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Análisis experimental de las fuerzas sobre la malla de un harnero vibratorio de laboratorio.
(Universidad de Concepción, 2024) Bustos Gallegos, Pablo Enrique; Moncada Merino, Manuel Alonso; Rodríguez Godoy, Cristian Gabriel
Vibrating screens are critical machines in the mining industry whose function is to classify the ore according to its granulometry. They are essential equipment for mineral processing. Given certain operating conditions, the proper movement of this machine, provides a cost reduction in the screening process. In Chilean mining, a correct classification translates into better obtaining copper and energy savings by avoiding that certain ore sizes go through the crushing stage again. The movement in these machines is generated by an unbalanced mass excitation system. In addition, this oscillatory movement is influenced by the mineral load on the screens, both in quantity and spatial distribution. The main objective of this work is to determine the forces on the classifying screen of a laboratory sieve and to find a relationship with the particle size. Forces were obtained at 2 points of the classifying screen, as well as the acceleration experienced by the vibrating box during the tests at different operating and loading conditions, for a particular particle size. The loads obtained at these points vary according to the amplitude of the exciting force of the system. Regarding the specific objectives, most of them were achieved except for finding a relationship between the force and the particle size, the start-up of the sieve was carried out, all the available and necessary sensors were installed to meet the main objective, the analysis of the experimental data was performed in the MATLAB program, where the main results regarding loads and vibratory amplitudes stand out, in addition, there was a change in the operating conditions of the sieve, specifically, several excitation forces of the system were tested and an analysis of its behavior was carried out. What was not done was to carry out experimental tests with steel balls of a smaller diameter to make a comparison between the two. Loads on the screen change the way the screen vibrates, and the magnitude of these loads can vary depending on the operating conditions of the screen. Most particle loads occur at high frequencies.
Análisis no estacionario de torque en chancadores primarios.
(Universidad de Concepción, 2022) Moncada Merino, Manuel Alonso; Betancourt Cerda, Fernando Elías; Rodríguez Godoy, Cristian Gabriel
El chancador giratorio es una máquina utilizada en la industria minera chilena del cobre para la trituración primaria. En la operación en planta de un chancador existen condiciones, tales como el llenado o vaciado, que someten al equipo a torques de chancado elevados durante instantes relativamente cortos de tiempo. Es fundamental conocer el torque de chancado necesario en la etapa de diseño, ya que esto permite dimensionar distintos elementos mecánicos del chancador, tales como: contraeje, ejes de extensión, motores, rodamientos y estructuras. Existen varios métodos analíticos para calcular potencia o torque en chancadores, estos se basan en la distribución de fuerzas sobre el manto, propiedades del mineral y geometría del chancador. Otra alternativa de cálculo es mediante el método de elementos discretos (DEM). DEM es un método numérico que calcula la dinámica de las partículas y cómo estas interaccionan entre sí y con el entorno. El enfoque tradicional de DEM es considerar las partículas como un cuerpo rígido irrompible de forma esférica, no obstante, como al interior de un chancador ocurre fractura, se debe incorporar un modelo que represente este fenómeno físico. El objetivo de esta tesis es estudiar la operación de chancadores giratorios y de cono mediante modelos numéricos y experimentos, para poder explicar el comportamiento transiente del torque. Los objetivos específicos son: caracterizar los minerales, realizar experimentos en un chancador de laboratorio, validar un modelo DEM de chancador primario y de cono. Se lleva a cabo una completa calibración de parámetros del modelo DEM de chancador de cono, calibrando forma de las partículas, coeficientes de