flexibilidad es menor que el 6x26, aunque no son tan rígidos como la construcción 6x7. Diámetro mínimo de poleas y tambores. 34 veces el diámetro del cable.
Grupo 6 x 37 (Con 27 a 49 Alambres po r Torón). Las
construcciones de
este equipo son más flexibles que las de los grupos 6 x 7 y 6 x 19, debido a que tienen un mayor número de alambres por torón. Este tipo de cables se utiliza cuando se requiere mucha flexibilidad. No se recomiendan cuando son sometidos a una abrasión severa, porque el diámetro de sus alambres externos es pequeño. En este grupo la construcción 6 x 37 es generalmente encontrada en cables con diámetros menores a 9 mm. En diámetros superiores a 8 mm los cables son fabricados con el concepto moderno con todos los alambres torcidos conjuntamente en una forma paralela en cada torón, evitando roce interno y logrando una mayor útil.
48
Como existen varias construcciones en este grupo, se presentan las de mayor uso y sus rangos de diámetros para obtener el óptimo rendimiento. Diámetro mínimo de poleas y tambores. 23 veces el diámetro del cable.
Grupo 8 x 19. Además
de los grupos antes señalados, es conveniente
mencionar las series 8x19 que están fabricados con 8 torones alrededor de un alma (generalmente de fibra). Al utilizar 8 torones en vez de 6, hace que el cable sea más flexible, pero debido a que este tipo de cable tiene un alma más grande que los cables de 6 torones, lo hace menos resistente al aplastamiento. Existen construcciones en esta serie tanto con almas de fibra, almas de acero y almas de acero plastificadas para usos bien especificados sobre los cuales hay antecedentes mas adelante. Tabla Nº 03. Datos importantes del cable 6x19 NEGRO FC Diámetro
G – 190º
NEGRO IWRC G – 190º
Peso
Resistencia a la ruptura
Peso
Resistencia a la ruptura
mm
in
Kg/m
Metric Tons
Kg/m
Metric Tons
6,3
1/4
0,15
2,53
0,17
2,73
13
1/2
0,59
10,12
0,65
10,92
16
5/8
0,91
15,8
1,01
17,05
19
3/4
1,31
22,7
1,45
24,56
22
7/8
1,79
31
1,97
33,43
26
1
2,33
40,5
2,57
43,67
32
1 1/4
3,64
63,2
4,02
68,3
38
1 1/2
5,25
91
5,78
98,3
45
1 3/4
7,14
123,9
7,87
133,7
52
2
9,32
161,9
10,28
174,7
49
Fig. Nº 16. Estructura interna de un cable 6x19 S (Izq.) y 6x19 S – IWRC (Der.)
3.2.3.5. ESFUERZOS QUE SE PRODUCEN EN LOS CABLES Los siguientes factores condicionan las tensiones en los cables: 1. Carga estática. La tensión en este caso será: ζ t ζ/m ; Kg/cm2
(2)
Donde ζ: Resistencia a la ruptura del cable (13 000 a 21 000 Kg/cm2)
m: Coeficiente de seguridad 2. Resistencia del pozo. Durante el movimiento de la jaula en el pozo, se producen resistencias a consecuencia del frotamiento de las zapatas sobre las guiaderas y a consecuencia de la resistencia del aire. Estas resistencias se expresan en partes del valor de la carga útil Q u. r .Qu Donde φ = 0.1; entonces la tensión debido a la resistencia será: ζ 2 .Qu /S , Kg/cm2
(3)
3. Flexiones sobre los órganos de arrollamiento.
50
Tengamos un hilo cilíndrico arrollado sobre la polea. Para un ángulo al centro a, la generatriz exterior de la fibra se alarga:
a
(D δ) 2
aD 2
a
δ 2
Donde D: diámetro de arrollamiento de la fibra media del hilo, mm; δ: diámetro del hilo, mm. aδ
El alargamiento relativo será:
aD
δ D
Eaδ
Y el esfuerzo correspondiente:
D
Aquí Ea es el módulo de elasticidad del acero.
