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NIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA DISEÑO DE MAQUINAS AUTOMATICAS (MT-723) 1. INTRODUCCIÓN En un yacimiento minero donde el acceso a la mina no es posible por socavones de cortada o túneles; cuando se quiere profundizar una mina en plena operación o se quiere extraer mineral o desmonte; se quiere introducir materiales, maquinarias y el mismo personal; y no se tiene socavones principales, se recurre a la utilización de infraestructura y maquinaria de izaje. Esta elección, facilita que una gran, mediana y pequeña minería y minería artesanal decidan por las soluciones de los problemas de transporte vertical. Lo importante es que, se evita el sobreesfuerzo humano, al utilizar estas maquinarias; que permiten mejorar la productividad y la velocidad de extracción vertical o inclinada. En necesario comentar también que, además de las excavaciones subterráneas para la explotación de yacimientos o para la apertura de cámaras de grandes dimensiones, existen labores como son los piques o pozos y las chimeneas verticales o inclinadas que se caracterizan 1
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NIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICADISEÑO DE MAQUINAS AUTOMATICAS (MT-723)
1. INTRODUCCIÓN
En un yacimiento minero donde el acceso a la mina no es posible por socavones de
cortada o túneles; cuando se quiere profundizar una mina en plena operación o se quiere
extraer mineral o desmonte; se quiere introducir materiales, maquinarias y el mismo
personal; y no se tiene socavones principales, se recurre a la utilización de
infraestructura y maquinaria de izaje.
Esta elección, facilita que una gran, mediana y pequeña minería y minería artesanal
decidan por las soluciones de los problemas de transporte vertical.
Lo importante es que, se evita el sobreesfuerzo humano, al utilizar estas maquinarias;
que permiten mejorar la productividad y la velocidad de extracción vertical o inclinada.
En necesario comentar también que, además de las excavaciones subterráneas para la
explotación de yacimientos o para la apertura de cámaras de grandes dimensiones,
existen labores como son los piques o pozos y las chimeneas verticales o inclinadas que
se caracterizan por el trazado lineal y las dificultades de perforación; las cuales, han
sido superadas en estos últimos tiempos, mejorando los avances y el control preventivo
de riesgos, superación de los peligros propios de la construcción de este tipo de
infraestructuras, que son sinónimos de alta seguridad en winches y piques o pozos
subterráneos.
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SISTEMA AUTOMATIZADO DE IZAJE EN MINERÍA SUBTERRÁNEA
2. OBJETIVOS:
- Aplicar los conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera para ser capaces de
diseñar una maquina automática (winche) para mejorar la productividad de la gran
minería.
- Identificar los problemas y necesidades para el sistema para dar soluciones para
realizar la busca de información y plantear soluciones de ingeniería con un concepto
de ingeniería.
3. MARCO TEÓRICO:
Minería de pique:
El pique, en minería, es una perforación en forma vertical en la cual se puede descender en
cabrias (ascensores) a profundidades de la tierra. Éstas, por lo general, en la pequeña minería
suelen tener profundidades que van de 25 metros y en la gran minería tener profundidades de
1000 metros. Al fondo de los piques se encuentran galerías, las cuales son fortificadas,
ventiladas e iluminadas, su tendencia es en forma horizontal (tipo túneles) que se dirigen a
frentes de explotación de minerales, ya sea carbón, cobre u otros ver figura 1. Los piques se
usan a interior de la mina para poder acarrear mineral de un nivel superior a otro inferior, a
esos piques se les llama Piques de acarreo.
Figura 1
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1. RECONOCIMIENTO DE UNA NECESIDAD:
• La extracción del mineral del interior es la actividad más importante, siendo el motivo
principal de su diseño y construcción.
• Que capacidad de carga necesito elevar.
• La entrada y salida del personal.
• La entrada y salida de materiales y equipos.
• La necesidad de tener un sistema automatizado y optimizado que mejore la
productividad.
2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA:
Como transportar el mineral, las personas y los equipos.
Como transportar las cargas de manera segura y confiable.
Qué tipo de maquinaria debo de usar.
Como automatizar el sistemas para que sea más seguro y productivo.
Cuál sería la inversión?
El trabajo realizado será para minería industrial dedicada exclusivamente a subir
mineral de hasta 8ton de capacidad, ver figuras 2, 3 y 4.
