2014
PORTADA MÁQUINAS DE ELEVACIÓN Y TRANSPORTE Máquinas y Equipos para Elevar y Transportar Material
Jorge Guamanquispe Guamanquispe Toasa
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Máquinas de Elevación y Transporte Máquinas y Equipos para Elevar y Transportar Material Revisión Técnica
Ing. Mg. Segundo Espín Lagos Profesor Titular de Materiales Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica de la UTA
Ing. Mg. Gonzalo López Villacís Profesor del área de dis d iseño eño Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica de la UTA
Redacción
Dra. Mg. Patricia Pérez Zamora Profesora de Lenguaje Lenguaje y Comunic Co municación ación Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica de la UTA
IEPI: ISBN:
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AGRADECIMIENTO Un agradecimiento especial de parte de Jorge Guamanquispe Toasa, a todos los autores de obras de las cuales se ha recopilado esta información, así como también a quienes facilitan la información mediante la publicación de normas normas relacionadas con el tema.
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MÁQUINAS DE ELEVACIÓN Y TRANSPORTE
Autor: Jorge Patricio Guamanquispe Guamanquispe Toasa Ingeniero Mecánico (ESPOCH (E SPOCH)) Magister en Diseño Mecánico (UTA)
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TABLA DE CONTENIDO Portada ........................................................ ................................ ................................................. ......................... i Agradecimiento............................................... ....................... ........................................... ................... iv Máquinas de Elevación y Transporte.................................. ...................... ............ v Tabla de contenido .............................................. ...................... ....................................... ............... vi Prefacio ........................................................... ................................... ........................................... ................... xi Reconocimientos Reconocimientos .............................................................. ..................................... ........................... xii CAPÍTULO CAPÍTULO 1 .............................................. ...................... ................................................ ........................ 1 1. Máquinas de elevación y transporte ............................ ......................... ... 1 1.1 Introducción .............................................. ...................... ............................................ .................... 1 1.2 Clasificación ............................................. ..................... ............................................ .................... 2 1.3 Transporte ................................................. ......................... ............................................ .................... 4 1.3.1 Transporte externo .............................................. ..................................................... ....... 5 1.5 Transporte interno ............................................. ..................... .................................... ............ 7 1.6 Selección del transporte interno.................................... ........................ ............ 8 1.6.1.1 Aspectos técnicos:................................................ ................................................... ... 8 1.6.1.2 Aspectos económicos:............................................. ............................................. 9 1.7 Utilización del esfuerzo humano ................................ .................. .............. 10 CAPÍTULO CAPÍTULO 2 .............................................. ...................... .............................................. ...................... 12 2. Máquinas Y equipos de carrera corta ........................ ....................... . 12 2.1 Aparejos, cabrias y garruchas ..................................... .................................... . 12 2.1.1 Aparejo............................................... ....................... .............................................. ...................... 12 2.1.2 Cabria ................................................. ......................... .............................................. ...................... 15 2.1.3 Garrucha................................................. ......................... .......................................... .................. 16 2.1.4 Torno .............................................. ...................... ................................................. ........................... 17 2.2 Carretillas .............................................. ...................... .............................................. ...................... 17 17 2.2.1 Partes de una Carretilla ............................................ ...................... ...................... 19 2.3 Transporte T ransporte por gravedad gravedad ............................................. ............................................ . 21 2.3.1 Transportadores por Gravedad Gravedad................................. ....................... .......... 21 2.3.2 Planos Inclinados ..................................................... ............................... ...................... 22 2.3 Transportadores mecánicos......................................... ....................... .................. 22 2.3.1 Transportador de Tornillo (de Rosca o Sin Fin) ...... 22 2.3.2 Elevador El evador de Cangilones ........................................... ..................... ...................... 23 2.3.3 Transporte por cintas flexibles ................................. ....................... .......... 25 vi
2.2.4 Canaletas Vibratorias............................................... 30 2.3.5 Transportador de Rasquetas (o Paletas)................... 30 2.3.6 Transportador Redler ............................................... 32 CAPÍTULO 3 ................................................................... 34 3. Método de trabajo funciones y técnicas del proceso . 34 3.1 Riesgos........................................................................ 36 3.1.1 Generales para todas las máquinas .......................... 36 3.1.2 Incidentes peligrosos generales ............................... 38 3.1.2 Riesgos específicos .................................................. 38 3.2 Medidas preventivas ................................................... 40 3.2.1 Comunes .................................................................. 40 3.2.2 Garrucha .................................................................. 41 3.2.3 Cabria....................................................................... 47 3.3 Mantenimiento y conservación ................................... 50 3.4 Actitudes ergonómicas ............................................... 52 3.5 Protección personaL ................................................... 53 3.6 Medidas de prevención y protección En la utilización de carretillas...................................................................... 53 3.6.1Protecciones personales ............................................ 54 3.6.2 Normas de seguridad en la utilización..................... 55 CAPÍTULO 4 ................................................................... 66 4. Grúas ......................................................................... 66 4.1 Clasificación ............................................................... 66 4.1.1 Plataformas Elevadoras ........................................... 66 4.1.2 Puente grúa fijo ........................................................ 66 4.1.3Plumas ...................................................................... 67 4.1.4 Grúas Puente Móvil ................................................. 68 4.1.5 Puentes Grúa ............................................................ 69 4.1.4 Grúa ......................................................................... 71 4.1.5 Grúa móvil ............................................................... 71 4.2 Riesgos detectados ...................................................... 73 4.2.1 Riesgos específicos .................................................. 73 4.2.2 Riesgos generales .................................................... 74 4.2.3 Sistemas de seguridad.............................................. 76 vii
4.2.4 Medidas preventivas ................................................ 77 4.2. 5 Mantenimiento preventivo ...................................... 87 4.2.6 Protección personal .................................................. 88 4.2.7 Comportamiento humano......................................... 89 4.3 Diseño del puente grúa................................................ 90 4.3.1 Factores de diseño .................................................... 90 CAPITULO 5 .................................................................. 108 5. Transporte por medio de bandas.............................. 108 5.1 Antecedentes ............................................................. 108 5.2 Descripción de la máquina ........................................ 108 5.3 Tipos principales de bandas transportadoras. ........... 110 5.4 Coeficiente de Seguridad .......................................... 113 5.5 Capacidad de transporte ............................................ 115 5.5.1 Procedimiento de cálculo ....................................... 116 5.6 Potencia de accionamiento........................................ 123 5.6.1 Resistencia al movimiento ..................................... 124 5.6.2 Resistencias principales FH ................................... 125 5.6.3 Resistencias secundarias F N ................................... 125 5.6.4 Resistencia debida a la inclinación FSt ................... 126 5.6.5 Determinación de cada uno de los factores............ 127 5.7 Accidentabilidad ....................................................... 133 5.7.1 Accidentes más comunes ....................................... 133 5.7.2 Sistemas de prevención.......................................... 138 CAPITULO 6 .................................................................. 147 6. ELEVADORES HELICOIDALES (TORNILLO SIN FIN) ................................................................................. 147 6.1 Descripción del equipo ............................................. 148 6.1.1 Componentes.......................................................... 149 6.2 Desarrollo del proyecto ............................................. 150 6.3 Capacidad de transporte del tornillo sin fin .............. 151 6.4 Potencia en un transportador de tornillo sin fin ........ 160 6.5 Potencia en el motor o motoreductor ........................ 162 CAPITULO 7 .................................................................. 172 7. ELEVADOR DE CANGILONES ........................... 172 viii
7.1 Introducción.............................................................. 172 7.2 Elementos de un elevador de cangilones .................. 173 7.3 Clasificación ............................................................. 176 7.3.1 Según el tipo de carga:........................................... 176 7.3.2 Según el tipo de descarga ...................................... 177 7.4. Capacidad de transporte........................................... 180 7.5. Potencia de accionamiento ...................................... 191 CAPITULO 8 ................................................................. 196 8. TRANSPORTE HIDRÁULICO DE SÓLIDOS ..... 196 8.1 Introducción.............................................................. 196 8.2 Antecedentes de aplicación industrial ...................... 198 8.3 descripción general del proceso................................ 200 8.4 Variables del sistema ................................................ 201 8.5 Regímenes de flujo ................................................... 202 8.5.1 Flujo de sólidos en suspensión homogénea .......... 203 8.5.2 Flujo de sólidos en suspensión heterogénea .......... 205 8.5.3 Flujo de sólidos con arrastre de fondo ................... 206 8.5.4 Flujo de sólidos con depósitos de fondo................ 207 8.6 Determinación de la potencia de accionamiento ...... 210 8.7 Modelos matemáticos para determinar las pérdidas en el sistema. ....................................................................... 214 8.6 Estudios empíricos del transporte hidráulico de sólidos227 8.6.1 Velocidad límite de depósito (VL) ......................... 228 8.6.2 Influencia de la densidad relativa de los sólidos ... 230 8.6.3 Influencia de la altura de escurrimiento en un canal231 8.6.4 Influencia de la concentración de la mezcla .......... 232 8.6.5. Inclinación de la tubería o pendiente del canal..... 233 8.7 Pérdida de carga en tubería (JM) .............................. 235 8.8 Desgaste de las tuberías ............................................ 237 CAPITULO 9 ................................................................. 239 9. TRANSPORTE NEUMÁTICO .............................. 239 9.1 Introducción.............................................................. 239 9.2 Sistema de fase diluida y baja presión ...................... 241 9.3 Diagrama de estado .................................................. 242 ix
9.4 Diseño de sistemas de transporte neumático ............ 243 9.5 Diseño experimental ................................................. 247 9.5.2 Resultados .............................................................. 250 9.6 Costo energético........................................................ 254 APÉNDICE ..................................................................... 266 ANEXO A....................................................................... 266 ANEXO B ....................................................................... 271 Puentes Grúas.................................................................. 271 Anexo C .......................................................................... 280 Bandas ............................................................................. 280 ANEXO D ....................................................................... 294 Tornillo sin fin ................................................................ 294 ANEXO E ....................................................................... 298 Elevador de cangilones ................................................... 298 ANEXO F ....................................................................... 303 Transporte neumático...................................................... 303 ANEXO G....................................................................... 306 ANEXO H....................................................................... 315 Peso específico ................................................................ 315 Ecuaciones ...................................................................... 315 Concentración de sólidos ................................................ 316
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PREFACIO Este libro es el resultado de una revisión bibliográfica de varias obras técnicas, catálogos de fabricantes y normas tanto técnicas como de seguridad sobre máquinas y equipos, el mismo se lo ha realizado con el único afán de brindar a estudiantes de Ingeniería mecánica un compendio de la teoría necesaria para el estudio de los diferentes sistemas de elevación y transporte de materiales. El objetivo principal es de desarrollar las capacidades de evaluar los proyectos relacionados con el levantamiento y transporte de personas y materiales; recopilar información relacionada con los requerimientos de potencia y demás especificaciones técnicas; procesar la información, diseñar sistemas de transporte de materiales considerando normas nacionales e internacionales sobre seguridad, medio ambiente y técnicas.
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RECONOCIMIENTOS Quiero hacer un profundo reconocimiento a todos los autores tanto de los trabajos de investigación, normas técnicas y catálogos de fabricantes de equipos por facilitar esta información que va sólo en beneficio de estudiantes de ingeniería mecánica.
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CAPÍTULO 1 1. MÁQUINAS TRANSPORTE
DE
ELEVACIÓN
Y
1.1 INTRODUCCIÓN En la industria existen una gran cantidad y tipos de máquinas que se utilizan en los diversos procesos, las que se utilizan para elevar y transportar tanto materiales como personas son consideradas como máquinas de elevación y transporte. Como se dijo anteriormente se utilizan en los diversos procesos, es por ello que tienen una gran variedad de propósitos y son utilizados en la gran mayoría de plantas industriales, ya sean éstas de producción o servicios. Estas máquinas son utilizadas para trasladar personas o material ya sea dentro de las plantas industriales como fuera de ellas, elevar o cambiar de nivel materiales tanto en procesos como en actividades complementarias de acopio o almacenamiento. Además de cumplir con otras funciones como permitir un flujo uniforme, distribuir material, carga al granel y el almacenamiento en silos, tanques o depósitos de almacenamiento permitiendo tanto un abastecimiento como flujo continuo de materia prima, productos en procesos o producto terminado.
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Por lo mencionado anteriormente hacen que estas máquinas y equipos sean de suma importancia en toda actividad productiva, de servicio y actividades complementarias. A lo largo de este documento se explicará la clasificación, partes constitutivas, funcionamiento y dimensionamiento de los más utilizados en la industria, de tal manera que nos permita tener una clara visión de la importancia que tienen estos equipos dentro de un proceso productivo y de servicio. Cabe destacar que este trabajo es el resultado de varias consultas bibliográficas, normas técnicas y catálogos de fabricantes.
1.2 CLASIFICACIÓN Debido a la diversidad de máquinas y equipos de transporte y elevación, los factores a considerar para clasificarlos pueden ser muchos, aquí se los clasificará considerando sus aspectos constructivos y forma de trabajar. El primer grupo abarca a aquellos equipos de elevación de construcción sencilla que se utilizan para elevar poca distancia. Aparejos
Aparejos de elevación por medio de cuerdas: garrucha, cabria, torno simple, cuadernal, motón, trócola. Aparejos de elevación por medio de cables: aparejos combinados, cabrestante a mano, torno diferencial.
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Aparejos de elevación por medio de cadenas: de palanca, diferencial, de tornillo sin fin, de engranajes rectos. Aparejos de arrastre: torno de tracción.
Luego tenemos aquellos equipos de mayor capacidad que utilizan algún sistema de accionamiento especial tal como hidráulico, eléctrico u otro. Los elevadores
Los montacargas−ascensores.
Plataformas elevadoras. Ascensores. Escaleras mecánicas.
En otro grupo podemos considerar a aquellos utilizados para grandes potencias y desplazamientos como son: Equipos estacionarios de elevación y transporte
Grúas torre. Plumas. Puente grúas.
Equipos móviles de elevación y transporte
La carretilla elevadora. Escaleras eléctricas.
Transporte de material de forma continua
Cinta transportadora. Transportadores de tornillos. Elevador de cangilones. Sistemas neumáticos. 3
Sistemas hidráulicos. Sistemas de vibración, etc.
Otra manera de clasificar los equipos de elevación y transporte es como se muestra a continuación, la misma que está en función de su principio de accionamiento. Máquinas Motrices Portátiles
Montacargas. Tractor con remolque. Palas mecánicas. Puentes grúas.
Instalaciones Fijas (por gravedad)
Planos inclinados. Canaletas vibratorias.
Instalaciones Fijas (Transportadores mecánicos)
De bandas. Tornillo sin fin. De cangilones.
1.3 TRANSPORTE Se considera como transporte el desplazamiento tanto de material como de personas sin cambio de nivel, cabe mencionar que esta actividad no se lo podría realizar sin la ayuda de los equipos de elevación tanto para la carga como para la descarga de material. La selección adecuada de este tipo de máquinas y equipos depende de muchos factores, pero los más importantes podríamos decir que son la cantidad de material a transportar, la distancia, tipo de material y otros. 4
A continuación se realizará una clasificación general considerando el tipo de sustancia y el espacio físico en el que se desplaza el material. Según el estado físico del material.
De sólidos. De líquidos. De gases.
Según el espacio físico.
Externo. Interno.
En este capítulo se analizará, el transporte interno de sólidos, en los dos siguientes se analizará el de líquidos y el de gases. A continuación se hace un breve análisis de los diferentes tipos de transporte considerando el espacio físico.
1.3.1 TRANSPORTE EXTERNO Hablar sobre el transporte externo no es objetivo de esta obra por lo que no se profundizará en este tema, sin embargo, es necesario mencionar que el mismo es de vital importancia a la hora de determinar la localización de cualquier planta industrial, ya que este influye directamente sobre los costos finales del producto, debido a que la planta industrial se encuentre muy alejada de la materia prima, disponibilidad de mano de obra o mercados. En todo proceso productivo se requiere transportar materia prima, combustibles, insumos, sacar productos y evacuar 5
desechos; la selección adecuada del medio de transporte es fundamental y depende de algunos aspectos como tipo, cantidad, riesgos de deterioro del producto y otros, por lo que es fundamental la selección adecuada del medio de transporte. En la gran mayoría se requiere de transporte periódico, a excepción del transporte de gases o líquidos, los mismos que se realizan a distancias variadas, para ello se dispone de transporte terrestre, fluvial, marítimo y aéreo, siendo el más adecuado el transporte vehicular cuando las distancias son muy cortas y para volúmenes pequeños mientras que para largas distancias resulta económicamente más adecuado el aéreo o marítimo, dependiendo del tipo de producto, como ejemplo podríamos mencionar que para transportar productos agropecuarios hacia los mercados locales de expendio, el transporte más adecuado sería el transporte por medio de vehículos, para transportar vehículos desde Asia a América el transporte adecuado sería el marítimo y para transportar flores a Europa sería el aéreo. A la hora de seleccionar el más adecuado obviamente la parte económica es decisiva, ya que el costo de transporte dependerá del volumen y la distancia transportada en la figura 1.1 se puede observar la relación que existe entre el costo de transporte y la distancia transportada para cada tipo de transporte, obviamente que a la hora de elegir se debe tener en cuenta también los costos de embarque y tarifas o impuestos.
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Figura 1-1 Comparación de costos con diferentes tipos de transporte (Transporte de sólidos, Industrias I)
En conclusión podemos decir que para distancias menores 150 Km el transporte por camión es el más adecuado, mientras que a medida que la distancia aumenta el medio de transporte pasaría de camión a ferroviario y barcaza en su orden.
1.5 TRANSPORTE INTERNO El transporte interno, es decir el movimiento de material, productos en procesos o terminados debe ser analizado cuidadosamente ya que esto influiría directamente en el costo total del producto terminado, dependiendo del tipo de planta industrial y tipo de producto fabricado podemos encontrar una gran variedad de tipos de transporte, para la selección del mismo se debe tomar en cuenta factores tales como costo inicial del equipo, costo de operación y costos de mantenimiento, relacionados con el costo total del producto, además se debe tomar en cuenta el tipo de producto, cantidad a transportar, distancia y otros factores, 7
para el transporte interno podemos considerar el transporte continuo si el material es a granel, el transporte por medio de carretillas para productos empacados y cortas distancias, transporte por canaletas inclinadas si se puede aprovechar el desnivel, grúas y puentes grúas si los pesos son considerables y cortas distancias. Dependiendo de los aspectos antes mencionados, el costo del transporte interno resultará más o menos significativo.
1.6 SELECCIÓN DEL TRANSPORTE INTERNO Como ya se mencionó anteriormente para seleccionar el tipo de transporte interno más adecuado en un determinado proceso es necesario considerar algunos aspectos, aquí los clasificaremos en técnicos y económicos, los mismos que resultarán determinantes en la elección de equipo de transporte. 1.6.1.1 Aspectos técnicos:
Características del material a transportar, tales como tamaño, peso específico, dureza, abrasividad, humedad, temperatura, etc. Distancia y dirección del transporte (vertical, horizontal, oblicuo). Cantidad horaria a transportar. Forma de almacenamiento de los materiales. Lugar donde se realiza el transporte (abierto o cerrado). Seguridad de operarios (de la planta en general y que atienden el equipo de transporte en particular). Forma y lugar de carga y de descarga del equipo de transporte.
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1.6.1.2 Aspectos económicos:
La amortización del equipo de transporte (incluyendo su instalación). El consumo energético del equipo. Los gastos de alistamiento y mantenimiento del equipo. Los gastos de operación del equipo.
En la práctica para determinar el sistema de transporte más adecuado para una aplicación específica hay que considerar los siguientes aspectos: Se debe determinar si es o no prioritario la implementación del sistema, ya que en muchos casos un cambio en los procesos o un estudio adecuado del puesto de trabajo es suficiente y se puede evitar la inversión. Luego que se ha determinado que es necesaria la implementación de un sistema de transporte de material, hay que determinar el más adecuado, para lo cual se ha de considerar aspectos tales como estado físico, tamaño, forma, dureza, friabilidad y otros que sean compatibles con el sistema seleccionado. La determinación de tamaño y por ende la capacidad de transporte, debe estar de acuerdo al nivel de producción, de tal manera que el mismo no quede sobredimensionado y peor aún sea insuficiente para cumplir con la demanda. Finalmente en el diseño del sistema se ha de considerar el recorrido, ubicación, zonas de carga, descarga y almacenamiento, aspectos que en la mayoría de casos son descuidados por el proyectista.
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1.7 UTILIZACIÓN DEL ESFUERZO HUMANO En todo proceso es decir en toda industria, taller o actividades diarias existe la necesidad de mover o transportar material ya sea a granel o empacado, esto se lo debe hacer siempre con ayudas mecánicas y en casos muy esporádicos mediante la utilización del esfuerzo humano, sin embargo para determinar la si se requiere o no hay que analizar aspectos tales como la distancia recorrida, la frecuencia, el peso, el volumen, la altura de trabajo entre otros. Como recomendación general se puede establecer que se requieren ayudas mecánicas cuando las distancias son mayores a los 3 metros, alturas mayores a 1.5 metros pesos mayores a los 22 kg y capacidad de transporte mayores a 200 kg/min. Cuando se utilice ayudas mecánicas sencillas tales como carritos, carretilla, zorras, el peso a transportar puede llegar a 500 kg, distancias de hasta 60 m y a velocidades de 2.5 km/h. Otros equipos sencillos tales como los gatos sean estos mecánicos o hidráulicos se pueden usar para levantar materiales hasta 0.5 metros pueden usarse también tornos y aparejos para alturas de hasta 3 metros siempre que la carga no supere un peso de 1000 kg.
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BIBLIOGRAFÍA 1. Borjas Franco. Plantas y manejo de materiales II. Carabobo, Venezuela. Agosto 1996 U.N.A manejo de materiales. 2. Immer Jhon R. Manejo de materiales, Barcelona España Hispano Europea. 3. Internet: Monografias.com; Google.com. 4. Mireilly Duran c.mduran [arroba] terniumsidor.com 5. Ntp 78
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CAPÍTULO 2 2. MÁQUINAS Y EQUIPOS DE CARRERA CORTA Básicamente los equipos de carrera corta son aquellos formados por los siguientes grupos; en primer lugar tenemos a los aparejos, las cabrias las garruchas en otro grupo se tienen las carretillas y un tercer grupo es el formado por los denominados transportadores por gravedad.
2.1 APAREJOS, CABRIAS Y GARRUCHAS Los elementos de elevación aquí estudiados según la Norma Técnica de Prevención NTP 167 son aquellos que no necesitan para su funcionamiento más que el propio esfuerzo de la persona que ha de manejarlo, lo que dice algo de la simplicidad de los mismos. 2.1.1 Aparejo Según la norma NTP 78 se entiende por aparejos manuales aquellos dispositivos destinados a elevar, descender y arrastrar cargas por tracción mediante el esfuerzo muscular del individuo, pudiendo estar provistos de algún mecanismo que multiplique el efecto de la potencia aplicada.
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Podemos clasificar los aparejos manuales según la composición del elemento de tracción. Para una más clara referencia del contenido de la presente NTP mencionaremos algunos de ellos: Aparejos de elevación por medio de cuerdas: garrucha, cabria, torno simple, cuadernal, motón, trocla. Aparejos de elevación por medio de cables: aparejos combinados, cabrestante a mano, torno diferencial. Aparejos de elevación por medio de cadenas: de palanca, diferencial, de tornillo sin fin, de engranajes rectos. Aparejos de arrastre: torno de tracción, ternal. En la práctica ordinaria suelen confundirse los términos "aparejos" y "polipastos", por lo que establecemos aquí la diferencia definiendo a estos últimos como aparejos accionados mecánicamente por un motor eléctrico, dando base para iniciar una nomenclatura determinante. Por lo tanto es un sistema de poleas compuesto de dos grupos, uno fijo y otro móvil. Se pone en movimiento por medio de una cuerda o cadena afianzada por uno de sus extremos en la primera polea fija y que corre por las demás, actuando la potencia en su otro extremo libre. Los grupos de poleas pueden ser de varios pares (mecanismo diferencial) o de uno solo, en cuyo caso se le llama aparejo diferencial. Fig. 2.1 y 2.2
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Figura 2-1 Mecanismo diferencial (NTP 167: Aparejos, cabrias y garruchas)
Figura 2-2 Aparejo diferencial (NTP 167: Aparejos, cabrias y garruchas)
Las trócolas a mano son aparejos que en vez de llevar cuerda llevan una cadena equilibrada y en los que la polea superior no es libre si no que está accionada por una pareja de engranajes helicoidales o cilíndricos, aunque a veces se desliza mediante la combinación de los dos. La pareja de reducción se mueve por medio de una cadena gobernada a mano, calibrada y que se enrolla en una polea montada sobre el eje. Para evitar el deslizamiento de las cadenas, va provisto de un freno que funciona mediante un mecanismo 14
de fricción, puesto en funcionamiento por un empuje axial del tornillo correspondiente a la dirección de la bajada de la carga, cuando el aparejo es de reducción helicoidal, mientras que en aparejos de reducción cilíndrica se realiza por medio de una rueda de trinquetes con pestillo.
Figura 2-3 Aparejo (NTP 167: Aparejos, cabrias y garruchas)
2.1.2 Cabria Elemento de elevación compuesto por una polea suspendida en el punto de unión de tres puntuales inclinados formando un trípode, y por la cual pasa la cuerda de tracción. Normalmente la carga izada va contenida en un recipiente, capazo o cubo, que pende de un gancho en el extremo de la cuerda, como se puede ver en la siguiente figura.
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Figura 2-4 Cabria (NTP 167: Aparejos, cabrias y garruchas)
2.1.3 Garrucha Constituye el sistema de elevación más sencillo, como se muestran en la figura 2.5 se compone de una polea amarrada en el extremo de un elemento rígido en vuelo inclinado u horizontal, cuyo otro extremo está contrapesado o anclado a la base; por la polea se hace pasar la cuerda de tracción.
Figura 2-5 Garrucha (NTP 167: Aparejos, cabrias y garruchas)
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2.1.4 Torno Es considerada como la máquina más simple que como se puede ver en la figura 2.6, consistente en un cilindro que lleva adosada en la prolongación de su eje y fuera de los puntos de sustentación la manivela de accionamiento manual.
Figura 2-6 Torno simple (NTP 167: Aparejos, cabrias y garruchas)
2.2 CARRETILLAS Se denominan carretillas automotoras de manutención o elevadoras, todas las máquinas que se desplazan por el suelo, de tracción motorizada con motor eléctrico o gasolina, destinadas fundamentalmente a transportar, empujar, tirar o levantar cargas. Para cumplir esta función es necesaria una adecuación entre el aparejo de trabajo de la carretilla (implemento) y el tipo de carga. Se asienta sobre dos ejes: motriz, el delantero y directriz, el trasero. Pueden ser eléctricas o con motor de combustión interna. Nunca se deben utilizar para el trasporte de personas y debe ser siempre utilizada por personal debidamente 17
formado, incluso ya existen cursos específicos para formar a los operarios en su uso. Las carretillas nos son propiamente equipos de trabajo, pero al utilizarse como transporte interno de materiales deben cumplir unas medidas mínimas de seguridad. En primer lugar recalcaremos que los accidentes más graves ocurridos con estos vehículos se deben a un uso inadecuado, falta de pericia o descuidos de tipo humano. Las carretillas son plataformas con ruedas accionadas por un motor que puede ser eléctrico (con acumuladores) o naftero. En horizontal pueden transportar hasta 2 toneladas de carga a velocidades de hasta 10 km/h para las eléctricas y de hasta 25 km/h para las nafteras. En algunos casos cuentan con una plataforma elevable, dando lugar a los denominados autoelevadores, que permiten apilar y acomodar cargas en los depósitos, los autoelevadores según sus características permiten apilar cargas hasta una altura de 10 metros y es el método de transporte más utilizado en la actualidad para el traslado y acomodado de cargas dentro de los depósitos (Fig. 2.7).
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Figura 2-7 Autoelevador
2.2.1 Partes de una Carretilla
Figura 2-8 Descripción y partes (UNICEM 2007)
Pórtico de seguridad: Es un elemento resistente que debe proteger al conductor frente a la caída de carga, y al vuelco de la carretilla. Puede estar cubierto de una superficie de vinilo contra inclemencias del tiempo.
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Placa portahorquillas: Es un elemento rígido situado en la parte anterior del mástil que se desplaza junto con la plataforma de carga. Amplía la superficie de apoyo de las cargas impidiendo que la misma pueda caer sobre el conductor. Asiento amortiguador y ergonómico: Asiento dotado de sistema de amortiguación para absorber las vibraciones. Asimismo debe estar diseñado ergonómicamente de forma que sujete los riñones del conductor y lo haga lateralmente frente a giros bruscos del vehículo. Protector tubo de escape (carretillas de motor de combustión): Dispositivo aislante que envuelve el tubo de escape e impide el contacto con él de materiales o personas evitando posibles quemaduras o incendios. Silenciador con apagachispas y purificador de gases (carretillas de motor de combustión): Son sistemas que detienen y apagan chispas de la combustión y además absorben los gases nocivos para posibilitar los trabajos en lugares cerrados. Paro de seguridad de emergencia: Paro automáticamente el motor en caso de emergencia o situación anómala. Freno de inmovilización: Es una protección contra maniobras involuntarias y los empleos no autorizados: Dispositivo de freno que permite mantener el vehículo inmóvil con su carga máxima admisible y sin ayuda del conductor con la pendiente máxima admisible. Debe llevar también un dispositivo de enclavamiento, por ejemplo de llave, que impida su utilización por parte de una persona no autorizada. 20
Avisador acústico y señalización luminosa marcha atrás: Señal luminosa que anuncia su presencia en puntos conflictivos de intersecciones con poca visibilidad. Su potencia debe ser adecuada al nivel sonoro de las instalaciones anexas. Normativa aplicable específica.
NTP 214 - Carretillas elevadoras NTP 319 - Carretillas manuales: transpaletas manuales. NTP 297 - Manipulación de bidones. U.N.E. 58401 - Carretillas elevadoras. Ensayos de estabilidad. U.N.E. 58401 - Carretillas elevadoras. Ruedas, medidas y capacidades. U.N.E. 58403 - Carretillas elevadoras. Designación capacidades normales. U.N.E. 58405 - Carretillas elevadoras. Tensión. Baterías de tracción para uso de carretillas eléctricas. U.N.E. 58406 - Carretillas elevadoras. Tableros porta-accesorios.
2.3 TRANSPORTE POR GRAVEDAD 2.3.1 Transportadores por Gravedad En estos transportadores, los materiales se mueven por efecto de la gravedad. Una regla a tener en cuenta en cualquier planta industrial es que siempre que sea posible debe de utilizarse este efecto, para el movimiento de los materiales, con el objeto de economizar energía. Generalmente estos transportadores son utilizados para alimentación de máquinas con materiales secos en trozos o pulverulentos. 21
2.3.2 Planos Inclinados Básicamente consisten en planos inclinados (con bordes), con ángulos mayores de 45 grados. Estos pueden ser rectos o en espiral.