Fig. Nº 17. Arrollamiento de un hilo cilíndrico sobre una polea. Como en el cable, los alambres están enrollados en cierto ángulo γ (ángulo de corchado), la ecuación anterior se transforma en:
ζ3
10 2 δ.Ecosγ D
; Kg/cm2
(4)
Donde E es el módulo de elasticidad del cable, Kg/mm 2 definido como:
51
E
T/S
(5)
Δl/l
Aquí, T: esfuerzo de tracción axial, Kg. S: suma de secciones de los alambres constituyentes del cable, mm 2 l: largo del cable, m Δl: Alargamiento del cable de largo l, bajo la carga T, m
Cabe señalar que además de la flexión en el plano perpendicular al eje de rotación, el cable soporta también deflexiones ligeramente oblicuas a este plano. 4. Presiones sobre los órganos de arrollamiento. La presión ζ4 por unidad de superficie sobre os alambres es: ζ4
T Rλ
; Kg/cm2
(6)
Donde T: Esfuerzo de tracción, kg; R: Radio de arrollamiento, cm; λ: Largo de la superficie de apoyo de los alambres externos medido en un plano perpendicular a la espira, definido por: λ = k.k’d
Aquí k y k’ son los coeficientes dependientes de la forma de superficie de
apoyo y de la naturaleza del cable. Sus valores según Pichot: Poleas con garganta sin oblicuidad del cable… k = 0.95 Poleas con garganta sin oblicuidad del cable….…..0.50 Tambor ranurado………………………………………0.40
52
Tambor liso……………………………………………..0.25 Cables cerrados…………………………………..k’ = 1 Cables de cordones planos o triangulares………….0.75 Cables comunes……………………………………….0.30
Generalmente se busca que las presiones calculadas con estos valores de los coeficientes no sobrepasen de 16 a 20 Kg/cm 2. 5. Torsión. El esfuerzo de torsión en un punto de la superficie del hilo se da por la fórmula: ζ 5 10 2 Gη
δ 2
; Kg/cm2
(7)
Fig. Nº 18. a) Largo de apoyo de un alambre; b) Torsiones Donde:
G: Módulo de elasticidad transversal del acero = 7500 a 9000 kg/mm2 δ: Diámetro del hilo, mm
53
η:
Torsión por unidad de largo, radianes/mm
η
Angulo BOA' AB
Estos esfuerzos pueden provenir de las torsiones de fabricación o de torsiones provenientes de la rotación del cable en el servicio. La torsión de fabricación en los alambres pretorcidos de los cables de extracción alcanza valores elevados, hasta 120 Kg/cm 2 para los cables de corchado doble y 200 Kg/mm2 para los cables cerrados. Pero después de la predeformación, las tensiones de torsión en los alambres disminuyen casi a cero. 6. Tensiones Dinámicas. Se producen tanto en la extracción normal, como también en los casos extraordinarios. El esfuerzo dinámico sobre el cable se expresa: Pd
De donde
(Qu px M)a g
ζ 6 Pd S ; Kg/cm2
(8) (9)
En estas fórmulas: x – Largo del cable, m; M – Peso reducido de la polea, referido a la llanta, Kg. a – Aceleración (comúnmente a < 1.2 m/s 2) S – Suma de las secciones transversales de todos los alambres del cable, cm2 Con un valor de a ≤ 1.2 m/s2, ζ6 constituye un 12% de ζ, o sea ζ6 = 0.12 ζ
54
Pero en la práctica la elasticidad del cable provoca oscilaciones longitudinales. Al coincidir las aceleraciones de las oscilaciones propias con las aceleraciones comunicadas por la máquina de extracción, se obtienen oscilaciones totales importantes, las que alcanzan 3 m/s 2 y más. Además de las tensiones arriba indicadas se producen tensiones dinámicas suplementarias en los casos siguientes: 1. Conexión del freno de seguridad (con retardación no menor de 2 m/s2); 2. Comienzo del ascenso de la jaula con el cable aflojado con el comienzo de la cordada (por estar la jaula sobre los taquetes); 3. Acuñamiento de la jaula entre guiaderas. El primero de estos casos es similar al examinado más arriba. En el segundo caso la tensión aumenta bastante cuando el cable adquiere cierta velocidad v’ y la tensión complementaria: ζ7
ζ t v'
(10)
ζ.x.g / E
Donde ζt = Qt/S
En el tercer caso, o sea durante el acuñamiento se produce un frenado brusco del que pueden resultar averías. La tensión suplementaria en este caso será: ζ 8 v max
E.ζ t g.x
; Kg/cm2
(11)
La tensión será tanto mayor cuanto menor sea el largo del cable y cuanto mayor la velocidad de cordada.
55
3.2.3.6. CÁLCULO DE LOS CABLES DE EXTRACCIÓN. El cable de extracción está sometido a varios reiterados esfuerzos: 1. La tensión estática por carga suspendida 2. Los esfuerzos dinámicos – arranque, frenado, oscilaciones; 3. La resistencia del pozo; 4. La flexión del cable sobre la polea y el tambor; 5. Las presiones sobre estos órganos que originan compresiones internas y flexiones secundarias. Según los reglamentos de seguridad, los cables deben ser calculados por la carga estática máxima, sin tomar en cuenta las tensiones de flexión y de contacto.
Cables de sección constante para pozos verticales. Cuando falta el cable inferior o es del mismo peso que el cable de extracción, evidentemente la carga es máxima en el momento en que la jaula de extracción está en su posición inferior. Y en las instalaciones con cable inferior pesado, la carga es máxima cuando la jaula está en su posición superior (en el enganche superior). En consecuencia, la carga estática máxima en el punto de suspensión P se determina por las ecuaciones siguientes: Para las instalaciones verticales sin cable inferior o con cable inferior del mismo peso que el cable de extracción: Q st Q t p1H0 ; Kg.
