Universidad Nacional Experimental Politécnica

Antonio José de Sucre

Vice-Rectorado Puerto Ordaz

Dirección de Investigación Y Postgrado

Cátedra: Diseño Racional

DISEÑO DE UNA MAQUINA PARA ENSAYOS DESTRUCTIVOS DE MINERALES

(ROCAS)

PUERTO ORDAZ, MAYO DE 2003

ING. ROGER MEDINA

En Venezuela, las Instituciones de Educación Superior se han visto afectadas con el pasar del tiempo, muchas cuentas con equipos de la década de los años sesenta y otras tienen poco o nada. En el Estado Bolívar, específicamente en Ciudad Bolívar fue creado el 26 de enero bajo decreto presidencial 1826, el Instituto Universitario de tecnología del estado Bolívar (IUTEB).

Esta casa de estudios nace con la misión de formar Técnicos Superiores en cuatro áreas diferentes (Electricidad, Geología y Minas, Mecánica y Sistemas Industriales), por ser una institución que recién inicia sus actividades, no cuenta con Talleres y Laboratorios completamente equipados para realizar prácticas.

Debido a tales circunstancias y otros múltiples factores, se han planteado alternativas para dotar de Máquinas y Equipos a los Laboratorios del IUTEB, es por ello que se ha planteado Diseñar y construir Máquinas de mediana complejidad para la especialidad de Geología y Minas.

INTRODUCCION

Los métodos de reducción de tamaño pueden agruparse de varias maneras, pero como la reducción ocurre en etapas, el tamaño de las partículas aporta el método primario de agrupamiento. El termino trituración se aplica alas reducciones subsecuentes de tamaño hasta alrededor de 25 mm, considerándose las reducciones a tamaños mas finos como molienda.

Los requisitos de diseño de las maquinas para reducción de tamaño cambian notablemente al cambiar el tamaño de las partículas. En prácticamente todas las maquinas, las fuerzas para lograr la fractura se aplica ya sea por compresión o por impacto. En cada caso los productos son similares y la diferencia entre las maquinas esta asociada principalmente con los aspectos mecánicos de la aplicación de la fuerza a los diversos tamaños de partículas

DESARROLLO

DESARROLLO

En el diseño de una máquina existen una serie de factores y

consideraciones a ser tomadas en cuenta tales como:

Confiabilidad

Mantenibilidad

Disponibilidad

Funcionalidad

Operabilidad

Costos

Tomando en cuenta tales factores, se plantea inicialmente un

estudio que permita evaluar y decidir en función de una

alternativa basándonos en los criterios y aspectos técnicos de

mayor solidez, y que genere una respuesta a los requerimientos

solicitados.

Detectada la necesidad, se plantea el Diseño de una Maquina para

triturar rocas para realizar ensayos de minerales.

METODOLOGIA

Planteados los objetivos del problema, este se aborda desde el punto

del Diseño racional, conocidos los requerimientos se plantean

alternativas de solución que permitan combinarlas y analizarlas de tal

manera que genere la mas adecuada.

METODO DE LA CAJA NEGRA

Mineral de rocas

enteras

Mineral de rocas

ensayadas

?

En este punto se encuentran definidos las variables de entrada y salida,

que debemos considerar para realizar el diseño conceptual, al igual que

los criterios y las condiciones de restricción.

Variables de entrada:

Tamaño de la roca: 25,4 mm

Forma de la roca: esférica, semiredonda, alargada, rectangular, cuadrada.