2.3 TRANSPORTADORES MECÁNICOS 2.3.1 Transportador de Tornillo (de Rosca o Sin Fin) El transportador de rosca consiste en un eje de acero, sobre el cual se desarrolla una espiral, que gira dentro de un canal. (Figura 2.9). El eje es propulsado por un motor y el acople se produce a través de engranajes o cadenas. Este transportador se utiliza para el movimiento de materiales abrasivos y no abrasivos, en horizontal y oblicuo con pendiente que no supere los 30º. Puede transportar cereales, carbón, arena, piedra, clinker de cemento, etc. La longitud máxima de transporte no debe superar los 30 metros, pues más allá de esa distancia los esfuerzos de torsión que se producen son muy elevados. El diámetro máximo a utilizar es de 0.60 metros. Este tipo de transporte se utiliza principalmente para movilización de granos en silos de campaña y se los denomina “CHIMANGO”.
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Figura 2-9 Transportador de tornillo (Transporte de sólidos, Industrias I)
A continuación se da una tabla de capacidades volumétricas máximas de transporte y velocidades recomendadas en transportadores de roscas industriales. Tabla 2-1 Capacidades y velocidades recomendadas (Transporte de sólidos, Industrias I)
De la tabla se infiere que en la medida que el material es menos abrasivo el transportador admite una velocidad máxima mayor y por consiguiente tiene una capacidad de transporte mayor. 2.3.2 Elevador de Cangilones El elevador de cangilones consiste en una cadena (o cinta) sin fin que en sus extremos cuentan con una rueda dentada (o polea). A dicha cadena van unidos cangilones (baldes), a intervalos uniformes. La rueda dentada superior es motora y la inferior es conducida. El accionamiento de la rueda motora está dado por un motor a través de un reductor de velocidad. 23
Los cangilones toman el material a transportar en la parte inferior, con el balde que viene invertido, gira y asciende hasta la cabeza superior donde lo descarga. Es un transportador utilizado para elevar granos, carbón, cenizas, cemento, minerales y rocas en trozos, etc. Efectúa transportes en vertical y con inclinación superior a 45 grados. Es de frecuente uso en elevadores de granos portuarios y silos de campaña y se conocen con el nombre de “Norias”. Los elevadores de cangilones tienen tres formas distintas de descarga que se utilizan según los materiales a transportar. La descarga centrífuga, usada para materiales livianos y secos (granos); la descarga continua, suele utilizarse ya sea para el transporte de granos o en las dragas para la elevación de arena húmeda y la descarga por gravedad, que se utiliza para materiales pesados y pegajosos. En la Figura 2.10 se pueden observar los tres tipos de descarga. Cabe señalar que la descarga centrífuga se practica con elevadores de cinta y de cadena, la descarga continua, donde cada cangilón descarga su material sobre la parte posterior del que lo precede, se construye con una o dos cadenas, y la descarga por gravedad, se practica con dos cadenas.
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Figura 2-10 Tipo de descarga (Transporte de sólidos, Industrias I)
2.3.3 Transporte por cintas flexibles Este tipo de transportadoras continuas están constituidas básicamente por una banda sinfín flexible que se desplaza apoyada sobre unos rodillos de giro libre. El desplazamiento de la banda se realiza por la acción de arrastre que le transmite uno de los tambores extremos, generalmente el situado en "cabeza". Todos los componentes y accesorios del conjunto se disponen sobre un bastidor, casi siempre metálico, que les da soporte y cohesión, un ejemplo se puede apreciar en la siguiente figura.
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Figura 2-11 Bandas transportadoras
Consiste en una cinta sin fin con dos poleas, una de las cuales es motora (polea de cabeza) y la otra es conducida (polea de cola). Cuenta con rodillos locos debajo de la cinta (banda), denominados de apoyo para los que se encuentran debajo de la cinta cargada y rodillos de retorno para la cinta que regresa. La polea motora es accionada por un motor a través de un reductor de velocidad (Figura 2.12). La velocidad de la cinta varía entre 30 y 120 m/min.
Figura 2-12 Cinta Transportadora (Transporte de sólidos, Industrias I)
Las cintas se estiran por el uso y para que trabajen correctamente es necesario tensarlas, lo que se hace con diversos aparatos. En la Figura 2.13 se pueden observar dos formas de tensado de cinta de uso común.
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Figura 2-13 Tensado de la Cinta (Transporte de sólidos, Industrias I)
En la zona de carga del material a transportar suelen disponerse rodillos de apoyo a menores distancias que las señaladas anteriormente para absorber el peso del material que cae desde la tolva. A efectos de evitar desgastes excesivos de la cinta es necesario tener en cuenta las siguientes recomendaciones:
Que el material a cargar entre en contacto con la cinta a su misma velocidad e igual dirección. El centro de la tolva de carga debe coincidir con el eje de la cinta. El material en trozos gruesos debe frenarse en la tolva minimizando en lo posible la altura de caída. La tolva de carga no debe tocar la cinta (la distancia entre ambas suele cubrirse con una pollera elástica.
Las cintas pueden ser de distintos materiales, tales como, tela, cuero, goma, sintético y metal. Pueden utilizarse planas o abarquilladas, en la Figura 2.14 se esquematizan ambas formas. Los anchos de cinta varían entre 35 y 150 cm.
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Figura 2-14 Tipos de apoyos (Transporte de sólidos, Industrias I)
Otro aspecto a destacar es la descarga de las cintas, existen cuatro formas diferentes:
Que el material se descargue en el extremo de la cinta por gravedad. Colocando sobre la superficie de la cinta, en el lugar de descarga, un desviador (rascador) a 35 o 45° del eje de la cinta. Con un aparato denominado volteador (Carrito), que consiste en un juego de rodillos que vuelcan totalmente la cinta y el material que cae por gravedad se evacua por un plato inclinado, este volteador es desplazable a lo largo de la cinta, para variar el lugar de descarga). Abarquillando la cinta hacia abajo.
En la Figura 2.15 se esquematiza las distintas formas de descarga.
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Figura 2-15 Formas de Descarga (Transporte de sólidos, Industrias I)
La aplicación de este transportador es variada, se utiliza para transporte de materiales en trozos (minerales, rocas, carbón, clinker, cereales, bultos, etc). Transporta a grandes distancias en horizontal y oblicuo hasta un ángulo de 25 grados como máximo, aunque la inclinación mayor más frecuente alcanza solamente los 15 grados. Estas instalaciones suelen ser costosas pero de bajo costo de operación, consumo energético y mantenimiento. En algunos casos que se transporta materiales muy finos, la cinta una vez cargada se cierra mediante dos solapas, con un sistema de cremallera, conformado por un tubo y evitando que los polvos transportados polucionen el ambiente donde se desarrolla el transporte. La capacidad de la cinta transportadora es función del ancho y velocidad de la cinta, la inclinación del transporte y las características del material transportado. 29
La potencia requerida es función de la necesaria para moverla en vacío, la requerida en horizontal y vertical para transportar y la fricción en poleas. Un ejemplo completo de cálculo de una cinta, con tablas y gráfico de manuales será explicado en clase. 2.2.4 Canaletas Vibratorias Están compuestas por una especie de canaleta que cuenta con un vibrador magnético, que ayuda a mover el material hasta el borde, y luego cae por gravedad. 2.3.5 Transportador de Rasquetas (o Paletas) El transportador de rasquetas consiste en un canal por el que se desplazan paletas, cuya sección se ajusta a la del canal. El material a transportar se ubica entre las paletas y con el movimiento de éstas se va desplazando. Las paletas se encuentran unidas a una o dos cadenas sin fin, que se mueven como consecuencia de que en los extremos del transportador cuentan con ruedas dentadas, de las cuales las de un extremo son motoras. Las paletas generalmente son de acero y están dispuestas a distancias iguales a lo largo de la cadena (Fig. 2-16). Las paletas suelen estar suspendidas apoyando los extremos de las mismas con ruedas sobre rieles (Fig. 2-17) o calzas sobre guías. La velocidad de las cadenas se encuentra entre 6 y 60 m/min., aunque la más frecuente es de 30 m/min.
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Figura 2-16 Transportador de rasquetas (Transporte de sólidos, Industrias I)
Figura 2-17 Transportador de rasquetas (Transporte de sólidos, Industrias I)
Los transportadores de paletas se utilizan para transporte en horizontal y oblicuo hasta un ángulo no mayor de 30 grados (en algunos casos puede llegar hasta 45 grados); se usan para transportar materiales en trozos no abrasivos, una aplicación muy importante es la del transporte de granos (cereales) en elevadores. No se deben aplicar al transporte de materiales abrasivos (tales como piedras partidas y clinker de cemento), por el gran desgaste que se produce en el equipo.
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2.3.6 Transportador Redler El transportador Redler es similar al de paletas, la diferencia estriba en que la sección de la paleta no es igual a la del canal, sino que cubre solo una parte de la misma. Este transportador es especialmente indicado para el transporte de materiales sueltos, secos y abrasivos, tales como cemento, harina, arena, clinker, carbón, etc. El movimiento del material se produce por el arrastre de los perfiles que se mueven sobre las partículas y la fricción de éstas entre sí. Se aplican a transporte en horizontal, vertical o con cualquier ángulo. Cuanto mayor sea la inclinación de transporte se requieren perfiles de mayor sección.
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BIBLIOGRAFÍA 1. “Operaciones Básicas De Ingeniería Química”: Broun 2. “Máquinas De Transporte” N.P. Waganoff 3. “Manual Del Ingeniero” Hutte 4. “Movimiento Y Almacenamiento De Materiales” R.F. Biasca 5. Catálogos Industriales 6. Borjas Franco. Plantas y manejo de materiales II. Carabobo, Venezuela. Agosto 1996 U.N.A manejo de materiales. 7. Immer Jhon R. Manejo de materiales, Barcelona España Hispano Europea. 8. Internet: Monografias.com; Google.com.
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CAPÍTULO 3 3. MÉTODO DE TRABAJO FUNCIONES Y TÉCNICAS DEL PROCESO La única función de estos aparatos es la de izado de cargas. El peso a elevar varía con el tipo de aparato, de todas formas la carga estará en función de la potencia muscular del operario. La técnica de elevación es la misma para todos los aparatos que tratamos, excepto el torno, es decir, tirar del extremo libre de la cuerda o cadena de arriba abajo de forma que la carga a izar cueste el mínimo esfuerzo. Esto dependerá de la situación del operario y de la longitud de la cuerda, puesto que así como en el aparejo y garrucha el ángulo que forma la cuerda tensada con la vertical puede ser escogida, en la cabria es muy inferior por la proximidad del operario a la vertical de izada.
Figura 3-1 Izado de carga en Aparejos (NTP 167)
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Figura 3-2 Izado de cargas en Garruchas (NTP 167)
Así como en la garrucha y la cabria la potencia a desarrollar equivale al peso de la carga, en la polea móvil el esfuerzo es la mitad de ésta y en los aparejos y trócolas irá disminuyendo en función del número de poleas. En el torno el esfuerzo a desarrollar viene dado por el radio del cilindro y la distancia de la manivela al eje del mismo. La cabria y el torno son usados normalmente en la ejecución de pozos, ya que su puesta en obra permite una fácil extracción del material excavado.
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3.1 RIESGOS 3.1.1 Generales para todas las máquinas
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3.1.2 Incidentes peligrosos generales
3.1.2 Riesgos específicos 3.1.2.1 Cabria
3.1.2.2 Aparejos En aparejos sobre monocarril suelen presentarse los riesgos siguientes:
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Caída de altura durante la reparación o mantenimiento del carro. Golpes por cadenas, poleas móviles, ganchos, etc. Atrapamiento entre carro y carril. 3.1.2.3 Garrucha Desatadura del extremo de la cuerda sobre la carga y desplome de la misma. Vuelco del recipiente que contiene la carga, por desequilibrado, o choque contra elementos estructurales. 3.1.2.4 Cabria Alabeo de las cabrillas por exceso de carga o inconsistencia de aquéllas. Abatimiento del trípode por anclaje deficiente o polea descentrada. 3.1.2.5 Torno Desplazamiento o vuelco del bastidor. Golpes de la manivela o del manubrio por retroceso o descuido. Salida del rodillo de las chumaceras y posterior desplome.
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3.2 MEDIDAS PREVENTIVAS 3.2.1 Comunes Las piezas serán de buena construcción, material sólido y de resistencia y substancia adecuada. No debería tirarse de las cadenas, cables o cuerdas que estén aprisionadas debajo de una carga, ni se harán rodar cargas sobre ellas. Debería indicarse en lugar visible la carga máxima útil admisible. Las cargas deberían ser levantadas, bajadas y trasladadas lentamente. Resulta práctico hacer una señal en la cuerda o cable que indique el punto máximo de descenso de la carga. Los tornillos empleados en la fabricación de estos aparatos deberían tener rosca de largo suficiente para permitir apretarlos en caso de necesidad. Aquellos que se empleen para fijar los mecanismos estarán provistos de contratuerca eficaz o arandela elástica. Los frenos instalados deberían ser capaces de resistir vez y media la carga máxima a manipular. Debería existir un código de señales que fuera conocido por todos los operarios que intervengan en trabajos relacionados con el izado y arrastre de cargas. Todos los ganchos estarán provistos de pestillo de seguridad eficaz.
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3.2.2 Garrucha Es recomendable colocar una placa en la viga soporte que indique la longitud máxima de vuelo o luz y el peso de lastre necesario. El soporte para el lastre, fijado a la viga, debería llevar agujeros que permitan su anclaje eventual al forjado. El estribo del extremo de la viga conviene que sea articulado para que la polea pueda orientarse por sí sola correctamente. Las garruchas estarán provistas de bridas, ganchos, ojetes o bandas que las aseguren firmemente a los soportes, sin posibilidad de soltarse. Las cuerdas y cables empleados deberían ser del tipo y tamaño adecuados a las poleas correspondientes. El contrapeso y el vuelo de la viga han de corresponder la carga a manejar.
Figura 3-3 Garrucha (NTP 78)
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a) Polea Las poleas de engranajes deberían tener sus partes diseñadas con un factor de seguridad, bajo la carga máxima nominal, no menor de 8 para acero fundido y 5 para acero forjado. Las poleas de cadena deberían disponer de engranaje de tornillo sin fin irreversible u otro dispositivo que soporte automáticamente las cargas cuando el izado se detenga. Las gargantas tendrán los bordes redondeados, superficie lisa y dimensiones tales que el cable o cuerda corra libremente sin rozar con el motón u otras partes de suspensión. Las poleas de cadena dispondrán de gargantas con cavidades que acomoden los eslabones. La anchura mínima de la garganta será la del diámetro del elemento de tracción, para limitar la fatiga y aumentar su duración. Las partes exteriores de las poleas deberían estar protegidas con resguardos cerrados adecuados que eviten colocar el elemento de tracción fuera de lugar y que las manos sean atrapadas. Debería evitarse la flexión de los cables en sentido inverso, puesto que la influencia de las poleas sobre ellos es mayor que la de los tambores. En las gargantas redondas da mejor resultado el cable Lang. En cambio, en las vaciadas y en V las de arrollamiento cruzado. Las poleas deberían ser de acero soldado, forjado o fundición nodular, porque dan mejor resultado. Las de construcción soldada son menos pesadas. El diámetro de las poleas debe ser como mínimo 10 veces el diámetro del elemento de tracción. 42
Figura 3-4 Guiado correcto de cable (NTP 78)
b) Torno Debe impedirse la salida del rodillo de su apoyo mediante un dispositivo que sujete el eje o que cubra las chumaceras. El bastidor debe estar asentado y anclado perfectamente al terreno para evitar desplazamientos y vuelcos. Los extremos del rodillo deberían estar protegidos por cobertores que impidan introducir las manos y ropas flotantes en el mecanismo de giro. El torno debería llevar un dispositivo que evite el retroceso de la carga al soltar la manivela. El torno de tornillo sin fin debería ser de dentado irreversible, para lo cual el ángulo de inclinación de la hélice será menor o igual al ángulo de presión o rozamiento entre dientes. Para evitar que la manivela adquiera gran velocidad durante el descenso puede dársele una posición con 43
desplazamiento axial. El brazo fijado sobre el árbol tendrá agujero cuadrado. Las manivelas de seguridad, que controlan el descenso, resultan más eficaces.
Figura 3-5 Manivela simple (NTP 78)
Figura 3-6 Manivela de seguridad (NTP 78)
El torno simple deberá disponer de un freno de trinquete que permita levantar la carga sin despegar el freno y la mantenga frenada en cualquier posición. Todas las partes del armazón deberían ser metálicas.
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Los tornos deberían estar construidos de tal manera que el esfuerzo a aplicar por una persona en la manivela no exceda de 10 kg cuando se esté izando la máxima carga admitida. c) Tambor El diámetro de los tambores debería ser mayor que 30 veces el diámetro del cable, 300 veces el diámetro del alambre mayor o 450 veces el del alambre menor. No obstante, debe elegirse de acuerdo con la solicitación del arrollamiento (torsión, flexión o compresión). El extremo del cable o cadena en el tambor deberá estar anclado firmemente al mismo y tendrá al menos dos espiras sobre él cuando los ganchos para la carga estén en su posición más alejada.
Figura 3-7 Fijación del cable en un tambor por cuña y soldado (NTP 78)
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Figura 3-8 Fijación de la cadena sobre el tambor (NTP 78)
Debería ajustarse todo lo posible las primeras espiras con un mazo de madera y con gran cuidado.
Figura 3-9 Arrollamiento de las primeras espiras del cable sobre un tambor (NTP 78)
Las bases del tambor se prolongarán una vez y medio el diámetro del cable a partir de la última capa arrollada, es decir, tendrán sendas pestañas que superarán en esa altura las capas arrolladas. Los tambores de almacenamiento que reciban varias capas de cable deberían disponer de un enrollador para un guiado sincronizado.
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3.2.3 Cabria El ángulo de inclinación de las cabrillas deberá ser aproximadamente de 75° y estarán empotradas en el terreno. La unión de los terminales de las cabrillas será tal que evite su separación, estando perfectamente niveladas sobre el suelo.
Figura 3-10 Unión terminales cabrillas (NTP 78)
a) Cabrestante Los cabrestantes deberían disponer de accionamiento con freno. Este freno podrá ser de ruedas trinquetes en los ejes de los tambores y retenes fiadores o tornillo sin fin de cierre automático que evite la reversión del movimiento mientras la carga es izada o arrastrada. Deberían existir dispositivos de frenos efectivos para controlar la bajada de la carga: de zapatas, de banda, etc. La manivela debería construirse de forma que no gire mientras se baja la carga por medio del freno. Las 47
manivelas de quita y pon se asegurarán contra la remoción accidental. El eje de la manivela debería estar próximamente a un metro sobre el suelo. Consideraciones sobre los elementos de tracción Tabla 3-1 Factores de seguridad recomendados (NTP 78)
Elemento de tracción Cuerda
Factor de seguridad 10
Cable
6
Cadena
5
b) Cuerdas Las cuerdas estarán compuestas de fibra de la mejor calidad, como abacá u otras artificiales, que soporten al menos 800 kg/cm2 Las cuerdas deberían llevar una etiqueta con los siguientes datos:
Nombre del abastecedor o fabricante. Fecha de puesta en servicio. Carga máxima admisible.
Cuando haya que hacer algún corte se efectuarán ligaduras de hilos a ambos lados de aquél. Las cuerdas no deben arrastrarse sobre superficies ásperas o con arena.
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c) Cables Los cables estarán libres de defectos: hendiduras oxidación, alambres rotos, flojos o desgastados, distorsiones, etc. Los ojales y gazas deberían tener incorporados guardacabos adecuados. Los ramales ascendente y descendente del cable deben estar en el mismo plano de las gargantas y poleas para evitar que el cable salte. El ángulo de desviación, o deflexión, máxima que forme el cable desde la polea principal al borde del tambor de arrollamiento debería ser: 2° cuando el tambor es liso. 4° cuando el tambor es acanalado. 1°30' cuando se emplee cable anti giratorio nunca inferior a medio grado. Cuando exista algún cable con alambres rotos, cuya proporción no impida su utilización, se quitarán aquellos con unas tenazas a ras de la superficie. d) Cadenas Las cadenas serán de hierro forjado o de acero, así como los demás accesorios: anillos, ganchos, argollas. Las cadenas para izar y para eslingas deberían ser destempladas o normalizadas a intervalos que no excedan de: 49
6 meses las de diámetro inferior a 12,5 mm. 6 meses las usadas para acarrear metal fundido. 12 meses las demás. Se enrollarán en tambores, ejes o poleas con ranuras de tamaño y forma que permitan trabajar suavemente sin torceduras.
Figura 3-11 Tambores para cadenas (NTP 78)
Las cadenas estarán libres de hendiduras, nudos y torceduras. Se dispondrán almohadillas entre las aristas vivas y las cadenas. Debe prohibirse hacer empalmes alambrando, insertando tornillos entre eslabones, etc. Serán reparadas por personas cualificadas para ello y no deben enderezarse o colocar eslabones a martillazos.
3.3 MANTENIMIENTO Y CONSERVACIÓN Todos los engranajes, ejes y mecanismos en general de los distintos aparatos deberán mantenerse lubricados y limpios. 50
Debería verificarse continuamente el correcto funcionamiento del pestillo de seguridad de los ganchos. Todas las piezas sometidas a desgaste deberían ser observadas periódicamente. Los aparatos deben ser conservados en perfecto estado y orden de trabajo. Los aparatos deberían ser inspeccionados en su posición de trabajo al menos una vez por semana por el operario u otra persona competente. Los cables, cadenas, cuerdas, ganchos, etc., deberían examinarse cada día que se utilicen por el operario o personal designado. Se recomienda una inspección completa cada tres meses con expedición de certificado. Las cadenas deberían retirarse cuando:
No presenten seguridad debido a sobrecargas o a destemple defectuoso o impropio. Se hayan alargado más del 5% de su longitud. El desgaste en los enlaces de los eslabones exceda de una cuarta parte del grueso original del eslabón.
Las cadenas deberían ser lubricadas a intervalos frecuentes y regulares cuando estén enrolladas en tambores o pasen sobre poleas, excepto cuando puedan retener y recoger arena o arenilla y cuando sirvan de eslingas. Las cadenas se guardarán colgándolas de ganchos, colocadas de forma que los trabajadores no sufran sobreesfuerzos, en condiciones que reduzcan al mínimo la oxidación.
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Las cadenas que hayan estado expuestas durante horas a temperaturas extremadamente bajas serán calentadas ligeramente. Los cables se han de lubricar con grasas libres de ácidos y de buena adherencia. Las cuerdas deberán protegerse contra la congelación, ácidos y sustancias destructoras, así como de los roedores. Si las cuerdas están mojadas, deberían colgarse en rollos sueltos en lugar seco, alejadas del calor excesivo, hasta que se sequen. Es conveniente limpiarlas si están sucias. Las cuerdas deben colgarse sobre espigas o ganchos galvanizados o clavijas de madera. También pueden enrollarse sobre plataformas de rejillas de madera, a unos 15 cm del suelo, en lugar bien ventilado y lejos de fuentes de calor y humedad. Los cables deben desbobinarse o desenrollarse correctamente, recogiéndose siempre sobre bobina o en rollo.
3.4 ACTITUDES ERGONÓMICAS Los brazos del trabajador se extenderán alternativamente lo más posible cuando tiren del elemento de tracción. El elemento de tracción no se enrollará en la mano, sino que se asirá fuertemente. Los pies asentarán sobre base sólida, separados o uno adelantado al otro, según el caso. La espalda se mantendrá siempre recta.
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Se prohibirá terminantemente situarse bajo la carga suspendida.
3.5 PROTECCIÓN PERSONAL Las prendas de protección individual a usar por los trabajadores en los trabajos que compete a los aparatos tratados se pueden reducir a tres: Guantes. Botas de seguridad (Puntera reforzada), homologadas (MT-5) Casco protector homologado (MT-1). El uso del cinturón de seguridad (MT-13) se reserva para aquellos puestos de trabajo que implican un riesgo de caída de altura por la proximidad del operario, que recoge la carga o tira de la cuerda, a una abertura en el suelo. Cuando la posición de trabajo pueda ser incómoda, por ejemplo en el torno, y suponga para la espalda un sobreesfuerzo anormal se dotará al trabajador de un cinturón anti lumbago.
3.6 MEDIDAS DE PREVENCIÓN Y PROTECCIÓN EN LA UTILIZACIÓN DE CARRETILLAS Las medidas de prevención y protección las desarrollamos en varios apartados que van desde los accesorios de seguridad, normas de seguridad, conductor y las normas de carga y circulación. La mayoría de las recomendaciones expuestas en este apartado se basan en la normativa vigente a la que se 53
somete el citado equipo, como se puede ver son medidas casi exclusivamente preventivas. 3.6.1Protecciones personales Es necesaria la utilización de los siguientes Equipos de Protección Individual:
El Casco de Seguridad. Es recomendable la utilización de traje ajustado Mono de mangas, amplio que no moleste la conducción adaptado a las condiciones climáticas. Evitar bolsillos exteriores, presillas u otras partes susceptibles de engancharse a los mandos. Es necesaria la utilización de guantes. Resistentes y flexibles para no molestar la conducción También se recomienda el uso de calzado de seguridad anti-deslizante. Con punteras metálicas y con suelas antideslizantes, cuando además el operario en su puesto de trabajo debe actuar operaciones de manutención manual Es necesaria la utilización de cinturón de seguridad. Conveniente para jornadas de trabajo largas y zonas de circulación poco uniformes Colocar en el lugar de trabajo la señal de advertencia circulación de carretillas
Accesorios de seguridad La carretilla debe disponer de una serie de accesorios y dispositivos de seguridad activa y pasiva intrínsecos que la convierten en un equipo más seguro. Accesorios y dispositivos de seguridad de carretillas elevadoras 54
Pórtico de seguridad. Placa porta-horquillas. Asiento amortiguador y ergonómico. Protector tubo de escape (carretillas de motor de combustión). Silenciador con apagachispas y purificador de gases (carretillas de motor de combustión). Paro de seguridad de emergencia. Avisador acústico y señalización luminosa marcha atrás. Placas indicadoras Todas las carretillas deberán llevar las siguientes placas indicadoras principales: Placa de identificación acerca de los datos fabricante. Placa de identificación de equipos amovibles. Datos del fabricante y además capacidad nominal de carga, presiones hidráulicas de servicio caso de equipo accionado hidráulicamente, y una nota que ponga "Advertencia: Respete la capacidad del conjunto carretilla-equipo". Presión de hinchado de neumáticos.
3.6.2 Normas de seguridad en la utilización 3.6.2.1 Genéricas
El conductor debe subir o bajar de la carretilla lentamente y de cara al asiento; cuando circule no debe asomarse fuera de los límites de la carretilla. Está prohibido transportar personas sobre las horquillas, cargas o la propia carretilla. Mantener la máxima visibilidad posible cuando se circule con carga mirando siempre en la dirección de la marcha. 55
Se debe disminuir la velocidad en cruces y zonas de poca visibilidad, procurando circular por los pasillos señalizados al efecto; no se podrá invadir otros lugares sin avisar previamente. No se deben adelantar a otros vehículos ni realizar paradas o arranques bruscos. Nunca se pasará o permanecerá debajo de las horquillas cargadas. Mirar en la dirección de la marcha, conservando siempre una buena visibilidad. Evitar arrancadas, virajes y paradas bruscas Tomar las curvas a baja velocidad, avisando con el claxon. Si la visibilidad en marcha hacia adelante no fuera buena, por culpa del volumen de la carga, se circulará marcha atrás. Sobre terreno húmedo, deslizante o con baches, conducir lentamente. Frenar progresivamente y sin brusquedad No se debe empujar a otros vehículos. Si es necesario remolcarlos, se hará a través de una barra rígida y a velocidad muy moderada. Cuando se circule detrás de otro vehículo, se mantendrá una separación aproximadamente igual a tres veces la longitud de la carretilla, ya que un frenazo imprevisto podría producir un choque. Los paquetes de hojalata y chapa pueden deshacerse y proyectar sus hojas contra algún compañero. Se evitarán las paradas y arranques bruscos, así como los giros a mucha velocidad. Si durante el trabajo se ha de realizar alguna parada, se apagará el motor, a no ser que tal operación vaya a ser muy corta.
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3.6.2.2 Normas para el conductor de las carretillas El personal que conduzca carretillas elevadoras estará autorizado por la dirección del centro de trabajo, y deberá disponer de normas específicas de utilización.
El conductor de carretillas industriales automotores ha de contar al menos 18 años de edad, haber sido instruido adecuadamente en el manejo de esta clase de equipos y estar expresamente designado por la empresa. Nadie que no cumpla este requisito debería manejar una carretilla industrial automotora. El conductor debe ser consciente de que, aparte de los accidentes que él mismo puede sufrir, el equipo que maneja puede causar lesiones a otras personas, si no se observan escrupulosamente las reglas de seguridad. Las carretillas automotoras son menos peligrosas por sí mismas que por el uso que se hace de ellas. En la utilización de esta clase de equipos se dan peligros parecidos a los de la circulación en general; choques, atropellos, vuelcos, atrapamientos, etc. El conductor deberá conocer perfectamente las características, posibilidades, imitaciones y maniobrabilidad de su carretilla. Debe conocer además las consignas de seguridad en vigor en su empresa y saberlas aplicar con buen criterio. El conductor debe haber recibido una formación específica para la conducción segura que puede consistir en una serie de pruebas de capacitación físicas y técnicas y que le conciencie de la responsabilidad que conlleva su conducción.
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A su vez el conductor debe tener una serie de factores en cuenta en función que la carretilla vaya con motor de combustible, fuel, o eléctrico. Revisión por parte del operario antes de comenzar el trabajo
Verificar el buen estado de los neumáticos y su presión de inflado. Comprobar la eficacia y el correcto funcionamiento de: el freno de inmovilización y el freno de o servicio. la dirección. o el sistema de elevación e inclinación. o el avisador acústico o claxon. o Cualquier anomalía observada deberá ser puesta en conocimiento del superior más inmediato.