Donde
(12)
Qt: Carga máxima suspendida en el extremo del cable, Kg.
56
H0: Largo máximo del cable desde la polea hasta el recipiente de extracción, m. p1: peso unitario del cable de extracción, Kg/m.
Fig. Nº 19. Esquema de instalaciones de extracción sin cable inferior y con cable inferior pesado. Para las instalaciones verticales de extracción con el cable inferior más pesado que el cable de extracción: Qst Q t λp 1H0 ; Kg.
Donde
(13)
λ: relación entre el peso lineal de los cables inferior y de extracción
que se fija de antemano al preparar los proyectos.
57
La carga máxima suspendida en el extremo del cable se calcula para la extracción con skips sin cable inferior por la ecuación 14 y para extracción con skips con cable inferior por la ecuación 15:
Donde
Q t Qu Qm ; Kg.
(14)
Q t n(qn qm ) Qm ; Kg.
(15)
Qn: Carga útil del skip, Kg. Qm: Peso del skip o de la jaula, Kg. qn: carga útil de una vagoneta, Kg. qm: Peso de la vagoneta vacía, Kg. n: Número de vagonetas en jaula.
Para que el cable no se rompa, es necesario que: Q t p1H0 Sζ
Donde
m
(16)
ζ: Resistencia a la ruptura del cable, 13000 a 22000 kg/cm 2;
S: Sección de la parte metálica del cable, cm 2; m: coeficiente de seguridad: mR
Aquí
Q st
(17)
R: Esfuerzo de ruptura de todos los alambres del cable, ensayados por separado.
Tabla Nº 04. Coeficiente de seguridad “m” para las instalaciones de extracción, verticales e inclinadas.
58
Coeficiente de seguridad m Tipo de Instalación de Extracción
Cuando se coloca
Cuando se hacen
el cable
ensayos repetidos
Exclusivamente para circulación del personal…….
9.0
7
Para carga y circulación……………………………..
7.5
6
Exclusivamente para extracción de cargas……….
6.5
5
8.0
No se hace
8.0
“
7.0
“
Sistema
Koepe
para
circulación,
carga
y
circulación y carga (cable único…………………….
Sistema Koepe multicaule para circulación y carga Sistema Koepe multicable para carga……………...
Los valores normales del coeficiente de seguridad prescritos por el reglamento francés son los que están indicados para las profundidades de 0 a 500 m (7.6 y 8). Los valores reducidos, para profundidades mayores a 500 m, necesitan autorización del Ingeniero Jefe del Servicio de Mina. En el cálculo del esfuerzo total de ruptura del cable R, no se toma en cuenta los alambres que no soportan el ensayo a la tracción y a la flexión. El esfuerzo real de ruptura del cable, determinado sobre un trozo de cable entero R0, es siempre menor que el esfuerzo total de ruptura, obtenido por ensayos sobre sus alambres, debido al corchado de los mismos. R0 = k.R… Donde
(18)
k: coeficiente de corchado cuyos valores son: Para cables de corchado simple (espirales) y para cables de corchado doble, con una capa de alambres por cordón k ≥ 0.90;
59
Para cables de corchado doble, con dos capas de alambre por cordón, k ≥ 0.85;
Para cables de corchado doble con tres capas de alambre por cordón k ≥ 0.82.
No obstante la relación 18, en el sentido del reglamento francés, el valor de resistencia a la ruptura del cable, utilizado para el cálculo del coeficiente de seguridad, puede ser determinado por ensayos sobre un trozo entero o por ensayo sobre sus alambres. Volviendo a la ecuación (16). Esta ecuación contiene dos incógnitas p 1 y S. Para su resolución expresamos S en base a p 1. El peso de 1 m (100 cm) del cable es: p1 = 100S.γ.β; Kg/m. Donde
(19)
γ = 0.0078 Kg/cm3, es el peso específico del acero; β > 1. Coeficiente que toma en cuenta el corchado del cable y la
existencia del alma Para los cables estandarizados en Rusia, el valor de γ.β = γ 0, denominado
peso específico condicional es 0.009. Entonces S ≈ 1.1 p1, lo que permite calcular p1: Para las instalaciones sin cable inferior, o con cable inferior de igual peso que el cable de extracción:
60
p1
Qt ζ 100γ 0m
H0
Qt ζ 0.9m
; Kg/m. (20)
H0
Para las instalaciones con cable inferior pesado:
p1
Qt ζ 0.9m
; Kg/m
(21)
λH 0
Después de determinar p 1, se elige el cable en los catálogos. Finalmente se calcula el peso del cable inferior pesado que también se elige en los catálogos: p 2 λp 1 ; kg/m
(22)
3.2.3.7. UNION ENTRE EL CABLE Y LA JAULA O SKIP Amarre con guardacabos. En este tipo de amarre (Fig. 20) el recipiente de extracción es suspendido a una pieza triangular con base circular, alrededor de la cual se arrolla el cable. El ángulo en la punta α es del orden de los 30º y el radio de la parte circular R no debe ser inferior a 4 diámetros del cable El extremo replegado del cable se fija con grapas (Fig. 21) encima del bucle al ramal principal. El número “n” de grapas debe estar:
n
Donde:
T
2.f.F. 1 e f.(π - α)
(23)
T = T1 + T2 – Esfuerzo soportado por el cable en la sección S, Kg. T1 – Esfuerzo correspondiente a la sección S 1 del tramo portador. Kg.