restitución, coeficientes de roce, módulo de elasticidad y parámetros específicos del modelo de fractura. Los datos experimentales se obtienen de un chancador de cono de laboratorio, midiendo torque, potencia, velocidad angular, flujo másico y granulometría. Los modelos DEM se efectúan en el programa computacional Rocky DEM, empleando un modelo de contacto histerético, partículas poliédricas, el modelo de fractura de Tavares y la distribución de tamaño dada por la función beta incompleta. Como resultado del modelo DEM del chancador giratorio, se obtuvo la potencia de chanca do, flujo másico y granulometría del producto. Se propuso un modelo de torque el cual considera solo las fuerzas radiales al manto, ya que el torque de las fuerzas tangenciales sobre el manto no se transmite al eje principal. El modelo fue validado a través de mediciones experimentales y datos del fabricante, con un error relativo de 7.5% en la potencia y 1.5% en el flujo másico. Se evidenció que hay partículas que producen un torque a favor del movimiento del eje principal, debido a la descompresión de las partículas. Con respecto a los resultados experimentales del chancador de cono, se manifiesta el incremento de torque motriz durante la alimentación y durante la descarga del mineral para algunos ensayos en específico. El modelo DEM fue validado mediante los resultados de potencia de chancado, logrando un error relativo del 11.4%, mientras que para flujo másico del producto y tamaño está alejado de los resultados experimentales. Se analizó el origen de los incrementos transientes de torque, los que pueden suceder por el desequilibrio de fuerzas sobre el manto, condiciones dinámicas del giro del eje principal o condiciones de dinámicas del sistema de ajuste.
Fabricación de un banco de ensayos para el análisis de un modelo DEM-MBD.
(Universidad de Concepción, 2024) Parra Calzadilla, Francisco Ariel; Moncada Merino, Manuel Alonso
The interaction that occurs between particles and vibrating screens is of vital interest to bulk material processing industries. The kinematic behavior of the structure of these equipment’s can be evaluated through a multibody dynamic model (MBD), while the influence of the material on the equipment can be modeled using a discrete element model (DEM). However, only a coupled DEM-MBD model can capture the complex interaction that occurs between the material particles and the equipment. This work develops a one-degree-of-freedom coupled DEM-MBD model focused on vibrating screens that allows modeling the interaction force generated with the particles. A dynamic model of the system is built under the MBD modeling theory, and subsequently, this model is coupled to a DEM model using the Functional Mock-up Interface (FMI). A comprehensive experimental calibration of the physical parameters of the dynamic model and the main material and contact parameters of the DEM model is conducted to improve the numerical accuracy of the proposed model. A test bench is designed and manufactured consisting of a particle container that moves only in the vertical direction. The interaction force between particles and the container, system acceleration, and particle movement are measured. These experimental data are compared with simulated ones to evaluate the accuracy of the numerical model. A good modeling of the vibratory movement of the system is obtained, with errors of less than 6.4% when the peak vibratory amplitude of the fixed assembly does not exceed 0.0984 inch and that of the mobile assembly does not exceed 0.0787 inch. For larger vibratory amplitudes, it was identified that the test bench exhibited problems in its dynamic behavior caused by variable friction between the rolling elements of the bearings and the guide shafts. This friction resulted in an additional energy dissipation element, as well as premature wear of the shafts, leading to experimental vibratory amplitudes lower than those simulated in the cases evaluated at 17 and 20 Hz. Regarding the impact force generated by the particles, it could be measured experimentally, but the variation in damping also affected its amplitudes and the estimation of the inertia force necessary for its evaluation.
Fuerzas de chancado y su relación con el desgaste en un chancador primario.