Revisión por parte del operario durante el trabajo
No sobrepasar nunca la capacidad de carga de la carretilla. El incumplimiento de esta regla puede dar lugar a vuelcos con riesgo de accidente para el conductor y sus compañeros. No aumentar, bajo ningún pretexto, el peso del contrapeso poniéndole cargas adicionales y mucho menos haciendo subir personas sobre el vehículo. Si no se sobrepasa la capacidad de carga de la carretilla, no será nunca necesario recurrir a estos trucos. La utilización simultánea de dos carretillas para mover cargas pesadas o muy voluminosas es una operación peligrosa que necesita precauciones muy especiales. 58
Sólo debe efectuarse excepcionalmente y en presencia del técnico responsable de la manutención. Para levantar una carga con seguridad, se meterá la horquilla a fondo bajo la carga, se elevará luego ligeramente, e inmediatamente se inclinarán los mástiles hacia atrás. Antes de comenzar a circular se comprobará que la carga está equilibrada y segura sobre su soporte. Antes de realizar cualquier maniobra, se comprobará que no hay ninguna persona en las proximidades, sobre todo al dar marcha atrás. Al subir o bajar la horquilla, el conductor cuidará que no resulten atrapados sus manos o pies, ni los de ningún compañero. Jamás se abandonará la carretilla con una carga levantada.
Revisión por parte del operario al finalizar el trabajo
A l finalizar la jornada se aparcará la carretilla en el lugar previsto para este fin, protegida contra la intemperie. Para dejar estacionada la carretilla, se parará el motor, se pondrá el freno de inmovilización y se retirará la llave de contacto. La horquilla deberá quedar en su posición más baja. La carretilla se aparcará siempre en un lugar plano. Si por algún motivo excepcional tuviera que dejarse en una pendiente, se calzarán cuidadosamente las ruedas, además de poner el freno de inmovilización.
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El conductor no debe realizar reparaciones o reglajes en la carretilla. Cualquier anomalía observada durante el trabajo, por pequeña que pueda parecer, deberá ser comunicada al superior inmediato. Reglas específicas para carretillas de motor de explosión. Limpiar y secar la parte superior de los acumuladores. Comprobar el nivel de combustible, agua y aceite, en las carretillas de motor de explosión. No se fumará durante estas operaciones. No fumar ni aproximar llamas a una carretilla cuyo depósito se está llenando. El llenado del depósito de combustible se realizará en los lugares designados para este fin. Para esta operación es preciso parar el motor. Si se derramara combustible sobre el motor, se secará cuidadosamente, no poniendo a carretilla en marcha hasta que se haya evaporado por completo.
3.6.2.3 Reglas específicas para carretillas eléctricas
No fumar ni arrimar llamas a las proximidades de una batería en carga, ni durante su manipulación. Comprobar que la batería está correctamente cargada y conectada. Mantener siempre cerrada la tapa del cofre de la batería. Las pilas se colocarán con orden y seguridad. Si son pilas de bobinas debe tenerse presente que pueden rodar. Mirar bien donde se dejan y comprobar que quedan calzadas con topes. No depositar nunca herramientas o piezas metálicas sobre baterías ni en sus proximidades. 60
Cerrar los tapones de relleno de los acumuladores antes de la puesta en marcha.
3.6.2.4 Manipulación de cargas La manipulación de cargas debe efectuarse guardando siempre la relación dada por el fabricante entre la carga máxima y la altura a la que se a de elevar y descargar, bajo los siguientes criterios, en las diferentes fases del transporte:
Recoger la carga y elevarla unos 15 cm sobre el suelo. Inclinar el mástil el máximo hacia atrás para circular. Situar la carretilla frente el lugar previsto y en posición precisa para descargar. Elevar la carga hasta la altura necesaria manteniendo la carretilla frenada. Para alturas superiores a 4 m programar las alturas de carga y descarga con un sistema automatizado que compense la limitación visual que se produce a distancias altas. Avanzar la carretilla hasta que la carga se encuentre encima del lugar de descarga. Situar las horquillas en posición horizontal y depositar la carga sobre el lugar de apilado, separándose luego lentamente. Las mismas operaciones se efectuarán a la inversa en caso del desapilado. La carga se transportará de forma que no resbale, cuelgue o pueda caer utilizando para ello elementos auxiliares adecuados como pueden ser bandas, abrazaderas o cadenas según los distintos tipos de cargas. 61
Los materiales sueltos irán en el interior de contenedores. Cuando se circule sin carga, se llevará la horquilla a unos 15 centímetros del suelo.
3.6.2.5 Superficies de circulación
Las superficies de circulación y trabajo deben cumplir los siguientes requisitos: Los suelos deben mantenerse en perfecto estado, reparándose cuando por cualquier motivo se deterioren. Los lugares de tránsito de la carretilla deben estar correctamente iluminados. Se deben señalizar con franjas inclinadas de color negro y amarillo todos los obstáculos fijos y estructuras de almacenamiento. El dimensionado y señalizado de pasillos y cruces será el adecuado a la anchura de carretillas y cargas.
La circulación por rampas o desniveles debe hacerse siguiendo las siguientes medidas:
Si la pendiente tiene una inclinación inferior a la máxima del mástil se podrá circular de frente al sentido de descenso, con la precaución de llevar el mástil a su inclinación máxima. Si el descenso se ha de efectuar por pendientes superiores a la inclinación máxima del mástil, el mismo se ha de realizar necesariamente marcha atrás. Antes de pasar por pasarelas, plataformas, planchas, etc., se deberá estar seguro que pueden soportar el peso del vehículo.
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Antes de pasar por pasarelas, plataformas, planchas, etc., se deberá estar seguro que pueden soportar el peso del vehículo. No se debe girar nunca en una pendiente ni cruzarla transversalmente. Cuando por cualquier motivo se deban efectuar movimientos hacia atrás sobre todo en áreas de paso de poca anchura se deben tomar precauciones especiales pues son causa frecuente de atrapamientos de personas entre la propia carretilla y algún elemento fijo. Trasladar cargas a velocidad limitada evitando una circulación excesivamente rápida y los movimientos bruscos respetando las normas de circulación. Velocidad máxima: 10 km/h. Nunca se circulará o dejará aparcada con las horquillas levantadas. Las carretillas, mientras no circulen, estarán aparcadas en un lugar destinado a tal fin y bloqueado su sistema de puesta en marcha. En cualquier caso se evitará aparcar junto a salidas de emergencia, accesos a escaleras o en las proximidades de equipos de lucha contra incendios.
Riesgos derivados de la utilización del equipo.
Caída del conductor al subir o bajar o durante el transporte de la mercancía. Caída de altura de personas. Caída de cargas y objetos transportados. Choques contra estructuras de almacenamiento u otros objetos fijos. Caída, basculamiento o vuelco de la carretilla.
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Vuelco de la carretilla por vuelco en apilado o desapilado. Caída de objetos almacenados sobre la carretilla. Vibraciones. Colisiones o choques: Con estructuras fijas. o Circulando. o Con obstáculos en el suelo. o Con otros vehículos. o
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BIBLIOGRAFÍA 1. ANDREONI, D. "La Sicurezza nelle Construzioni edili". IV Ed. Roma, ESA Edizioni Scientifiche Associate, 1984. 2. DELGADO BENAVIDES, F. BELLMUNT BELLMUNT,JOAN. "Aparejos, cabrias y garruchas". Barcelona, Ministerio de Trabajo, S.S.H.S.T. 1978. 3. INSTITUTO EDUARDO TORROJA DE LA CONSTRUCCIÓN Y DEL CEMENTO "Léxico de la Construcción" Madrid, Instituto Eduardo Torroja de la Construcción y del Cemento 1962. 4. COMITE INTERNACIONAL DE LA AISS PARA LA PREVENCION DE RIESGOS PROFESIONALES EN LA C.Y.O.P. SEOPAN Madrid, Enero 1.979. 5. DELGADO BENAVIDES, FERNANDO Aparejos, cabrias y garruchas I.T.B./395278, Barcelona - C.I.A.T. 1978 - 30 págs. 6. ERNST, HELMUT Aparatos de elevación y transporte Ed. Blume. Barcelona 1970. 7. MALLOL, JOSE Mª Manutención mecánica Ed. Ariel, S.A. Barcelona 1961. 8. MEUNE, RENE. Cables de acero Edicíones URMO S.A. Bilbao 1966. 9. 0.I.T. Reglamento tipo de seguridad Ginebra 1950. 10. O.I.T. Seguridad e Higiene en la C. y O.P. Ginebra, 1974. 65
CAPÍTULO 4 4.
GRÚAS
4.1 CLASIFICACIÓN 4.1.1 Plataformas Elevadoras Son Plataformas o cangilones situados en el extremo un cilindro hidráulico que permita alcanzar una altura variable, pudiendo ser autopropulsadas o no. 4.1.2 Puente grúa fijo Es un equipo de elevación y transporte de materiales y cargas que instalado sobre vías elevadas, permite, a través de su elemento de elevación (polipasto) y de su carro, cubrir toda la superficie rectangular entre la que se encuentra instalada. Constan de una o dos vigas móviles sobre carriles, apoyadas en columnas, consolas, a lo largo de dos paredes opuestas del edificio de superficie rectangular. El bastidor del puente grúa consta de dos vigas transversales en dirección a la luz de la nave (vigas principales) y de uno o dos pares de vigas laterales (testeros), longitudinales en dirección a la nave y que sirven de sujeción a las primeras y en donde van las 66
ruedas, un ejemplo de estos equipos se muestra en la figura 4.1.
Figura 4-1 Puente grúa (CEPYME)
4.1.3Plumas La pluma es un sistema de elevación muy eficaz cuando se desea manipular cargas en zonas más reducidas (hasta 200 m cuadrados). Existen modelos con giro de 180º, 270º y 360º con rotación manual o motorizada. El sistema de fijación es muy diverso: pluma con pie, pluma mural fijada en la pared o en una columna o pluma suspendida fijada en el techo o en una jacena.
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Figura 4-2 Pluma (CEPYME)
4.1.4 Grúas Puente Móvil Consisten en dos torres que se encuentran unidas por un puente. Las dos torres, que son soportes del puente se desplazan, con ruedas, sobre rieles. El puente cuenta con un carrito (que en la parte inferior tiene un guinche) que se desplaza perpendicularmente a los rieles. Las torres pueden ser altas, como las que se observan en los muelles de los puertos o pequeñas y que circulan por la parte superior de las naves de las plantas industriales (Figura 43). Estas grúas cuentan con un habitáculo para el operario que las maneja. Se utilizan para el movimiento de bultos o recipientes que contienen materiales; con eslingas se utilizan para la carga y descarga de vehículos, etc. En las plantas siderúrgicas se emplean, por ejemplo para transportar el arrabio líquido, en cucharas, desde los altos hornos a los convertidores.
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Figura 4-3 Instalaciones Móviles
4.1.5 Puentes Grúa Es un equipo de elevación y transporte de materiales y cargas que instalado sobre vías elevadas, permite, a través de su elemento de elevación (polipasto) y de su carro, cubrir toda la superficie rectangular entre la que se encuentra instalada.
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Figura 4-4 Puente grúa (CEPYME)
Como se muestra en la figura 4-4 constan de una o dos vigas móviles sobre carriles, apoyadas en columnas, consolas, a lo largo de dos paredes opuestas del edificio de superficie rectangular. El bastidor del puente grúa consta de dos vigas transversales en dirección a la luz de la nave (vigas principales) y de uno o dos pares de vigas laterales (testeros), longitudinales en dirección a la nave y que sirven de sujeción a las primeras y en donde van las ruedas. Dada la relativa ambigüedad del término puente-grúa, se hace necesaria una definición-descripción previa del concepto que aquí consideraremos: Es un equipo de elevación y transporte de materiales de forma discontinua, consiste en una estructura metálica que se apoya en sus extremos sobre 2 vías elevadas, sobre las cuales se desplaza recogiendo transversalmente el taller. La vía corre transversalmente el taller. 70
Sobre el puente va montado un carro que se desplaza a lo largo de él, pendiendo del carro va un polipasto aparejo diferencial que puede llevar cadena o cable para suspender la carga. 4.1.4 Grúa La diferencia con un puente grúa es el giro de 360º. Aparato para transportar y elevar material de forma discontinua. Tipos:
Grúas torre. Grúas vertical metálica en forma de torre con un brazo giratorio constituido en 2 partes: Flecha y contra flecha.
En la flecha se suspende la carga y en la contra flecha se sujeta el contrapeso y en la parte inferior de la torre va acoplado el lastre. 4.1.5 Grúa móvil Según la Norma NTP 208 en el más amplio sentido de su aceptación denominaremos grúa móvil a todo conjunto formado por un vehículo portante, sobre ruedas o sobre orugas, dotado de sistemas de propulsión y dirección propios sobre cuyo chasis se acopla un aparato de elevación tipo pluma. Adoptada la anterior definición, se hace evidente que las numerosas posibilidades que se ofrecen para el acoplamiento de un vehículo y una grúa han de dar lugar a la existencia de una variada gama de modelos, que se 71
extiende desde los destinados al remolque de otros vehículos hasta los que han sido concebidos exclusivamente para el movimiento de grandes cargas. Son a estos últimos a los que con la denominación concreta de grúa móvil nos referimos en la presente NTP y que en síntesis están constituidas por los siguientes componentes o grupos de elementos como muestra la figura 4-5.
Figura 4-5 Chasis portante. 2) Plataforma base. 3) Corona de orientación. 4) Equipo de elevación. 5) Flecha telescópica. 6) Cabina de mando. 7) Estabilizadores (NTP 208: Grúa móvil)
Chasis portante Estructura metálica sobre la que, además de los sistemas de propulsión y dirección, se fijan los restantes componentes. 72
Superestructura Constituida por una plataforma base sobre corona de orientación que la une al chasis y permite el giro de 360º, la cual soporta la flecha o pluma que puede ser de celosía o telescópica, equipo de elevación, cabina de mando, y en algunos casos, contrapeso desplazable. Elementos de apoyo A través de los que se transmiten los esfuerzos al terreno, orugas, ruedas y estabilizadores o apoyos auxiliares que disponen las grúas móviles sobre ruedas y están constituidos por gatos hidráulicos montados en brazos extensibles, sobre los que se hace descansar totalmente la máquina lo cual permite aumentar la superficie del polígono de sustentación y mejorar el reparto de cargas sobre el terreno.
4.2 RIESGOS DETECTADOS 4.2.1 Riesgos específicos Los que con mayor frecuencia se presentan en los trabajos realizados con grúas móviles, que consideramos específicos de esta máquina aunque también pueden serlo de otras, son los que siguen: a) Vuelco de la máquina Que puede producirse por nivelación defectuosa de la misma, por fallo del terreno donde se asienta, por sobrepasarse el máximo momento de carga admisible o por efecto del viento.
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b) Precipitación de la carga Por fallo en el circuito hidráulico, frenos, etc. por choque de las cargas o del extremo de la pluma contra un obstáculo, por rotura de cables o de otros elementos auxiliares (ganchos, poleas, etc.) y por enganche o estrobado deficientemente realizados. c) Golpes Producidos por la carga durante la maniobra o por rotura de cables en tensión. d) Atrapamientos Entre elementos auxiliares (ganchos, eslingas, poleas, etc.) o por la propia carga. e) Contacto eléctrico Indirecto al entrar la pluma o los cables en contacto con una línea eléctrica. 4.2.2 Riesgos generales A continuación se indican aquellos riesgos que también son comunes a la mayor parte de equipos e instalaciones o que se derivan de cualquier otro proceso productivo. a) Atrapamientos Entre mecanismos u órganos en movimiento.
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b) Caídas a distinto nivel
Durante el estrobado o recepción de la carga cuando se realizan a diferente nivel al que está situada la máquina. Caída a nivel. Durante los desplazamientos requeridos para realizar el estrobado de las cargas o dirigir la maniobra al gruísta. Contacto con objetos cortantes o punzantes. Durante la preparación o manejo de cargas. Caída de objetos. Producido por desplome de las cargas mal apiladas. Choques. Contra el material mal apilado. Proyección de partículas. Dado que durante el movimiento de las cargas se desprenden partículas adheridas a las mismas. Sobreesfuerzos. Originados por la utilización del esfuerzo muscular en la preparación de cargas. Quemaduras. Por contacto con superficies calientes (escape de gases). Ruido. Dado que el nivel sonoro puede alcanzar 96 dB en el interior de la cabina de mando. Intoxicación. Por inhalación de los gases producidos por los motores de combustión especialmente cuando su reglaje es defectuoso.
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4.2.3 Sistemas de seguridad Son medidas técnicas y equipos que anulan un riesgo o bien dan protección sin condicionar el proceso operativo. Entre los riesgos específicos originados en los trabajos con grúa móvil cabe destacar, por los graves daños en que puedan concretarse, el vuelco de la máquina, la precipitación de la carga y el contacto de la pluma con una línea eléctrica de alta tensión. Como se ha expuesto con anterioridad cada uno de estos riesgos tiene su origen en una o varias causas, algunas de las cuales pueden ser eliminadas mediante los sistemas de seguridad que se describen a continuación, por impedir que llegue a producirse la situación de peligro. a) Limitador del momento de carga Dispositivo automático de seguridad para grúas telescópicas de todo tipo, que previene contra los riesgos de sobrecarga o de vuelco por sobrepasarse el máximo momento de carga admisible. La finalidad de este dispositivo es impedir que se sobrepase la "curva de carga a seguir" indicada por el fabricante. Generalmente actúa emitiendo una señal de alarma, luminosa o sonora, cuando el momento de carga llega a ser el 75% del máximo admisible y bloqueando los circuitos hidráulicos al alcanzarse el 85% del valor de aquél. b) Válvulas de seguridad Sistema de válvulas que provocan el enclavamiento de las secciones de la pluma telescópicas al dejar bloqueados los 76
circuitos hidráulicos cuando se producen fugas en los conductos de alimentación. c) Limitador de final de carrera del gancho Dispositivo eléctrico que corta automáticamente el suministro de fuerza cuando el gancho se encuentra a la distancia mínima admisible del extremo de la pluma. d) Pestillo de seguridad Dispositivo incorporado a los ganchos para evitar que los cables, estrobos o eslingas que soportan la carga puedan salirse de aquéllos. Existen diversos tipos entre los que cabe destacar los de resorte y los de contrapeso. e) Detector de tensión Dispositivo electrónico que emite una señal en la cabina de mando cuando la pluma se aproxima a una línea de alta tensión, al ser detectado el campo eléctrico por las sondas fijadas en el extremo de la flecha. 4.2.4 Medidas preventivas Nos limitaremos a describir solamente las que han de adoptarse ante los riesgos específicos de los trabajos con grúa móvil, por entender que no corresponde tratar en este lugar las relativas a riesgos de tipo general. a) Ante el riesgo de vuelco Se admite que una grúa es segura contra el riesgo de vuelco cuando, trabajando en la arista de vuelco más desfavorable, no vuelca en tanto se cumplen las condiciones impuestas por su constructor, entendiéndose 77
por arista de vuelco más desfavorable aquélla de las líneas definidas por dos apoyos consecutivos cuya distancia a la vertical que pasa por el centro de gravedad de toda la máquina, es menor. Esta distancia, para cada posición y alcance de la pluma, es más pequeña cuanto mayor es el ángulo que forma el plano horizontal con el definido por la plataforma base de la grúa y como el momento de vuelco tiene por valor el producto de dicha distancia por el peso total de la máquina, es de vital importancia que su nivelación sea adecuada para que el mínimo momento de vuelco que pueda resultar sobre la arista más desfavorable durante el giro de la pluma sea siempre superior al máximo momento de carga admisible, que en ningún caso deberá sobrepasarse.
Figura 4-6 HH´) Plano horizontal. PP´) Plano de apoyo. a) ángulo entre ambos planos. CG) Centro de gravedad de la máquina. d) Distancia de la arista de trabajo a la vertical por CG (NTP 208: Grúa móvil)
Es por ello por lo que ante este riesgo deberá procederse actuando como sigue:
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b) Sobre el terreno Se comprobará que el terreno tiene consistencia suficiente para que los apoyos (orugas, ruedas o estabilizadores) no se hundan en el mismo durante la ejecución de las maniobras. El emplazamiento de la máquina se efectuará evitando las irregularidades del terreno y explanando su superficie si fuera preciso (Figuras 4-7 y 4-8), al objeto de conseguir que la grúa quede perfectamente nivelada, nivelación que deberá ser verificada antes de iniciarse los trabajos que serán detenidos de forma inmediata si durante su ejecución se observa el hundimiento de algún apoyo.
Figura 4-7 Apoyo sobre terreno (NTP 208: Grúa móvil)
Figura 4-8 Apoyo sobre placas (NTP 208: Grúa móvil)
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Si la transmisión de la carga se realiza a través de estabilizadores y el terreno es de constitución arcillosa o no ofrece garantías, es preferible ampliar el reparto de carga sobre el mismo aumentando la superficie de apoyo mediante bases constituidas por una o más capas de traviesas de ferrocarril o tablones, de al menos 80 mm. de espesor y 1.000 mm. de longitud que se interpondrán entre terreno y estabilizadores cruzando ordenadamente, en el segundo supuesto, los tablones de cada capa sobre la anterior (Figura 4-9).
Figura 4-9 Reparto de carga sobre el terreno (NTP 208: Grúa móvil)
c) Sobre los apoyos Al trabajar con grúa sobre ruedas transmitiendo los esfuerzos al terreno a través de los neumáticos, se tendrá presente que en estas condiciones los constructores recomiendan generalmente mayor presión de inflado que la que deberán tener circulando, por lo que antes de pasar de una situación a otra es de gran importancia la corrección de presión con el fin de que en todo momento se adecúen a las normas establecidas por el fabricante.
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Asimismo en casos de transmisión de cargas a través de neumáticos, la suspensión del vehículo portante debe ser bloqueada con el objeto de que, al mantenerse rígida, se conserve la horizontalidad de la plataforma base en cualquier posición que adopte la flecha y para evitar movimientos imprevistos de aquel, además de mantenerse en servicio y bloqueado al freno de mano, se calzarán las ruedas de forma adecuada. Cuando la grúa móvil trabaja sobre estabilizadores, que es lo recomendable aun cuando el peso de la carga a elevar permita hacerlo sobre neumáticos, los brazos soportes de aquéllos deberán encontrarse extendidos en su máxima longitud y, manteniéndose la correcta horizontalidad de la máquina, se darán a los gatos la elevación necesaria para que los neumáticos queden totalmente separados del suelo (Figura 4-10).
Figura 4-10 Posicionamiento correcto (NTP 208: Grúa móvil)
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d) En la maniobra La ejecución segura de una maniobra exige el conocimiento del peso de la carga por lo que, de no ser previamente conocido, deberá obtenerse una aproximación por exceso, cubicándola y aplicándole un peso específico entre 7,85 y 8 kg/dm3 para aceros. Al peso de la carga se le sumará el de los elementos auxiliares (estrobos, grilletes, etc.). Conocido el peso de la carga, el gruísta verificará en las tablas de trabajo, propias de cada grúa, que los ángulos de elevación y alcance de la flecha seleccionados son correctos, de no ser así deberá modificar alguno de dichos parámetros. En operaciones tales como rescate de vehículos accidentados, desmantelamiento de estructuras, etc., la maniobra debe realizarse poniendo en ella una gran atención pues si la carga está aprisionada y la tracción no se ejerce verticalmente, el propio ángulo de tiro puede ser causa de que sobre la arista de trabajo se produzca un momento de carga superior al máximo admisible. Por otra parte deben evitarse oscilaciones pendulares que, cuando la masa de la carga es grande, pueden adquirir amplitudes que pondrían en peligro la estabilidad de la máquina, por lo que en la ejecución de toda maniobra se adoptará como norma general que el movimiento de la carga a lo largo de aquella se realice de forma armoniosa, es decir sin movimientos bruscos pues la suavidad de movimientos o pasos que se siguen en su realización inciden más directamente en la estabilidad que la rapidez o lentitud con que se ejecuten.
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En cualquier caso, cuando el viento es excesivo el gruísta interrumpirá temporalmente su trabajo y asegurará la flecha en posición de marcha del vehículo portante. e) Ante el riesgo de precipitación de la carga Generalmente la caída de la carga se produce por enganche o estrobado defectuosos, por roturas de cables u otros elementos auxiliares (eslingas, ganchos, etc.) o como consecuencia del choque del extremo de la flecha o de la propia carga contra algún obstáculo. f) Respecto al estrobado y elementos auxiliares El estrobado se realizará de manera que el reparto de carga sea homogéneo para que la pieza suspendida quede en equilibrio estable, evitándose el contacto de estrobos con aristas vivas mediante la utilización de salvacables. El ángulo que forman los estrobos entre sí no superará en ningún caso 120º debiéndose procurar que sea inferior a 90º. En todo caso deberá comprobarse en las correspondientes tablas, que la carga útil para el ángulo formado, es superior a la real. Cada uno de los elementos auxiliares que se utilicen en las maniobras (eslingas, ganchos, grilletes, ranas, etc.) tendrán capacidad de carga suficiente para soportar, sin deformarse, las solicitaciones a las que estarán sometidos. Se desecharán aquellos cables cuyos hilos rotos, contados a lo largo de un tramo de cable de longitud inferior a ocho veces su diámetro, superen el 10% del total de los mismos. g) Respecto a la zona de maniobra Se entenderá por zona de maniobra todo el espacio que cubra la pluma en su giro o trayectoria, desde el punto de 83
amarre de la carga hasta el de colocación. Esta zona deberá estar libre de obstáculos y previamente habrá sido señalizada y acotada para evitar el paso del personal, en tanto dure la maniobra. Si el paso de cargas suspendidas sobre las personas no pudiera evitarse, se emitirán señales previamente establecidas, generalmente sonoras, con el fin de que puedan ponerse a salvo de posibles desprendimientos de aquéllas. Cuando la maniobra se realiza en un lugar de acceso público, tal como una carretera, el vehículo-grúa dispondrá de luces intermitentes o giratorias de color amarillo-auto, situadas en su plano superior, que deberán permanecer encendidas únicamente durante el tiempo necesario para su ejecución y con el fin de hacerse visible a distancia, especialmente durante la noche. h) Respecto a la ejecución del trabajo En toda maniobra debe existir un encargado, con la formación y capacidad necesaria para poder dirigirla, que será responsable de su correcta ejecución, el cual podrá estar auxiliado por uno o varios ayudantes de maniobra, si su complejidad así lo requiere. El gruísta solamente deberá obedecer las órdenes del encargado de maniobra y de los ayudantes, en su caso, quienes serán fácilmente identificables por distintivos o atuendos que los distingan de los restantes operarios. Las órdenes serán emitidas mediante un código de ademanes que deberán conocer perfectamente tanto el encargado de maniobra y sus ayudantes como el gruísta, quien a su vez responderá por medio de señales acústicas o 84
luminosas. Generalmente se utiliza el código de señales definido por la Norma UNE 003 (Figura 4-11).
Figura 4-11 Señales para manejo de grúas Norma UNE 003 (NTP 208: Grúa móvil)
Durante el izado de la carga se evitará que el gancho alcance la mínima distancia admisible al extremo de la 85
flecha, con el fin de reducir lo máximo posible la actuación del dispositivo de Fin de Carrera, evitando así el desgaste prematuro de contactos que puede originar averías y accidentes. Cuando la maniobra requiere el desplazamiento del vehículo-grúa con la carga suspendida, es necesario que los maquinistas estén muy atentos a las condiciones del recorrido (terreno no muy seguro o con desnivel, cercanías de líneas eléctricas), mantengan las cargas lo más bajas posible, den numerosas y eficaces señales a su paso y estén atentos a la combinación de los efectos de la fuerza de inercia que puede imprimir el balanceo o movimiento de péndulo de la carga. i) Ante el riesgo eléctrico En presencia de líneas eléctricas debe evitarse que el extremo de la pluma, cables o la propia carga se aproxime a los conductores a una distancia menor de 5 m si la tensión es igual o superior a 50 KV y a menos de 3 m para tensiones inferiores. Para mayor seguridad se solicitará de la Compañía Eléctrica el corte del servicio durante el tiempo que requieran los trabajos y, de no ser factible, se protegerá la línea mediante una pantalla de protección (Figura 4-12).
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Figura 4-12 Distancia entre traviesas igual a 0,5 m. d Distancia de pantalla a L.E. de 5m. si la tensión es superior o igual a 50 kV. y de 3 m. si es menor (NTP 208: Grúa móvil)
En caso de contacto de la flecha o de cables con una línea eléctrica en tensión, como norma de seguridad el gruísta deberá permanecer en la cabina hasta que la línea sea puesta fuera de servicio ya que en su interior no corre peligro de electrocución. No obstante si se viese absolutamente obligado a abandonarla, deberá hacerlo saltando con los pies juntos, lo más alejado posible de la máquina para evitar contacto simultaneo entre ésta y tierra. 4.2. 5 Mantenimiento preventivo El mantenimiento adecuado de todo equipo industrial tiene como consecuencia directa una considerable reducción de averías, lo cual a su vez hace disminuir en la misma proporción la probabilidad de que se produzcan accidentes provocados por aquéllas. Tiene por ello gran importancia realizar el mantenimiento preventivo tanto de la propia máquina como de los elementos auxiliares en los que, como mínimo, constará de las siguientes actuaciones: 87
a) De la máquina Además de seguir las instrucciones contenidas en el Manual de Mantenimiento en el que el constructor recomienda los tipos de aceites y líquidos hidráulicos que han de utilizarse y se indican las revisiones y plazos con que han de efectuarse, es de vital importancia revisar periódicamente los estabilizadores prestando particular atención a las partes soldadas por ser los puntos más débiles de estos elementos, que han de verse sometidos a esfuerzos de especial magnitud. b) De los elementos auxiliares Los elementos auxiliares tales como cables, cadenas y aparejos de elevación en uso deben ser examinados enteramente por persona competente por lo menos una vez cada seis meses. Con propósitos de identificación, de modo que puedan llevarse registros de tales exámenes, debe marcarse un número de referencia en cada elemento y en el caso de eslingas se fijará una marca o etiqueta de metal numerada. En el registro se indicará el número, distintivo o marca de cada cadena, cable o aparejo, la fecha y número del certificado de la prueba original, la fecha en que fue utilizado por primera vez, la fecha de cada examen así como las particularidades o defectos encontrados que afecten a la carga admisible de trabajo y las medidas tomadas para remediarlas. 4.2.6 Protección personal Para la prevención de accidentes en las maniobras con camión-grúa, además de los dispositivos de seguridad y medidas preventivas descritas, se han de utilizar, según los 88
riesgos de cada puesto de trabajo, los siguientes equipos de protección personal que deberán estar homologados según las Normas Técnicas Reglamentarias correspondientes:
Ropa de trabajo adecuada. Casco de seguridad. Pantallas para la protección del rostro. Gafas protectoras para la protección de la vista. Auriculares, casquetes antirruido o similares para la protección de los oídos. Botas de seguridad con refuerzos metálicos. Guantes de seguridad. Cinturones de seguridad.