61
T2 – Esfuerzo correspondiente a la sección S 2 del tramo replegado, Kg. f – Coeficiente de rozamiento del cable sobre el acero
Fig. Nº 20. Amarre con guardacabos
α - π – Incurvación del cable sobre la pieza triangular, grados
F – Sección total neta de bulones del anillo de cierre multiplicada por el coeficiente de seguridad para estos, Kg.
Fig. Nº 21. Grapa de sujeción para cables redondos.
62
Anillo de amarre. (Fig. 22). El extremo del cable se destrenza y sus alambres se doblan. La parte así ensanchada del cable se introduce en el anillo cónico de amarre y todo se sujeta con una aleación de bajo punto de fusión (Sb = 85%, Pb = 15%)
Fig. Nº 22. Anillo de amarre
Las dimensiones fundamentales del anillo de amarre son: D1 = d + 4mm – abertura mínima en la cabeza del cono; D2 = (1.7 – 2.3).d – diámetro de la base del cono, mm; H = (5 – 8).d – altura del cono, mm; e
Aquí:
D 2 k p
1 2 k p
(24)
d – diámetro del cable, mm:
k – coeficiente de trabajo admisible para el metal del anillo, kg/cm 2; p – presión media ejercida por el cono sobre la pared interna del anillo, determinada como se indica a continuación.
63
Si T es la carga de rotura del cable, 2α la abertu ra del cono, S la superficie
lateral del cono, entonces:
S
Tenemos:
p
H(D1 D 2 ) 2cosα T S.sinα
2T H(D2 D1 ). .tan
(25)
Aparato de amarre (Fig. 23). Consta esencialmente de una caja y de cuña en forma de corazón. Por su tensión el cable de extracción empuja la cuña contra la caja y se sujeta automáticamente.
Fig. Nº 23. Aparato de amarre y principio de trabajo Examinemos la repartición de los esfuerzos de tracción en el cable, según su eje, para un caso sencillo cuando el ramal derecho es vertical (Fig. 23).
64
La tensión en los puntos A y B queda invariable, igual a la carga del cable T. En el punto C ésta es T 1. T T1eμβ
Donde
(26)
μ – coeficiente de rozamiento (μ = 0.2 – 0.3)
De B a C sobre el cable se ejercen las fuerzas de rozamiento que se oponen a T y cuyo valor es: T - T1 T1- e -μ β
(27)
De C a D se ejercen sobre el cable las fuerzas de rozamiento, cuya resultante según el eje del cable es igual a 2μN, donde N es la componente normal al cable de la resultante de las fuerzas ejercidas sobre éste por la cuña. En consecuencia la fuerza total de sujeción del aparato de amarre es: T1 - e -μ β 2 μN
(28)
La determinación del valor de N se hace utilizando estática gráfica, examinando por separado el recorrido de fuerzas en la caja, cable y cuña. P, K1 y K2 están en equilibrio. P se conoce según su valor y dirección. De K 1 se tiene la dirección. K2 se desconoce según valor y dirección. P, A, K2 y K3 están en equilibrio. P se conoce en valor y dirección. De K 3 se tiene la dirección. A y K 2 todavía se desconocen según valor y dirección.
65
A, K1 y K3 están en equilibrio. Se conocen las direcciones de K 3 y K1. Se desconocen el valor y la dirección de A. Camino de la resolución. Determinación de la fuerza A por cálculo. Trazado de los planos de fuerzas 3, 2, 1. A se calcula inmediatamente desde la relación de senos (Fig. 24) plano 4 de fuerzas.
A
Tsenα sen(α γ)
Tsenα e -μ senα tgγ T T1cosα 1 e -μ cosα
(29)
(30)
Ahora se puede trazar el plano de fuerzas 3, de donde, por cálculo:
K3
Acos γ ς senα 2ς
(31)
Predominante para el rozamiento en el camino de amarre es la presión normal N3 = K3cosς, la que debe ser igual a la presión normal N2, sino el extremo cerrado se desplazará lateralmente. El rozamiento entre el cable y la cuña:
R 3 μN3 K 3 cosς senς
cosγ ς Tsenα . senα 2ς sen(α γ)
La fuerza restante en el extremo del codo de aparato de amarre T 1 será equilibrada por las fuerzas de rozamiento R 2 y R3, además vale R 2 ≤ μN2, ya que únicamente en este caso el cable se retendrá en la caja por rozamiento.
