Título:
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EQUIPOS
MOVILES
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Subtítulo
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MINADORES I
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Fecha de
realización:
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05/01/018
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Grupo:
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DISEÑO Y SELECCION DE MAQUINAS
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Tema:
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MAQUINAS MINERAS
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Código:
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DIS-MIN-EMO-10-01
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INDICE
Fecha
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Autor
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Observaciones
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05/01/2018
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Ing. Juan Carlos Miranda Rios
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Documento Base
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Rev.01
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Rev.02
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EQUIPOS MOVILES
1 EQUIPOS DE ARRANQUE SIN ACARREO
1.1 MINADORES CONTINUOS
Son equipos de arranque selectivo dotados de un cabezal cilíndrico cuya periferia realiza el arranque de la roca por la acción de una serie de herramientas de corte distribuidas sobre el mismo, bien en forma de picas, de dientes o de pequeñas cubas. Los diferentes diseños de la cabeza de arranque dan lugar a diferentes equipos existentes en el mercado actual, y cuya aplicación fundamental es en la minería subterránea de rocas blandas como fosfatos, sales evaporíticas o carbones, aun cuando su aplicación a la minería a cielo abierto es objeto investigaciones y desarrollos o ensayos. Así mismo es una técnica de arranque con grandes aplicaciones en la apertura de túneles y de pozos en las labores de preparación de interior.
Estas nuevas máquinas se caracterizan básicamente por las siguientes ventajas:
- Posibilidad de efectuar el arranque continúo del mineral con una alta selectividad.
- Obtención en el propio tajo de una granulometria del material que permite prescindir en muchos casos de la trituración primaria.
- Alta movilidad de las máquinas dentro de las explotaciones.
- Capacidad para excavar materiales duros y, por consiguiente, eliminar el empleo de explosivos.
- Gran flexibilidad operativa.
- Adaptabilidad a sistemas de transporte continúo por cintas.
- Diseño compacto y reducido peso en servicio.
- Costes de capital por tonelada producida menores que en otros equipos.
- Aprovechamiento eficiente de la energía, y
- Costes operativos bajos.
Entre sus limitaciones, se puede mencionar lo siguiente:
- Cada tipo de máquina tiene su límite de operación ya que ésta se diseña para cierta resistencia de compresión de la roca de la mina.
- La máquina trabaja para cierto porcentaje de abrasividad, el cual está en función de los minerales que contiene el macizo rocoso.
- La adaptabilidad a las situaciones producidas como consecuencia de cambios en las características de los terrenos, así como los accidentes geológicos que puedan presentarse como: fallas, inundaciones de agua, etc.
Actualmente, la introducción de estas máquinas en las operaciones a cielo abierto es lenta, pero continúa y firme, demostrando que las innovaciones tecnológicas y los nuevos sistemas permiten alcanzar unos menores costes de producción y unas mejores condiciones de trabajo.
En la actualidad, los equipos disponibles pueden clasificarse principalmente en dos grandes grupos:
- Minadores de ataque horizontal.
- Minadores de ataque frontal.
1.2 CARACTERISTICAS GENERALES Y DE DISEÑO
Las características técnicas y de diseño de estas máquinas se recogen en las siguientes descripciones.
Minadores de ataque horizontal
Son los más empleados hoy en día y su origen se encuentra en la obra pública, donde desde hace años se aplican al fresado o arranque de los pavimentos de asfalto en tongadas de reducido espesor y con gran precisión.
En esencia, consisten en un chasis con tres o cuatro orugas provistos de un tambor o helicoide portapicas, con disposición normal a la dirección de avance, que realiza la excavación de las rocas mediante rozado en profundidades variables y controlables, que van desde un par de centímetros hasta más de medio metro. Los equipos incluyen dispositivos de recogida y evacuación mediante dos cintas, generalmente, una interior o primaria y otra exterior o de descarga; esta última va colocada en la parte posterior y puede girarse para efectuar la descarga lateralmente, bien sobre un camión o sobre un sistema de cintas instalado en el propio tajo.
Minadores de rodete fijo
Este equipo es un híbrido de rotopala y minador horizontal. En un lateral o centralmente montan un rodete de eje horizontal, con cangilones distribuidos en su periferia que arrancan el material en pasadas sucesivas. El sistema de evacuación, recogida y transferencia es similar al descrito en el equipo anterior, así como su accionamiento de tipo diésel-hidráulico.
Minadores de ataque frontal y tambor único
El elemento de arranque es un tambor accionado por dos cadenas laterales que dispone de un conjunto de picas recambiables. Esa cabeza de corte va montada sobre un brazo, semejante al de las palas cargadoras, gobernado por cilindros hidráulicos y que gira alrededor de un eje horizontal; además en su parte inferior se encuentra una de las tres cintas transportadoras empleadas en la evacuación del mineral.