4.2.7 Comportamiento humano a) Actitudes psicofísicas Las maniobras de las grúas conllevan grandes responsabilidades por lo que solamente deben confiarse a personas capaces, exentas de contraindicaciones físicas (limitación de las capacidades visuales y auditivas, tendencia al vértigo, impedimentos físicos de otra naturaleza, etc.) dotadas de rapidez de decisión y de reacción y que posean los conocimientos técnicos precisos. Mediante un cuidadoso examen médico y psicotécnico es posible realizar una selección previa del personal apto, pero su especialización en maniobras con la grúa requiere también efectuar, con resultado positivo, un período de instrucción teórica y de enseñanza práctica como ayudante de maquinista calificado.
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b) Aptitudes ergonómicas La óptima posición del cuerpo humano es la postura de sentado y en su defecto la de pie-sentado y por ello, en las máquinas que disponen de cabina de control y mando es esencial un asiento cómodo para el gruísta, que debe estar situado de tal forma que permita la máxima visión de todas las operaciones de izado. La cabina de la grúa estará acondicionada contra las inclemencias del tiempo de manera que en su interior los factores, temperatura y humedad se mantengan dentro de la zona de confort. Asimismo estará protegida contra ruidos y vibraciones. Los controles de la máquina deben quedar al alcance del gruísta, de modo que puedan accionarse sin esfuerzos innecesarios.
4.3 DISEÑO DEL PUENTE GRÚA En construcciones industriales es muy frecuente encontrar estructuras que deben estar previstas para la instalación de un puente grúa. Para la determinación de cargas aplicadas y reacciones se debe seguir la norma UNE 76 201-88. 4.3.1 Factores de diseño a) Cálculo de las acciones a considerar Para el cálculo de las reacciones nos remitiremos a la documentación aportada por el fabricante y a la norma UNE-76-218-88 cuando la primera no sea suficiente.
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b) Clasificación del puente grúa Antes de entrar en el cálculo de reacciones, debemos clasificar el puente grúa conforme a la norma UNE-76218-88. La clasificación se realiza por dos criterios: Estado de carga El primer criterio es el estado de carga, de acuerdo al cual se clasifican las grúas en función de la solicitación de carga en cuanto a frecuencia y peso, como se detalla a continuación.
Q0 (muy ligero): levantan excepcionalmente la carga nominal y manejan corrientemente cargas más ligeras. Q1 (ligero): levantan con bastante frecuencia la carga nominal y manejan corrientemente cargas más ligeras (del orden de 1/3 la carga nominal). Q2 (mediano): levantan con bastante frecuencia la carga nominal y manejan corrientemente cargas medianas (del orden de 1/3 a 2/3 la carga nominal). Q3 (pesado): levantan corrientemente cargas próximas a la nominal.
El estado de carga que se elija dependerá del tipo de instalación que estemos proyectando. Condiciones de utilización El segundo criterio lo constituyen las condiciones de utilización, que dependen del número de ciclos de utilización, magnitud que define 10 niveles (Ui), a su vez son agrupados en cuatro grandes grupos: 91
A: ocasional (U0 a U3). B: regular en servicio ligero (U4) o intermitente (U5). C: regular en servicio intensivo (U6). D: intensivo (U7 a U9).
Tabla 4-1 Clases de utilización
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Tabla 4-2 Clasificación de puentes grúas (UNE 76 201-88: tabla 3.32)
De acuerdo a los dos criterios de clasificación mencionados se forma una matriz para para determinar el grupo al cual pertenece nuestro puente grúa según el cuadro siguiente.
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Tabla 4-3 Cuadro de clasificación de los aparatos en grupos (UNE 76 201-88: tabla 3.4 3-1)
c) Reacciones verticales El fabricante debe dar directamente los valores de las reacciones verticales en cada rueda de la viga testera, habrá que estimar según el tipo de grúa o calcular numéricamente y será la que se empleará en el cálculo (V). Ahora bien, estos valores corresponden a cargas estáticas, de manera que habrá que multiplicar estas cargas por un coeficiente amplificador ϕ que tendrá en cuenta los efectos dinámicos. Los valores de ϕ se obtienen de la tabla 5 de UNE-76-20188, tanto para la viga carril como para el cálculo de pilares. Tabla 4-4 Coeficiente dinámico f (UNE 76 201-88: tabla 3.6 2-3)
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Por lo tanto la carga dinámica será:
Ecuación 4-1
=ϕ
d) Reacciones longitudinales Las reacciones longitudinales son las producidas por el puente al frenar o acelerar en su traslación a lo largo de la viga carril; se trata por tanto de una acción dinámica. Dado que el fabricante no especifica las reacciones horizontales, habrá que estimarlas por los procedimientos que aparecen en la norma UNE. El valor total de las reacciones longitudinales viene dado por la siguiente expresión (en la que se ha despreciado la fricción entre las ruedas y el camino de rodadura):
≤ =( +
+ )
2
( +
+ )
Ecuación 4-2
es el total de carga vertical, en nuestro caso igual a la suma de todas las reacciones verticales estáticas. jp es el valor medio de la aceleración del puente, según la tabla 6 de la norma. f es el coeficiente de adherencia, igual a 0.2 cuando el camino de rodadura es seco y 0.12 cuando el camino de rodadura es húmedo. kp es la relación entre las ruedas motrices y el total de ruedas, que normalmente será igual a 0.5, al ser motriz sólo uno de los dos lados las vigas testeras. +
+
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Si atendemos a la expresión anterior, existe una limitación por adherencia de valor ( + + ) , que en situaciones normales ( f=0.2 k p=0.5) equivaldrá a ( + + )/10. De darse dicha limitación, el reparto de las fuerzas longitudinales no sería uniforme entre ambos carriles, sino proporcional a la reacción vertical estática en cada uno de ellos. NOTA:
Así, de forma simplificada, y del lado de la seguridad, la fuerza longitudinal en un carril se puede obtener a partir de /10, donde Vi representa las reacciones verticales estáticas en dicho carril.
∑
Para determinar la aceleración tanto del puente como del carro en primer lugar se determina la velocidad según la capacidad del puente, la velocidad se determina de la siguiente tabla y las aceleraciones de la tabla 7 de la norma. Para determinar la velocidad de elevación de la carga se recurre al diagrama correspondiente en anexos.
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Tabla 4-5 Velocidad de movimiento en m/min (UNE 76 201-88)
Tabla 4-6 Velocidades y aceleraciones en un puente grúa (UNE 76 201-88: 3.6 2-4)
97
e) Reacciones transversales La aceleración o deceleración del carro genera unas reacciones transversales que son, al igual que las anteriores, fuerzas de carácter dinámico. El valor de estas fuerzas transversales dependerá únicamente del peso y aceleración del carro, su equipo y la carga, debiendo ignorar por tanto, el peso del puente en sí. Así, el peso a considerar en este caso será ( + ) en lugar de ( + + ) como ocurría con las fuerzas longitudinales.
El problema cuando se conoce el peso global del equipo, pero se desconoce el peso del carro y del puente por separado. Cuando no encontremos datos de este tipo, podemos recurrir al anexo A de la norma UNE 76-201-88, en la que aparecen unas características medias de puentes grúas no especiales.
≤ =( + )
2
( + )
Ecuación 4-3
Además de las cargas transversales derivadas del movimiento del carro, la aceleración del puente cuando el carro está situado en un extremo provoca un par de fuerzas Hp que equilibra el momento causado por la excentricidad de la fuerza de inercia del conjunto carga + carro + puente, dichas cargas se disponen como se muestra en la siguiente figura.
98
Figura 4-13 Cargas axiales producidas por el carro (UNE 76 201-88: tabla 3.6 25-2)
Para calcular estas fuerzas es necesario conocer la excentricidad (e), que indica la posición del centro de gravedad del conjunto cuando el carro está totalmente desplazado a un lado, y para ello el fabricante del puente debe indicar la mínima distancia posible entre el gancho y el camino de rodadura. Así, por equilibrio se obtiene el valor de (e):
=
2
2
+ ( + ). +
+
99
Ecuación 4-4
Según UNE 76-201-88 3.6.2.4, el par de fuerzas Hp sobre las ruedas de la viga testera es igual a:
=±
Ecuación 4-5
Desplazamientos
Se debe analizar los desplazamientos verticales que de acuerdo a la norma es de /750 como máximo, sin embargo si el fabricante del puente solicita un límite más estricto, habrá que indicar éste. En cuanto a la flecha horizontal de la viga carril la norma UNE 76-201-88 establece como máximo un valor igual a /1000.
Ejemplo 4.1 Determinar las reacciones sobre un puente grúa de una nave de almacenamiento con una luz entre ejes de 25 metros y una altura de pilares de 6 metros. Del puente se conoce los siguientes parámetros:
Luz del puente entre ejes de los carriles de rodadura = 24 . Distancia entre ruedas de cada viga testera
= 3.80
.
Distancia mínima entre el gancho y el apoyo en el camino de rodadura = 0.76 . Carga nominal
= 100
.
Reacción máxima vertical por rueda Rmáx=76 kN . 100
Reacción mínima vertical por rueda Rmin=26 kN . Velocidad de traslación de la grúa Vp=(10-40) m/min. Velocidad de traslación del carro Vc=(5-20) m/min. Con estos datos y la ayuda de la norma UNE 76-201-88 se puede determinar las reacciones sobre la estructura del puente. Cálculo de la viga carrilera Para la determinación de la carga sobre las carrileras primero se realiza una gráfica con apoyos cada 6 metros para evitar tener que realizar empalmes.
Ahora se debe categorizar el puente de acuerdo a la norma UNE 76-218-88, se categoriza mediante dos criterios. El primero es por el estado de carga. En el caso que nos situemos dependerá del tipo de instalación que estemos proyectando, en nuestro caso que es para un almacén, el estado de carga Q2 será el más adecuado. 101
Para el segundo criterio que es las condiciones de utilización que en nuestro caso será de servicio regular ligero o intermitente, grupo B, con estos datos y de la siguiente tabla, obtenemos que nuestro puente grúa pertenece al grupo 4.
Reacciones verticales Las reacciones verticales se deben determinar de un análisis estático, en función donde se sitúa el puente, en nuestro caso se ha especificado que es de 76 kN por cada rueda de la viga testera como máximo. Considerando que nuestra grúa pertenece al grupo 4 de la siguiente tabla se toma un coeficiente dinámico ϕ = 1.15 para la viga carrilera y un coeficiente dinámico ϕ = 1 para los soportes.
Por
lo
∗ que
=
la
.
carga
a
= 1.15 76 = 87.4
102
considerar
será:
Cálculo de reacciones longitudinales Se deben al movimiento del puente, producidas al frenar o acelerarse, por lo que para su cálculo se deben considerar todas las cargas, es decir Q+C+P. Por lo que:
+
+
= (76 + 26)2 = 204
De la siguiente tabla para una velocidad de 40 m/min (0.66 m/s), se tiene una aceleración del puente j p de 0.19 para aplicaciones corrientes.
Con la velocidad de traslación del carro de 20 m/min (0.33 m/s), de la tabla anterior, para un puente con gran recorrido, la aceleración media del carro j c es de 0.089 m/s2. El coeficiente de fricción f tanto para las ruedas del puente como las del carro será de 0.20 para el camino de rodadura igual a cero.
103
La relación de ruedas motrices k tanto para el puente como para el carro será de 0.5 considerando que tienen cuatro ruedas con dos de ellas como motrices. De la ecuación:
≤ =( +
2.
+ )
( +
+ ) .
Se tiene que:
= 8.43
Es decir 4.22 kN sobre cada viga carrilera. Reacciones transversales Las reacciones transversales se generan debido al desplazamiento del carro, es decir estas cargas estarán aplicadas sobre el puente, por lo que sólo hay que considerar Q+C en lugar de Q+C+P. De la ecuación
≤ =( + )
2.
Para la cual
= 0.089 = 0.5
+
= 140
Ya que para
= 10
=4
104
( + ) .
En donde se ha considerado que el peso del carro C = 4 t que corresponde al de un puente grúa del grupo 4 y carga nominal de 10 t . De la ecuación
≤ =(
+ )
2.
( + ) .
Se tiene que
= 2.53
Es decir sobre cada viga del puente existe una carga de 1.27 kN Además de esta carga se debe considera la carga debido a la excentricidad de aplicación de la carga cuando se mueve el puente, debido al centro de gravedad del conjunto carro carga puente. Para ello primero de la ecuación
=
2
2
+ ( + ). +
+
Y sabiendo que a = 0.76 m, se tiene = 7.71
Luego de la ecuación
=±
105
Se tiene que
= ±17.3
Hipótesis A: Puente con movimiento y el carro desplazado totalmente a un extremo
Hipótesis B: Puente parado con el carro en movimiento
106
BIBLIOGRAFÍA 1. ANDREONI, DIEGO La seguridad en la Construcción de Edificios Madrid, Obra Sindical de la Previsión Social, 1967. 2. OFICINA INTERNACIONAL DEL TRABAJO Enciclopedia de Medicina, Higiene y Seguridad del Trabajo Madrid, Instituto Nacional de Previsión, 1974. 3. PELTIER, F.L. Mise en Position et Calage des Grues Moviles. Note nº 1300-102-81 CDV 621.874 París. I.N.R.S., 1981. 4. BUCHLER, OTTO y WISS, ALBERT Grúas, máquinas de obras y líneas eléctricas aéreas Cahiers suisses de la securité du travail nºs. 98, 99-1970. 5. DIN 15019 Grúas. 6. MINISTERIO DE TRABAJO Ordenanza General de Seguridad o Higiene en el Trabajo B.O.E. nº 64 de 14-III1971. 7. EMPRESARIOS AGRUPADOS Trabajos con Grúas Móviles (Normas de Trabajo de la Empresa) C. Nuclear de Almaraz, 1973. 8. PELTIER, F.L.; BUCHLER, O y WISS, A. Figuras. NTP 214 Carretillas elevadoras. NTP 474 Plataformas de trabajo en carretillas elevadoras. NTP 319 Carretillas manuales: transpaletas manuales. NTP 253 Puente-grúa. 107
CAPITULO 5 5. TRANSPORTE BANDAS
POR
MEDIO
DE
5.1 ANTECEDENTES Los sistemas de transporte por medio de bandas son ampliamente utilizados en casi todo proceso industrial y empresas de servicios tales como centros comerciales, estaciones aeroportuarias y muchas otras actividades diarias. Son utilizadas para el movimiento tanto de material como de personas de un lugar a otro. En una planta industrial este tipo de sistemas son utilizados básicamente para el transporte, sin embargo son también ampliamente utilizados como dosificadores y sistemas de descarga de tanques o silos de almacenamiento.
5.2 DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA Este tipo de sistemas están constituidos básicamente por una banda sin fin arrastrados por unos rodillos, uno de ellos generalmente el de la parte inferior llamado de cola gira libremente, el otro situado en la cabeza por lo general es el motriz y el tambor tensor como se puede ver en la figura 5-1. Los demás elementos van montados sobre una estructura o bancada que le da la rigidez necesaria al 108
sistema, otros elementos considerados secundarios pero no de menor importancia son: las tolvas de alimentación y de descarga, los rodillos de avance y retorno.
Figura 5-1 Disposición de los tambores
Según la Norma Técnica de Prevención NTP 89 se denominan cintas fijas a aquéllas cuyo emplazamiento no puede cambiarse. Las cintas móviles están provistas de ruedas u otros sistemas que permiten su fácil cambio de ubicación; generalmente se construyen con altura regulable, mediante un sistema que permite variar la inclinación de transporte a voluntad.
109
Figura 5-2 Esquema de componentes de una cinta transportadora (Departamento de Ingeniería Mecánica Calos III de Madrid)
5.3 TIPOS PRINCIPALES TRANSPORTADORAS.
DE
BANDAS
Pueden llevarse a cabo las siguientes clasificaciones:
Según el tipo de tejido: algodón, tejidos sintéticos y cables de acero. Según la disposición del tejido: varias telas o capas o de tejido sólido. Según el aspecto de la superficie portante de la carga: lisas, rugosas, con nervios, tacos o laterales vulcanizados.
a) Bandas
Las bandas utilizadas para el transporte de material pueden ser:
Sintéticas 110
Textiles Metálicas Otros materiales
Las bandas textiles están formadas por varias capas y tienen recubrimientos especiales, los mismos que dependen del uso o aplicación (figura 5-3); El conjunto de telas que soportan los esfuerzos suele llamarse “carcasa”.
Figura 5-3 Banda textil estándar
b) Diámetro de los tambores El diámetro de los tambores depende de varios factores, pero principalmente principalmente del tipo de banda, recomendaciones recomendaciones generales para bandas sintéticas se puede ver en la tabla 5.1. Tabla 5-1 Diámetro mínimo de tambores para bandas sintéticas
111
En la tabla anterior se puede observar recomendaciones generales para determinar el diámetro mínimo de los tambores, para lo que existe una clasificación que depende del tipo de material como se indica a continuación.
A Granos y otros materiales materi ales de relativa fluidez y baja abrasión B Carbón en mina y materiales moderadamente moderadamente abrasivos C Minerales duros y materiales muy abrasivos
Además el diámetro mínimo se puede determinar a partir de la siguiente fórmula, de acuerdo a la norma DIN 22101.
=
360.
Ecuación 5-1
. . .
En donde:
Es el diámetro mínimo recomendado del tambor de accionamiento expresado en metros. Es la fuerza de accionamiento expresada en kilogramos.
Es la capacidad de transmisión del tambor por metro cuadrado de banda. Representa al ángulo de arrollamiento en grados, y
Es el ancho de banda en milímetros.
2 2
La capacidad de transporte ( p) tiene valores entre [1600 2000 ] / , y en estaciones subterráneas puede llegar hasta hasta 3500 / 112
Según la norma DIN 22101 los diámetros normalizados son: 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1400, 1600, 1800 y 2000 mm. Los diámetros de los tambores de cola y tensor deben ser por lo menos el 80% y el diámetro del tambor de desviación el 65% del diámetro del tambor de accionamiento.
5.4 COEFICIENTE DE SEGURIDAD En las bandas transportadoras se consideran coeficientes de seguridad elevados, ya que deben tener en cuenta los esfuerzos adicionales en servicio, tales como la flexión en los tambores, las irregularidades de reparto de las tensiones sobre la carcasa, las irregularidades irregularidades en la carga, carga, sobretensiones de arranque, pérdida de resistencia en empalmes, impactos en la carga, envejecimiento de la banda, etc. La norma DIN 22101 recomienda los siguientes valores para bandas de carcasa carcasa textil: Tabla 5-2 Factores de seguridad para bandas de carcasa c arcasa textil
Coeficientes de Seguridad para Bandas de Carcasa textil Número de Capas (z) (z) de 3 a 5 de 6 a 9 más de 9 Coeficiente de Seguridad 11 12 13 (S) Lo normal es que el número de capas no sea superior a 5, por lo que en general se toman coeficientes coeficientes del orden de 11 ó 12. Es preferible además, que el número de capas sea el menor posible, ya que con ello se consigue mayor flexibilidad de la banda y mejor acoplamiento de las capas durante el trabajo. 113
El coeficiente de seguridad depende también del tiempo en que la banda completa su recorrido, ya que de él dependen el número de flexiones en los tambores y los impactos de carga. En general, si no hay otros factores que puedan influir, puede disminuirse hasta en dos unidades, si el tiempo de recorrido es superior a 5 minuto mi nutos. s. Para las bandas de carcasa metálica, el coeficiente de seguridad que se recomienda, debe ser igual o superior a 8. También en este caso, si el tiempo de recorrido es superior a 10 minutos, este coeficiente puede disminuirse en una unidad. Con ello, el número de capas textiles de refuerzo en una banda, vendrá dado dado por:
=
.
Ecuación 5-2
100. .
En donde: z es el número de capas textiles. S es es el coeficiente coeficiente de sguridad.
Tm es la tención te nción máxima de trabajo de la banda (kgf ). ). R1 Es la resistencia nominal de cada cada capa textil (kgf/cm). B es el ancho de banda (m).
Si el tiempo de recorrido es superior a cinco minutos se puede reducir en dos unidades unidades el número de capas.
114
En el caso de banda de carcasa metálica, la resistencia nominal de la banda vendrá dada por:
=
En donde:
.
Ecuación 5-3
100.
S es es el coeficiente de seguridad. Rn es la resistencia nominal de la banda de carcasa metálica.
5.5 CAPACIDAD DE TRANSPORTE La capacidad de transporte de material se determina mediante la definición de caudal volumétrico que es:
Ecuación 5-4
= .
En donde A es el área de la sección transversal del material sobre la banda y v es la velocidad lineal de la banda. A la ecuación anterior hay que corregirla utilizando un factor de corrección debido a la inclinación del sistema, por lo tanto se tiene:
= . .
Ecuación 5-5
Sabiendo que = , y que = , se tiene: =
. .
= . . .
=
. .
= . . .
115
Ecuación 5-6
En estas ecuaciones el caudal volumétrico está en m3 /s, el caudal másico en kg/s y el caudal en peso está en N/s, si el área está en m 2, la velocidad en m/s, y el peso específico en N/m3. En aplicaciones de minería y transporte de material al granel los caudales son grandes por lo se acostumbra a hablar en toneladas por hora, por lo que utilizando un factor de transformación de unidades se tiene:
= 3600. . . .
Ecuación 5-7
En donde:
es la capacidad de transporte (t/h).
A representa la sección transversal del material sobre la banda (m2).
es el peso específico del material (t/m3).
k es un coeficiente de llenado que depende de la inclinación del sistema.
5.5.1 Procedimiento de cálculo Uno de los objetivos en el procedimiento de cálculo es determinar las características generales del sistema, tales como ancho y tipo de banda, velocidad de accionamiento y disposición de los rodillos de tal manera que cumpla con los requerimientos de transporte. Para explicar el procedimiento de cálculo plantearemos un ejercicio.
116
Determinar la velocidad y ancho de banda en un sistema para transportar 1500 toneladas por hora de caliza, con un tamaño máximo de 250 milímetros con el 10 % de gruesos, un ángulo de talud dinámico o sobrecarga de 20°, se supone que el material es no abrasivo, friable pero sin influencia en su precio por ser necesaria una trituración posterior. La longitud de la banda es de 805 m, tiene un desnivel de 150 m y una inclinación de 10,73°.
Figura 5-4 Aplicación de bandas en el transporte (Departamento (Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad Universidad Carlos III Madrid)
En primer lugar en función del tamaño de los trozos de la tabla G de anexos (Tabla 5-3) se selecciona un ancho de banda recomendada. recomendada. En nuestro caso para un tamaño de trozos de 250 mm se toma un ancho de banda de 800 mm
117
Tabla 5-3 Ancho de banda en función del tamaño de trozos (Catálogo ROTRANS)
Con este ancho de banda de la tabla K (Tabla 5-4) se determina un caudal volumétrico para una velocidad de 1 m/s, pero primeramente se debe decidir sobre la disposición de los rodillos.
Figura 5-5 Capacidad Volumétrica (Catálogo ROTRANS)
En nuestro caso tomaremos un valor del ángulo de artesa (λ ) de 30°, luego de la siguiente tabla se determina que la capacidad volumétrica volumétrica es de 239 ( m3 /h).
118
Tabla 5-4 Caudal en m 3 /h para una velocidad de 1 m/s (Catálogo ROTRANS)
La capacidad en peso será:
=
. .
De los anexos tabla 2 tomamos un peso específico de 1.55 t/m3 Tabla 5-5 Peso específico del material en t/m 3
De la tabla L para el ángulo de 10°, se toma un valor de k=0.95.
119
Tabla 5-6 Factor de reducción en función f unción del ángulo λ (Catálogo ROTRANS)
Utilizando la ecuación:
∗ ∗ ℎ ℎ =
Entonces
. .
= 239 1.55 0.95 [ ] = 351. 351.9 92 [ ]
Como el caudal volumétrico de 239 m3 /h fue determinado para una velocidad de 1 m/s, hay que corregir para la velocidad recomendada, la misma que se determina de la tabla F (C13) de los anexos en función del tipo de material y ancho de banda 120
Tabla 5-7 Velocidad recomendada de la banda (Catálogo ROTRANS)
Entonces el flujo total t otal será:
= 1266 1266,9 ,939 39
4 = 1302.1 2.13[ ]
Como el caudal requerido es de 1500 t/h, hay que corregir cambiando ya sea el ancho de banda, el ángulo de artesa o la velocidad de la banda. En el caso en que el tamaño de los trozos a transportar no es significativo, la capacidad de transporte de la banda se calcula aplicando la siguiente relación.
En donde:
= 3600. . . .
v es la velocidad en m/s. m/s.
121
es el peso específico en toneladas por metro cubico (t/m3). A es la sección transversal del material sobre la banda m2. k es el coeficiente de reducción de capacidad de la banda debida a la inclinación.
Q es la capacidad de transporte en toneladas por hora (t/h). El área de la sección transversal se calcula como se muestra en la figura 5-6.
Figura 5-6 Área de la sección transversal de la banda (Departamento de Ingeniería Mecánica Calos III de Madrid)
En donde:
≤ = 0.9 =
0.05
0.2
2
Ecuación 5-8
>2
También de la tabla 5-8 se puede obtener la capacidad de transporte en m3 /h para una velocidad de 1 m/s y la sección transversal en m2.
122
Tabla 5-8 Capacidad de transporte (Departamento de Ingeniería Mecánica Calos III de Madrid)
En este caso para el dimensionamiento del sistema se debe determinar la sección transversal en función del caudal volumétrico.
5.6 POTENCIA DE ACCIONAMIENTO Por definición la potencia requerida en los rodillos del sistema viene dada por el producto entre la fuerza que se opone al movimiento y la velocidad de transporte, por lo que la potencia en Vatios se obtiene con la siguiente fórmula.
=
Ecuación 5-9
.
En donde Fu es la fuerza que se opone al movimiento en N y v es la velocidad de la banda en m/s. Además la potencia de accionamiento, es decir la potencia en el eje de entrada al sistema o a su vez la potencia del motor o moto reductor instalado sería la arriba indicada, es decir la potencia requerida afectada por una eficiencia, la misma que se recomienda esté entre 65 y 95 %. 123
La potencia de accionamiento en el motor viene dado por la siguiente fórmula.
=
Ecuación 5-10
η
5.6.1 Resistencia al movimiento La resistencia al movimiento en un sistema de banda transportadora es la suma de las resistencias que se pueden generar tales como la resistencia al avance del material, al avance de la banda, rozamientos y otros, una especificación de dichas resistencias de acuerdo a la norma UNE 58-204-92 son las siguientes: 1. 2. 3. 4. 5.
Resistencias principales, FH Resistencias secundarias, FN Resistencias principales especiales, Fs1 Resistencias secundarias especiales, Fs2 Resistencias debidas a la inclinación, Fst
La resistencia al movimiento está dada por la siguiente relación.
2 =
+
+
+
+
Ecuación 5-11
Las resistencias 1 y 2 aparecen en todas las instalaciones Las resistencias 3 y 4 aparecen en algunas instalaciones Las resistencias 1 y 3 actúan en toda la banda Las resistencias 2 y 4 actúan en ciertas zonas
124
5.6.2 Resistencias principales F H Las resistencias primarias son todas resistencias relacionadas con la fricción que se produce en la correa transportadora, con excepción de las resistencias especiales. Para fines de simplificación y suponiendo una relación lineal entre las resistencias y la carga transportada para cada sección individual i, las resistencias primarias FHi de cada sección individual se determinan en forma separada.
= . . [
+ (2.
+
).cos ]
+
Ecuación 5-12
5.6.3 Resistencias secundarias F N Las resistencias secundarias son resistencias relacionadas con la fricción y la inercia que ocurren solo en ciertas partes de la correa transportadora. Las resistencias secundarias son independientes de la longitud de la correa y son constantes. Con distancias centrales largas, su significación disminuye en relación con las resistencias al movimiento distribuidas a lo largo del recorrido de transporte.
→ +
+
= .
= .
. . [
. [
+
+
Cuando > 80
+ (2.
+ (2.
<
En la ecuación anterior:
f es el coeficiente de fricción.
125
+
+
).cos ]
).cos ]
Ecuación 5-13
Lc es la longitud corregida de la banda (m). q RO es la masa de los rodillos de trabajo por unidad de longitud (kg/m). q RU es la masa de los rodillos de retorno por unidad de longitud (kg/m). q B es la masa de la banda por unidad de longitud (kg/m). qG es la masa del material a transportar por unidad de longitud (kg/m). δ es la
inclinación del sistema.
Las bandas transportadoras de poca longitud necesitan mayores esfuerzos para vencer la resistencia a la fricción que las bandas de gran longitud.
Figura 5-7 Ángulo δ
5.6.4 Resistencia debida a la inclinación F St Las resistencias especiales son aquellas que no ocurren en todas las correas transportadoras. Estas son, en especial, la resistencia vertical de los polines (idlers), resistencias de fricción al exterior de las estaciones de alimentación y resistencias de los equipos utilizados para alimentar el material a granel al exterior si esto ocurre en el curso del recorrido de transporte. 126
=
. .
Ecuación 5-14
En donde: qG Es la masa de la carga por unidad de longitud (kg/m) H es la altura de la instalación (m).
5.6.5 Determinación de cada uno de los factores a) Coeficiente de fricción f Se determina de la tabla Ñ del anexo (Tabla 5-9). Tabla 5-9 Coeficiente de fricción (Catálogo ROTRANS)
b) Factor de longitud C L Este factor se determina de la tabla 5-10
127
Tabla 5-10 Factor de longitud (Catálogo ROTRANS)
c) Longitud C L Se determina mediante la siguiente ecuación.
=
Ecuación 5-15
.
d) Masa de los rodillos de trabajo por unidad de longitud qRO [kg/m] La masa de los rodillos de trabajo por unidad de longitud es la masa de los rodillos dividida para la distancia entre estaciones (paso), y se determina mediante la siguiente ecuación.
Ecuación 5-16
=
En donde m R es la masa de los rodillos y se determina de la tabla 5-11 y la distancia entre estaciones se puede determinar de la tabla 5-12.
128
Tabla 5-11 Masa de los rodillos (Kg) (Fundamentos de diseño PHOENIX)
Tabla 5-12 Distancia entre estaciones (m) (Catálogo ROTRANS)
e) Masa de los rodillos de retorno por unidad de longitud qRU [kg/m] La masa de los rodillos de trabajo por unidad de longitud es la masa de los rodillos dividida para la distancia entre estaciones (paso), y se determina mediante la siguiente ecuación.
129
Ecuación 5-17
=
En donde m R es la masa de los rodillos y se determina de la tabla 5-11 y la distancia entre estaciones se puede determinar de la tabla 5-12. f) Masa de la banda por unidad de longitud qB [kg/m] Para banda textil
=
(1.2 +
. )
Ecuación 5-18
)
Ecuación 5-19
Para banda metálica =
(1.2 +
En donde E es el espesor total de los recubrimientos PI peso por metro cuadrado de cada lona se obtiene en la tabla B2 de anexos C (Tabla 5-13). Tabla 5-13 Valores de PI
Pm peso por metro cuadrado de los cables y goma intermedia en la tabla B1 de anexos C (Tabla 5-14).