66
Fig. Nº 24. Determinación gráfica de las fuerzas en el aparato de amarre El coeficiente de seguridad al deslizamiento es la relación entre la mayor fuerza posible de rozamiento R máx y la tensión del cable
67
k Rmax T
Para este caso límite R máx = T – T1 + 2R3 Finalmente: T1- e -μ β 2μ N k T k 1- e -μ β 2senς
cosγ ς senα . senα 2ς sen(α γ)
Según el sistema adoptado, el valor de k varía entre 1.35 y 1.6 En la figura 25.a está trazado el diagrama del estado de tensión del cable, llevando el valor de los esfuerzos perpendicularmente a su eje.
Sujeción del cable portador plano. Se hace por amarre corriente con anillo, pero los anillos para cables planos se necesitan más anchos. En lugar de grapas se utilizan pletinas de sujeción (Fig. 25.b). Del mismo modo se fija también el cable plano inferior a la jaula.
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Fig. Nº 25. a) Diagrama de las fuerzas de rozamiento y tensión del cable en el interior del guardacables, b) Sujeción del cable portador plano, y c) Mecanismo intermedio de ajuste
Mecanismo intermedio de ajuste. Actualmente la jaula se suspende al cable por una fuerte barra, guiada en la estructura del techo, susceptible de mandar un paracaídas, y eventualmente por cuatro cadenas de seguridad fijadas en las esquinas del techo de la jaula. Para la regulación del largo de cable se utiliza el dispositivo indicado en la figura 25.c que tiene dos llantas exteriores 1 con orificios a distancias iguales a dos diámetros de la perforación y una llanta central 2 con una ranura longitudinal, y debajo de ella, una perforación. Las llantas se unen por bulones de soporte que se introducen en dos orificios de las llantas exteriores y por la
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parte inferior de la ranura o por la perforación inferior de la llanta central. El dispositivo permite compensar modificaciones de longitud de la magnitud del diámetro de un bulón.
Sujeciones en instalaciones multicables. Las instalaciones con cable múltiple exigen una exacta repartición de cargas entre los cables. Seis soluciones básicas de suspensión por cable múltiple (Fig. 26.a) cubren el campo desde el equilibrio perfecto de las cargas en el esquema 1, hasta el ejemplo 6, en el cual se renuncia a toda compensación Examinemos la palanca angular bicable (Fig. 26.b). Hay equilibrio de momentos en la palanca cuando: S1b = S2c S1 es igual a S2 unicamente si b = c = a. Si la palanca gira sobre un ángulo “α”; tenemos: b acosα bsenα
c acosα bsenα
Con estos valores se obtiene: S1 S2 S1 Sm
S máx
S máx
S min Sm
Sm
a b.tgα a b.tgα a b.tgα a
S1 S 2 2
El tipo 5 de la figura 26.b representa un medio justo entre los gastos de construcción y el equilibrio de las cargas de cables. Los aparatos de amarre multicable se componen de los aparatos de amarre con cuña oblicua, de
70
dispositivos de regulación rápida mediante piezas intercambiables, de dinamómetros de anillo ranurado y de una placa angular para la compensación de cargas. Esta palanca angular se fija en el centro por un eje a la jaula o al skip.
Fig. Nº 26. a) Esquemas de sujeción de 4 cables para jaula y skip, b) Esquema de suspensión para bicable
3.2.3.8. PARACAIDAS Sirven para la retención de las jaulas en caso de ruptura del cable de extracción. Pero la eficacia de los paracaídas es muy discutida, y su utilización en un número de países, tales como Inglaterra, estados Unidos, Bélgica, no es obligatoria. Además los paracaídas aumentan bastante el peso de las jaulas. El dispositivo de los paracaídas actúa como un freno, que empieza a ejercer su acción un tiempo “τ” después de la ruptura; el peso de las masas en movimiento (jaula cargada o vacía, cable por debajo del punto de ruptura), su 71
fuerza viva y la fuerza de cierre determinan el valor de retardación y la duración del frenado. La velocidad “v” depende de la velocidad inicial “v0” al
momento de ruptura y del tiempo “τ” necesario para el funcionamiento del paracaídas: v v 0 g
(32)
Cuanto menor es la velocidad de la jaula, tanto mas segura es la acción del paracaídas; por esto la condición más difícil del trabajo de los paracaídas será la retención de la jaula descendente con la velocidad máxima. Investiguemos el funcionamiento del paracaídas. La energía cinética al comienzo del frenado
mv 2 2
Qv 2 2g
(33)
Es igual al trabajo de las fuerzas exteriores (F – Q)l: Qv 2 2g
Aquí
F Ql
(34)
Q: peso de la jaula con pedazo de cable debajo de la ruptura, Kg. F: esfuerzo de frenado, Kg. l: distancia recorrida por la jaula después de su retención por el paracaídas, m.