Figura 2
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Figura 3
Figura 4
3. REUNIÓN DE INFORMACIÓN:
EL WINCHE
El Winche de izaje, es una maquinaria utilizada para levantar, bajar, empujar o tirar
la carga, ver figura 5; el Winche de izaje, es utilizado también para bajar e izar
personal del interior de la mina ; siempre que cumpla con exigencias mínimas de
seguridad.
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Figura 5
Eje principal.- Que contiene a la tambora o tamboras, el motor y el reductor, ver figura 6.
Figura 6
Las ranuras.- Son canaletas a donde encajan los cables, las que deben recibir una inspección
cuidadosa de su entorno, el ancho y estado de conservación. Debe cuidarse que encaje
perfectamente en el fondo de la ranura cuando se aplica un nuevo cable del diámetro
correspondiente.
Las pestañas, cuya función es evitar que el cable se desprenda y donde se pinta el punto
exacto de los niveles de estacionamiento, ver figura 6.
.
Figura 6
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Los embragues.- Para dejar libre el movimiento del eje, sin necesidad de mover la tambora,
tienen Anillos, ver figura 7.
Figura 7
Frenos.- Las máquinas están equipadas de frenos de mordaza sobre cada tambor, con
movimiento paralelo que trabaja sobre superficie de frenado de diámetro y anchura suficiente
para poder regular el movimiento de las tamboras. Ver figura 8.
Figura 8
La velocidad de extracción para el transporte del personal está regulada por los reglamentos
de seguridad. El límite máximo es de 240 mts /min. La velocidad para la extracción de
minerales, está determinada por las características de los piques, tamboras, altura del pique o
profundidad y de los castillos o torres. En los piques más profundos la velocidad de
extracción llega a 900 y 1000 mts/ min.
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COMPONENTES DE UN WINCHE DE IZAJE
Tambora (una o dos): Son cilindros metálicos donde se enrolla el cable, ver figura 9.
Podríamos hablar del enrollado activo que es el cable que verdaderamente trabaja y el
enrollado de reserva para los cortes reglamentarios que dispone la ley de seguridad y para
reducir el esfuerzo ejercido por el cable, a la unión con el tambor.
Figura 9 La fotografía muestra Tamboras del Winche de Uchucchacua Buenaventura.
Motor:
Es el propulsor de la acción mecánica, es el que realiza el trabajo de izaje . Las
características del motor se elige de acuerdo al requerimiento y la capacidad de la carga
que se quiere izar y a las dimensiones y modelo del pique.
Figura 10, La fotografía muestra el Winche-Chacua-VT del Pique Chacua.
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Sistemas Preventivos de Control: Lilly Control, frenos, etc.:
Es el dispositivo encargado de regular la velocidad, este actúa en caso de una súbita aceleración o desaceleración de la velocidad, ocasionado por una posible falla mecánica, el Lilly control, acciona el dispositivo de emergencia del sistema de izaje.
Palancas de control:Son los dispositivos de control y manejo del Winche. Estos deben ser manipulados sólo por el operador o maquinista autorizado.
Cables de Izaje:
Dependiendo del tipo de izaje en los winches; ya sea por fricción o enrollamiento; los cables de izaje pueden ser fabricados de aluminio o de alambre de acero; los mismos que, son colocados ordenadamente para desempeñar el trabajo de izar los skip o las jaulas. Para formar cables, se arrolla un gran numero de hilos de aluminio o acero de alta resistencia (entre 130 y 180 kg/mm2). Estos hilos se disponen en cordones y torones, según sea el caso.
Jaula, baldes o skips:
Es uno de los componentes esenciales del sistema de izaje; las jaulas, baldes y skips, cumplen la función de transportar en su interior al personal y/o mineral según los requerimientos de producción, respetando las condiciones establecidas en el reglamento de seguridad minera.
Polea:
Es una rueda acanalada que gira alrededor de un eje central por el que pasa el cable en cuyos extremos se encuentra la jaula o skip (resistencia) y en la otra el winche o tambora (potencia), ver figura 10.
Figura 10
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Castillo o Estructura de Desplazamiento:
Es la cúspide de la estructura del pique donde se encuentra la polea que dirige el
movimiento del cable. Es una estructura vertical que se levanta por encima del
collar del pique.
De la cúspide de la torre o del castillo baja una estructura inclinada que sirve de
sostén a toda la torre y contrarresta la tensión de los cables.
