Cinta tr Cin traans nspo port rtad ado ora de ma matter eria iale less a granel Conveyor belts for bulk materials
Por: Ing. Raúl Pérez Negreiros Ing. Mecánico Electricista INGENIERIA, INVESTIGACIÓN Y ASISTENCIA TÉCNICA – BBA INGENIEROS S.A.
Objetivo Exp Expone oner los los cálcul lculos os bás básicos icos,, nece necessario arios, s, para ara el dis diseño eño de faja fajass transportadoras a granel. Esto es, considerando los parámetros de diseño desde el sistema de transmisión hasta el comportamiento final que tendrá la faja al transportar material material de acuerdo a las condiciones de trabajo. Incluye, polines de cabeza y de retorno, polines de impacto, de carga, de retorno, calculo de la potencia de accionamiento, de la velocidad de la faja, radi radios os de curv curvat atur ura, a, tray trayec ecto tori ria a del del mate materi rial al en la desc descar arga ga (est (esto o es fundamental para el diseño de chutes), tipos de lona y selección, etc.
HISTORIA El transporte de material mediante cintas transportadoras, data de aproximadamente el año 1795. La mayoría de éstas tempranas
instalaciones
se
realizaban
sobre
terrenos
relativamente plano, así como en cortas distancias. El primer sistema de cinta transportadora era muy primitivo y consistía en leather, canvas, or rubber belt traveling over a flat or troughed wooden bed. Éste tipo de sistema no fue calificado como exitoso, pero provocó incentivar a los ingenieros para considerar los transportadores como un rápido, económico y seguro método para mover grandes volúmenes de material de una locación a otra. Durante los años ’20, la instalación de la compañía H. C. Frick, demuestra que los transportadores de cinta pueden trabajar sin ningún problema en largas distancias. Ésta instalación se realizó bajo tierra, desde una mina recorriendo casi 8 kilómetros. La cinta transportadora consistía de múltiples pliegues de algodón de pato con cubierta de goma natural, que eran los únicos materiales utilizados en esos tiempos para su fabricación. Although outmoded by today's standards, los sistemas de manejo de éstos materiales son seleccionados de preferencia para trabajo pesado, lo cual permite realizar una mejor elección. Durante la Segunda Guerra Mundial, los componentes naturales de los transportadores se volvieron muy escasos, permitiendo que la industria de goma se volcara a crear materiales sintéticos que reemplazaran a los naturales. La ventaja básica de los transportadores de cinta sobre otros tipos de transporte (como lo son camiones, trenes, transporte aéreo, etc.) es su variada aplicabilidad a los diferentes requerimientos de la industria. Diferentes estudios indican que hoy, los transportadores de cinta se han convertido en el primer método utilizado para el transporte de material.
CAPACIDAD Las cintas transportadoras no tienen competencia en cuanto a capacidad de transporte. A una velocidad de 5 m/s, y un ancho de cinta de 1600mm, ésta puede descargar más de 100 toneladas métricas por minuto de material, esto quiere decir 1000Kg/m 3 de material.
ADAPTACIÓN A LOS DIFERENTES TERRENOS Los transportadores pueden seguir la naturaleza ordinaria del terreno, debido a
la
habilidad
atravesar
que
pasos
poseen
para
relativamente
inclinados (pendientes y gradientes, de hasta 18º, dependiendo del material transportado). Con el desarrollo de tensiones
elevadas,
materiales
sintéticos y/o miembros reforzados de acero, un tramo del transportador puede extenderse por millas de terreno con curvas horizontales y verticales sin ningún problema.
UNA CAMA DE CAMINO El sistema de transportadores de cintas opera en su propia cama de rodillos, los cuales requieren un mínimo de atención. Su reparación o reemplazo, es simple y fácil, y el costo de su manutención rutinaria es mínimo.
BAJO PESO DE LA ESTRUCTURA DEL TRANSPORTADOR El bajo peso de carga y de la estructura del transportador por metro lineal se consigue con un diseño estructural simple que permita atravesar terrenos
escabrosos
pendientes
o muy
pronunciadas. La estructura del
transportador
requiere
una pequeña excavación, permitiendo el afianzamiento a tierra de ésta, de la forma que se estime como la más conveniente. Debido a que la estructura es compacta, requiere un mínimo de protección.