Resolviendo la ecuación (34) con respecto a l, tenemos: l
v2 2gC - 1
v2 2b p
72
Donde
C = F/Q bp :
Retardación de la jaula durante su retención por el paracaídas,
m/s2
Fig. Nº 27. Paracaídas estándar para guiaderas de madera. Para que la retardación del frenado por el paracaídas no sea peligrosa para la salud humana, su valor no debe ser mayor de 3g ≈ 30 m/s 2 (según normas alemanas de cálculo de paracaídas); de aquí según fórmula (66), el esfuerzo de frenado no debe sobrepasar el valor de F ≤ 4Q (6Q según normas rusas).
El peso del cable inferior disminuye la retardación durante el funcionamiento del paracaídas. Por otra parte F no puede ser demasiado elevado para no romper las guiaderas y hasta el pozo mismo; su acción debe ser progresiva. Las fábricas
73
constructoras generalmente adoptan para el valor de la retardación de la jaula 10 m/s2. La mayoría de los paracaídas (Fig. 27) constan de: un resorte 1 comprimido por el cable de extracción por intermedio de una palanca, la barra maestra vertical 2, la palanca 3 y el sistema de palancas 4. El órgano de aprisionamiento consta de garras 5 normalmente abiertas. Al producirse la ruptura del cable el resorte se suelta, desplazando abajo la palanca 3 y girando el sistema de palancas 4 alrededor de los ejes 6, lo que produce el giro de las garras que se introducen en las guiaderas. Si se omiten las resistencias por rozamiento en las partes móviles del paracaídas y el roce del cable sobre las guiaderas y las paredes del pozo, las condiciones de equilibrio de dos sistemas unidos por el resorte pueden escribirse: b1
Q g
QT
(35)
Para el trozo del cable por debajo del punto de ruptura y el amarre del paracaídas b2
Donde
C g
CT
(36)
T: tensión del resorte, Kg. C: Peso del aparato de amarre con el trozo del cable, Kg. b1: aceleración descendente de la jaula, m/s 2 b2: aceleración descendente del aparato de amarre, m/s 2
74
Al romperse el cable, el resorte pone el tiempo “τ“, para tomar una flecha “x”
necesaria para provocar el funcionamiento del paracaídas. d2 x dt 2
b 2 b1 b
(37)
De aquí:
x 1 b 2 2
(38)
El tiempo:
2x b
(39)
Es tanto mayor que b es más pequeño b gT
C
T
Q
(40)
O sea para reducir “τ“, se necesita aumentar la tensión del resorte T.
Por ejemplo, sea: C = 10 TN, Q = 20 TN, x = 0.05 m. Para
T = 1 TN, b = 0.15g y τ = 0.26 s T = 4 TN, b = 0.60g y τ = 0.13 s
Para el aumento de T debe ser estrictamente limitado, para prevenir un indebido funcionamiento del paracaídas con fuerte frenado de la jaula. El esfuerzo producido por el resorte debe ser inferior a las fuerzas que actúan en este caso sobre el cable. El más desfavorable será un fuerte frenado de la jaula vacía ascendente: T Qm
Donde
Qmb f g
b Q1 f g
(41)
bf ≤ 5 m/s2: retardación admisible con frenado de seguridad. De
modo que el esfuerzo de compresión del resorte del paracaídas según fórmula (41) no debe ser mayor de T max = 0.5Qm o sea de 0.5 del peso de la jaula vacía. 75
Pero se puede presentar otra dificultad, el cable cortado lejos de la jaula, enganchándose a las guiaderas, retardará el momento de agarre. Así, en una instalación Koepe, el funcionamiento del paracaídas resultaría casi seguramente ineficaz para la jaula, cuyo cable pasa sobre la polea. El peligro de agarre indebido es particularmente grande para las cordadas de extracción, donde la velocidad es mayor. Este accidente se acompaña siempre con importantes daños. Por esta razón los paracaídas se desconectan mediante un dispositivo denominado paralizador durante la extracción de las cargas.
Fig. Nº 28. Paracaídas PTK.
Paracaídas PTK, ampliamente utilizado en Rusia, en combinación con especiales cables de frenado fijos en los amortiguadores del castillete y que recorren todo el largo del pozo, dos por cada jaula. 76
El paracaídas PTK (Fig. 28) descansa sobre el techo de la jaula. Las garras normalmente no tocan los cables de frenado. Al producirse la ruptura del cable de extracción, el resorte vertical 2 se abre y tira la barra 3 dentro de la jaula, a consecuencia de lo cual las palancas 4 giran y las cuñas aprietan los cables de frenado en uniones en cuña 6. La jaula continúa moviéndose hacia abajo, comprime nuevamente el resorte, y toda la carga de la jaula se transmite por las palancas a las cuñas del paracaídas: reproduce un acuñamiento completo sobre los cables de frenado. La suavidad de frenado de la jaula se garantiza por el paso de los cables a través de los amortiguadores [2].
3.2.4. POLEAS EN SISTEMAS DE EXTRACCIÓN MEDIANTE TAMBORAS Es una rueda acanalada que gira alrededor de un eje central por el que pasa el cable en cuyos extremos se encuentra la jaula o skip (resistencia) y en la otra el winche o tambora (potencia).