Componentes del Sistema de Izaje
La torre vertical y la estructura inclinada son las partes fundamentales del castillo y
soportan en su cima la caseta de las poleas. La estructura del castillo puede ser de
madera o de acero y se debe construir respetando el reglamento de seguridad
existente. Hay una escalera de servicio que sube a lo largo del pique. Junto al pique
hay una tolva donde se descarga el mineral para luego transportarse a la planta
concentradora.
Figura 11 La fotografía, muestra el Castillo del Pique Esperanza-Chungar. Volcán Cía.
Minera. Cerro de Pasco.
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4. DESARROLLO DE UN CONCEPTO DE DISEÑO:
Cuando hablamos de desarrollar un concepto de diseño nos referimos a los
componentes, dimensiones y características finales que tendrá nuestro diseño de
máquina.
En este caso desarrollaremos el diseño de un Winche, el cual tendrá características que
mejoren y optimicen su funcionamiento.
¿Cómo mejorar su funcionamiento u operación?
Al tocar esta pregunta nos vamos a las funciones básicas que desarrolla el Winche, una
de las cuales es la elevación o descenso de minerales o personas esto dentro de las
aplicaciones de la minera. Ver figura 12.
Como podemos apreciar en las siguientes Imágenes:
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Figura 12
Tenemos a la Maquina “Winche” en su “esencia” es decir con su manera de operación
más simple, la cual cuenta con botones de parada, subiba y bajada.
La idea de este proyecto o mejor dicho de la generación del diseño apunta a tener un
mejor control y supervisión de la operación que realiza el winche. En el cual se pueda
optimizar el proceso asi como mejorar la seguridad dentro de la mina.
¿Cómo conseguimos tener un mejor control?
En la actualidad tenemos muchas “accesorio” o “instrumentos” los cuales nos ayudan a
registrar o tener un medida de un proceso, este medida nos ayudara a tener una proyección
del desarrollo del proceso.
Entre los componentes que nos ayudar a medir sucesos tenemos:
Encoder
Es un codificador rotatorio, suele ser un dispositivo electromagnético usado para
convertir la posición angular de un eje a un código digital, ver figura 13.
Figura 13
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Electro Válvula
Una electroválvula es una válvula electromecánica, diseñada para controlar el flujo de
un fluido a través de un conducto como puede ser una tubería, ver figura 14.
Figura 14
Potenciómetro
Un potenciómetro es un resistor cuyo valor de resistencia es variable. De esta
manera, indirectamente, se puede controlar la intensidad de corriente que fluye por
un circuito si se conecta en paralelo, o la diferencia de potencial al conectarlo en
serie, ver figura 15.
Figura 15
Odómetro
Es un instrumento de medición que calcula la distancia total o parcial recorrida por un
cuerpo (generalmente por un vehículo) en la unidad de longitud en la cual ha sido
configurado (metros, millas). Su uso está generalizadamente extendido debido a la
necesidad de conocer distancias, calcular tiempos de viaje, o consumo de combustible,
ver figura 16.
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Figura 16
Tacómetro
Es un dispositivo que mide la velocidad de giro de un eje, normalmente la velocidad de
giro de un motor. Se mide en revoluciones por minuto (RPM), ver figura 17.
Figura 17
Sensor Infrarrojo
Particularmente, el sensor infrarrojo es un dispositivo electrónico capaz de medir
la radiación electromagnética infrarroja de los cuerpos en su campo de visión. Todos
los cuerpos reflejan una cierta cantidad de radiación, esta resulta invisible para
nuestros ojos pero no para estos aparatos electrónicos, ya que se encuentran en el
rango del espectro justo por debajo de la luz visible.
Figura 18
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Una vez habiendo reconocido algunos de los diversos elementos de medición que
tenemos en la actualidad. Viene el verdadero trabajo a realizar, el cual será hacer
funcionar en conjunto todos los componentes para así por control y mejorar el uso del
Winche en este caso, esto se lograra a través de la Instrumentación.
¿Qué es la Instrumentación?
La Instrumentación industrial es el grupo de elementos que sirven para medir, convertir,
transmitir, controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los
recursos utilizados en éste. Es el conocimiento de la correcta aplicación de los equipos
encaminados para apoyar al usuario en la medición, regulación, observación,
transformación, ofrecer seguridad, etc., de una variable dada en un proceso productivo.