MULTIPLES COMPUERTAS Y PUNTOS DE DESCARGA Estas características son importantes en la minería o en excavaciones, en donde dos o más operaciones de cavado pueden dirigirse a un mismo punto central de carga. En el final de la descarga, el material puede ser disperso en diversas direcciones desde la línea principal. El material también puede ser descargado en cualquier punto a lo largo del transportador mediante la maquinaria complementaria para éste efecto.
EXTENCIÓN Y MOVILIDAD Las líneas modulares de las transportadoras de cintas, pueden ser extendidas, acortadas o reubicadas con un mínimo de trabajo y tiempo.
CONTROL El diseño propio de los sistemas de transportadores, ha requerido reducir el control a botones de accionamiento en los diferentes tramos del transportador, y que además pueden ser controlados desde estaciones permanentes de control.
FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE CINTAS . INTRODUCCIÓN Muchos ingenieros y diferentes usuarios de los transportadores de cinta, están familiarizados con la teoría y los fundamentos de la transmisión por correa. Un análisis de los aspectos generales de los transportadores de cintas, permite determinar que la transmisión por correa provee de una base para el diseño de los transportadores de cintas y elevadores de cintas. En ambos transportadores la transmisión por correa, es transmitida por fricción entre la cinta y los tambores o poleas de accionamiento. Ciertamente otros elementos del diseño, que también colaboran con el sistema de transmisión, son determinantes tanto en la potencia de la transmisión como en la cantidad de material transportado. La similitud entre ambos casos permite analizar y discutir si los fundamentos del diseño de cintas están restringidos específicamente tanto a los transportadores como elevadores.
DEFINICIONES
Tensión en una correa es una fuerza actuando a lo largo de la cinta, tendiendo a elongarla. La tensión de la correa es medida en Newtons. Cuando una tensión es referida a una única sección de la cinta, es conocida como una tensión unitaria y es medida en Kilonewtons por metro (kN/m).
Torque es el resultado de una fuerza que produce rotación alrededor de un eje. El torque es el producto de una fuerza (o tensión) y de la extensión del brazo que se esté utilizando y es expresado en Newton por metro (N*m).
Energía y trabajo están relacionados muy cercanamente debido a que ambos son expresados en la misma unidad. El trabajo es el producto de una fuerza y la distancia a recorrer. La energía es la capacidad de ejecutar un trabajo. Cada uno es expresado en Joules, en el que un Joule equivale a un Newton-metro. La energía de un cuerpo en movimiento es medida en Joules.
La potencia es la relación entre la realización de un trabajo o transmisión de energía. La unidad mecánica de potencia es el watt, que es definido como un Newton-metro por segundo. La potencia empleada en un periodo de tiempo produce trabajo, permitiendo su medición en kilowatt-hora.
CONSIDERACIONES BÁSICAS DE DISEÑO a)
TENSIÓN .
Una cinta transportadora es simplemente un medio para llegar a un fin, un medio para el transporte de material desde un comienzo A, hasta un punto final B. Para efectuar el trabajo de mover material desde A hasta B, la correa requiere potencia que es proporcionada por un tambor motriz o una polea de conducción. El torque del motor transforma en fuerza tangencial, llamada también tensión efectiva, a la superficie de la polea de conducción. Éste es el “tirón” o tensión requerida por la correa para mover el material de A a B, y es la suma de lo siguiente:
La tensión debe vencer la fricción de la correa y de los componentes en contacto con ella.
La tensión debe vencer la fricción de la carga, y
La tensión debe aumentar o disminuir debido a los cambios de elevación.
b)
FLEXIBILIDAD.