130
Tabla 5-14 Peso de los cables (Catálogo ROTRANS)
Z el número de lonas. De la tabla 5-15 se puede también obtener un peso orientativo de la banda por unidad de longitud ( kg). Tabla 5-15 Peso orientativo por metro (Kg/m) (Catálogo ROTRANS)
g) Masa de la carga por unidad de longitud qG [kg/m] De la ecuación
=
Ecuación 5-20
3.6
131
En donde Q está en t/h y v en m/s
Ejemplo 5.1 Del ejercicio anterior determinar la potencia requerida. En primer lugar se debe determinar las resistencias en la banda de la siguiente manera.
2 =
+
+
+
+
En donde: +
= .
. [
+
+ (2.
El coeficiente de fricción es de 0.02
El factor de longitud es de 1.12
132
+
).cos ]
5.7 ACCIDENTABILIDAD El análisis de la accidentabilidad en las cintas transportadoras de materiales a granel pone de manifiesto que se trata de aparatos que producen pocos accidentes, lo que se puede atribuir a la escasa presencia de operarios a pie de máquina y a la reducida tasa de manipulación en las mismas. Igualmente se pone de manifiesto que, en su mayoría, los accidentes merecen la calificación de graves y dejan muy lamentables secuelas por incapacidades laborales permanentes debidas primordialmente a amputaciones, arrancamientos y desgarros musculares que inutilizan las extremidades superiores afectadas. También se constata que la mayoría de accidentes se producen por la manipulación directa de los operarios sobre partes de las cintas al intentar solucionar, sobre la marcha y sin parar, alguna anomalía en el funcionamiento (atascos, derrames, deslizamientos, etc.). 5.7.1 Accidentes más comunes En instalaciones de transmisión por banda, los accidentes más comunes son:
Atrapamientos en los tambores En el tambor de cola o En el tambor de cabeza o Caída de personas Desde la cinta o Sobre la cinta o Caída de materiales Materiales a transportar o Partes componentes del sistema o Inhalación de polvos
133
a) Atrapamientos en los tambores En el tambor de "cola" Generalmente se actualiza al realizar operaciones de limpieza de las adherencias, de materiales pulverulentos o pastosos, en la superficie de los tambores lisos, o de incrustaciones de fragmentos duros en los intersticios de los tambores ranurados. En el primer caso se produce una desalineación de la banda y en el segundo se daña la banda por fatiga de la misma y por cortes y muescas que producen las aristas de los materiales incrustados. Para eliminar las adherencias que recrecen desigualmente el diámetro de tambor, los operarios, comúnmente con la cinta en marcha, aplican una barra metálica de forma tangencial al tambor y presionando fuertemente producen un rascado y la caída de las adherencias. En parecida forma suelen actuar para la eliminación de las incrustaciones de trozos duros en los intersticios de los tambores ranurados, golpeándolos con martillos o herramientas a fin de fragmentarlos. Es evidente que estas operaciones de "limpieza" son muy peligrosas, puesto que se manipula generalmente en posturas incómodas y en espacios angostos a pequeña distancia de las zonas de riesgo, por lo que al mínimo descuido o falso movimiento se produce el atrapamiento de las manos del operario. En el tambor de "cabeza" En este tambor raramente se producen adherencias o incrustaciones de materiales. Los atrapamientos suelen presentarse al intentar arrojar productos granulados como arena, sobre el tambor para aumentar su poder de arrastre, cuando la cara interior de la banda y el tambor están 134
mojados y la banda se desliza (goteo de material, lluvia, etc.), también al intentar la limpieza de los rodillos de presión. b) Caída de personas Desde la cinta En muchas ocasiones las cintas discurren por encima de las propias instalaciones bien sea en posición inclinada o plana. Por ello en los casos de caída de personas, las lesiones producidas se ven agravadas por las consecuencias de las propias máquinas, o equipos sobre los que se precipita. Si bien es cierto que en las cintas transportadoras no suele existir puestos de trabajo fijos, no lo es menos que de forma periódica deben realizarse operaciones de mantenimiento que obligan al personal a efectuar recorridos en toda su longitud para vigilancia, engrase o sustitución de rodillos, y para tener acceso a los mecanismos de accionamiento que generalmente se sitúan en "cabeza".
Figura 5-8 Caida de material (NTP 89)
135
Cintas transportadoras careciendo de plataforma y de pasarela de visita, para acceso a los mecanismos motrices Sobre la cinta Es también frecuente encontrarse con cintas que salen de fosos o que discurren a escasa altura del suelo y a través del piso o por el interior de zanjas quedando a nivel del suelo o ligeramente por debajo. El accidente se producirá al precipitarse sobre la cinta, cuando ésta discurre en profundidad, o bien por una pérdida de equilibrio, cuando se intenta cruzar pisando sobre la cinta, estando en marcha. c) Caída de materiales Materiales t ransportados Cuando las cintas transportadoras discurren en altura por encima de zonas de trabajo o de paso de vehículos o personas, debe prestarse especial atención a prevenir que la caída accidental de los fragmentos gruesos transportados pueda alcanzar a las personas, por la gravedad de las lesiones que se podrían causar con el impacto directo. Igualmente es preciso evitar la caída de las partículas de granulometría fina que, si bien con su impacto no pueden causar lesión, pueden dar lugar a acumulaciones en el piso, que en el mejor de los casos da sensación de suciedad y puede provocar caídas del personal por resbalones, etc. En aquellas zonas en que los vientos dominantes presentan fuerzas importantes deben tomarse medidas a fin de evitar que las bandas de cierta longitud sean desplazadas dando lugar a su caída y la del material transportado, así como a 136
la aparición de esfuerzos que incluso pueden llegar a dañar la propia estructura de la cinta. Los derrames en el recorrido de la cinta suelen ser debidos a: una excesiva inclinación de la cinta; una excesiva o irregular carga de la cinta; un ancho inadecuado de la banda; falta de tensión de la banda; adherencias de material húmedo o mojado a la banda; falta de potencia del motor; roturas en la banda transportadora, etc. Componentes de la cinta En las cintas dotadas de sistemas de tensión por contrapeso, la necesidad de disponer de un espacio vertical para su desplazamiento (carrera), obliga en ocasiones a que el sistema se coloque en altura. La rotura de la banda transportadora puede dar lugar a la caída del contrapeso y ser causa de graves accidentes por aplastamiento. En algunas cintas transportadoras de altura regulable, mediante sistema de cable y poleas, es el propio cable exclusivamente el que mantiene la cinta en posición. La rotura ocasional del referido cable provocará el desplome de la cinta. d) Inhalación de polvo En ocasiones los materiales transportados tienen un alto contenido de polvo, por lo que, tanto en la zona de recepción como en la de vertido, esto es, cuando el material "está en el aire", se producen fuertes emisiones de polvo que pasan al ambiente. Igualmente ocurre durante el recorrido de la cinta, si está expuesta a la acción del viento. 137
5.7.2 Sistemas de prevención a) Frente al atrapamiento en los tambores Debe impedirse la accesibilidad a los distintos elementos del tambor de "cola", mediante el carenado del conjunto a base de rejilla metálica que permita la visión de la cinta.
Figura 5-9 Carenado del tambor de "cola" (NTP 89)
Este carenado, además de cubrir los soportes de los tambores, los extremos de los ejes, chavetas, etc., debe prolongarse lateralmente un metro desde el tambor, a cada lado de la cinta. A fin de reducir en lo posible las incrustaciones y adherencias, en el tambor de "cola" por goteo y materiales derramados deben establecerse una separación física entre el ramal de transporte y el de retorno a base de colocar un elemento de cubrición a lo largo de este último. El cubrimiento debe abarcar también la máxima zona posible del sector de tambor comprendido entre las caras interiores de los dos ramales de la banda transportadora. No se considera suficiente la colocación de un elemento deflector y de rascado de la cara interior de la banda transportadora por cuanto, si bien se eliminan los 138
fragmentos gruesos, es prácticamente imposible el evitar el paso del barrillo y de las partículas finas adheridas a la banda. Instalar mecanismos que permitan realizar la operación de "rascado" del tambor a voluntad del operario cuando se observe la formación de "costras". El accionamiento debe realizarse desde el exterior de la cinta sin necesidad de retirar la rejilla protectora.
Figura 5-10 Sistema de rascador manual para tambor de "cola" (NTP 89)
Se considera que los tambores de tipo "jaula de ardilla" no deben utilizarse para el transporte de materiales duros y de fragmentos de granulometría superior a 15 milímetros. En cualquier caso la mínima separación entre las barras que configuran el tambor debe ser de 2 veces la dimensión máxima del material transportado. Las indicaciones de los apartados anteriores son aplicables también para los rodillos de presión, sistemas retráctiles y 139
de descargas intermedias móviles, tambores de tensión, etc. Debe mantenerse un buen ajuste entre las tolvas o tolvines de alimentación y la superficie de la banda transportadora, bien sea directamente o mediante el empleo de tiras de material flexible (goma, lona, etc.) a modo de faldones. Es igualmente aconsejable que en la zona de carga la banda transportadora discurra apoyada sobre un lecho de rodillos dispuestos horizontalmente que pueden ser de tipo amortiguador cuando los fragmentos que se reciban sean gruesos y se produzcan impactos que puedan dañar la banda. b) Frente a la caída de personas Las cintas que discurren elevadas o que ofrecen peligro de caída desde más de 2 metros de altura para el personal que debe circular por ellas o que deba situarse en ellas para realizar operaciones de mantenimiento, deberán disponer de plataformas de visita en las zonas de los tambores elevados y de pasarelas de visita a lo largo de los tramos elevados. Tanto las pasarelas como las plataformas de visita, deben disponer de barandillas suficientemente resistentes y el piso, tanto si es continuo como si está formado por escalones, debe ser de material antideslizante ciego, ranurado o perforado y, en todo caso, debe permitir una fácil eliminación de las aguas y de las posibles acumulaciones de sedimentos, polvo, etc.
140
Figura 5-11 Escalerilla de acceso y pasarela de vista (NTP 89)
El cuerpo de la cinta transportadora debe quedar a media altura respecto al piso de la pasarela o plataforma de visita, a fin de que se pueda realizar con comodidad la inspección y mantenimiento de los rodillos que soportan el ramal de retorno de la banda. La separación existente entre el piso de la pasarela o de la plataforma y el cuerpo de la cinta debe ser protegido mediante barandilla o paneles resistentes que eviten la posible caída de personas por dicha parte interior. El acceso a las pasarelas o plataformas de visita debe poder realizarse cómodamente a nivel del piso o bien a través de una escalerilla. Las aberturas en el piso, a través de las que discurren cintas, deben ser amplias y disponer de barandillas que cierren todo su perímetro. Deben disponerse pasos elevados o inferiores fijos o móviles, según convenga, para facilitar la circulación del personal, estableciendo barreras que impidan el paso si no 141
es utilizando los puntos dispuestos al efecto. Tanto las pasarelas como las escalerillas de acceso deben estar provistas de barandillas. Las cintas que discurren a nivel del suelo o por debajo de él deben tener las aberturas (fosos) protegidas mediante barandillas o cubiertas con elementos suficientemente resistentes, en función del tipo de circulación que deban soportar. c) Frente a la caída de materiales Cuando la alimentación a la cinta es irregular y con aportaciones puntuales que determinan la formación de montones sobre la banda, debe instalarse a la salida del tolvín algún elemento de tipo fijo y oscilante cuyo cometido sea el de esparcir o extender los montones a fin de evitar derrames posteriores. Igualmente, para regular los desfases en producción de distintos elementos consecutivos, es aconsejable introducir entre estos elementos un tolvín u otro elemento capaz de absorber y regular las diferencias de flujo. En los tramos en que las cintas discurren sobre áreas de trabajo o de circulación, deben adoptarse medidas muy estrictas para evitar caída de materiales, especialmente si son de granulometría gruesa: Instalando encauzadores ajustados a la parte superior de la banda, que retengan los ocasionales fragmentos rodantes que se presenten. Carenando totalmente el tramo de cinta de forma que los posibles derrames queden retenidos en el interior.
142
Disponiendo debajo de la cinta paneles de recogida, instalados con pendiente suficiente para que los derrames puedan ser encauzados y vertidos directamente en zonas no conflictivas.
Figura 5-12 Carenado mediante placas metálicas (NTP 89)
En las zonas afectadas por fuertes vientos y con instalaciones al aire libre deben colocarse puentes de pletinas metálicas abrochadas al propio bastidor de la cinta para retener la banda y que no pueda ser desplazada. El contrapeso de las estaciones automáticas de tensión de la banda debe tener instalado un sistema que no permita la caída libre del mismo. En los casos en que el contrapeso quede situado a poca altura del suelo debe colocarse una pantalla en todo el perímetro de la vertical del contrapeso, que impida el paso del personal por dicha zona. Las cintas de altura regulable, en las que el sistema de elevación es el que las mantiene en posición, deben dotarse de un dispositivo mecánico que conserve a la cinta en posición, evitando su desplome, si se produjera la rotura o fallo del propio sistema de elevación. Una posible solución para los sistemas de cable es la colocación de una pletina metálica, que se fija al bastidor de la cinta mediante un perrillo. 143
Figura 5-13 Pletina de tope para mantener en posición una cinta de altura regulable (NTP 89)
d) Frente a la inhalación de polvo Carenar la zona de recepción y de vertido instalando un sistema de extracción localizada cuyos volúmenes de captación deben canalizarse y someterse a un sistema de depuración. En los casos de exposición al viento será suficiente con el carenado del transportador. Varios Junto a los tambores, grupos de accionamiento, rodillos de presión y de los sistemas retráctiles, de descargas móviles intermedias (tripper), tensión automática, etc., deben instalarse botoneras de paro de emergencia que sean fácilmente accesibles para el personal que pueda manipular en la cinta. El accionamiento del sistema de paro debe estar enclavado con los elementos anterior y posterior de la cinta. La puesta en marcha de la cinta deberá requerir el desbloqueo desde el punto en que se accionó el paro de emergencia (Ver NTP 86.83). Las cintas transportadoras de gran longitud y las que transportan caudales importantes deben disponer, a todo lo largo de su recorrido, de un cable que accione un paro de emergencia. Dicho cable debe ser perfectamente accesible 144
y debe actuar cualquiera que sea el sentido y dirección en que se tire del mismo. El accionamiento del sistema de paro debe estar enclavado con los elementos anterior y posterior de la cinta. La puesta en marcha de la cinta deberá requerir el desbloqueo desde el cuadro eléctrico en que se disparó el paso de emergencia. Delimitar e interponer obstáculos a fin de evitar el paso de personas andando por debajo de las cintas en aquellos tramos en que la altura libre sea inferior a 2 metros. Es preciso señalizar y encauzar debidamente la circulación de vehículos bajo las cintas por zonas en las que la altura libre permita holgadamente el paso de los equipos autopropulsados y de los camiones, incluso con el volquete levantado.
145
BIBLIOGRAFÍA 1. UNE - 58.202 Transportadores de cintas flexibles para productos a granel 2. UNE - 58.203 Reglas generales relativas a los aparatos transportadores para grandes sólidos o cargas aisladas 3. UNE - 58.204 Reglas básicas de cálculo de cintas transportadoras de banda flexible para grandes sólidos NTP 83, 86,89 UNE – 18 025 DIN - 22.102 y 22.131 ISO 10247, ISO 4195 4. CETISA Manutención y Almacenaje Barcelona 5. INTERCIENCIA Elementos de Preparación de Minerales Madrid 6. LINGER, J. "Les chantiers" Tomo I París. Editions Eyrolles 1971
146
CAPITULO 6 6. ELEVADORES (TORNILLO SIN FIN)
HELICOIDALES
Otro sistema de transporte de material es el denominado tornillo sin fin, muy utilizado para transportar material al granel en forma continua y para cortas distancia, este sistema además de ser utilizado como sistema de transporte se utiliza como dosificador o sistema de descarga de material desde tanques o silos de almacenamiento. Este sistema es uno de los más antiguos que la humanidad ha utilizado, se puede decir que su diseño original remonta a más de 2000 años, en principio se utilizaban para regadío, así como también para granos y polvo al granel, en la actualidad existen diseños basados en el original pero obviamente con mejores eficiencia, lo que hace del tornillo sin fin uno de los sistema más adecuados para el transporte de material en forma continua para cortas distancias. Los sistemas de tornillo sin fin se utilizan como se indicó anteriormente una amplia gama de materiales en estado sólido, polvo e incluso líquidos tanto en posición horizontal, inclinada o vertical muy utilizado en los silos para evitar la compactación del material almacenado. 147
6.1 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO En la figura 6-1 se puede observar un despiece de este tipo de sistemas, básicamente consta de un tornillo sinfín o rosca elevadora helicoidal, el cual va dentro de una carcas o camisa de acero, a lo largo del cual se desplaza el material transportado, otro de los elementos constitutivos son las tolvas de alimentación y de descarga, el orificio de drenaje y un órgano motor acoplado por lo general en la parte superior del tornillo. tornillo.
Figura 6-1 Estructura de un sistema de tornillo sin fin (Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad Carlos III de Madrid)
Estos sistemas están basados en el principio de Arquímedes, y pueden trabajar tanto con materiales sólidos como líquidos y pueden adaptarse a casi cualquier ángulo de inclinación, siempre y cuando el sistema estructural lo permita. Diseñados para transportar cualquier tipo de material bien residuos orgánicos en el tratamiento de aguas, transporte de sólidos en infinidad i nfinidad de industrias y aplicaciones de toda índole, son equipos los cuales se diseñan según necesidades: tipo de material a transportar, inclinación, 148
caudal a transportar, velocidad de translación de los materiales, etc. Según el uso que le queramos dar estos se fabricaran de diferentes formas y materiales, cambiando su geometría, tanto estructural como la espiral. Tienen infinidad de combinaciones con lo que le da la capacidad de adaptarse a cualquier tipo de proceso, pudiendo combinar la posición de la tolva de carga, boca de salida, grupo de accionamiento, posición de trabajo etc.
Figura 6-2 Esquema de un sistema de tornillo sin fin horizontal (GEDAR, Gestión de aguas y residuos)
6.1.1 Componentes Los principales elementos (figura 6-3) de un transportador de tornillo sinfín independientemente del diseño y aplicación son:
Tornillo sin fin. Canaleta (Zona de transporte). t ransporte). Tolva de carga (zona de carga). Tolva de descarga (zona de descarga). Motor (grupo accionamiento). acci onamiento). 149
Drenaje.
Figura 6-3 Estructura de un sistema de tornillo sinfín inclinado (GEDAR, Gestión de aguas y residuos)
Entre los elementos principales de un sistema de tornillo sin fin se tiene la zona de carga en la parte inferior del equipo encargada de la recepción del material a ser transportado. Zona de transporte, en cuyo interior se aloja un tornillo sin fin el cual es el encargado de mover y transportar el material hasta la boca de descarga mediante un giro rotacional. En la parte inferior se dispone de un sistema de drenaje necesario para la limpieza del mismo. Adicionalmente se tiene un sistema de accionamiento, el cual puede ser un moto reductor o un motor con un sistema de transmisión flexible.
6.2 DESARROLLO DEL PROYECTO Valoraciones de Diseño. Si bien cada equipo tiene características propias, se plantean las siguientes consideraciones mínimas de las cuales parte el diseño del mezclador presentado en este artículo: 150
Versatilidad para la aplicación en cualquier sistema de producción industrial. Dimensionalmente, Dimensionalmente, debe ser menor comparado con otros equipos industriales que se utilizan en el medio de mezcla industrial y afines. La técnica de mezcla debe ser continua eliminando tiempos muertos dentro del proceso. El sistema se requiere que sea hermético para evitar contaminación del medio con el material que se está tratando. La cantidad de elementos rodantes debe ser la menor posible. Debe ser de fácil mantenimiento. Su proceso de fabricación debe ser de carácter nacional sin restricciones de accesorios por tiempos de importación. i mportación. Tiempo de permanencia del material en el proceso de mezcla debe ser de 10 segundos. Su consumo de combustible lo l o más ahorrativo posible. Se requiere que sus niveles de contaminación ambiental concernientes a la emanación de CO2 sean los más bajos posibles. La capacidad mínima de mezcla debe ser de 20 Ton/h Después de un estudio detallado se encontró que todas las anteriores premisas las cumple el transportador de tornillo sinfín, el cual debido a la forma y movimiento de las paletas será el elemento mecánico que realiza la mezcla. Las etapas del diseño se describen enseguida.
6.3 CAPACIDAD DE TRANSPORTE DEL TORNILLO SIN FIN La determinación de la capacidad de transporte de un sistema de tornillo sin fin requiere la utilización de 151
algunos conceptos importantes tales como velocidad angular del tornillo, velocidad de avance del de l material, diámetro del del tornillo y otros. El código código C CEMA EMA1 utilizado en este capítulo para tal fin, fue desarrollado en Estados Unidos y ha sido probado en la industria con buenos resultados. El presente capítulo describe algunos conceptos de este código utilizados en el diseño. En primer lugar hay que determinar el caudal volumétrico del material, para lo cual partiendo de la definición se tiene:
Ecuación 6-1
= .
En donde A es el área de la sección transversal del tornillo expresada en m2, y v es la velocidad del material a lo largo del mismo, expresada en m/s. Para un tornillo sin fin el área de la sección transversal es:
2 2 2 =
4
(
) [
]
Ecuación 6-2
En donde D es el diámetro exterior y d es es diámetro interior del tornillo o del eje macizo del tornillo expresado en metros. La velocidad de avance v en sentido longitudinal del material es:
1
CEMA® SCREW CONVEYORS CATALOG 2002, Texas Division First Edition 2002. Disertaciones Disertaciones:
152
=
En donde:
p
.
60
Ecuación 6-3
[ ]
RPM ). Es la velocidad angular en ( RPM ).
Paso del tornillo (m).
El paso del tornillo se calcula multiplicando al diámetro por un factor denominado denominado factor de paso.
=
Ecuación 6-4
. [ ]
En donde: Fp
Factor de paso, depende del material a transportar
Entonces el caudal volumétrico será
3 2 2 =
Ecuación 6-5
.
Reemplazando At y y v se tiene =
4
(
).
.
60
[
Ecuación 6-6
]
Sabiendo que = , y que = , se tiene: El caudal másico
153
2 2 2 2 ℎ =
=
4
(
.
).
.
60
. [
Ecuación 6-7
]
Y el caudal en peso
=
=
4
(
.
.
). 3600.
60
. [
Ecuación 6-8
]
Finalmente utilizando un factor de llenado y un factor de inclinación, el caudal en t/h se tiene:
2 2 =
4
(
). 3600.
.
60
. .
Ecuación 6-9
.C
O también
= 60.
. . .
. .
Ecuación 6-10
En donde: Q
Capacidad de transporte del sinfín (t/h).
At Área transversal del transportador (π/4)(D2-d 2) (m2). Fp
Factor de paso.
S
Paso del transportador (Fp.D), (m).
n
velocidad a la que gira el transportador (rpm). 154
Cf
Coeficiente de llenado transversal.
γ
Peso específico del material transportado ( t/m3).
C Factor que tiene en cuenta la inclinación del transportador. H
Altura vertical para transportadores inclinados (m).
D
Diámetro del transportador (m).
d
diámetro del eje (m).
δ
Densidad del material (kg/m3).
La velocidad angular del tornillo sin fin en rev/min es:
2 2 =
4
60 (
Ecuación 6-11
) . . .
Para el dimensionamiento inicial hay que considerar un diámetro del eje igual a cero y reemplazar el paso por diámetro multiplicado por el factor de paso y calcular un diámetro tentativo de la siguiente relación.
=
4.
. 60. .
Ecuación 6-12
. . .
El diámetro del tornillo debe ser por lo menos 12 veces mayor que el diámetro de los pedazos a transportar (materiales homogeneos), y 4 veces mayor que el diámetro mayor de los pedazos a transportar (material no homogeneo).
155
Ejemplo 6.1 Dimensionar un sistema de transporte de tornillo sin fin, para transportar 20 toneladas por hora de trigo, el sistema tiene una longitud de 30 m y una inclinación de 20º. Datos
ℎ = 20 /
= 30
Inclinación de 20° Entonces el desnivel es
= 10.26
El dimensionamiento consiste en determinar todos los parámetros de funcionamiento tales como velocidad de avance y velocidad angular del tornillo, así como las dimensiones generales del tornillo es decir, diámetros de la hélice, diámetro del eje y el paso. Partimos de la ecuación 6.9 de capacidad de transporte de material.
2 2 ℎ =
4
(
). 3600
.
60
. . .
[ ]
Como el material es homogéneo y de diámetro reducido no se toma en cuenta la recomendación de 12 veces el diámetro del material para determinar el diámetro del tornillo, en este caso se va a determinar de la misma ecuación de capacidad, en la que inicialmente haremos el diámetro del eje d sea igual a cero y se tomará la recomendación de velocidad angular siguiente: Para materiales pesados
= 50
156
Para materiales ligeros
= 150
A continuación se clasifica o categoriza a este tipo de aplicación según la siguiente tabla. Tabla 6-1 Grupo según la norma (CEMA® SCREW CONVEYORS CATALOG 2002) Grupo 1 : Materiales ligeros, tales como : cebada, fríjol, granos cerveceros (secos), carbón pulverizado, harina de maíz, harina de semilla de algodón, linaza, malta, avena, arroz, trigo Grupo 2 : Materiales no abrasivos (finos y granulares), tales como : alumbre, carbón (menudos o finos), café en grano, almendras de palma, aserrín, fríjol de soya, ceniza volátil. Material fluyendo libremente Grupo 3 : Materiales medianamente abrasivos (terrones pequeños mezclados con finos), tales como : Cenizas secas, alumbre ( terrones), sal, fruto desgranado de palma aceitera, semilla de algodón, fibra de palma. Material fluyendo libremente Grupo 4 : Materiales semiabrasivos (finos, granulares y en terrones pequeños), tales como : cemento, arcilla, cáscaras de nueces , Racimos de fruta, azúcar sin refinar, azufre. Material fluyendo lentamente Grupo 5 : Materiales abrasivos, tales como : cenizas mojadas, hollín, arena de sílice, lodos de drenaje. Material fluyendo lentamente
En nuestro caso pertenece al grupo 1. Luego se determina el factor de paso para lo cual primero definimos el tipo de paso según la siguiente tabla, que en este caso será paso normal. Tabla 6-2 determinación del paso en función de la aplicación
Normal Estándar Corto Medio Largo
Mayoría de las aplicaciones normales Aconsejable para amplio rango de materiales Para aplicaciones inclinadas o verticales (pendientes de más de 29º) Aplicaciones inclinadas o verticales con materiales bastante fluidos Agitación de materiales fluidos o de rápido movimiento
157
Luego de la siguiente tabla se tiene que el factor de paso es 0.8 Tabla 6-3Valor numérico del factor de paso
FACTOR DE PASO Normal S = 0,8 x D Estándar S = 1xD Paso corto S=2/3xD Paso medio S=1/2xD Paso largo S = 1,5 x D Factor de llenado Cf = 0.45 para materiales ligeros y no abrasivos. Tabla 6-4 Factor de llenado Cf
GRUPO
Cf
1 2 3 4 5
0.45 0.38 0.31 0.25 0.125
kg / m3 * 800 800 1200 1600
r.p.m máximas Ø 152 mm Ø 508 mm 170 110 120 75 90 60 70 50 30 25 muy abrasivos
Factor de inclinación C = 0.65 para una inclinación de 20º
158
Coeficiente por incli nacion 1.5 1
1
C e 0.5 t n e 0 i c i f e o C
0º
0.9
5º
0.8
10º
0.74
15º
0.65
20º
0.42
25º
0.3 0.22
30º
35º
Grados Figura 6-4 Coeficiente por inclinación
El peso específico del trigo ϒ es 0.77 tn/m3 Tabla 6-5 Pasos específicos
Luego de la ecuación 6-12 para el diámetro en metros se tiene: 159
4 =
.
60
1
.
3600. .
. .
D = 0.281 m = 11.08 in
Ahora corregimos el diámetro tomando uno estandarizado, es decir de 12” y corregimos la velocidad angular
3 =
4
60
3600.
1
.
. .
= 78.44
Posteriormente de tablas escogemos un diámetro de eje recomendado para este tipo de transportador, que es de 2”. Y recalculamos la velocidad angular como sigue.
2 2 =
4
60
3600(
1
)
.
. .
= 80.7
6.4 POTENCIA EN UN TRANSPORTADOR DE TORNILLO SIN FIN Por definición la potencia requerida en el eje de la hélice viene dada por el producto entre el torque necesario para vencer la fuerza que se opone al movimiento y la velocidad angular del eje del tornillo sin fin, por lo que la potencia en Vatios se obtiene con la siguiente fórmula.
=
Ecuación 6-13
.
160
En donde T u como se dijo anteriormente, es el torque requerido N.m y w es la velocidad angular del tornillo en rad/s. Además la potencia de accionamiento, es decir la potencia en el eje de entrada al sistema o a su vez la potencia del motor o moto reductor instalado sería la arriba indicada, es decir la potencia requerida, afectada por una eficiencia, la misma que se recomienda esté entre 65 y 95 %. La potencia de accionamiento en el motor viene dado por la siguiente fórmula.
=
Ecuación 6-14
η
Según la norma CEMA, la potencia necesaria para operar el equipo, con una capacidad de carga uniforme y regular de alimentación se debe a la sumatoria de la potencia necesaria para vencer la fricción, más la potencia necesaria para transportar el material, más la potencia debida a la inclinación del sistema que estaría en función de la altura de elevación. Las expresiones utilizadas para dichos cálculos son:
=
HPf
+
+
Ecuación 6-15
Potencia por fricción del transportador. =
. .
.
1,000,000
HPm Potencia por el material transportado.
161
Ecuación 6-16
=
Hpi
. . .
.
.
Ecuación 6-17
1,000,000
Potencia por la inclinación del transportador. =
. .
Ecuación 6-18
2,000,000
En donde: C
Capacidad del transportador ( pies3 / hora).
L
Longitud del transportador ( pies).
N
Velocidad del transportador ( rpm).
D
Densidad del material a transportar (lb /pie3).
H Altura vertical para transportadores inclinados ( pies). Fb
Factor de hanger.
Fd
Factor de diámetro del transportador.
Ff
Factor de corte.
Fm
Factor de potencia de acuerdo al material.
Fp
Factor de mezclado.
6.5 POTENCIA EN EL MOTOR O MOTOREDUCTOR La potencia necesaria requerida para el motor o moto reductor para operar el equipo es igual a la potencia de 162
accionamiento afectado por la eficiencia que depende del tipo de transmisión que se emplee. El factor de sobrecarga (Fo) posee un condicional en el cual, si HPf + HPm > 5.2, Fo =1, de lo contrario se debe usar la Figura 6.5.