Figura Nº 29. Polea de Tracción de Winche de Izaje. [3]
77
Las poleas se pueden construir de 3 formas: 1. Por fundición; 2. Por acero moldeado; 3. Por construcción soldada. Las poleas soldadas son menos pesadas y las más resistentes y son las más empleadas en la construcción de piques. La polea de izaje debe ser hecha y mantenida para acomodar adecuadamente el cable. El diámetro de la polea está establecido por reglas de seguridad para piques.
Fig. Nº 30. Medición del Fleet Angle
78
En la ubicación de la polea del winche se debe tomar en cuenta el ángulo que forma el cable con una vertical imaginaria, al enrollarse o desenrollarse en la tambora, conocido como “fleet angle”. Este ángulo no debe ser mayor a 1.5º, de ser mayor induce esfuerzos laterales que perjudican tanto el eje de la polea, como el eje de la tambora. [3]
Diámetro de las poleas respecto a los cables El diámetro así determinado puede resultar demasiado grande. Por consideraciones de esfuerzos de fatiga de la encurvadura podemos decir que: mientras el cable no se encurve sobre la polea un arco superior a 2º, el diámetro de ésta puede ser aproximadamente igual a 9 veces el del cable.
79
Formas de las gargantas de las poleas y ranuras de los tambores La forma de la garganta de la polea tiene gran importancia en la vida del cable. -
Muy cerrado: demasiado prieto → problema de acuñamiento.
-
Muy abierta: holgado → problema de aplastamiento.
Normalmente se da a las gargantas el perfil formado por un arco de circunferencia de 135º y diámetro ligeramente superior al del cable. Dos rectas convergentes a 45º, hasta una altura total de 1,5 a 2 veces el diámetro del cable.
80
Encurvación < 2º → D
= 9d
Esfuerzo de Encurvación: Es generado al pasar el cable por una polea o tambor. Al curvar el cable se deforma. Las fibras interiores se comprimen y las exteriores se alargan.
Fotografía Nº 02 Polea de W inche de Izaje María.
81
3.2.5. ORGANOS
DE
ARROLLAMIENTO
DE
MAQUINAS
DE
EXTRACCION: TAMBORAS Los órganos de arrollamiento de las máquinas de extracción se dividen en dos grupos: con radio de arrollamiento constante y con radio de arrollamiento variable.
Fig. Nº 31. Tipos de los órganos de arrollamiento de las máquinas de extracción. A. Tambor cilíndrico simple. A’. Tambor cilíndrico doble. B. Tambor cónico doble. C y C’. Tambor cilindrocónico. D. Canales de arrollamiento. [25]
A los órganos de arrollamiento con radio constante pertenecen los tambores cilíndricos (de tambor único y de dos tambores) y las poleas de fricción (monocable y multicable)
82
El tambor único puede ser entero o en dos partes. Las poleas de fricción monocables se construyen anchas y estrechas. Los órganos de arrollamiento con radio variable, se dividen en tambores cónicos, cilindrocónicos, bicilindrocónicos, y bobinas. Los tambores cónicos y bobinas se construyen siempre dobles, mientras que los tambores cilindrocónicos, bicilindrocónicos pueden ser simples y dobles. Mayor aceptación en la práctica minera tienen los tambores cilíndricos, con una y varias capas de arrollamiento del cable. Los tambores cilíndricos con una capa de arrollamiento del cable se utilizan en las minas poco profundas y de profundidad media (hasta 650 m), y con varias capas de arrollamiento, en las minas profundas (Unión Sudafricana, Estados Unidos, Canadá) En Europa Occidental y en Rusia para la extracción desde grandes profundidades, hasta época reciente, se utilizaban máquinas con tambores bicilindrocónicos. En Alemania predomina el sistema con polea de fricción (Koepe). En la práctica mundial, para extracción de gran profundidad, tiene amplia aceptación Koepe multicable. Las bobinas se encuentran en algunas minas antiguas de Francia y de Bélgica. Sobre todo se utilizan para profundización de los pozos. En la figura 32 se ven los dominios de las máquinas Koepe y con tambor en la minería metalífera, en función de la profundidad y de la carga útil, según concepto de los alemanes. Las líneas de trazo lleno limitan las zonas en las cuales no convienen por una parte la máquina de tambo, a causa de sus 83
dimensiones demasiado grandes, y, por otra, la máquina con polea Koepe, a causa del riesgo de resbalamiento del cable.
Fig. Nº 32. Campos de aplicación de la extracción con tambor y con polea Koepe Los reglamentos de seguridad en Rusia 1 fijan las siguientes exigencias para los órganos de arrollamiento: La relación del diámetro de arrollamiento mínimo al diámetro del cable debe ser: 1) para las máquinas de extracción del sistema Koepe monocable 120:1 2) para las poleas y máquinas de extracción de tambor, instaladas en la superficie 80:1 1
En el Capítulo 3.3 aparecen los artículos correspondientes al Reglamento de Seguridad Minera en el Perú, DS – 055 – 2010 EM, que aborda los temas de seguridad en máquinas de extracción.