Las figuras a y b, ilustran que la correa debe ser diseñada con una suficiente flexibilidad transversal en la zona de carga propiamente tal. Para una cinta transportadora vacía, la cinta debe hacer suficiente contacto con el centro de los rollos de los polines o no funcionará correctamente. En la figura a, la correa es demasiado tiesa para hacer contacto con el centro de los rollos
y, por esto, se aumentan las posibilidades de causar daño considerable a los bordes de la cinta. En la figura b, el contacto es suficiente como para guiar la cinta a lo largo de los polines. Cuando el diseño de la cinta indica restricciones de carga, éstos deben ser respetados y chequeados, mediante sistemas que eviten la sobrecarga, como lo sería una carcaza protectora. Para cada material a transportar, existen valores referenciales establecidos de carga, así como métodos para el cálculo de éstos. a) Cinta tiesa, trabajo inapropiado.
b) Cinta flexible, trabajo
apropiado.
c)
OTRAS CONSIDERACIONES.
La mayoría de los transportadores son relativamente simples en diseño y bajos en tensión. Sin embargo, como los transportadores han pasado a ser más extensos, más complejos y han aumentado su tensión, la investigación se torna primordial para poder obtener ventajas industriales, y ésta generalmente se realiza en uno o más de los siguientes puntos: 1. Aceleración y roturas, problemas de tensión. 2. Costo en tiempo y distancia. 3. Curvas verticales y terrenos irregulares. 4. Trough to flat transition distances. 5. Cambios de longitud. 6. Problemas en las dos poleas conductoras.
7. Múltiples perfiles de los transportadores. 8. Graduar el espacio entre polines.
DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS DE CINTAS TRANSPORTADORAS. Transportador es un elemento o maquinaria de carácter preferentemente electromecánico, destinado a trasladar productos o materias primas entre dos o más puntos, alejados entre sí, ubicados generalmente, dentro de una misma planta elaboradora.
Uso de los transportadores. Los principales usos de los transportadores se dan
Mayormente en la minería, construcción, industria alimenticia, industria motriz entre otros.
Tipos de transportadores. Existen variados tipos de transportadores, y una
Variación de los mismos, pero los principales que podemos nombrar son:
Cinta transportadora.
Elevador de capachos.
Tornillo helicoidal.
Figura esquemática de los componentes de una cinta transportadora.
Componentes de una cinta transportadora Definición de componentes pertenecientes a las cintas transportadoras:
a)
Estructura soportante: la estructura soportante de una cinta transportadora está compuesta por perfiles tubulares o angulares, formando en algunos casos verdaderos puentes que se fijan a su vez, en soportes o torres estructurales apernadas o soldadas en una base sólida.
b)
Elementos deslizantes: son los elementos sobre los cuales se apoya la carga, ya sea en forma directa o indirecta, perteneciendo a estos los siguientes;
Correa o banda: la correa o banda propiamente tal, que le da el nombre a éstos equipos, tendrá una gran variedad de características, y su elección dependerá en gran parte del material a transportar, velocidad, esfuerzo o tensión a la que sea sometida, capacidad de carga a transportar, etc.
Polines: generalmente los transportadores que poseen éstos elementos incorporados a su estructura básica de funcionamiento, son
del tipo inerte, la carga se desliza sobre ellos mediante un impulso ajeno a los polines y a ella misma.
c) Elementos motrices: el elemento motriz de mayor uso en los transportadores es el del tipo eléctrico, variando sus características según la exigencia a la cual sea sometido. Además del motor, las poleas, los engranajes, el motoreductor, son otros de los elementos que componen el sistema motriz.
d)
Elementos tensores: es el elemento que permitirá mantener la tensión en la correa o banda, asegurando el buen funcionamiento del sistema.
e)
Tambor motriz y de retorno : la función de los tambores es funcionar como poleas, las que se ubicaran en el comienzo y fin de la cinta transportadora, para su selección se tomarán en cuenta factores como: potencia, velocidad, ancho de banda, entre otros.
CÁLCULOS GENERALES DE UNA CINTA TRANSPORTADORA. 1. CUBICACIÓN DEL MATERIAL.
2. CÁLCULO DE LA HOLGURA DE LA BANDA.
La holgura de la banda se ubica en los costados de la banda (en figura aparece como D), ésta permite tener un margen de espacio utilizado para impedir que el material a transportar rebalse. D = 0.055 × B + 0.9
Siendo: D = holgura de la banda (plg.) B = ancho de la banda (plg.)