(Universidad de Concepción, 2024) Rojas López, Christian Andrés; Rodríguez Godoy, Cristian Gabriel; Moncada Merino, Manuel Alonso
Los chancadores representan una pieza fundamental en el proceso minero del cobre chileno. Debido a su alto consumo energético y costos operativos elevados, resulta de vital importancia comprender sus principales parámetros, tales como potencia, torque y desgaste, entre otros. Recientemente, el método de elementos discretos (DEM, por sus siglas en inglés) se ha utilizado ampliamente para calcular estos parámetros de chancado. Este método permite simular de manera precisa los diversos procesos mineros [Weerasekara et al., 2013]. DEM es un enfoque numérico que calcula la interacción y dinámica de partículas en entornos físicos y mecánicos [Cundall y Strack, 1979]. El estudio del desgaste brinda la oportunidad de analizar y mejorar la vida útil del revestimiento. Dado que uno de los mayores costos asociados al proceso de chancado es el reemplazo de los revestimientos desgastados [Walker, 2012], mejorar en este aspecto significaría una disminución considerable en los costos operativos. El objetivo de este trabajo es desarrollar un modelo DEM que permita modelar y cuantificar las fuerzas presentes en las distintas zonas del chancador y obtener su relación con el desgaste del revestimiento. Esto facilitaría la predicción de las áreas más propensas al desgaste, permitiendo así optimizar la gestión de mantenimiento y la durabilidad del revestimiento, aumentando la disponibilidad del chancador. El chancador utilizado en este estudio es un Metso Superior 60-89, ubicado en la mina Highland Valley Copper en Canadá. Este chancador fue analizado y medido experimentalmente por Rosario [Rosario, 2003], quien evaluó el desgaste a través de sensores láser durante los períodos de mantenimiento de la máquina. Una vez obtenido el modelo, se obtuvieron buenos resultados en flujo másico, potencia y distribución de tamaño, teniendo errores de 3,3%, 38,5% y 20,1% respectivamente. Por otro lado, se obtiene las zonas con mayor presencia de fuerzas que corresponden al rango entre 0,8 y 1,6 metros de altura, no obstante, la zona de mayor desgaste corresponde a la altura de 0,5 metros del chancador.
Modelación de un tambor aglomerador industrial mediante el método de elementos discretos.
(Universidad de Concepción, 2025) Henríquez Navarrete, Carlos Nicolás; Rodríguez Godoy, Cristian Gabriel; Moncada Merino, Manuel Alonso
En la industria minera, existen múltiples equipos que permiten llevar a cabo el proceso de aglomeración. El tambor aglomerador se destaca como uno de los equipos más utilizados para el proceso de granulación, especialmente en la preparación del material para la lixiviación por pilas, donde se busca reducir los finos y mejorar la permeabilidad. A pesar de su amplia aplicación, existen limitados estudios que propongan modelos numéricos para profundizar en la optimización y mejora de estos equipos. Este informe presenta un estudio detallado del comportamiento de un tambor aglomerador mediante simulación numérica por el método de elementos discretos (DEM) utilizando el software Ansys Rocky DEM. El objetivo principal es analizar el proceso de aglomeración de material en un tambor de 4.6 m de diámetro y 16.3 m de largo, ubicado en la minera BHP Spence. Se utilizó el módulo liquid bridge para simular la adherencia entre partículas durante el proceso. Se realiza una revisión bibliográfica que permite calibrar los parámetros del material (mineral de cobre) y evaluación del modelo numérico con ensayos experimentales obtenidos de la literatura. Se establece una metodología para simplificar los tiempos de simulación DEM, debido al costo computacional y tiempo de resolución. El modelo numérico tiene por objetivo analizar el comportamiento del material de forma transversal y axial. Los resultados obtenidos son: Demanda de potencia y torque, distribución de humedad, análisis de fuerzas, distribución de humedad y tiempo de residencia del material. Se realizan 9 simulaciones, donde se analiza la sección transversal del tambor, donde se varía la velocidad de rotación y grado de llenado. De los resultados obtenidos se puede destacar que la potencia RMS en régimen estacionario no es lineal, cuando se varían los parámetros antes mencionados. Las fuerzas en el eje y son un 135% mayores a las fuerzas en eje x. El aumento de la velocidad de rotación para un grado de llenado constante del tambor no implica una mejor distribución de humedad del material. Por otra parte, se realiza una simulación en la cual se analiza el tiempo de residencia del material, en donde se obtiene un error del 3.97% con respecto al valor experimental, obtenido de la literatura e información recopilada. Finalmente, se diseña, dimensiona y genera un presupuesto de un banco de ensayos de laboratorio con el propósito de estudiar en mayor profundidad la aglomeración en este tipo de equipos. Este banco de ensayos tiene por objetivo obtener datos experimentales (torque, potencia, granulometría, entre otros) para estudiar y analizar la aglomeración, validar un modelo numérico por el método de elementos discretos (reduciendo los costos computacionales) y poder tomar decisiones importantes en la industria.