84
3) Para las poleas, máquinas de extracción de tambor y cabrestantes instalados en el interior de la mina y también las máquinas de profundización 60:1 La relación entre el diámetro de arrollamiento mínimo y el diámetro máximo de los alambres del cable debe ser mayor de 1200 para las instalaciones de extracción construidas en la superficie, y mayor de 900 para las instalaciones de extracción subterránea.
3.2.5.1. MAQUINAS DE EXTRACCIÓN CON TAMBORES CILINDRICOS 3.2.5.1.1. Máquinas de extracción con dos tambores cilíndricos. Ambos tambores se fijan sobre un mismo árbol (Fig. 33.a), y los cables se fijan a éstos de tal modo, que durante el giro de los tambores en el mismo sentido, un cable se arrolla y el otro se desenrolla. Después de cada cordada, el sentido de rotación de la máquina se invierte. Uno de los tambores se hace fijo sobre el árbol y el otro loco, lo que permite las operaciones de cambio del enganche y de la regulación de los cables. La instalación puede poseer un cable de equilibrio, suspendido por debajo de los recipientes de extracción, que imposibilita el trabajo desde varios niveles. El arrollamiento de cada cable se hace en capa única, mas raramente en pozos profundos, en varias capas superpuestas. La superficie del tambor puede ser lisa o acanalada.
85
Fig. Nº 33. Máquinas de extracción con tambor cilíndrico a) tambor doble, b) tambor simple (único)
El diámetro del tambor cilíndrico se determina: D = 1200.δ
mm.
(42)
D = 80.d
mm.
(43)
Donde, d es el diámetro del cable y δ el diámetro del alambre del cable (mm)
Sobre el tambor deben arrollarse: H: altura de extracción, m; h = 30 m, que es el largo total del trozo que se corta durante los ensayos de resistencia del cable. De acuerdo con los reglamentos de seguridad, el
86
ensayo debe efectuarse dos veces al año y cada vez se cortan 6 m. Por esto, admitiendo que el tiempo de servicio de un cable sea de 3 años, obtenemos h = 30 m. n’: 4 vueltas de rozamiento, para reducir la tensión del cable en el lugar de su fijación. De modo que el número total de vueltas “n” es:
n
Hh π.D
n'
(44)
Y el ancho total de un tambor cilíndrico B de una máquina de extracción de dos cilindros, con arrollamiento del cable en una capa es: H h n' .d ε ; mm π.D
B
(45)
Donde ε = 2 – 3 mm es el intervalo entre dos vueltas seguidas del cable. En el caso de arrollamiento del cable en varias capas, el largo del tambor es: H h
d ε n' . ; mm π.D m m
B
(46)
Donde m: número de capas de arrollamiento; Dm: diámetro medio del tambor con arrollamiento en varias capas, m. La reserva del cable bien puede ser colocada en el tambor, o en las bobinas de reserva internas, disposición que permite reducir el largo de los tambores.
87
Durante la elección de la máquina de extracción, el diámetro del tambor, obtenido por las fórmulas (42) y (43), se redondea hasta el estándar más cercano y se introduce en la fórmula (45).
3.2.5.1.2. Máquinas de extracción con cilindro único para dos cables . En este tipo de máquinas un solo tambor sirve para el arrollamiento de ambos cables que se fijan en los dos extremos opuestos del tambor. Al desenrollarse un cable, en la superficie que queda libre se arrolla al otro cable (Fig. 33.b). Al invertir la máquina, se produce la operación inversa. Entre ambos cables se deja el intervalo correspondiente a una vuelta, en consecuencia: H 2h 2n'1.d ε , mm π.D
B
(47)
Con la existencia de bobinas especiales en el tambor cilíndrico para el cable de reserva, este largo se omite en la fórmula (47), o sea 2h = 0. El ancho del tambor, en extracción por un solo cable con varias capas de arrollamiento H h
n' .d ε ; mm π.D m
B
(48)
Donde h = 45 m. n’: número de vueltas, incluso el desplazamiento del cable en ¼ de vuelta
cada dos meses
88
Las máquinas de extracción con tambor único para dos cables tienen grandes inconvenientes en la explotación, consistentes en la imposibilidad de realizar extracción simultánea desde varios niveles, dificultades en la colocación del cable nuevo y en la regulación del cable durante el servicio. Por esto la mayoría de los tambores se construyen en dos partes: fija y loca. Después de determinar el ancho del tambor, la máquina de extracción se elige según catálogo. Si el ancho obtenido es demasiado grande, hay que calcularlo de nuevo, aumentando el diámetro. A continuación, se dan las características de las principales máquinas de extracción de Rusia.
Tabla Nº 05. Características de máquinas de extracción de un tambor, con el diámetro del tambor hasta 3 m. según Spravochnik (URSS)
89