Ejemplo: para una faja de 36” la holgura deberá ser: D = 0.055 × 36 + 0.9 = 2.88"
3. CÁLCULO DEL ANCHO PLANO DE LA BANDA (material). El ancho plano de la banda es donde se ubicará el material al ser transportado.
Siendo:
= ancho de la banda (plg.)
4. CÁLCULO DEL ÁREA DEL MATERIAL A TRANSPORTAR.
Siendo:
= área del material (m2) = altura del material (m) = base del material (m)
5. CÁLCULO DE LA CINTA COMPLETAMENTE CARGADA.
Siendo:
= cinta completamente cargada (m 3) = largo de la cinta (m) = área del material (m 2)
6. CÁLCULO DE LA VELOCIDAD NECESARIA. Para el cálculo de la velocidad necesaria, deberemos tener el dato de la capacidad volumétrica de nuestra cinta transportadora. Dato que por lo demás siempre es conocido ya que es la cantidad de material a descargar por hora. Primero calcularemos la velocidad en número de veces que la cinta deba ser llenada o cargada.
Siendo:
= número de veces que la cinta debe ser Cargada por
hora. = capacidad (m 3) = volumen total (m 3) Ahora se calculará la velocidad en m/h.
Siendo: = velocidad (m/h) = número de veces que la cinta debe ser Cargada por hora. = largo de la cinta (m) Para efectos de cálculo la velocidad deberá ser trabajada en m/s, por lo tanto se realizará la conversión necesaria.
OTRA FORMA DE SELECCION La velocidad de la faja (“V”) es función de las características del material a ser transportado y del ancho de la faja. Las velocidades presentadas en la siguiente tabla-1 son referenciales para uso general. Para material seco y fino una velocidad elevada puede causar mucha perdida, para material pesado y de grande granulometría y con partículas puntiagudas,
una velocidad elevada puede causar mucho desgaste en los chutes de descarga.
TABLA-1 VELOCIDADES MÁXIMAS RECOMENDADAS (V) EN m/s Cascajo, tierra, Cereales y otros
Minerales
Ancho de la faja
Materiales de
desagregados,
En pulgadas
Escurrimiento
piedra chancada
facil, no abrasivos
fina poco
Minerales y piedras duras, puntiagudas, pesadas y muy
abrasiva 16” 2.5 1.6 20” 3.0 2.0 24” 3.0 2.5 30” 3.6 3.0 36” 4.1 3.3 42” 4.1 3.6 48” 4.6 3.6 54” 5.1 3.6 60” 5.1 3.6 66” 4.1 72” 4.1 7. CÁLCULO DEL PESO A TRANSPORTAR.
abrasivas 1.6 1.8 2.3 2.8 3.0 3.0 3.3 3.3 3.3 3.8 3.8
El cálculo del peso a transportar nos permitirá Obtener la capacidad que deberá transportar nuestra cinta en toneladas/hora.
Siendo: = peso a transportar (ton/h) = peso específico material (Kg/m 3) = capacidad volumétrica cinta por hora (m 3/h) = coeficiente corrección de concavidad y Sobrecarga. = coeficiente corrección de inclinación.
Para el coeficiente Z 1, es posible obtener su valor mediante el conocimiento del ángulo de sobrecarga dinámica del material a transportar. En cuanto al coeficiente Z 2, su nombre claramente lo indica siendo éste, el valor angular de inclinación de la cinta transportadora. Ambos valores Z1 y Z2, pueden ser extraídos del texto “PIRELLI, manual para la construcción de cintas transportadoras”.