Un sistema de instrumentación es una estructura compleja que agrupa un conjunto de
instrumentos, un dispositivo o sistema en el que se mide, unas conexiones entre estos
elementos y por último, y no menos importante, unos programas que se encargan de
automatizar el proceso y de garantizar la repetibilidad de las medidas.
En términos abstractos, un instrumento de medición es un dispositivo que transforma
una variable física de interés, que se denomina variable medida, en una forma apropiada
para registrarla o visualizarla o simplemente detectarla, llamada medición o señal
medida.
Ya habiendo logrado la instrumentación de todos los elementos a usar, entonces
podremos llegar a la automatización, la cual se proyecta a tener la siguiente forma:
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Figura 19
Una vez que tengamos este Tablero de control, o bien llamado sistema automatizado
podremos desarrollar las siguientes funciones:
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Y para concluir decimos que es esto lo que apunta nuestro desarrollo del diseño, a conseguir mejorar y satisfacer las aplicaciones particulares o en conjunto que pueden realizar los distintos elementos que se piensa implementar a nuestro Winche, para obtener un mejor control y a la vez tener mayor seguridad al realizar cualquier operación o trabajo.
5. ELEGIR ENTRE DOS CONCEPTOS QUE COMPITAN:
5.1 WINCHES DE TAMBORAS
Los pequeños productores mineros y mineros artesanales, utilizan winches de izaje de tamboras, por ser maquinarias que se adaptan a su infraestructura y requerimiento de izaje.ver figura 20.
Figura 20
5.2 ESTRUCTURAS DE CABLE
NUCLEO O ALMA: El alma del cable sirve como soporte a los torones que están enrollados a su alrededor.TORONES O CORDONES: Un cable está formado por un conjunto de torones o enrollados.Cada torón, está formado por un conjunto de hilos, ver figura 21.
Figura 21
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5.3 IZAJE DE PERSONAL
Para izaje del personal se usa un winche con una tambora simple de diámetro 1.5m .
Figura 21
5.4 IZAJE DE MINERAL
Para el izaje de mineral se usa un winche con tamboras dobles y son de 2 a 3 metros.
Figura 21
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COMPONENTES PARA UN IZAJE DE MINERAL
1.-Diagrama de componentes de un sistema de izaje, ver figura 22:
a) Tamboras
b) Cables
c) Poleas
d) Jaula
e) Skip
f) Castillo
Figura 22
TIPOS DE PIQUE
Los piques son labores verticales que sirven de comunicación entre la mina subterránea y la superficie exterior con la finalidad de subir o bajar al personal, material, equipos y el mineral.
FACTORES PARA SU CONSTRUCCIÓN:
• Necesidades de extracción de mineral; • Reducción de los costos de producción; • Profundización de los niveles de extracción.
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CONSIDERACIONES DE DISEÑO:
• Análisis de costos en relación a otros piques; • El área debe ser favorable y suficientemente grande para las instalaciones de
superficie; • La naturaleza del suelo debe ser adecuada para las cimentaciones, realizando para ello
estudios de geotecnia conducentes a la clasificación del macizo en el área destinada para el diseño del pique;
• La mina, debe tener buenas vías de acceso y espacio libre para favorecer el trabajo.
ESTRUCTURA DE UN PIQUE:
La estructura de un Pique, puede ser de madera o de acero. En otros casos, si se contara con un nivel inferior, la construcción del pique se puede practicar con un equipo raise borer, para el cual se perfora primero el hueco piloto y luego del nivel inferior se empieza a rimar (ensanchar) con una broca de mayor diámetro y finalmente se completa a la sección diseñada. En todos los casos el terreno debe ser competente y debe ser una zona donde no exista agua de filtración.
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Figura 23
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:
Con esta máquina podemos elevar mineral de diferente calidad y ley, s adaptable a modos de operación.
Al plantear una necesidad y un problema podemos realizar la investigación y poder
conceptualizar ideas de diseño para realizar la ingeniería de la maquina automática.
El izaje de mineral se necesita más potencia y productividad, por lo tanto usaremos un
winche de doble tambor.
La automatización del winche es de gran utilidad para el correcto funcionamiento
mejorando los estándares de seguridad de la mina.
El sistema debe de será capaz de detectar los problemas durante la operación y la
parada de la máquina.
El sistema no está abocado al diseño de los demás sistemas sino al diseño propiamente
del winche y de su automatización.
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