Dureza: 9,8 kg/cm^2 a 26,5 kg/cm^2

Densidad: 2,5 kg/cm^3 a 3,5kg/cm^3

Variables de salida:

Tamaño de la roca: 3/8 plg a 1/4 plg

Roca ensayada: 4 kg/hr a 6 kg/hr

ANALISIS DEL PROBLEMA

ANALISIS DEL PROBLEMA

Restricciones:

Capacidad de la máquina: 5 kg

Peso de la máquina:120 kg

Tiempo de trituración: 30 min

Voltaje: 120 voltios

Operación semiautomática

Variables de solución:

Tamaño de la máquina: 120x80x80 cm

Rotura de la roca: impacto, desgaste, rodadura, explosión, compresión, corte

Otros:

Costos de fabricación

Diseño flexible

Facilidad de operación

Costo de mantenimiento

Confiabilidad

Mantenibilidad

BUSQUEDA DE SOLUCIONES

A continuación se plantean las distintas variables a considerar para

establecer las alternativas seguidamente.

Rotura de la roca:

Impacto

Compresion

Corte

Desgate

Explosion

Rodadura

Sistema de accionamiento:

Motor reductor

Piñon cadenas

Poleas correas

Biela manivela

Neumatico

Hidraulico

EVALUACION DE ALTERNATIVAS

Seguidamente planteamos las diferentes alternativas de solución.

Impacto (1)

Recipiente rectangular y un embolo

con cabeza dentada ( baja y sube).

Trituración por rodadura (2)

3 Tornillos sin fin dispuesto en

forma triangular y montados en una

caja metálica rectangular.

Explosión con TNT (3)

Recipiente cilíndrico rígido y

compuerta de acceso.

Impacto y fricción (4)

Tambor cilíndrico y bolas de acero,

montado sobre rodillos giratorios.

Compresión (5)

Recipiente rectangular rígido y

embolo con cabeza dentada.

ANALISIS DE ALTERNATIVAS

En base a las consideraciones y en función de varios criterios

que se han establecido como parte de los requerimientos de

entrada y salida para la búsqueda de la mejor selección de la

alternativa, se estudiaran varias opciones que a continuación se

describen:

ALTERNATIVA 1: Es un arreglo que presenta bastante

funcionalidad, la rotura de la roca dependerá de un numero elevados de

ciclos para obtener el tamaño de grano requerido, este tipo maquina

produce muchas vibraciones y altos ruidos, su confiabilidad tiende a

ser media, y su mantenibilidad aumenta con el uso frecuente; a pesar

de factores adversos es uno de los métodos de rotura de rocas más

usados, es un prototipo de maquina que no presenta complejidad para

ser construida, resulta de fácil operación, y los costos de

mantenimiento no resultarían elevados.

ANALISIS DE ALTERNATIVAS

ALTERNATIVA 2: Es un arreglo que permite triturar rocas de

tamaño poco variable, maneja poco volumen de material, y debe ser

introducido de forma manual y progresiva, presenta una baja

confiabilidad y requiere alta mantenibilidad al usarse continuamente;

este tipo de maquina no seria muy funcional, lo que implica que no

seria una buena elección.

ALTERNATIVA 3: Es un arreglo que permite manejar volúmenes y

tamaños variables de rocas, sin embargo resulta altamente peligroso,

genera ruido y vibraciones indeseadas, necesita de personal altamente

calificado en el manejo de explosivos , genera altos costos la compra

de explosivos; no seria una solución para el fin requerido.

ANALISIS DE ALTERNATIVAS

ALTERNATIVA 4: Es una combinación de una máquina motriz y un

elemento mecánico que aprovecha la energía cinética para impactar las rocas y defragmentar las misma hasta lograr un tamaño de grano adecuado, esta maquina resulta altamente funcional, presenta alta confiabilidad, baja mantenibilidad, es sencilla de operar, sin embargo debe estar siempre sincronizada la velocidad de giro de los rodillos; ya que de lo contrario no es posible romper las rocas, se necesita parar la maquina al momento monitorear proceso para verificar la granulometría del material, la factibilidad de construcción es un poco compleja; ya que se desconocen muchos parámetros de diseño, el costo de construcción es aproximadamente $ 2500 a $ 3500.