Figura 6-5 Factor Fo ( ICONTEC)
=
+
+
Ecuación 6-19
En donde:
Fo Factor de servicio o sobrecarga (Figura 6-5 tomado del catálogo Martín Sprocket) e
Eficiencia
Ejemplo 6.2 Dimensionar un sistema de transporte de tornillo sin fin, para transportar 10 toneladas por hora de trigo, una longitud de 30 m y una inclinación de 20º. 163
Datos
ℎ = 10 /
= 30
Inclinación de 20° Entonces el desnivel es
= 10.26
Entonces de tablas el factor de paso estándar. PASO
= 0.85 para paso
APLICACIONES
Mayoría de las aplicaciones normales Normal Aconsejable para amplio rango de materiales Estándar Para aplicaciones inclinadas o verticales ( Paso corto pendientes de más de 29º ) Aplicaciones inclinadas o verticales con Paso medio materiales bastante fluidos Agitación de materiales fluidos o de rápido Paso largo movimiento
FACTOR DE PASO Normal S = 0,8 x D Estándar S = 1xD Paso corto S=2/3xD Paso medio S=1/2xD Paso largo S = 1,5 x D
164
Factor de llenado abrasivos. GRUPO
Cf
= 0.45 para materiales ligeros y no
Kg / m3
rpm máximas
*
Ø 152 mm
Ø 508 mm
1
0.45
800
170
110
2
0.38
800
120
75
3
0.31
1200
90
60
4
0.25
70
50
5
0.125
1600 muy abrasivos
30
25
Grupo 1 : Materiales ligeros, tales como : cebada, fríjol, granos cerveceros (secos), carbón pulverizado, harina de maíz, harina de semilla de algodón, linaza, malta, avena, arroz, trigo Grupo 2 : Materiales no abrasivos (finos y granulares), tales como : alumbre, carbón (menudos o finos), café en grano, almendras de palma, aserrín, fríjol de soya, ceniza volátil. Material fluyendo libremente Grupo 3 : Materiales medianamente abrasivos (terrones pequeños mezclados con finos), tales como : Cenizas secas, alumbre ( terrones), sal, fruto desgranado de palma aceitera, semilla de algodón, fibra de palma. Material fluyendo libremente Grupo 4 : Materiales semiabrasivos (finos, granulares y en terrones pequeños), tales como : cemento, arcilla, cáscaras de nueces, Racimos de fruta, azúcar sin refinar, azufre. Material fluyendo lentamente Grupo 5 : Materiales abrasivos, tales como : cenizas mojadas, hollín, arena de sílice, lodos de drenaje. Material fluyendo lentamente
Factor de inclinación 20º.
= 0.65 para una inclinación de
165
Coeficiente por i nclinacion 1.2 1
1
0.9
0.8
0.74
0.8 C0.6 e t 0.4 n e 0.2 i c i f 0 e o C
0.65 0.42
0º
5º
10º
15º
20º
25º
0.3 0.22
30º
35º
Grados
C
3
El peso específico del trigo = 0.77 /
Asumiendo una velocidad angular de 100 rpm y haciendo d=0 se tiene que D = 0.21 m Finalmente para:
=8
166
2 2 = 1.5
= 112
De la ecuación. =
4
(
). 3600.
.
. . .
60
Q = 10.074 t/h Cálculo de la potencia HP (TOTAL) =HPf + HPm + Hpi
=
. .
.
1,000,000
ℎ 3 ℎ = 98.43 = 112
= 0.31
=1
= 0.003
=
. . .
.
1,000,000
= 474.39 =1
= 1.23
167
.
ℎ ℎ ℎ ℎ =1
= 2.689
=
. .
2,000,000
= 0.374
(
) = 3.066
Potencia en el motoreductor. =
+
+
= 1.35
= 0.85
= 4.87
Resultados
Descripción: Sinfín adicional Identificación del Tornillo sin fin equipo Material a transportar Trigo 0.75 tn/m3 Densidad del material Capacidad del 10 tn/hora transportador Longitud del 30 m transportador 10.26 M Altura de elevación Coeficiente de 0.85 inclinación 45 % Coeficiente de llenado
168
750 Kg/m3
Velocidad del transportador Diámetro del sinfín
99
r.p.m.
8
Pulgadas 211 mm
Factor de paso Paso del transportador Torque del transportador
0.80
Factor del material Potencia requerida por el transportador Potencia del reductor
1.23
6.64
Pulgadas 169 mm
4.09
Kg f - m
355 Lbf.pulg
HP HP
3.63 kW 3.73 kW
4.87 5.00
169
BIBLIOGRAFÍA 1. WAM Inc., Catálogo de diseño de Sinfines, 1era. Edición 2002, pp 4 2. MARTIN, Catálogo general de diseño y construcción, sección H, pp H7-H16 3. MARTIN, Catálogo general de diseño y construcción, sección H, pp H17-H20 4. WAM Inc., Catálogo de diseño de Sinfines, 1era. Edición 2002, pp 33-42 5. KWS MANUFACTURING CO., Inc. catálogo de diseño de Sinfines #SC-1103, pp 47-152 Referencias de libros: 6. ROMERO C., CALLE G., “Diseño de Elementos de Máquinas”, Universidad Tecnológica de Pereira, Pereira, 2005. 7. Machinery’s Handbook 26th Edition, Editorial Industrial Press, Inc. New York, 2004. Normas: 8. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Bogotá: ICONTEC. 9. CEMA® SCREW CONVEYORS CATALOG 2002, Texas Division First Edition 2002. Disertaciones:
170
10. Calvo, B., Maya, M., Parra, J.L. Primeras Jornadas Iberoamericanas sobre “Caracterización y Normalización de Materiales de Construcción”. Programa CYTED. Madrid, 2001.
171
CAPITULO 7 7.
ELEVADOR DE CANGILONES
7.1 INTRODUCCIÓN Se conoce como cangilón a un recipiente utilizado para contener algún material tanto sólido como líquido, por lo tanto un sistema de elevación por cangilones es un sistema ya sea de bandas o cadenas sin fin con cangilones utilizados para elevar material en forma continua; los cangilones son fabricados en diversas formas y de muy diversos materiales tales como aceros laminados, hierro forjado, chapa metálica, polímeros como polietileno nylon polipropileno uretano y otros. Existe una infinidad de aplicaciones tales como elevar material, sistemas de dragado, dosificadores y sistemas de siembra, este tipo de sistemas para elevar material se utiliza para el almacenamiento de cereales y otros productos en silos, y para la descarga se los utilizan para obtener un flujo controlado de material, en sistemas de siembra son utilizados ya que permite un control adecuado de la distancia de siembra. Un ejemplo de cangilón y sus medidas principales se puede observar en la figura siguiente.
172
Figura 7-1 Cangilones (TAPCO INC)
Las características principales de un elevador de cangilones son:
Son utilizados para elevar material, más que para transportar. Se utiliza tanto para materiales secos, húmedos e incluso líquidos. Son utilizados para materiales al granel y como dosificadores. Se diseñan y construyen para un amplio rango de alturas, velocidad y detalles constructivos, según la aplicación y requerimientos. Se pueden montar en módulos para lograr alturas recomendadas.
7.2 ELEMENTOS CANGILONES
DE
UN
ELEVADOR
DE
La estructura básica de un cangilón se puede observar en la siguiente figura.
173
Figura 7-2 Estructura de un cangilón (Elevador de cangilones Universidad Carlos III de Madrid)
En donde se puede observar más o menos la ubicación de los elementos y su forma de funcionamiento. Los elementos básicos de un sistema de transporte por cangilones son los mostrados en la siguiente figura.
174
Figura 7-3 Estructura de un cangilón (Elevador de cangilones Universidad Carlos III de Madrid)
En la figura se puede observar lo siguiente:
Un cangilón para transportar el material. Una cinta o cadena para trasladar los cangilones y transmitir la potencia. Algún medio para dirigir el movimiento. Motor. Cabeza. Accesorios para llenar los cangilones y/o vaciar el producto, recibir el producto vaciado, mantener la tensión en el sistema y para el mantenimiento, así como sistemas de seguridad.
175
7.3 CLASIFICACIÓN 7.3.1 Según el tipo de carga: 7.3.1.1 Directamente desde la tolva. Se emplean para el transporte de materiales de pedazos grandes y abrasivos. La velocidad de desplazamiento del órgano de tracción es baja.
Figura 7-4 Descarga directa desde la tolva (Francisco González Solís 2010)
7.3.1.2 Por dragado. Se emplean para el transporte de materiales que no ofrecen resistencia a la extracción, son pulverulentos y de granulación fina.
176
Figura 7-5 Carga por dragado (Francisco González Solís 2010)
7.3.2 Según el tipo de descarga 7.3.2.1 Centrífuga: En este tipo de sistemas, la carga se realiza por dragado del material depositado en la parte inferior, el paso entre cangilones varía entre dos a tres veces la altura del cangilón y la velocidad de funcionamiento varía entre 1.2 a 1.4 m/s, la cual respecto a otros sistemas se considera una velocidad elevada.
177
Figura 7-6 Descarga centrífuga (Elevador de cangilones Universidad Carlos III de Madrid)
Para descarga centrífuga el radio del tambor mínimo es:
2
Ecuación 7-1
=
7.3.2.2 Gravedad continua Son sistemas que aprovechan la gravedad o peso propio del material para la descarga, las velocidades son consideradas bajas y varían entre 0.5 y 1.0 m/s, el paso se recomienda que sea igual a la altura del cangilón ( p=h).
Por gravedad libre.- Es necesario desviar el ramal libre del elevador mediante estrangulamiento o inclinar el propio elevador. Por gravedad dirigida.- Los cangilones se sitúan de forma continua, sin separación entre ellos (cangilones tipo escama). La descarga del material se efectúa por efecto de la gravedad utilizando la parte inferior del cangilón 178
precedente como tolva de descarga. La carga se realiza directamente desde la tolva.
Figura 7-7 Descarga (a) libre y (b) dirigida (Francisco González Solís 2010)
7.3.2.3 Positiva Este tipo de sistemas son muy parecidos a los centrífugos, salvo que los cangilones estan montados en los extremos con dos cordones o torones de cadena, son apropiados para materiales relativamente livianos aireados y pegajosos, funcionan a bajas velocidades.
179
Figura 7-8 Descarga positiva (Elevador de cangilones Universidad Carlos III de Madrid)
7.4. CAPACIDAD DE TRANSPORTE Es la capacidad que tiene el sistema para transportar material, en otras palabras es la cantidad de material contenida en un cangilón por la velocidad tangencial de la banda y dividida para el paso. (Considerando un coeficiente de llenado ).
φ
Caudal másico
=
.
[
]
Ecuación 7-2
.
[
]
Ecuación 7-3
Caudal volumétrico =
Caudal en peso
3
180
=
En donde:
[ ]
Ecuación 7-4
Qm
Caudal másico (kg/s).
Qv
Caudal volumétrico (m3/s).
Qw
Caudal en peso ( N/s).
q
Capacidad de cada cangilón (kg).
c
Capacidad del cangilón en (m3).
p
Paso (m).
v
Velocidad tangencial (m/s).
Caudal másico.
= 3600
ℎ . [
]
Ecuación 7-5
El factor 3600 es requerido para convertir los segundos a horas. Caudal volumétrico.
3 ℎ = 3,6
. [
Donde c está en litros Caudal en peso.
181
]
Ecuación 7-6
=
.
ℎ ℎ ℎ ℎ
= 3600
[ ]
Ecuación 7-7
En toneladas por hora es: =
.
= 3,6
. . [ ]
Ecuación 7-8
El factor 3,6 es requerido para convertir kg a t y s a h 1
1
c
=
1
1
1
1000
3600 1
= 3,6
Capacidad de cada cangilón (litros).
p
Paso de los cangilones (m).
v
Velocidad de la banda o cadena (m/s).
Coeficiente de llenado que varía entre 0,4 y 0,85 dependerá del material que se eleva y la velocidad de la banda. ϕ
ϒ
Peso específico del material (t/m3).
Valores recomendados tanto del coeficiente de llenado como velocidades recomendadas se puede encontrar en la siguiente tabla.
182
Tabla 7-1Coeficiente de llenado ϕ
183
Tabla 7-2 Dimensiones de cangilones plásticos
LONGITUD Pulg mm 4 5 6 7 8 10 12 12 14 14 16 16 18 18 20 24
102 127 153 178 203 254 305 305 356 356 407 407 457 457 508 610
ANCHO Pulg Mm
PROFUNDIDAD Pulg Mm
100 % llenos Capacidad 100% Pies3 m3
2¾ 3½ 4 4½ 5 6 6 7 7 8 7 8 8 10 8 8
3 3¾ 4¼ 5 5½ 6¼ 6¼ 7¼ 7¼ 8½ 7¼ 8½ 8½ 10 ½ 8½ 8½
0.10 0.02 0.03 0.05 0.07 0.12 0.14 0.19 0.23 0.30 0.27 0.34 0.39 0.52 0.43 0.51
70 89 102 114 127 152 152 178 178 203 178 203 203 254 203 203
76 95 108 127 140 159 159 184 184 216 184 216 216 267 216 216
0.0028 0.0006 0.0008 0.0014 0.0020 0.0034 0.0040 0.0054 0.0065 0.0085 0.0076 0.0096 0.0110 0.0147 0.0122 0.0144
Tomado de: Rex, power transmission and conveying components pag. C-100
Ejemplo 7.1 Dimensionar un sistema de transporte de cangilones, para elevar 12 toneladas por hora de harina de trigo hasta una altura de 5 metros. Datos:
ℎ
= 12 / . = 5
.
Material (harina de trigo) 184
Peso específico ϒ = (0.56 a 0.64) t/m3. De la gráfica siguiente, con el dato de 12 t/m3 seleccionamos tentativamente un cangilón B85A24 para el cual el diámetro de la polea de cabeza es de 24 pulgadas, velocidad angular de 41 rpm. Para una densidad de materia de 0.56 t/m3, el caudal volumétrico es de 21.3 m3 /h, puesto que:
ℎ 3 Como: =
=
= 12
.
1
= 21.4286
0.56
185
ℎ3
Considerando que el material es pulverulento (harina de trigo), de la siguiente tabla se determina el factor de llenado ϕ igual a 0.75, para lo cual se recomienda una velocidad de (1.25 a 1.8) m/s, tomaremos 1.5 m/s
186
De la ecuación:
ℎ = 3,6
. . [ ]
Determinamos:
=
=
3,6 . .
[ ]
12
3,6 1.5 0.75 0.56
= 5.3 [ ]
La relación de c/p que cumple esta condición es:
187
P
C
C/P
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
0.53 1.06 1.59 2.12 2.65 3.18 3.71
5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3
0.8
4.24
5.3
Hay que considerar la distancia entre cangilones en función de la altura de éste, según la recomendación de la siguiente tabla. Tabla 7-3 Relación de paso vs altura del cangilón Tipo Velocidad
Centrífuga (m/s) 1.2-1.4
Gravedad 0.5-1
Paso
(2-3)altura del cangilón
h
Tomaremos un paso de 0.3 m y una capacidad de 1.6 litros. Con estos parámetros este elevador dará un caudal Q de 12.09 tn/h. Ejemplo 7.2 Determinar las características que debe tener un elevador de cangilones que ha de transportar arcilla seca cuya densidad es de 1700 Kg/m3 con una capacidad aproximada de 15 tn/h. Datos:
ℎ 3 = 15 /
= 1700
/
188
Solución De la gráfica siguiente seleccionamos un cangilón de 0.74 litros. Tabla 7-4 Dimensiones de cangilones
Por lo tanto la capacidad de cada cangilón será:
3 =
= 0.74
1700
= 1.26
/
ó
Utilizando un coeficiente de llenado de 0.70 determinado en la siguiente tabla.
189
ℎ ℎ ℎ � ℎ ℎ 2 .
= (1.26
/
Luego para mover 15 15000
0.88
/
/
) 0.70 = 0.88 /
= 15000
= 17142.86
/
ó
/ se necesitan:
= 4.76
/
Para una altura h de 105 mm tomado de tablas anteriores se tiene un paso de (2 3) = 300 . La velocidad será: = 4.76
/ . 300
= 1.429
/
Para descarga centrífuga el radio del tambor es: =
= 0.2080
O diámetro
= 41.6
.
190
7.5. POTENCIA DE ACCIONAMIENTO Se conoce como potencia de accionamiento a la potencia en el eje, por definición de potencia se tiene:
Ecuación 7-9
= .
En donde: P
Potencia en el eje (W ).
v
Velocidad de la banda o cadena (m/s).
F Fuerza, en este caso es el peso del material contenido en los cangilones, por lo que hay que considerar solo al lado de subida.
=
. . .
Ecuación 7-10
[ ]
Luego la potencia es:
=
. . .
[
Ecuación 7-11
/ ]
En la ecuación q está dada en kilogramos, H y p en metros. Como:
=
[
191
]
=
El caudal
[
Ecuación 7-12
]
está dado en kilogramos/segundo =
El caudal
. .
. .
[
3.6
]
Ecuación 7-13
está dado en toneladas por hora
Sin embargo hay que considerar también la potencia en vacío más la potencia de rozamiento, por lo tanto la potencia total de accionamiento es:
2 =
1,2 .
En donde:
+
3,6
+
.
[
]
Ecuación 7-14
=
c en litros
1
1,2 .
.
=
Ecuación 7-15
3,6
Por lo que
2 =
O
1,2 .
=
3.6
3,6
+
.1,2 .
1
3,6
+
.
[
2
[1,2 + 1,2
(1 +
.
.3,6 )] [
192
]
]
Ecuación 7-16
Ecuación 7-17
Tabla 7-5 Coeficientes de capacidad y servicio
Para determinar la potencia de diseño (accionamiento del motor) habrá que considerar una eficiencia del sistema.
=
Ejemplo 7.3
Ecuación 7-18
Determinar la potencia requerida para el ejercicio 7.1 Para determinar la potencia requerida para elevar el material se utilizara la ecuación:
=
=
3,6
[
]
12.09 5 9.81
[
3,6
= 165.73 [
]
]
Ahora para determinar la potencia total de accionamiento se usa la siguiente ecuación:
=
3.6
[1,2 + 1,2
2 (1 +
En donde las constantes son: 193
.
3,6. )] [
]
µ
1 = 0.1 1 = 2.5 2 = 0.5
=
5 12 3.6
=
5 12 3.6
[1,2 + 1,2 0.1(1 + 2.5 0.5 3,6 1.5)]9.8
[2.13]9.8
= 347.9
Ejemplo 7.4
Determinar las características de funcionamiento de un sistema de transporte por cangilones, para transportar Bauxita molida a razón de 250 t /h a una altura de 30 m. En primer lugar determinamos la densidad o peso específico del material, en este caso es de 1.3 t/m3 o 1300 kg/m3. Según el planteamiento del problema (bauxita molida) da la idea que el material se encuentra en polvo, por lo tanto el tipo de descarga puede ser tanto por descarga centrífuga como por gravedad. Debido a que el material es abrasivo tomaremos tracción por cadena por lo tanto descarga por gravedad. El coeficiente será de 0.85 La velocidad recomendada de 0.6 a 0.8 m/s Del catálogo de elevadores de cangilones industriales Sweet 194
195
CAPITULO 8 8. TRANSPORTE SÓLIDOS
HIDRÁULICO
DE
8.1 INTRODUCCIÓN El transporte hidráulico de sólidos, a través de cañerías, constituye una operación ampliamente utilizada desde hace varios años en numerosas industrias y especialmente en el campo de la minería. El agua es el fluido más común para transportar sólidos, si la instalación opera en forma continua, el proceso es capaz de transportar grandes cantidades de sólidos. El movimiento de materiales finos dentro de una faena minera, como ser, el transporte de mineral desde la planta de molienda a la planta de flotación, los flujos en el interior de la planta de flotación, el transporte de concentrados desde la concentradora a la fundición o el transporte de relaves desde la concentradora al tranque de relaves, constituye un factor determinante dentro del esquema de operación de una industria minera. Este problema se ve agravado en Chile, por la localización cordillerana de los principales yacimientos, obligando a construir los sistemas para efectuar el transporte antes
196
señalado sobre una topografía desventajosa y capacitarlos para soportar factores climáticos adversos. Por otra parte, ubicación de los yacimientos crea condiciones de pendientes y balances hidrológicos favorables que hacen pensar de inmediato en el transporte mediante un sistema hidráulico, consistente en el movimiento gravitacional y/o forzado de suspensiones sólido – líquido ya sea en tuberías o canales. La explicación del creciente interés por esta alternativa para transportar materiales de tamaño reducido, es principalmente de índole económico, y son dos factores los más destacados:
Bajo costo y economía de escala, y Puesta en marcha de la explotación de yacimientos mineros, cuya localización hace que tal actividad no sea económica por medio del transporte tradicional.
Algunos antecedentes indican que los costos de transportes son más bajos, dentro de ciertos límites de producción, le siguen el transporte por ferrocarril, por camión y por correas transportadoras. Si se toma como patrón de medida el costo de transporte interoceánico (c.t.i.) de materiales finos, en barcos de alto tonelaje, se tienen los siguientes índices, que demuestran lo favorable que es el transporte hidráulico de sólidos por tubería.
Por tubería o canales 3 a 20 veces c.t.i. Por barco fluvial 4 a 8 veces c.t.i. Por tren 8 a 30 veces c.t.i. Por camión 80 a 100 veces c.t.i. 197
Estos datos son válidos para distancias cercanas a mayores a 161 Kilómetros. Las ventajas más significativas que presenta el transporte hidráulico de sólidos son:
Simplicidad de la instalación. Facilidad para vencer obstáculos naturales o artificiales. No hay impedimentos, el transporte puede ser en dirección horizontal, vertical o inclinada. No requiere de gran despliegue de maniobras de instalación ni de operación. El factor operacional es ventajoso, por cuanto es bajo el número de operarios requeridos para hacer funcionar el sistema. Proporciona un flujo continuo de sólidos y fácil implementación de control automático. Bajo consumo de energía. Posibilidad de transportar varios productos. No se produce daño ni se altera el medio ambiente. Permitir la elección de la vía más corta entre dos puntos al atacar cualquier tipo de pendientes, para las tuberías en presión, y evitar la construcción de las complejas obras civiles necesarias para implementar un camino o una vía férrea. Eliminar la influencia de factores climáticos como temporales, rodados de nieve, neblina, etc. Poder alcanzar ritmos de transportes imposibles de realizar con otro tipo de sistema.
8.2 ANTECEDENTES INDUSTRIAL
DE
APLICACIÓN
La primera patente relacionada con el transporte hidráulico de sólidos, de tipo industrial, data del año 1891, 198
y se relaciona con el transporte de carbón mediante bombeo de una suspensión preparada con agua como fluido transportador. El rango de aplicación del transporte hidráulico de sólidos en la industria minera es muy amplio, tanto para el cobre como para toda la minería metálica. La importancia de las instalaciones de transporte hidráulico de sólidos dependerá de la magnitud y ubicación de las faenas. La tabla 8.1 muestra los sistemas más interesantes que existen en la actualidad. Tabla 8-1 Instalaciones industriales de transporte hidráulico de sólidos Material transportado (año puesta marcha) CARBÓN: - Ohio, EE. UU. (1957) - Arizona, EE.UU. (1970) - Arkansas EE.UU. (1979) - Utah, EE.UU. (1981) - Francia - Polonia - Rusia - Canadá CONCENTRADOS DE FIERRO: - Tansmania, Australia ( 1967) - Nueva Zelandia (1971) - México (1974) - México (1976) - México (1976) - Brasil (1977) - África - India CONCENTRADOS DE COBRE - Bouganville , Indonesia (1972)
Longitud recorrida (Km)
Diámetro tubería (pulg)
Capacidad (millones ton/año)
174 440 1668 290 10 203 61 805
10 18 38 24 15 10 12 24
1.3 4.8 25.0 10.0 1.5 1.6 12.0
86 10 48 32 27 400 266 58
9 8 y 12 8 8 10 20 16 20 y 22
2.3 2.0 1.8 2.1 1.5 13 4.0 10
27
6
1.0
199
- EE.UU. ( 1974) - Japón - Alumbrera, Argentina (1997) - Isacruz , Perú (1996) CALIZAS FOSFATOS Y OTROS - Inglaterra (1964) - Colombia (1971) - Brasil - Trinidad - África del Sur - EE.UU.
17 64 240-300 25
4 8 7 3,5
0.4 1.0 1.1 0.4
92 27 114 10 35 116
10 7 10 8 6y9 6
1.7 1.5 2.2 0.6 1.1 0.4
8.3 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO Para que el transporte de mezclas sólido-líquido a través de cañerías sea técnicamente factible, se deben cumplir las siguientes condiciones:
El sólido debe poder mezclarse y separarse fácilmente. No deben existir riesgos, como por ejemplo taponamiento de la cañería debido a interacciones entre las partículas, trayendo como consecuencia aglomeración de ellas. El sólido a transportar no debe reaccionar ni con el fluido transportante ni con la tubería. El desgaste y ruptura que sufren las partículas durante el transporte no deben tener efectos adversos para el proceso posterior de ellas. La cantidad de fluido transportante debe ser adecuada.
Dependiendo de la topografía, y específicamente al desnivel entre el punto de alimentación y el de descarga de la tubería, se pueden utilizar dos tipos de fuerza impulsora para mover la mezcla, con lo cual el transporte hidráulico de sólidos por cañerías sr clasifica en transporte 200
gravitacional y transporte por bombeo. Estos dos tipos se muestran en las figuras 8-1 y 8-2.
Figura 8-1 Transporte gravitacional de suspensiones.
Figura 8-2 Transporte por bombeo de suspensiones
8.4 VARIABLES DEL SISTEMA El flujo de mezclas sólido-líquido por cañerías depende de una gran cantidad de variables y parámetros, no estando aún evaluada con exactitud la influencia de algunas de ellas estas variables se pueden sintetizar de la siguiente manera:
201
Dependiente del sólido a transportar
Granulometría. Densidad. Forma. Dureza.
Dependiente del fluido transportante
Densidad. Viscosidad.
Dependiente de la instalación
Diámetro interno de la cañería. Longitud. Desnivel. Rugosidad interna. Ángulos de inclinación de la tubería. Singularidades (estrechamiento, codos, etc.).
Dependientes de la mezcla
Concentración de sólidos en volumen y en peso. Densidad de la mezcla.
Dependientes del sistema
Tonelaje de sólidos a transportar. Velocidad de flujo. Perdida de carga.
8.5 REGÍMENES DE FLUJO La turbulencia es uno de los factores más importantes que permiten la suspensión de los sólidos. Sin embargo, en algunos casos particulares puede presentarse el régimen de 202
flujo laminar si la concentración de partículas sólidas es muy grande (sobre un 70% - 80% en peso) y por lo tanto la viscosidad de la pulpa es alta. Por otra parte, es necesario clasificar los flujos de mezclas bifásicas de acuerdo a la forma que son arrastradas las partículas sólidas, presentándose cuatro formas de transporte claramente diferenciables. 8.5.1 Flujo de sólidos en suspensión homogénea Como su nombre lo indica, las partículas sólidas de la mezcla son transportadas en suspensión, sin presentar gradientes, ni de concentración ni de granulometría, en un plano perpendicular al flujo y vertical. Además las partículas sólidas no presentan ningún deslizamiento con respecto al fluido, es decir, tanto el sólido como el líquido tienen la misma velocidad de flujo con lo cual el comportamiento hidráulico de la mezcla es muy similar a la de un fluido puro, como ser, perfil turbulento de velocidades de flujo con simetría de revolución en el caso de tubería, canal y curvas de velocidad clásica en el caso de canales. (Ver Figura. 8-3 y 8-4)
Figura 8-3 Flujo en Canal
203
Figura 8-4 Flujo de sólidos en suspensión Homogénea
Dónde: Y
Altura relativa sobre el fondo de la tubería.
D
Diámetro interno de la tubería.
Y
Altura de escurrimiento del canal.
C p1
Concentración local en peso de sólidos en %.
C p
Concentración media en peso de sólidos en %.
d 501
Tamaño medio local de partículas.
d 50
Tamaño medio de los sólidos en la mezcla.
V m1
Velocidad puntual de la mezcla.
V m
Velocidad media de la mezcla.
Para que este régimen de flujo exista es necesario que las partículas sólidas sean muy pequeñas de densidad relativa baja y la velocidad de flujo sea alta.
204
8.5.2 Flujo de sólidos en suspensión heterogénea En este caso los sólidos aún se mantienen en suspensión pero las partículas más pesadas tienden a caer formando un gradiente vertical de concentraciones y granulometrías pero sin chocar en forma notoria contra el fondo de la tubería. Sin embargo a los sólidos aún puede asignárseles la velocidad del fluido pero con un pequeño grado de deslizamiento en las cercanías de las paredes. (Ver figura 8-5). Tubería o canal. La mezcla. m1 = Velocidad puntual de la mezcla. Para que este régimen de flujo exista es necesario que las partículas sólidas sean muy pequeñas de densidad relativa baja la velocidad de flujo sea alta. Partículas más pesadas tienden a caer formando un gradiente vertical de concentraciones y sin embargo a los sólidos aún puede asignárseles la velocidad del fluido pero con este régimen de flujo es bastante usual en el transporte hidráulico de relaves con alto grado de molienda.
205
Figura 8-5 Flujo de sólidos en suspensión heterogénea
8.5.3 Flujo de sólidos con arrastre de fondo Cuando la capacidad del fluido es relativamente baja comparada con el peso relativo de las partículas sólidas gruesas estas caen y son arrastradas por el fondo de la tubería o canal ya sea asaltos deslizándose o rodando, mientras que las partículas más finas del espectro granulométrico aún mantienen su suspensión. En este caso el gradiente de concentraciones y tamaños de partículas se hace más pronunciado y se puede observar una nube de partículas desplazándose a una velocidad menor que la del fluido por el fondo de la tubería y otra nube de partículas más finas suspendidas y a igual velocidad que el fluido por encima de ella. Este régimen de flujo se presenta en una gran cantidad de las instalaciones de transporte de relaves, diseñados con velocidades bajas para lograr una mínima abrasión, y tiene como inconvenientes que el arrastre de fondo de las partículas gruesas provoca un desgaste muy pronunciado en la parte de la tubería.