OTRA FORMA DE CÁLCULO La capacidad volumétrica de un transportador en Ton/m 3 Esta dado por:
C = C TABLA ×V × K
Donde: C= Capacidad volumétrica de un transportador en m 3 /hora a una velocidad “V” en m/s C TABLA
= Capacidad volumétrica de un transportador en m 3 /hora a una
velocidad de V= 1m/s (esto se obtiene de de tabla-1) V= Velocidad del transportador en m/s K= Factor de corrección de un transportador debido a la inclinación del mismo (ver tabla-2) Luego la capacidad de carga “Q” o simplemente capacidad, es obtenida a través de:
Q
=
C ×γ
Donde Q= Capacidad de carga de la faja transportadora en Ton/hora C= Capacidad volumétrica en m 3/h a una velocidad “V” en m/s γ =
peso especifico del material en Ton/m 3
TABLA-2 Capacidad volumétrica de transportadores (“ C “) m3 /h a 1 m/s Angulo
Ancho de la faja en pulgadas
de Acomod o del material 0°
24”
30”
36”
42”
48”
54”
60”
72”
84”
93
152 226 314 417 535 666
977
1341
λ
° 5 3 a s o m e r t x e s o l y s e l a u g i s o l l i d o r s e r t n o C
5° 10° 15° 20° 25°
103 169 250 348 462 592 738
107
1486
114 186 276 384 509 652 812
8 118
1631
125 204 302 419 556 711 885
6 129
1779
135 221 328 455 603 772 961
6 140
1929
147 240 355 492 652 835 104
3 151
2083
0 158 258 382 530 702 898 111
7 163
2242
30°
8
1
TABLA-3 FACTOR DE CORRECCION DE CAPACIDAD λ
K
0° 2° 4° 6° 8° 10° 12° 14° 16° 1.00 1.00 0.99 0.98 0.97 0.95 0.93 0.91 0.89
Donde
λ
18° 20° 21° 0.85 0.81 0.78
22° 23° 24° 0.76 0.73 0.71
es el ángulo de inclinación de la faja transportadora
Ejemplo: La faja transportadora N° 5 tiene una inclinación con la horizontal de 18°, usa una faja de 36” de ancho y 3 rodillos de carga de igual dimensión siendo los laterales inclinados un ángulo de 35° y operando a una velocidad de 2 m/s para transportar un material con un ángulo de acomodo de 25°,y un peso especifico de 2.8 ton/m 3 Calcule la capacidad de la faja N° 5 en ton/ hora.
Solución: De la tabla-2 para un ángulo de acomodo de 25° y faja de 36” CTABLA=378 m3/hora De la tabla-3 para un ángulo de inclinación de la faja transportadora de
λ =18°
K = 0.85 Por lo tanto C= 378 x 2 x 0.85 = 642.6 m3/h Luego la capacidad de carga de la faja será: Q=642.6 x 2.8 =1,799.28 ton/ hora
8. DEFINICIÓN Y SELECCIÓN DE POLINES.
a) Polines de carga: el polín de carga de mayor Utilización es el de tres rodillos de un mismo largo, con una inclinación de rodillos usualmente de 20º, 35º, o 45º. Al mismo tiempo, los polines de 20º son los más utilizados en la mayoría de los casos, con los polines de 35º y 45º, usualmente son utilizados sólo con granos y materiales livianos. Sin embargo, más recientemente los polines de ángulos mayores, especialmente los de 35º, están siendo utilizados con mayor frecuencia en diferentes aplicaciones dentro de las industrias. Las dos principales razones para el uso de los polines de ángulos mayores (35º y 45º) son para obtener una mayor capacidad de transporte y mayor control sobre el derrame de material, especialmente en inclinaciones. Generalmente en la construcción de cintas transportadoras se selecciona el polin de menor ángulo debido a que se proporciona mayor manejo sobre el material con un mínimo control de derrame de éste. La siguiente figura muestra un polin de carga estándar, que permite la selección de éste conociendo sus dimensiones, sin duda alguna la selección del polín deseado se podrá realizar con cualquier catálogo de polines que entregue los datos técnicos necesarios para ello.
b) Polines de impacto: los polines de impacto se encuentran en variados modelos, y su diseño está adaptado para el impacto que se produce en la recepción del material, su ángulo de inclinación será el mismo del polin de carga, permitiendo una uniformidad en el transporte.
c) Polines de retorno: los polines de retorno como su nombre lo indica, permiten el retorno de la banda mediante el apoyo de ésta.
9.
