12º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA
Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015
EL ANALISIS DINÁMICO ESTRUCTURAL Y EL MANTENIMIENTO EN
CARGADORES DE BARCOS
Jorge Alencastre Miranda*, Lenin Chavez Calloº
*Pontificia Universidad Católica del Perú, Av. Universitaria 1801, Lima32, º Makyl Engineering Consulting & Services
*e-mail:[email protected]
RESUMEN
Los cargadores de barcos (shiploaders) son equipos muy usuales en la industria minera, porque permiten la descarga de concentrado directamente a las bodegas de los barcos, mediante diferentes tipos de mangas de descarga. Si bien, la carga principal a la que están sometidos dichos equipos es su propio peso, y el equipo está sometido fundamentalmente a cargas de tipo cuasi estático; sin embargo por la necesidad de optimizar el proceso de descarga del concentrado suelen realizarse cambios en el extremo del brazo de descarga, dichas variaciones pueden generar cambios significativos en el estado de esfuerzos y deformaciones, los cuales pueden causar problemas en el funcionamiento de dichos equipos.
Para la evaluación del estado de esfuerzos, deformaciones y frecuencias naturales (según normativa correspondiente) en nuevas condiciones de operación, es imprescindible realizar un estudio dinámico estructural del cargador de barcos. Para realizar dicho estudio, se parte del desarrollo de un modelo conceptual, donde se toman en cuenta las principales características del cargador de barcos. A partir de dicho modelo se procede a realizar un estudio más exhaustivo empleando herramientas computacionales de simulación, dichos resultados tienen que ser corroborados mediante mediciones experimentales, en este caso, se utilizó la medición de la flecha estructural.
Una vez calibrado el modelo, se obtiene un mapa del estado de esfuerzos y deformaciones; dicho mapa sirve como referencia para realizar la planificación del mantenimiento. La ventaja es, que a partir de dicha información se sabe exactamente las zonas más críticas, donde se tiene que tener especial cuidado en la revisión de los diferentes elementos; como son por ejemplo los pernos, cordones de soldadura, entre otros, optimizando de esa manera tanto los costos y tiempos de mantenimiento.
INTRODUCCIÓN
El presente estudio tiene como objetivo presentar el procedimiento para realizar el análisis dinámico estructural de cargadores de barcos, con la finalidad de obtener un mapa de esfuerzos y deformaciones, parámetros dinámicos (frecuencias y modos de vibración) y la estabilidad del cargador de barcos, para garantizar el buen funcionamiento de dicho equipo [1-2].
En la figura 1 se puede apreciar un cargador de barcos en plena operación.
Figura 1. Cargador de barcos en operación
MODELO CONCEPTUAL
Para iniciar con el estudio dinámico estructural del cargador de barcos es fundamental realizar un modelo
conceptual de dicho equipo; en el que en el que se plasmen coherentemente las magnitudes fundaméntales como
las masas, rigideces, apoyos, condiciones de borde, y sistema de cargas; que son necesarias para realizar el análisis. El la figura 2 se puede apreciar el plano general del cargador, así como el correspondiente modelo conceptual.
ANALISIS ESTRUTURAL
Análisis estático analítico
Como primer paso se efectúa un análisis estático analítico, para determinar la distribución de las fuerzas internas, dichos valores sirven luego como referencia para un análisis más exhaustivo y muestran de manera cualitativa y cuantitativa las zonas de mayores esfuerzos. La figura 3 muestra el sistema de cargas en el plano vertical y en la figura 4 se aprecia los diagramas de momentos flectores y fuerzas cortantes
Figura 3. Sistema de cargas en el plano vertical
Con los valores mostrados en la figura 4 se puede determinar el máximo esfuerzo normal producto del máximo momento flector actuante en el punto A, aquí se trabaja con un momento de inercia equivalente de la sección.
(1)
El máximo esfuerzo normal en el punto A es , este valor sirve como referencia para el posterior análisis utilizando herramientas computacionales de tipo CAE, cabe mencionar que en este análisis analítico se pudo también determinar la máxima deflexión, sin embargo no se realizó dicho cálculo, debido a que la sección sufre variaciones a lo largo de la estructura de la pluma y la estructura de la pluma telescópica, que conllevaría a un cálculo tedioso. La determinación de la máxima deflexión se realizó posteriormente haciendo uso de las herramientas computacionales.
Análisis estático computacional
Para realizar la evaluación estática en forma computacional se recurrió al uso del método de los elementos finitos[3-4], dicho método permite realizar los cálculos de manera más certera, pues permite una mejor representación de la configuración geométrica del sistema, las cargas y sobre todo una buena representación de las condiciones de borde, en las figuras 5 y 6 se muestran los resultados tanto de la distribución de esfuerzos, para una combinación de cargas dada en la normativa correspondiente, así como la forma de la deflexión del cargador de barcos.
Figura 5. Distribución de esfuerzos
El máximo esfuerzo equivalente en el punto A es de 230 Mpa, el cual menor que el valor determinado analíticamente, sin embargo esta dentro del rango de los valores obtenidos con los cálculos simplificados.