206
Figura 8-6 Flujo de sólidos con arrastre de fondo
8.5.4 Flujo de sólidos con depósitos de fondo. Si el flujo es débil, las partículas más pesadas de la fase sólida se depositan sobre el fondo de la tubería o canal, ya sea en forma intermitente o definitiva, presentándose un lecho fijo de sólidos o un tren de dunas a baja velocidad ambas situaciones a la vez por la parte inferior del ducto y una nube de partículas arrastradas y/o suspendidas por encima de estas. (Ver figura .8-7). El flujo con depósito estable de fondo se presenta generalmente en condiciones de concentración y tamaño de sólidos relativamente bajas, en cambio, las dunas móviles son usuales en espectros granulométricos anchos y concentraciones importantes. El movimiento de las dunas en tuberías ocurre en el mismo sentido que el flujo de la mezcla (cabe hacer notar que en el flujo de mezclas por canaletas el sentido puede 207
ser inverso) y su velocidad es muy baja comparada con la velocidad media de flujo. El mecanismo de movimiento de dichas dunas es el siguiente: las partículas ubicadas en la cara aguas arriba de la duna están sometidas a una velocidad del flujo mayor que la velocidad media (por reducción del área de flujo) lo que las impulsa a subir la cresta de las dunas, donde su energía cinética se disipa en los remolinos de flujo aguas abajo de la duna, y ellas vuelven a quedar depositadas hasta que la duna pasa completamente encima de ellas. Como este proceso de depositación de sólidos provoca una disminución de la sección de flujo, con el consiguiente aumento de la velocidad media para mantener la relación de continuidad, la capacidad portante del fluido se ve reforzado lo que permite mantener la fase sólida en movimiento. Sin embargo, como este proceso de reducción de área en conjunto con la formación de remolinos provocados por dunas incide en un muy fuerte aumento de la disipación de energía del sistema y si éste no dispone de la suficiente energía necesaria ya sea por bombeo o diferencia de nivel, el proceso de depositación de sólidos se acentuará causándose en un corto período de tiempo una obstrucción total de la tubería. Aunque la formación de un lecho fijo estable en el fondo de una tubería, con el espesor más pequeño posible, es deseable bajo el punto de vista de proteger de la erosión el fondo de la tubería, el riesgo de obstrucción de la misma, junto con la imposibilidad de refluidizar el depósito por medios hidráulicos, hace muy poco aconsejable trabajar en este régimen de flujo.
208
Figura 8-7 Flujo de sólidos con depósito de fondo
En el caso de flujo en canaletas abiertas el problema de depósito de fondo es mayor puesto que estos embanques locales provocan la formación de ondas superficiales que puedan hacer desbordar el canal. Los desbordes, además del daño que provocan, aumentan el riesgo de embanques mayores puesto que van disminuyendo el caudal de pulpa hacia aguas abajo, eliminándole fundamentalmente los finos. Adicionalmente, la formación de dunas en las canaletas forman a menudo un resalto hidráulico, o sea, cambio de régimen de torrente a río, que aumenta bruscamente la velocidad en el sector del resalto y aumentando el riesgo de generalizar el embanque. Comparando este régimen entre tubería y canal se puede decir que es más riesgoso el caso de un canal abierto que con una tubería en presión.
209
Si el diseño se realiza mediante tuberías operando un régimen de acueductos el riesgo puede ser algo menor porque se eliminan los desbordes pero no se evita el peligro de un embanque generalizado de la tubería.
8.6 DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA DE ACCIONAMIENTO Para determinar la potencia requerida para un determinado sistema de transporte se requiere primero determinar la altura de impulsión del sistema, para ello partiremos del gráfico siguiente:
Figura 8-8 Sistema hidráulico
Según la ecuación de Bernoulli la carga de impulsión está dado por:
2 2 ∙ ∙ =
+
+
2
210
Ecuación 8-1
Dónde: En la ecuación anterior H es la carga de impulsión en metros si Pe es la presión a la entrada de la misma y Ps es la presión a la salida de la bomba, medidas en Pascales; de igual manera la velocidad tanto a la entrada como a la salida son V e y V s en metros por segundo; y es la diferencia de alturas en metros entre los puntos de entrada y salida en metros; r es la densidad del fluido ya sea homogéneo o heterogéneo dado en kilogramos por metro cúbico.
2 2 = . .
=
+ . .
+
Ecuación 8-2
2
Luego la potencia está dada por:
=
. . .
=
1000
.
Ecuación 8-3
1000
El rendimiento está dado por
η
=
N
u e
Ecuación 8-4
N
En donde N u es la potencia útil y N e es la potencia en el eje, la misma que está dada por:
211
∙ ∙ ∙ ∙ η =
Ecuación 8-5
1000
En el gráfico anterior la altura del sistema es:
∙ ℎ =
+
+
Ecuación 8-6
Figura 8-9 Curva característica de una bomba
O expresada como se representa a continuación
∆ ∙ ∆ ℎ =
+
+
212
Ecuación 8-7
En donde ∆P es cero.
∆ ℎ =
+
Ecuación 8-8
La sumatoria de pérdidas como es conocido se puede calcular como:
ℎ ℎ ℎ =
+
Ecuación 8-9
Las pérdidas locales se calculan con las siguientes ecuaciones
2 ℎ ∙ 2 ∙ ℎ ∙ ∙ ∙2 ∙ 4 =
=
2
Ecuación 8-10
16
2
Las pérdidas por rozamiento son:
2 ∙ ℎ ∙ ∙ ∙ ∙2 ∙4 =
16
Ecuación 8-11
2
Concentración de sólidos con base en la masa o fracción de masa está dada por la relación entre la masa del i-ésimo componente dividido para la masa total del sistema 213
∆ ∆ ∆ =
=
.
Ecuación 8-12
.
Concentración de volumen está dada por el volumen del iésimo elemento dividido para el volumen total del sistema.
∆ ∆ ∆ ∆ ∑ ∆ ∆ =
=
Ecuación 8-13
La densidad de la mezcla será:
=
.
Ecuación 8-14
8.7 MODELOS MATEMÁTICOS PARA DETERMINAR LAS PÉRDIDAS EN EL SISTEMA. Según Lokon, Jonson y Horsley en una investigación sobre el transporte de café en tubería de PVC de 88 mm de diámetro, velocidades entre 1 y 2.5 m/s y concentraciones entre 10 y 40 %, las pérdidas están dadas a partir del modelo de BOWEN dado por:
= .
.
Ecuación 8-15
En donde: J es el gradiente de pérdidas de cabeza (mca/m de tubería).
214
v
Velocidad del fluido en m/s.
C w
Concentración en peso.
a, b y
Constantes obtenidas experimentalmente.
Los resultados de dicha investigación fueron presentados en la octava conferencia internacional en 1982 sobre transporte de sólidos en tuberías; en dicho ensayo se determinó la presión como una función de la velocidad en régimen turbulento. Para tubería vertical
ℎ 0 5370 338 = 9,537
.
.
Ecuación 8-16
Para tubería horizontal
ℎ 0390 339 = 4,559
.
.
Ecuación 8-17
Dónde: h f
Perdida de cabeza en tubos (mca/100 m).
v
Velocidad de la mezcla (m/s).
C w Concentración de sólidos (en decimal) con base en masa (kg café /kgmezcla).
Pérdidas por accesorios En todo sistema hidráulico existen accesorios tales como codos, tés, válvulas, y otros que provocan caídas de 215
presión llamadas pérdidas secundarias o menores; un método muy utilizado para determinar las pérdidas secundarias es determinar el coeficiente de perdida K L, como:
∆
=
2 1
Ecuación 8-18
2
O expresado en mca, se tiene:
2 ℎ ∆ 2 =
Ecuación 8-19
2
Por lo tanto el coeficiente de pérdidas es: =
1 2
Ecuación 8-20
Como se puede observar las expresiones anteriores están en función del cuadrado de la velocidad, esto es correcto cuando sólo se trata de agua, en el caso de una mezcla las pérdidas según Ávila Jiménez Nelson (2007) se expresan de la siguiente manera:
ℎ =
Ecuación 8-21
2
Para codos a 90° los valores de K y n se obtienen en la siguiente tabla.
216
Tabla 8-2 Valor de constantes (Ávila Jiménez Nelson 2007)
Determinación de la velocidad límite Se conoce como velocidad límite a la velocidad mínima requerida para que los sólidos en suspensión no tiendan a sedimentarse, generando así un aumento de las pérdidas u obstrucciones en el sistema.
=
(1
)
Ecuación 8-22
En donde C es la concentración volumétrica de sólidos, Vs es la velocidad de sedimentación de una sola partícula expresada como:
=
Ecuación 8-23
.
En donde es la viscosidad cinemática del fluido, dp es el diámetro de la partícula usada en el cálculo correspondiente al d 50 obtenido del análisis granulométrico.
217
∗2 5 ∗ � 3 ∆ ∗ 2 ∆ �3 ∆ ∗ 2 ∆ ∆ ∆ =
2 2
2 + 3 (1 ) ´
= ( 25 + 1.2
5)
Ecuación 8-24
.
En donde ´ es el diámetro adimensional de la partícula dada por Cheng 1n 199 7b, como: ´
=
=(
)/
´
´
=
´
=
(1
)
1+
=
2
2
3
Ejemplo 8.1
En un análisis de concentración volumétrica se determinó que por cada 600 cm3 de agua se completa con café tostado hasta llenar 1 litro de pulpa, determinar la concentración volumétrica, en masa y peso de la misma. Se tiene 600 cm3 de agua y 400 cm3 de café, la densidad del café tostado es: 640-720 kg/m3 y la densidad del agua es 1000 kg/m3. 218
=
100% =
= 1
600
= 1
100%
100% = 40%
1000
La concentración en masa es: =
De:
100% =
= 1
100%
=
= 1
=
1
100%
+
3
1000 Kg/m .600
3 3
Kg 720 . 400 m
3 3 3
Kg + 1000 . 600 m
100%
= 32.43%
La concentración en peso se determina de la siguiente relación
=
100% =
= 1
= 1
100%
219
100%
= 1
+
100%
Se puede observar que la gravedad se simplifica, por lo que la concentración en peso es igual que la concentración en masa. Ejemplo 8.2 Determinar la densidad de la pulpa formada con agua y maíz con una concentración volumétrica del 30%. La densidad del maíz es: 720 Kg/m
3
En primer lugar hay que determinar el porcentaje volumétrico de agua y maíz. De la ecuación
3 3 3 ∑ ∑ 3 3 3 =
=
100%
=
100%
30%. 1000 100%
= 300
= 700
La densidad de la pulpa es:
=
300
=
. 720
Kg + 700 m3
1000
220
. 1000
Kg m3
= 916
Kg m3
Ejemplo 8.3 Seleccionar una bomba para transportar pulpa formada por agua y café en grano con una concentración en peso de 30%, se requiere transportar una distancia horizontal de 20 m y una distancia vertical de 6 m, el caudal requerido es de 10 m3/h. Nos ayudamos de la gráfica siguiente:
Primero hay que determinar la altura de bomba requerida mediante la ecuación 8-8.
∆ ℎ =
+
La sumatoria de pérdidas como es conocido se puede calcular con la ecuación 8-9.
ℎ ℎ ℎ =
+
221
Para tubería vertical según la ecuación 8-16
ℎ 0 537 0 338 .
= 9,537
.
.
La velocidad de sedimentación es de 0,5 a 2 m/s, para evitar complicaciones tomaremos la velocidad máxima de 2 m/s.
ℎ 0 537 0 338 ℎ 0 537 0 338 ℎ ℎ 039 0390 339 0 339 ℎ ℎ ℎ .
= 9,537
= 9,537(2 =
9.21 mca 100
.
.
/ )
.
. (0.3)
.
30m = 2.763
Para tubería horizontal según la ecuación 8-17 .
= 4,559
= 4,559(2
=
6.228 mca 1000
.
.
/ )
.
6
= 0.373
. (0.3)
.
Para pérdidas en codos se tiene =
2
Para codos verticales ascendentes de la tabla se tiene
222
Para dos codos
= 1.161 = 1.885
ℎ ℎ
= 2 1.161
885 �2 (2 / )
.
2 9.8066
= 0.437
Por lo que la altura de bomba es: = 6 + 2.763
+ 0.373
+ 0.437
= 9.573
Ejemplo 8.4
Determinar la velocidad mínima de transportación para la pulpa con el 30% de concentración volumétrica de agua y café, para un caudal de 10 m 3/h. Para la determinación de la velocidad mínima se aplica la ecuación 8-22.
=
(1
223
)
En donde C es la concentración volumétrica de sólidos, Vs es la velocidad de sedimentación de una sola partícula expresada como,
3 1ℎ ℎ 2 3 2 1ℎ ℎ 2 ∆ .
=
=
= 30%
En donde Rs debe ser superior a 4000 para garantizar flujo turbulento y evitar que exista sedimentación de los sólidos =
10
=
=
3600
2
= 0.00139
4 0.00139
= 0.042
2
Se tomará una tubería de 1 ¾” que da 4.445 cm, la velocidad corregida es: = 0.00156
10
=
3600 = 0.00156 =(
)/
224
= 1.782
∆
=
Kg 720 3 m
Kg 1000 3 m = Kg 1000 3 m
∆ ∆ ∆ ∆ ´
´
=
(1
=
)
1+
0.28(1
1
0.28
0.30)
0.28 0.30
=
0.214
La viscosidad cinemática a cero grados y 760 mm de presión es,
2 −6 2 −6 2 −6 � 3 ∆ ∗ 2 � 3 2 ∗ −6 22 ∗ 2 �3 ∗ = 0.0178
= 1.78 10
=
2
2
3
2 1.78 10
=
2
= 3.23 10
3 0.30
´
´
´
=
0.214 9.8
=
0.01
3.23 10
´
= (0.2 10 ) ´
=
58.21
225
0.01
∗2 5 2 5 2 −6 2 −6 = ( 25 + 1.2
´
5)
= ( 25 + 1.2 58.21
.
5)
.
= 452.74
De la ecuación 8-24
2 2
=
452.74 2 0.3 + 3 0.3 33707.86 (1 0.3)
2 2
=
2 + 3 (1 )
= 11.40 .
=
=
= 33707.86
33707.86 1.78 10
=
0.01
33707.86 1.78 10
=
0.01
=6
=
(1
226
)
3 64 = 0.712
(1
= 0.194
0.3)
.
/
8.6 ESTUDIOS EMPÍRICOS DEL TRANSPORTE HIDRÁULICO DE SÓLIDOS En forma paralela al desarrollo teórico, se realizaron estudios experimentales que permitieron conocer las características de funcionamiento del transporte hidráulico de sólidos. Debido a la carencia de una teoría bien desarrollada para el transporte hidráulico de sólidos, los primeros análisis experimentales, fundamentalmente para flujo en tuberías a presión, se caracterizaron por su aleatoriedad en la fijación de las variables de estudio. Es así, como algunos investigadores le dieron importancia a la concentración de la mezcla, al efecto del diámetro de la tubería, influencia de la densidad del sólido, etc. sin embargo, la mayoría de ellos permitieron extrapolaciones de sus resultados, en la obtención de modelos matemáticos que permitieron la predicción del comportamiento global de un sistema de transporte hidráulico de sólidos. Como resultado de esto, se puede encontrar en la bibliografía una enorme cantidad de modelos empíricos para transporte hidráulico de sólidos, así mismo, también se puede encontrar defensores de algunos modelos, correctores e incluso opositores. No obstante, los resultados experimentales son una excelente herramienta de diseño a nivel industrial.
227
Los estudios aludidos se centraron en el análisis de los tres parámetros más importantes del transporte hidráulico de sólidos desde el punto de vista industrial:
Velocidades límites de depósito. Pérdidas de carga en mezclas sólido-líquido o coeficiente de manning. Tasas de desgaste.
8.6.1 Velocidad límite de depósito (V L ) Como su nombre lo indica, la velocidad límite es la mínima velocidad de flujo para que no exista riesgo de depósito y obstrucción de la tubería. La definición más usada y de fácil determinación experimental es aquella que identifica como la velocidad a la cual los sólidos gruesos permanecen detenidos por periodos importantes en el fondo de la tubería (formación de dunas móviles y/o lecho fijo de fondo). La velocidad límite en transporte hidráulico de sólidos depende fundamentalmente de las siguientes variables.
granulometría de las partículas sólidas densidad relativa de las partículas sólidas. diámetro de la tubería o altura de escurrimiento en una canaleta. concentración de sólidos en la mezcla. inclinación de la tubería o pendiente de la canaleta.
En menor grado, VL también depende de:
factor de forma de las partículas sólidas. temperatura de la mezcla. 228
Influencia de la granulometría.
Un aumento parejo del tamaño de los sólidos provoca un aumento de la velocidad de sedimentación, y en la velocidad límite este aumento es menor. Los resultados experimentales indican que: " vL "
α
(d 50)0 4 → 0.8 .
O también " v L " α (%+ 65 mallas )0 2 → 0.4 .
Donde d50 corresponde a la abertura que deja pasar el 50% en peso de la muestra granulométrica. Por otro lado un espectro granulométrico demasiado ancho presenta una velocidad límite superior que una curva granulométrica normal. Se tiene así que:
(d80)0.0→0.2 d50
Donde d80 corresponde a la abertura que deja pasar el 80% en peso de la muestra granulométrica. En resumen, la influencia de la granulometría del sólido sobre la velocidad límite puede sintetizarse en la siguiente figura.
229
Figura 8-10 Influencia de la granulometría en la velocidad límite
8.6.2 Influencia de la densidad relativa de los sólidos La velocidad es nula para partículas boyantes y ella crecerá con el aumento de la densidad relativa entre el sólido y el líquido transportante. Experimentalmente se ha podido encontrar que: " v L "α (s-1)0.3 → 0.5
Figura 8-11 Influencia del diámetro de la tubería en la velocidad límite
230
La capacidad portante de un fluido a velocidad dada decrece con el aumento del diámetro de la tubería. Esto puede traducirse en que la velocidad límite crece con el diámetro de la tubería. La magnitud de esta dependencia ha sido determinada experimentalmente y para tuberías industriales se tiene: “v L "α D0.3 → 0.5 Para tuberías de pequeño diámetro, y “v L "α D0.2 → 0.4 Para tuberías de gran diámetro. Esta relación es una de las más importantes en el diseño y operación de sistemas de transporte hidráulico de sólidos por tuberías pues se puede actuar relativamente con facilidad en efectuar modificaciones en la tubería misma.
Figura 8-12 Influencia del diámetro de la tubería en la velocidad límite
8.6.3 Influencia de la altura de escurrimiento en un canal Los estudios sobre determinación de la velocidad límite en canales son mucho más escasos que para tuberías y una cuantificación de la influencia de la altura tiene que ser 231
considerada solo como un dato de estimación preliminar en base a experiencias puntuales. “v L " αh0.2 → 0.4 Pero más importante que la altura de escurrimiento es la altura critica. Algunos autores recomiendan que el número de Froude sea mayor que 1,1 o menor que 0,9. Es decir que el escurrimiento sea abiertamente rio o torrente y no presente problemas de crisis. 8.6.4 Influencia de la concentración de la mezcla Se ha determinado experimentalmente que la velocidad límite puede crecer, ser constante o decrecer con la concentración de sólidos en la mezcla, de trabajo. Sin embargo, esta dependencia es poco significativa a nivel industrial, con dispersiones de velocidades límites menores que un 10 % y se puede decir que en general tiende a cumplirse la tendencia de la siguiente figura.
Figura 8-13 Influencia de la concentración en la velocidad límite
Esta figura indica que bajo un 5 a 8 % en volumen es posible encontrar aumentos de la velocidad límite con la 232
dilución posiblemente debido a un aumento de la velocidad de sedimentación, debido a la disminución de la viscosidad. Entre un 10 a un 25 % la velocidad límite crece con la concentración, según la relación: “v L " αCv 0.2 → 0.3 Puesto que la capacidad transportante del fluido se vería más exigida con el aumento de material a suspender. Sobre un 30% en volumen, la velocidad límite empieza a decrecer suavemente con un aumento de la concentración, ello ocurre porque el aumento de la viscosidad se hace exponencial apareciendo también efectos no-newtonianos, disminuyendo la velocidad global de sedimentación y la tendencia al depósito. El rango de trabajo a nivel industrial varía entre 20 a 28% y que un aumento de la concentración para bajar VL parece no ser una buena política, puesto que a una misma VL el riesgo de obstrucción de difícil refluidización es mayor en una pulpa a gran concentración que en una a baja concentración. 8.6.5. Inclinación de la tubería o pendiente del canal Para un fluido puro, no existe ninguna influencia hidrodinámica de la inclinación de la tubería sin embargo, en mezclas sólido-líquido ella influye en la formación anticipada de dunas sobre el fondo de la tubería. Esta dependencia para el flujo en tubería a presión se puede apreciar en la siguiente figura:
233
Figura 8-14
Dónde: (VL) o: velocidad límite de la tubería horizontal. (VL) m: velocidad límite máxima (para contrapendientes del orden de 30°. (VL) a : velocidad límite de la tubería vertical ascendente, ella corresponde a la velocidad de sedimentación de la partícula de mayor tamaño del espectro granulométrico. Esta curva permite decir que para trabajar con contrapendientes es necesario mayor velocidad de flujo, sin embargo para flujo totalmente vertical la velocidad límite es menor que la horizontal. Es necesario recalcar que el incremento de la velocidad límite en las contrapendientes puede alcanzar valores de hasta un 15%. Sin embargo, este efecto ha sido uno de los que menos se ha estudiado experimentalmente. Como la pendiente de los canales es siempre muy cercana a la horizontal, es decir del orden de 1% al 3%, no existe ningún grado de influencia de la pendiente de la canaleta sobre la velocidad límite. 234
8.7 PÉRDIDA DE CARGA EN TUBERÍA (JM) La resistencia al flujo en una mezcla sólido líquido que fluye por una tubería puede ser considerablemente mayor que la resistencia en el caso de un líquido puro. La experiencia, tanto a nivel de laboratorio como industrial, indica que la pérdida de carga de la pulpa tiene el comportamiento mostrado en la siguiente figura.
Figura 8-15 Pérdida de carga
Donde J es la perdida de carga lineal. Este comportamiento puede explicarse de la siguiente manera:
El aumento de concentración, para una velocidad dada, implica un aumento en la energía gastada en mantener las partículas sólidas en suspensión. El aumento de velocidad homogeniza la suspensión y la mezcla tiende a comportarse como un líquido puro. Al producirse depositación, el choque de las partículas contra la pared provoca una disipación muy fuerte de energía, y la pérdida de carga 235
aumenta considerablemente aunque la velocidad de flujo disminuya. Para lograr una mayor comprensión del fenómeno se define a continuación la diferencia unitaria de pedida de carga: Donde Jm y Jo son las pérdidas de carga de la pulpa y del agua pura. Este parámetro es función de las siguientes variables:
Granulometría de las partículas sólidas. Densidad relativa de las partículas sólidas. Diámetro de la tubería. Concentración de sólidos. Velocidad de flujo.
En el actual estado del conocimiento se pueden concluir que:
Los estudios realizados para suspensiones homogéneas prácticamente coinciden en que Jm sólo depende de Jo y Cv. En las suspensiones heterogéneas el arrastre se puede observar que se cumple la siguiente tendencia.
0→200 5→02 0→3 0→20 0 .
=
(
.
1)
.
.
.
.
.
A pesar de una relativa coherencia que existe en los estudios realizados, se pueden observar una serie de estudios realizados, se puede observar una serie de deficiencias de las cuales se señalarán los más importantes: 236
No consideran la distribución granulométrica de las partículas sólidas. No toman en cuenta la influencia del ángulo de inclinación de la tubería. El parámetro Jm está dado en metros de agua y para el análisis de líneas gravitacionales debe transformarse a metros de pulpa. No se considera el efecto de pulido que provocan las partículas sólidas en la tubería, disminuyendo notablemente la perdida de carga del agua pura.
8.8 DESGASTE DE LAS TUBERÍAS El desgaste que sufren inevitablemente las instalaciones de transporte hidráulico de sólidos tiene dos causas principales:
La abrasión mecánica debido al choque continuo de las partículas sólidas contra la pared y La corrosión electroquímica debido a la diferencia de potencial electroquímico entre la pulpa y el ducto.
La abrasión mecánica de las tuberías, tiene su origen en la formación de tensiones locales altas en la pared, causadas por el incesante impacto sobre ésta de las partículas de gran energía cinética, la repetición de estas tensiones fatigan el metal erosionando la superficie. Las variables que influyen en la abrasividad de un flujo sólido-líquido son múltiples: tamaño, dureza, densidad y forma de las partículas, concentración de sólidos, velocidad y características geométricas y mecánicas de la línea. De todas estas variables, las importantes de 237
controlar para un sistema dado son: la velocidad media de la mezcla y los cambios bruscos en la dirección del flujo. Se ha demostrado que en la generalidad de los casos la tasa de abrasión depende de la velocidad en la siguiente razón:
2 0→3 0 ó
=
,
,
La abrasión local por los cambios de dirección puede controlarse diseñando las curvas con radio amplio (superiores a 50 diámetros) o instalando protecciones antiabrasivas en codos y curvas. Aunque las características de abrasividad de una pulpa dada deben ser obtenidas desde pruebas en planta piloto, a veces es posible extrapolar condiciones de abrasividad para distintas granulometrías del material. Una relación usada es definir la erosión en forma lineal al porcentaje de gruesos (+65 mallas). La corrosión electroquímica puede tener múltiples causas
Presencia de oxígeno u otros gases en el flujo. Influencia catalítica de los reactivos.
Siendo prácticamente imposible de predecir su orden de magnitud. Debido a ello, el sistema más utilizado de prevenir dicha corrosión es proteger catódicamente la tubería, de modo de minimizar la variación de potencial que cause la reacción química.
238
CAPITULO 9 9.
TRANSPORTE NEUMÁTICO
El Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Técnica Federico Santa María formó el Centro de Investigación para el Transporte de Materiales (CITRAM) 2 para estudiar experimentalmente el transporte neumático de materiales sólidos a granel, los diferentes tipos de flujo que se pueden generar dentro de una cañería, y para determinar los parámetros más importantes para el correcto diseño y operación de estos sistemas tales como la velocidad mínima de transporte y la caída de presión en la cañería. El presente trabajo describe las características del sistema implementado, el primero en su tipo en Chile, y entrega resultados obtenidos tales como la velocidad mínima y la caída de presión recomendada para el transporte horizontal de diversos materiales a granel ensayados.
9.1 INTRODUCCIÓN Los sistemas de transporte neumático son ampliamente utilizados en la industria para el transporte de materiales al granel, el estado físico del material transportado puede ser tanto granulado como pulverulento, siempre que éstos no 2
Francisco Cabrejos, María Isabel Jofré y Jorge Rojas Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Ingeniería Mecánica, Chile
239
sean muy higroscópicos, los sistemas de transporte neumáticos son utilizados por más de un siglo para una amplia gama de aplicaciones tales como minería, farmacéutica, papel y otros. Como en la mayoría de sistemas de transporte este tipo es utilizado para impulsar material al granel desde un punto a otro, ya sea dentro de la planta como fuera de ella, por medio de un flujo de aire a presión en el interior de una cañería. La presión de transporte puede ser positiva, es decir de impulsión o negativa, en cuyo caso es de succión. Estos sistemas pueden transportar distancias de hasta 2 km, tiene capacidades de hasta 1000 t/h y como se dijo anteriormente transporta materiales sólidos particulados en el orden de la micra hasta granulados de hasta 20 mm. Entre las ventajas la más importante es que, al ser sistemas cerrados impide la contaminación tanto de los productos transportados como el medio en el cual se encuentra instalado el sistema, esto gracias a que el producto es transportado por el interior de cañerías y absolutamente todo el sistema es herméticamente cerrado, por lo que es aconsejable para el transporte de productos explosivos, tóxicos, biológicos, por ser sistema limpios se utilizan para transportar productos farmacéuticos, alimenticios, y por ser herméticos se usa para transportar materiales pulverulentos y friables. Entre las desventajas se puede mencionar que el tamaño de partícula y la distancia se ve limitado por el excesivo consumo energético, los únicos materiales que se pueden transportar son aquellos que pueden ser fácilmente separados luego del transporte, no deben ser adhesivos y cohesivos, materiales frágiles pueden generar demasiado desgaste del sistema debido a la fricción. 240
Una desventaja es que no se puede transportar materiales demasiado frágiles y los materiales particulados deben ser lo suficientemente secos para evitar la cohesión y adhesión. Hoy en día se pueden encontrar sistemas de transporte neumático en las más diversas industrias. Incluso existen algunas aplicaciones algo inusuales como el transporte neumático de gallinas vivas en granjas, transporte neumático de botellas plásticas y/o latas de cerveza, transporte neumático de cubos de hielo en minas subterráneas en Sudáfrica, transporte de pellets para alimentar salmones, etc.
9.2 SISTEMA DE FASE DILUIDA Y BAJA PRESIÓN Estos sistemas de transporte neumático son aquellos en los que el material transportado se encuentra en suspensión y las partículas se distribuyen uniformemente en el interior de la sección transversal de la cañería, es decir el flujo es homogéneo, para obtener estas condiciones de flujo la concentración debe ser inferior a 10 kg de sólidos por cada kg de gas y la velocidad de transporte es relativamente alta. Un ejemplo esquemático de este tipo de sistema se puede observar en la figura 9-1 en la que el soplador genera la presión de aire, inferior a 1 Bar , necesario para generar el flujo y transportar al material hasta la descarga, el sistema representado es conocido como de presión positiva.
241
Figura 9-1 Esquema de un sistema de transporte neumático en fase diluida y de baja presión positiva (DINAMIC AIR INC)
Las partículas sólidas se introducen en la cañería de manera controlada a través de un alimentador el cual evita sobrecarga en la línea, en el caso de ser un sistema de presión positiva se requiere de un mecanismo de sello para alimentar el material que generalmente trabajan a presión ambiente, permite introducir y mezclar el material dentro de la cañería que está presurizada. En el ejemplo se muestra además un dosificador de tornillo sin fin como alimentador, una válvula rotatoria tipo ‘airlock’, una te en la unión con la cañería, los silos de almacenamiento, la cañería, codos y un filtro de mangas.
9.3 DIAGRAMA DE ESTADO El diagrama de estado es una representación gráfica como la mostrada en la figura 9-2, el cual nos permite describir el funcionamiento del sistema de transporte neumático mediante la representación de la caída de presión por unidad de largo de la cañería, ΔP/L, en función de la 242
velocidad del gas de transporte, Ug, para curvas de flujo de sólidos constante y la concentración de sólidos, Ws. En la figura 9-2 se aprecia claramente que la caída de presión depende de la velocidad del gas de transporte y del flujo de sólidos. En el caso de sistemas en fase diluida, la caída de presión aumenta al aumentar la velocidad del gas, característica típica de este tipo de sistemas. En cambio, en el caso de sistemas en fase densa, la caída de presión aumenta al disminuir la velocidad del gas debido a la mayor fricción de pared y menor área efectiva de la cañería. Existe una zona inestable entre ambos, y una zona bajo la cual ya no es posible transportar un material y representa la velocidad mínima de transporte.