Modelación dinámica no lineal de harnero vibratorio considerando inercia del mineral y fuerza del mineral sobre el harnero calculada con elementos discretos
(Universidad de Concepción, 2017) Moncada Merino, Manuel Alonso; Rodríguez Godoy, Cristian Gabriel
Los harneros vibratorios son máquinas críticas en la industria minera cuya función es clasificar el mineral según su granulometría. Enfocándose en la minería chilena, una correcta clasificación se traduce en un mejor rendimiento en la obtención del cobre y en un ahorro energético; debido a que se entrega mineral de granulometría adecuada para el proceso y a que se evita chancar nuevamente. La efectividad de la clasificación depende significativamente del movimiento del harnero. Por este motivo, es de gran interés para el diseño y operación predecir su movimiento en la forma más precisa posible. El objetivo general de este trabajo es conocer la influencia del mineral en el movimiento del harnero vibratorio a través de un modelo dinámico no lineal y una simulación en elementos discretos. Esta influencia se caracteriza mediante la fuerza de inercia del mineral sobre el harnero en el modelo dinámico, y por la fuerza que ejerce cada partícula del mineral sobre las mallas clasificadoras del harnero, determinada mediante elementos discretos. Los objetivos específicos a seguir son: realizar una investigación bibliográfica de los harneros vibratorios, identificando parámetros que afectan su rendimiento; plantear un modelo dinámico no lineal que permita predecir el movimiento del harnero; simular en elementos discretos un harnero vibratorio de doble malla; integrar la fuerza calculada en elementos discretos en el modelo dinámico; comparar la fuerza del mineral sobre las mallas obtenidas desde el modelo dinámico y elementos discretos; y estudiar la respuesta del modelo dinámico al integrar la fuerza desde elementos discretos. Mediante ecuaciones del movimiento, determinadas por las ecuaciones de Lagrange, se plantea un modelo no lineal en el plano de tres grados de libertad que permite calcular el movimiento de los apoyos de la máquina en estudio. Se modela con el programa computacional de elementos discretos LIGGGHTS un doceavo del harnero vibratorio lineal de doble malla para obtener en estado estacionario el movimiento del centro de masa y fuerza del mineral sobre sus mallas. Se plantea el caso 1: mineral moviéndose en conjunto con el harnero (caso usado en modelo disponibles en la literatura); y caso 2: fuerza del mineral sobre el harnero calculada con elementos discretos aplicada al modelo dinámico. Las simulaciones se llevaron a cabo con datos de un harnero real de la minería del cobre y se analizaron sus respuestas en el tiempo, dominio frecuencia y las órbitas de los puntos de apoyo. Se compara la fuerza del mineral sobre el harnero y el movimiento para ambos casos, observando que la fuerza es notoriamente distinta, siendo la simulada por el modelo dinámico un caso irreal, pues el mineral no genera una fuerza de atracción sobre las mallas. La diferencia en la amplitud de la respuesta vertical entre ambos casos es baja ( 12 %), por lo que el modelo dinámico del caso 1 se puede usar para simular un harnero vibratorio a pesar de que su formulación considera una hipótesis irreal. Comparando las órbitas obtenidas con el modelo lineal y no lineal, la diferencia en estado estacionario es despreciable, debido a que la amplitud de la respuesta angular del harnero simulado es baja, cuyo valor es 0.014 [ ] aproximadamente.

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