Figura 6. Deformación del cargador de barcos
Análisis Dinámico
Puesto que el cargador de barcos es un dispositivo que trabaja bajo la acción no solo de cargas estáticas, si no también bajo la acción de cargas dinámicas, como la acción de los polines que soportan la faja, el sistema motriz y la acción del viento, es imprescindible realizar un análisis modal para determinar las respectivas frecuencias y modos de vibración[4]; con la finalidad de corroborar que dichas frecuencias naturales estén fuera del rango de resonancia, que puedan generar inestabilidad en el funcionamiento del sistema. Para ello se utilizó nuevamente el método de los elementos finitos, que resuelve en forma matricial la ecuación diferencial de movimiento del sistema representada en forma matricial en la ecuación 2.
(2)
En la ecuación anterior M representa la matriz de masa, K la matriz de rigidez, X el vector de desplazamientos y el vector de aceleraciones; al resolver dicha ecuación se encuentran las respectivas frecuencias naturales y los modos de vibración. La figura 7 y 8 muestran los dos primeros modos de vibración correspondientes a las dos primeras frecuencias fundamentales del sistema.
Figura 7. Primer modo de vibración flexo-torsional correspondiente a una frecuencia natural de 0.93Hz
Figura 8. Segundo modo de vibración en el plano vertical correspondiente a una frecuencia natural de 1.42 Hz
CONCLUSIONES
Una vez finalizado el análisis dinámico estructural del cargador de barcos se tiene un panorama general (una radiografía general), sobre el estado de esfuerzos y deformaciones del sistema. A partir de dicha información se puede visualizar las zonas sometidas a los mayores esfuerzos y las respectivas deformaciones. Se puede observar que la zona donde se encuentra la conexión entre la plataforma giratoria y la pluma principal, es donde se hallan los mayores esfuerzos, sin embargo sus valores están por debajo de los esfuerzos admisibles del material y desde el punto de vista de la resistencia no conllevarían a fallas. Sin embargo por procedimientos de manufactura y montaje en esta zona hay una gran concentración de uniones atornilladas, los cuales por la acción de las solicitaciones de carga, corrosión, entre otros pueden fallar disminuyendo la resistencia de la viga y por ende podría causar una falla global del cargador.
Realizado la verificación a rigidez (desplazamientos máximas) mediante el método de los elementos finitos se tiene una deformación máxima de 33 cm en el punto extremo de la estructura telescópica donde está ubicado el Chute de descarga. La flecha estructural medida en campo es 32 cm en el extremo en voladizo. De esta manera el modelo computacional utilizado replica correctamente el comportamiento del Shiploader.
Desde el punto de vista dinámico el sistema no tendrá mayores problemas pues sus dos frecuencias fundamentales de 0,93 y 1,42 Hz. No se encuentran en alguna zona de posible resonancia.
El mapa general de esfuerzos permite realizar una planificación priorizada de mantenimiento [5-6], por ejemplo si tomamos el mantenimiento de las uniones, el campo de esfuerzos indica que la zona de conexión (punto A) es la más comprometida, por lo tanto es ahí donde se tienen que realizar técnicas de mantenimiento, como como tintes penetrantes, radiografía, ultrasonido, entre otros, que garanticen la confiabilidad de los pernos
Por otra parte el estado de deformaciones indica que se tienen que planificar mediciones del estado de desplazamientos y verificar si dichos valores están dentro de los valores admisibles, pues un cambio significativo de estos puede generar variaciones en el campo de esfuerzos, los cuales pueden generar fallas en el sistema.
Estos son solo algunos ejemplos de cómo un estudio dinámico estructural del Shiploader puede contribuir a la mejora del mantenimiento del equipo, tanto en el aspecto técnico como en el económico.
Es impórtate mencionar que el estudio dinámico estructural se realizó bajo la hipótesis de que la torre soporte de la mesa giratoria, se encuentra en perfectas condiciones de trabajo, para lo cual se recomienda realizar el mantenimiento de dicha estructura y su correspondiente anclaje.
REFERENCIAS
[1] Nenad Zrnic, Srdan Bosnjak,Vlada Gasic, Miodrad Arsic, Zoran Petrovic. Failure Analysis of the tower crane counterjib, Procedia Engineering 10 (2011) pp. 2238-2243.
[2] Miodrag Arsic,Srdan Bosnjak,Zoran Odanovic,Momcilo Dunjic,Aleksander Simonovic, Analysis of the spreader track wheels premature damages, Engineering Failure Analysis 20 (2012) pp.118-136.
[3] Alencastre Jorge, Evaluación de un cargador de barcos bajo nuevas condiciones de operación, IV Congreso de métodos numéricos en ingeniería, Sevilla 1999
[4] Li Shijan, Liu Jinchuan, Finite element analysis on metal structure of ship-loader on MSC Nastran/Patran, Computer aided engineering Vol 16 N04 (2007).
[5] Srdan Bosnjak, Miodrig Arsic, Nenad Zrnic, Marko Rakin, Mirolad Pantelic. Bucket Wheel excavator integrity assessment of the bucket Wheel boom-tie rod welded joint .Engineering failure analysis 18 (2011) pp.212-222