Figura 9-2 Diagrama de estado de un sistema de transporte neumático para materiales gruesos y finos (CONGRESO CONAMET/SAM 2004)
9.4 DISEÑO DE SISTEMAS DE TRANSPORTE NEUMÁTICO Para diseñar y/o seleccionar un sistema nuevo de transporte neumático y/o para comprobar si un sistema existente opera adecuadamente, el primer paso es 243
determinar las características físicas y de fluidez del material a manejar. Además, la naturaleza del material a transportar es de vital importancia y puede limitar significativamente la elección de un sistema de transporte neumático. Es imprescindible conocer las siguientes propiedades:
Tamaño de partículas: máximo, mínimo y la distribución granulométrica. Densidad y forma de las partículas. Fluidez del material y su permeabilidad. Otros: abrasividad, toxicidad, fragilidad, dureza. reactividad, compresibilidad, tendencia a segregarse, efectos electrostáticos, etc.
Con estos datos se podrá construir el diagrama de estado para determinar el punto óptimo de operación, y seleccionar y dimensionar los componentes básicos que conforman el sistema, como se ilustra en la Figura 9-3.
Figura 9-3 Determinación del punto de operación de un sistema de transporte neumático en fase diluida (CONGRESO CONAMET/SAM 2004)
244
La velocidad de transporte es el parámetro más importante para el diseño del sistema, ya que de ella depende el tipo de flujo desarrollado y la caída de presión. Sistemas de transporte neumático diseñados para operar a altas velocidades (flujo homogéneo) están sujetos a un alto consumo de energía, posible degradación y/o segregación del material, y desgaste excesivo de cañerías y codos, lo cual se puede traducir en una operación costosa y poco rentable. Por otro lado, sistemas diseñados para operar a bajas velocidades o elevados flujos de sólidos pueden sufrir la depositación de partículas sobre el fondo de la cañería, flujo errático de material, e incluso llegar a tapar o embancar la cañería, lo cual detiene completamente el sistema. Por lo tanto, como determinar la velocidad óptima de transporte es considerado uno de los pasos más importantes en el correcto dimensionamiento y operación de sistemas de transporte neumático, estos términos y definiciones para referirse a la velocidad mínima de transporte se basan en observaciones visuales del tipo de flujo desarrollado, mediciones de la caída de presión y/o mediciones de la velocidad de partícula3. Dos tipos de flujo se pueden distinguir claramente en sistemas de transporte neumático horizontales: flujo sobre la velocidad mínima de transporte y flujo bajo la velocidad mínima de transporte del material, como se mencionó anteriormente. En el primer caso, las partículas fluyen a alta velocidad, en suspensión y homogéneamente dispersas en la misma dirección que el aire (flujo homogéneo). En el segundo caso, algunas partículas se 3
F. Cabrejos and G. Klinzing, “Minimum Conveying Velocity in Horizontal Pneumatic Transport and the Pickup and Saltation Mechanisms of Solids Particles”, Bulk Solids Handling, Vol. 14, No. 3 (1994), pp. 541-550.
245
depositan en el fondo de la cañería mientras otras deslizan sobre estas dunas en reposo, como se muestra esquemáticamente en la Figura 9-4.
Figura 9-4 Flujos en cañerías horizontales: sobre (A) y bajo (B) la velocidad mínima de transporte (CONGRESO CONAMET/SAM 2004)
Si bien flujos bifásicos (gas + sólidos) en cañerías obedecen a todas las leyes de la Mecánica de los Fluidos, aún no se dispone de soluciones teóricas a partir de estos principios básicos. Su naturaleza turbulenta, el gran número de variables involucradas, la interacción caótica entre ambas fases, y la gran variedad de materiales manejados hacen todavía muy complejo la modelación teórica de este tipo de flujos. Por lo tanto, estudios experimentales resultan muy necesarios y contribuyen con una base de datos para entender mejor el fenómeno y para poder diseñar y operar sistemas adecuadamente. Más detalles y un diagrama de bifurcación propuesta para estudiar el flujo de partículas en sistemas de transporte neumático, incluyendo ambos fenómenos de depositación y desprendimiento de partículas sólidas en cañerías horizontales y su relación con la velocidad mínima de transporte, se puede consultar en la referencia4. 4
F. Cabrejos and G. Klinzing, “Incipient Motion of Solid Particles in Horizontal Pneumatic Conveying”, Powder Technology, Vol. 72 (1992), pp. 51-61.
246
9.5 DISEÑO EXPERIMENTAL Uno de los proyectos de investigación desarrollados actualmente por el CITRAM es el transporte neumático de materiales sólidos a granel. Para esto se diseñó e implementó un sistema a modo de “banco de pruebas” con la instrumentación necesaria para la determinación experimental de parámetros tales como: velocidad mínima y óptima de transporte, velocidad de depositación, pérdida de carga, fenómeno de atrición, entre otros. La información obtenida puede conformar una base de datos que permita el adecuado diseño y operación de este tipo de sistemas para materiales de uso común en nuestro país (CABREJOS & KLINZING, 1994). El sistema implementado corresponde a un sistema de transporte neumático horizontal en fase diluida, con cañerías de 57,5 mm (I.D.) con un largo total de transporte de 6 m aproximadamente. El sistema está compuesto por cañerías de acrílico transparente que permiten una mejor visualización del fenómeno de transporte y del comportamiento del material en el interior de la cañería y punto de alimentación. El sistema cuenta con un silo de almacenamiento y una tolva que permiten asegurar flujo másico de descarga. El sistema de alimentación consiste en una válvula de guillotina de acción on-off. En la descarga de la línea se instaló un filtro de mangas para colectar las partículas transportadas y retornar el aire de transporte al ambiente y limpio. El flujo de sólidos se mide a través del tiempo de descarga del silo de alimentación (ya que posee flujo másico de descarga). El caudal de aire de transporte se mide mediante una placa orificio instalada antes del punto de 247
alimentación (flujo de aire sólo). La caída de presión se mide con transductores instalados en varios puntos de la línea. Un soplador equipado con un variador de frecuencia y válvulas dosificadoras de material permiten la realización de pruebas a distintas velocidades y con distintos flujos de material. De esta forma es posible determinar las características de transporte del material bajo distintas condiciones de operación, y recopilar la información necesaria para la representación del diagrama de estado. A modo de ejemplo, las Figuras 9-5, 9-6 y 9-7 muestran el funcionamiento del sistema durante los ensayos realizados con gritz de maíz (material seco y de buena fluidez) para diferentes condiciones de operación.
Figura 9-5 Ensayos con gritz de maíz: Punto de alimentación de material a alta velocidad y sin acumulación (CONGRESO CONAMET/SAM 2004)
248
Figura 9-6 Ensayos con gritz de maíz: Transporte horizontal en fase diluida a alta velocidad (flujo homogéneo) (CONGRESO CONAMET/SAM 2004)
Figura 9-7 Ensayos con gritz de maíz: Transporte horizontal en fase diluida a baja velocidad (depositación de partículas) (CONGRESO CONAMET/SAM 2004)
La Figura 9-8 muestra el diagrama de estado modificado para el gritz de maíz ensayado a dos flujos de sólidos de 0,05 y 0,12 kg/s, graficando la caída de presión total del sistema (Ptotal) en función de la velocidad del aire de transporte.
249
Figura 9-8 Diagrama de estado modificado obtenido en forma experimental para el gritz de maíz.[3]
9.5.2 Resultados Diversos ensayos de transporte se realizaron en el sistema implementado e instrumentado con los siguientes materiales: gritz de maíz, azúcar granulada y nitrato de potasio prilado. Las características de tamaño y densidad de cada uno de estos productos se entregan en la Tabla 91, desde el punto de vista del transporte neumático. Tabla 9-1 Características principales de los productos ensayados. [4]
250
9.5.2.1 Velocidad mínima de transporte La velocidad mínima de transporte para cada producto ensayado se determinó visualmente (inestabilidad observada en el flujo) y mediante el transductor de presión (oscilación de la señal de ΔP/l). La Tabla 9-2 entrega los valores recomendados para el transporte neumático de cada uno de los productos en función del flujo de sólidos y la relación de carga µ = Ws/Wg. Tabla 9-2 Velocidad mínima de transporte y relación de carga. [4]
Claramente, a mayor flujo de sólidos (y relación de carga µ), mayor debe ser la velocidad del aire de transporte para evitar problemas de inestabilidad y eventuales obstrucciones de la cañería. 9.5.2.2 Diagrama de estado Como se mencionó anteriormente, el diagrama de estado se utiliza para describir y representar las características de 251
transporte neumático de un producto y en un sistema en particular. Las Figuras 9-9, 9-10 y 9-11 muestran el diagrama de estado obtenido para cada uno de los materiales ensayados.
Figura 9-9 Diagrama de estado obtenido para el gritz de maíz. [4]
Figura 9-10 Diagrama de estado obtenido para el azúcar granulada. [4]
252
Figura 9-11 Diagrama de estado obtenido para el nitrato de potasio prilado. [4]
9.5.2.3 Caída de presión Utilizando el modelo propuesto por Weber (WEBER, 1981), la caída de presión total en un tramo de cañería horizontal y con flujo desarrollado y diluido se puede representar de la siguiente manera:
∆ ∆ /
=(1+
. )
/
Ecuación 9-1
=
Dónde:
∆ ∆
Caída de presión total del sistema por unidad de largo (Pa/m). /
Caída de presión del fluido de transporte por unidad de largo (Pa/m). /
K
Coeficiente de fricción del material.
µ
Relación de carga. 253
Ws
Flujo de sólidos (kg/s).
Wg
Flujo de aire (kg/s).
La Tabla 9-3 entrega el valor de K promedio para cada uno de los productos ensayados, y fue calculado en base al promedio de tres mediciones para cada punto ensayado fijando la velocidad del aire de transporte y el flujo de sólidos en el sistema. También se incluye el número de puntos ensayados y el error porcentual obtenido. Cabe destacar que estos valores son válidos para relaciones de carga µ inferiores a 4, dadas las limitaciones de capacidad del sistema. Tabla 9-3 Coeficiente K obtenido para los productos ensayados (Cabrejos Fancisco 1994)
9.6 COSTO ENERGÉTICO Según investigaciones realizadas por Enrique Torres Tamayo, Ángel Oscar Columbié Navarro, Yoalbys Retirado Mediaceja, Alexander Machado Noa, en su trabajo sobre Simulación del transporte neumático del mineral laterítico en fase densa en el 2009, determinaron que los consumos energéticos se concentran fundamentalmente en el alimentador de aire y en el alimentador sinfín. Si se consideran las pérdidas de presión en la cámara de alimentación y en el separador, la demanda de potencia se estima a partir de la siguiente expresión (Rodes, 2001):
254
= 177.
1
.
Ecuación 9-2
2
Dónde: N
Demanda de potencia; kW.
Mg
Flujo másico de aire; kg/s.
P1
Presión de entrada; bar abs.
P2
Presión de salida; bar abs.
Si se divide esta ecuación por la cantidad de material transportado se obtiene la demanda de energía específica expresada en kJ/kg de material transportado. Con estos resultados y las características de transporte de los sistemas, se estiman los parámetros racionales de transporte neumático del mineral laterítico en la ECG. Ejemplo 9.1 Se requiere la conducción de 45360 kg de viruta de madera en un tiempo de recolección de 5 h. 45 360
ℎ /5
= 9 072
ℎ
/ = 20 000.1
ℎ
/ )
En la tabla de pesos específicos de materiales encontramos que la viruta de madera tiene un peso promedio por volumen de 290-320 kg/m3 (Tomaremos 320 kg/m3). Como podemos observar en la gráfica de velocidad de transporte y de m3 de aire por kg de material, encontramos que para 320 kg/m3 necesitamos 3.1 m3 de aire por kg de material y una velocidad de 22.4 m/s. 255
Figura 9-12 Velocidad de transporte y consumo de aire requerido
El caudal requerido se determina multiplicando 9072 kg/h por 3.1 m3 de aire por kg de material. 9 072
ℎ 3 3.1
= 28 123
= (16 542.9
)
ℎ3
El último paso es la selección del ventilador con el caudal indicado y la velocidad más cercana a la que se muestra en la tabla inferior.
256
Tabla 9-4 Velocidades promedio para transporte de material
Ejemplo 9.2 Transporte neumático desde la salida de los secaderos hasta las tolvas de producto final de los molinos: el mismo está formado por alimentadores de tornillo sinfín modelo TA−36, cada uno cuenta con líneas de transport e de diámetro 250 mm y tres válvulas desviadoras del mismo diámetro. La capacidad de cada alimentador es de 120 000 kg/h. El transporte de polvo se realiza con aire comprimido a una presión de 3 bar . Producido por tres compresores de 15900 m3 /h cada uno y otro de 20 000 m3 /h. La producción de aire se concibió de forma centralizada y se distribuye a las instalaciones de transporte neumático mediante la red de tuberías. 257
Principales características técnicas de los equipos que conforman el sistema de transporte neumático. Características de los alimentadores neumáticos de tornillo sinfín Datos Productividad
120 000 kg/h.
Longitud máxima
300 m.
Presión de aire comprimido 3 bar . Presión de trabajo en la cámara de mezcla 2.5 bar . Consumo de aire comprimido
50 m3 /min.
Diámetro del tornillo sinfín
270 mm.
Potencia del motor
160 kW
Velocidad de rotación
1170 rev/min
Características de la instalación Datos Diámetro exterior de la tubería
270 mm.
Diámetro interior de la tubería
250 mm.
Longitud de los tramos horizontales 351 m. Longitud de los tramos verticales
12 m.
Cantidad de codos de 90°
7 258
Cantidad de válvulas válvulas de dos vías
1
Las características y datos antes mencionados corresponden a cuatro sistemas independientes. Otros aspectos a tener en cuenta Los codos se unen a los tramos rectos por bridas entre las que se colocan juntas para lograr una buena y necesaria hermeticidad. Para combatir la corrosión, las tuberías en su parte más cercana al suelo, están separadas a una distancia de 20 mm del mismo. Determine diámetro interior de la tubería, presión de salida del compresor, consumo de aire en la instalación y la demanda de potencia del motor. Cálculo verificativo de las instalaciones de transporte neumático. Según experimentos la velocidad crítica del material que µ m es se transporta con granulometría promedio de 74 µm igual a 12 m/s, aplicándole un margen de seguridad del 50 % se obtiene la velocidad mínima de transporte.
= 1.5
= 1.5 12 = 18
/
Cálculo de la longitud de transporte reducida
La longitud reducida se obtiene mediante la suma de la longitud geométrica del conductor y sus longitudes equivalentes. La longitud equivalente de una resistencia local se asume como la resistencia de un tramo de tubería horizontal recta recta en donde donde las pérdidas pérdidas de presión causadas por el paso de la corriente de aire - material es igual a la 259
que se produce por una resistencia local como son, codos, derivaciones, válvulas, etc. Estas longitudes equivalentes dependen de las propiedades del material y de las dimensiones de los elementos que provocan las resistencias locales. Como guía para el cálculo se dan los valores aproximados de estas resistencias basadas en los datos experimentales.
∑ ℎ ∑ ∑ ∑ ∑ℎ ∑ ∑ ∑ =
+
= 351
+
+ 12
+ 70
+
= 433
es la suma de las longitudes de los tramos horizontales = 351
=
= 12
es la suma de las longitudes de los
tramos verticales
es la suma de las longitudes equivalentes por concepto de siete codos = 10 7 = 70 = 0 es
la suma de las longitudes equivalentes por concepto de válvulas, para válvulas de cuña es igual a 0. Con el valor de Lred en la literatura especializada se escoge el valor de la concentración de la mezcla polvo – aire.
3 = 33
/
Cálculo del del diámetro interior de de la tubería tubería
260
ℎ =
= 100000
V =18 m/s
4
/ = 27,8
/
D = 244 mm Este diámetro se puede estandarizar según norma a D = 250 mm. Ajuste de la concentración de la mezcla para el nuevo valor del diámetro.
3 2 2 3 = 31, 5
/
Cálculo de las pérdidas de carga =
+
+
+
Coeficientes
El valor del coeficiente F 1 varía según el diseño de los dispositivos de alimentación de polvo y es necesario determinarlo experimentalmente. Según experimentos realizados éste se encuentra entre 2 y 3, para los cálculos de ingeniería se utiliza el valor de 2.5. En el coeficiente F 2 se incluyen una cantidad de variables indeterminadas y varía ampliamente para diferentes materiales, tamaños de partículas, proporciones aire-polvo condiciones de la pared de la tubería t ubería y velocidades de aire. No obstante, para un determinado tipo de polvo se ajusta a una configuración definida dentro de un campo bastante 261
amplio de variaciones de la proporción aire-polvo transportado y tamaño de tubería. Los valores de F 2 se encuentran tabulados para diferentes materiales en función de la velocidad del aire de transporte, para el caso analizado se escoge un valor de F 2= 0.03 (para V=18 m/s). Los valores de F 3 aparecen tabulados en la literatura en función de la relación radio de curvatura versus diámetro de tubería. Siempre que sea posible deberían usarse codos de gran radio de curvatura (con una razón mínima de 6:1), a fin de reducir las pérdidas y evitar el riesgo de embotellami e mbotellamiento. ento. F 3= 0.5 para
≥
6
2 22 2 2 22 = 256613
/
= 2.56 2.566 6 kgf/ kgf/cm cm
Cálculo de de la presión presión a la salida del del compresor compresor (Ps) = 2.56 .566 + 1.03 .033 = 3.566 =
Dónde
/
+
= 1.15 – 1.25 = 0.3
= 4.51
262
/
/
Consumo de potencia en el eje
2 2 (
)
=
4
1000
= 307
Cálculo de la demanda demanda de potencia del motor
=
= 436 kW kW
Dónde:
= 0.9 (Rendimiento de la transmisión por engranaje). = 0.85 (Rendimiento que tiene en cuenta el trabajo
politrópico del compresor). compresor). = 0.92 (Rendimiento del motor eléctrico).
Cálculo del consumo de aire de la instalación
ℎ 3 33 ℎ =
=
Conclusiones
100000 31. 5
/
/
= 317.7 7.7
/
= 0.88 .88
/
263
El diámetro interior de la tubería para el transporte neumático de los materiales pulverulentos es de 244 mm, la presión de salida del compresor es 4.51 kgf/cm2, el consumo de aire en la instalación 0,88 m3 /s y la demanda de potencia del motor 436 kW .
264
BIBLIOGRAFIA 1. F. Cabrejos and G. Klinzing, “Minimum Conveying Velocity in Horizontal Pneumatic Transport and the Pickup and Saltation Mechanisms of Solids Particles”, Bulk Solids Handling, Vol. 14, No. 3 (1994), pp. 541-550. 2. F. Cabrejos and G. Klinzing, “Incipient Motion of Solid Particles in Horizontal Pneumatic Conveying”, Powder Technology, Vol. 72 (1992), pp. 51-61. 3. M. I. Jofré, “Diseño e Implementación de un Sistema Experimental para el Transporte Neumático de Materiales Sólidos a Granel”, memoria para optar al título de Ingeniero Mecánico Industrial, UTFSM, Oct. 2003. 4. J. Rojas, “Características del Transporte de Materiales Sólidos a Granel en un Sistema Neumático”, memoria para optar al título de Ingeniero Mecánico Industrial, UTFSM, Nov. 2003. 5. M. Weber, “Principles of Hydraulic and Pneumatic Conveying in Pipes”, Bulk Solids Handling, Vol. 1, No.1, Feb. 1981, pp. 57-63.
265
APÉNDICE ANEXO A Tabla A1 Densidad del material transportado r t/m3 (Fundamentos de diseño PHOENIX)
266
Tabla A2 Peso específico aparente de algunos materiales γ Tm/m3 (Catálogo ROTRANS)
267
Tabla A3 Densidades reales de algunos materiales [Kg/m 3]
Material Semilla de Algodón Almidón Carbón Madera Triturada Corcho Cuarzo Molido Grafito Granos de Café Granos de Maíz Madera en Viruta Polvos Metálicos Sal Sosa Ligera Sosa Pesada Óxido de Zinc Sulfato de Zinc
d 560-640 480-640 800-960 240-480 80-240 1760 640 640-720 720 290-320 800-1600 1200-1520 400-560 880-1040 320-560 1120
Tabla A4 Densidades de algunos materiales (Kg/m 3)
268
Tabla A5 Densidades de algunos materiales en g/cc
269
Tabla A6 Peso promedio por volumen Lb/pie 3
270
ANEXO B Puentes Grúas Tabla B1 Cuadro de estado de carga (UNE 76 201-88)
271
Tabla B2 Ejemplos de clasificación de los aparatos de elevación (UNE 76 201-88)
272
Tabla B3 Cuadro de clasificación de los aparatos en grupos (UNE 76 201-88)
Tabla B4 Valor del coeficiente dinámico vertical f (UNE 76 201-88)
273
Tabla B5 Velocidad de movimiento en m/min (UNE 76 201-88)
274
Tabla B6 Velocidades y aceleraciones medias recomendadas (UNE 76 201-88)
Figura B1 Velocidades de elevación Nota:
Suele ser un dato fijo en el cálculo, cuando no es así, la velocidad de translación del polipasto es función lineal de la luz de la grúa, de la misma manera sucede con la velocidad de translación, proporcional a la longitud del camino de rodadura.
275
Figura B2 Dimensiones generales de un puente grúa
Figura B3 Dimensiones del carro
276
Tabla B7 Dimensiones geométricas (UNE 76 201-88)
277
Tabla B7Continuación (UNE 76 201-88)
278
Tabla B7 Continuación (UNE 76 201-88)
279
ANEXO C Bandas Tabla C1 Tipo de correas (Fundamentos de diseño PHOENIX)
Tabla C2
280
Tabla C3
Tabla C4 Bandas transportadoras metálicas
281
Tabla C5 Recubrimientos
Tabla C6 Propiedades
Recomendado para transporte de materiales GRADO Y: cortantes y de granulometría alta: granito, Antiabrasivaestándar cuarzo, rocas duras, vidrios, etc. Tª máx. deutilización: 60ºC. Esta calidad de goma es adecuada para el GRADO N: transporte de materiales abrasivos y Antiabrasiva. relativamente duros: antracita, arena, piedras calcáreas, etc. Tª máx. utilización: 60ºC. Especialmente concebido para el transporte de GRADO W: materiales con gran poder de desgaste MuyAntiabrasiva. (granulometría fina). Tª máx. deutilización: 60ºC. Tabla C7 Propiedades especiales
Correspondiente a las calidades “S” y “K” (antillama y antiestática) de la norma DIN 22.102. Está indicada para el empleo en interiores de minas ANTILLAMA con presencia de gas Grisú y en general en atmósferas potencialmente explosivas. Cumple además con las normas DIN 22103 e ISO 340/79 sobre bandas antillama. Fabricado a base de caucho acrilonitrilo (NBR), que resiste con gran ventaja sobre otros cauchos de uso ANTIACEITE general, al ataque de aceites y grasas, y en general todo tipo de hidrocarburos. Tª máx. de trabajo: 120ºC . Grado “GM” (nitrilo medio) y Grado “G”
282
(nitrilo de alta densidad). En función de las temperaturas a las que van a estar ANTICALOR sometidas se ofrecen las siguientes alternativas: T150ºC , T- 170ºC y T- 200ºC . Adecuada para el transporte de productos alimenticios. Cumple la especificación de la FDA ALIMENTARIA sobre la composición de gomas en contacto con alimentos. Tabla C8 Diámetro mínimo de tambores para banda textil
Tabla C9 Coeficientes de seguridad
Tabla XI - Coeficientes de Seguridad para Bandas de Carcasa textil Número de Capas (z) de 3 a 5 Coeficiente de Seguridad 11 (S)
283
de 6 a 9 12
más de 9 13
Tabla C10 Capacidad de transporte (Departamento de Ingeniería Mecánica Calos III de Madrid)
Tabla C11 Paso para rodillos y peso de bandas (Catálogo ROTRANS)
284
Tabla C12 Factores (Catálogo ROTRANS)
Tabla C13 Consideraciones generales (Catálogo ROTRANS)
285
Tabla C14 Capacidad de carga de rodillos en función de la velocidad (Catálogo ROTRANS)
286
Tabla C15 Velocidad del rodillo en función de la velocidad del transportador (Catálogo ROTRANS)
Tabla C16 Recomendación de diámetro de rodillos por ancho de banda (Catálogo ROTRANS)
287
Tabla C17 Capacidad de transporte (Catálogo ROTRANS)
Tabla C18 Factores de reducción y coeficientes de fricción (Catálogo ROTRANS)
288
Tabla C19 Flujo teórico de volumen (Catálogo PHOENIX)
289
Tabla C20 Coeficientes para determinar el flujo de volumen (Catálogo PHOENIX)
Tabla C21 Masa de los polines (Catálogo PHOENIX)
290
Tabla C22 Coeficiente C en función de la inclinación (Catálogo PHOENIX)
Tabla C23 Coeficientes de fricción (Catálogo PHOENIX)
291
Tabla C24 Valores para determinar las Fuerzas Mínimas de la correa (Catálogo PHOENIX)
Tabla C25 Material de la cubierta (Catálogo PHOENIX)
292
Tabla C26 Tipo de categoría de la cubierta de correas (Catálogo PHOENIX)
Tabla C27 Diámetro mínimo de tambor
Tabla C28 Ancho efectivo de banda en función del ancho de banda B y ángulo de artesa λ
293
ANEXO D Tornillo sin fin Tabla D1 Paso para tornillos sin fin
PASO Normal Estándar Paso corto Paso medio Paso largo
APLICACIONES Mayoría de las aplicaciones normales Aconsejable para amplio rango de materiales Para aplicaciones inclinadas o verticales ( pendientes de más de 29º ) Aplicaciones inclinadas o verticales con materiales bastante fluidos Agitación de materiales fluidos o de rápido movimiento
Tabla D2 Factor de paso
FACTOR DE PASO Normal S = 0,8 x D Estándar S = 1xD Paso corto S = 2 / 3 x D Paso medio S = 1 / 2 x D Paso largo S = 1,5 x D Tabla D3 Coeficiente Cf
GRUPO
Cf
1 2 3 4 5
0.45 0.38 0.31 0.25 0.125
Kg / m3 * 800 800 1200 1600 muy abrasivos
294
r.p.m máximas Ø 152 mm Ø 508 mm 170 110 120 75 90 60 70 50 30 25
Tabla D4 Coeficiente en función del grupo Grupo 1 : Materiales ligeros, tales como : cebada, fríjol, granos cerveceros (secos), carbón pulverizado, harina de maíz, harina de semilla de algodón, linaza, malta, avena, arroz, trigo Grupo 2 : Materiales no abrasivos (finos y granulares), tales como : alumbre, carbón (menudos o finos), café en grano, almendras de palma, aserrín, fríjol de soya, ceniza volátil. Material fluyendo libremente Grupo 3 : Materiales medianamente abrasivos (terrones pequeños mezclados con finos), tales como : Cenizas secas, alumbre ( terrones), sal, fruto desgranado de palma aceitera, semilla de algodón, fibra de palma. Material fluyendo libremente Grupo 4 : Materiales semiabrasivos (finos, granulares y en terrones pequeños), tales como : cemento, arcilla, cáscaras de nueces, Racimos de fruta, azúcar sin refinar, azufre. Material fluyendo lentamente Grupo 5 : Materiales abrasivos, tales como : cenizas mojadas, hollín, arena de sílice, lodos de drenaje. Material fluyendo lentamente
Coeficiente por incli nacion
2 C e t n e i c i f e o C
1
1
0.9
0.8
0.74
0.65 0.42
0.3
0.22
0 0º
5º
10º
15º
C
20º
25º
30º
35º
Grados
Figura D1 Coeficiente por inclinación
Velocidades recomendadas Transportador de tornillo A continuación se da una tabla de capacidades volumétricas máximas de transporte en transportadores de roscas industriales.
295
Tabla D5 Velocidades recomendadas
Tabla D6 Factores de eficiencia
Tabla D7 Tablas de coeficientes
296
Tabla D8 Eficiencia en el motoreductor
297
ANEXO E Elevador de cangilones Tabla E1 Valores del coeficiente de llenada y velocidades recomendadas.
298
Tabla E2 Tabla de capacidades
Tabla E3 Coeficientes C1, C2 y µ
299
Tabla E4 Capacidades de cangilones
Tabla E5 Velocidades recomendadas del rosario
300
Tabla E6 Cangilones de descarga centrífuga
301
Tabla E7 Cangilones de descarga continua
302
ANEXO F Transporte neumático
Figura F1 Velocidades mínimas de transporte y volumen requerido
303
Tabla F1 Velocidades promedios para transporte de material
304
Tabla F2 Peso por volumen de material
305
ANEXO G Tabla G1 Motorreductores coaxiales serie MHL
Tabla G2 Motorreductores sin fin y corona serie MH
306
Tabla G3 Motores eléctricos Euromotori coaxiales serie MHL
307
Tabla G3 Motoreductores
308
309
Figura G1 Arranque en estrella
Figura G2 Arranque directo en estrella
310
Figura G2 Arranque en estrella
311
Figura G3 Arranque estrella triángulo (arranca en estrella y funciona en triángulo)
312
Tabla G1 Motores de corriente alterna y continua a diferentes tensiones
313
Tabla G4 Eficiencia del motoreductor
314
ANEXO H Características de la pulpa Peso específico El peso específico de un material sólido por definición es la relación entre el peso del material y el volumen ocupado. Peso específico real Es la relación entre peso del sólido y el volumen real ocupado Peso específico aparente Es la relación entre el volumen del sólido y el volumen ocupado incluido los espacios vacíos En el transporte de pulpas el peso específico real no tiene aplicación, pues los espacios vacíos son ocupados por el volumen de líquido transportante. Ecuaciones Peso de la pulpa
Volumen de la pulpa
=
+
=
+
315
Concentración de sólidos Se define así a la proporción de sólidos y líquido transportante, en la práctica existen cuatro maneras de representar la concentración, las mismas se definen a continuación. Concentración volumétrica, C v Es la relación entre el volumen de sólidos, V s, y el volumen total de la pulpa, V p, expresado en porcentaje. Concentración volumétrica
=
100% =
= 1
100%
Concentración de la masa, C m
Es la relación de la masa del sólido y la masa total de la pulpa, expresado en porcentaje. Concentración de la masa
=
100% =
= 1
100%
Concentración en peso, C w
Es la relación del peso del sólido y el peso total de la pulpa, expresado en porcentaje. Concentración en peso
=
100% =
= 1
316
100%
Peso por volumen, J Es la relación entre el peso del sólido por unidad de volumen de pulpa. Las unidades pueden ser g/cm3. Peso por volumen
=
Peso específico de la pulpa,
p
Es la relación entre el peso y el volumen de pulpa, las unidades pueden ser N/m3, en muchas ocasiones y libros se expresa en kg/dm3 o kg/l. Peso específico de la pulpa
=
Densidad de la mezcla
La densidad de la mezcla se determina por
∑ ∑ ∑ ∑ =
=
En función de Cv =
=
+
317
=
+
− =
+
Dividiendo por VP =
+
(1
=
)
(
=
(
)+
318
)+