ALTERNATIVA 5: Es un prototipo que se estaría ensayando, manejaría tamaño y volúmenes variables de rocas, seria altamente funcional, se estima una alta confiabilidad y baja mantenibilidad, su operación no requiere de alta pericia, permitiría obtener tamaños de granos adecuados, pero la cantidad de rocas a defragmentar se estaría limitando, si la dureza de la misma es muy elevada; ya que habría que aplicar grandes presiones para romperlas, la factibilidad de construcción resultaría sencilla; ya que los elementos y componentes para su fabricación son de poca complejidad, y también se requiere un costo aproximado de $ 2000 a $ 2500.

RESULTADOS: SELECCION DE LA ALTERNATIVA

• Las cinco alternativas planteadas serán sometidas al escrutinio y

análisis, tomando en cuenta el criterio de experto, y técnicas de comparación y descarte hasta obtener, la alternativa que cumpla con las consideraciones de diseño que nos permitirá dar solución al problema que se ha planteado inicialmente.

• Para la defragmentación de rocas usando métodos que implican el uso de explosivos (Alternativa 3) queda totalmente descartado; ya que representa un constante peligro y requiere de personal calificado para lograr los requerimientos establecidos.

• Alternativa 5, observamos que ambas son prototipos de una gran flexibilidad de construcción, su manejo no requiere de alta pericia, sin embargo operan bajo principios diferentes, impacto y compresión respectivamente, siendo la trituración por impacto el método más y que ofrece mejores resultados en menor tiempo y bajos costos.

RESULTADOS: SELECCION DE LA ALTERNATIVA

• Al realizar comparaciones entre la Alternativa 1 vs la Alternativa 4, se

nos presentan dos opciones que generalmente suelen ser las mas empleadas para obtener tamaños de granos de rocas adecuados para ser analizados en laboratorios. En el caso de la Alternativa 1, la misma presenta pocas limitaciones; y están referidas a la confiabilidad y mantenibilidad dadas las condiciones bajo la cual opera esta máquina, sin embargo permite monitorear constantemente el tamaño de la roca, y los costos de construcción y mantenimiento son bajos.

• Al referirnos a la Alternativa 4, esta es una maquina que ofrece muy buenos resultados; ya que su principio de operación permite triturar las rocas mediante impacto de bolas que caen sobre estas desde una altura preestablecida y, también aprovecha el movimiento de rotación de un tambor giratorio, el cual contribuye a que las rocas se muevan constantemente para permitir un tamaño homogéneo, sin embargo, durante el proceso se dificulta monitorear el tamaño de las rocas y el tiempo aproximado de trituración, su construcción resulta altamente compleja; ya que intervienen muchos parámetros de diseños que están relacionados y son desconocidos, además los costos de fabricación resultan elevados comparados con la alternativa antes mencionada.

RESULTADOS: SELECCION DE LA ALTERNATIVA

Al evaluar todas las alternativas, y tomar en cuenta:

Confiabilidad

Mantenibildad

Funcionalidad

Diseño flexible

Facilidad de operación

Costo del equipo

En definitiva, se opta por la Alternativa 1.

CONCLUSIONES

El uso delas herramientas y técnicas del Diseño racional, permitió

plantear una gama de posibles soluciones para lograr el mejor diseño conceptual de la máquina.

De las cincos alternativas planteadas, el diseño más adecuado resultó para un prototipo de máquina de ensayos destructivos por impacto.

La máquina seleccionada representa una alternativa de solución, para los requerimientos exigidos (costos, confiabilidad, mantenibilidad, diseño flexible, funcionalidad,etc.)

ANEXOS: ESQUEMAS DE LAS ALTERNATIVAS

RODILLO

CONDUCTOR

RODILLOS

CONDUCIDOS

BOLAS DE ACERO

ROCAS

1 4

IMPACTO

2

COMPRESION

5 P

I

S

T

O

N

CILINDRO HIDRAULICO

TORNILLO SIN FIN