En la parte posterior monta una cinta de descarga que puede girar a ambos lados 70° y verter el material a alturas variables
Minadores de ataque puntual
Especialmente diseñada para el arranque directo de materiales duros. Las cabezas de corte son accionadas por motores eléctricos independientes y el material arrancado se recoge por unos rastrillos giratorios que alimentan a un transportador de racletas que lo vierte por la parte posterior.
El vertido puede realizarse directamente sobre camión o disponer el material arrancado en montones.
1.3 COMPONENTES BASICOS
Un minador continúo está compuesto por tres componentes básicos fundamentales:
1.3.1 CABEZAL DE CORTE
Es el sistema encargado de excavar el mineral del frente de explotación, consiste en un sistema de ataque puntual, en el cual la potencia total de un motor de corte y el peso de la máquina (Fuerza de reacción) se concentran en una única punta cortante, lo que permite atacar rocas bastante duras.
Existen dos tipos de cabezal de corte empleados actualmente, el tipo Ripping y el tipo Milling:
- Cabeza de eje longitudinal o axial (milling). En este diseño el eje de giro es perpendicular al frente de excavación, estando las picas montadas sobre una hélice dispuesta en forma similar a la de un sacacorchos. Mirando a la máquina desde detrás, la cabeza parece girar en sentido antihorario. Durante el trabajo en arco ascendente, sólo una pica permanecerá en el plano aproximado de la sección transversal y describirá una curva cicloide. Las velocidades típicas de la cabeza cortadora varían entre 20 y 65 RPM. La fuerza de corte se aplica lateralmente, por lo que no se aprovecha todo el peso del equipo como fuerza de reacción. En rocas duras se debe disponer de unos gatos o cilindros hidráulicos de apoyo para absorber los momentos de giro producidos por el brazo de corte.
- Cabeza de eje transversal (ripping). Las cabezas giran alrededor de un eje paralelo al frente. Intervienen tres fuerzas en el arranque por parte de las picas. Si se mira a la máquina desde la parte posterior, las cabezas parecen girar hacia delante, alejándose del observador. En los modos de trabajo ascendente y descendente, una pica individual describirá una cicloide. Sin embargo, en el modo de trabajo en arco, la trayectoria descrita será una espiral. Las velocidades típicas de las cabezas varían entre 45 y 100 RPM. El par de corte es proporcionado por el motor que acciona la cabeza de corte. La fuerza horizontal se ejerce con el giro del brazo y la fuerza vertical con el peso de la rozadora. El par de corte y la fuerza vertical aplicados en las picas realizan los surcos en la roca, mientras que la fuerza horizontal provoca la rotura de la misma entre ellos. Si la roca es blanda, las picas penetran con facilidad y varios útiles cortan simultáneamente, consiguiéndose un rendimiento elevado. Si la roca es muy dura, en cada instante solamente una pica está en contacto con el frente, aprovechando así toda la potencia del motor de corte, todo el peso de la máquina como fuerza de reacción y toda la fuerza de giro del brazo.
Debido a la forma diferente de corte, cada tipo de cabeza presenta una serie de ventajas e inconvenientes. Desde el punto de vista de la estabilidad, en las cabezas transversales no existe casi empuje lateral, la reacción precisa para el corte, que tiende a limitar al equipo en dicha dirección.
Si no es suficiente la proporcionada por la propia fricción del tren de rodaje con las orugas será necesario, por ejemplo, disponer de cilindros hidráulicos estabilizadores, que anclen la máquina a los hastiales. Por este motivo, si no se cuenta con esos cilindros horizontales, los equipos de cabeza axial requieren un 20% más de peso que los de cabeza transversal para la misma potencia de corte.
El perfilado de las excavaciones es mucho más perfecto con las cabezas axiales que con las transversales, ya que éstas producen pequeñas sobre-excavaciones por la propia geometría de las cabezas y, consecuentemente, un contorno menos regular.
En cuanto al rendimiento, si el equipo de cabeza axial se tiene que anclar a los hastiales el rendimiento es del orden del 25% inferior que con un minador de cabeza transversal, debido a los tiempos muertos destinados a la operación de anclaje.
En caso contrario, las cabezas axiales avanzan mejor que las transversales, ya que al ser más estrechas penetran muy bien en el frente y, una vez dentro de la roca, al poder cortar en cualquier dirección se aprovechan mejor las partes débiles del macizo rocoso para efectuar el arranque, razón por la cual su longitud suele ser mayor que su diámetro. Son pues más aptas para el empleo de técnicas de arranque selectivo con estratos o capas de potencia media.
Con cabezas transversales la penetración es más difícil, por lo que no se suele superar los 2/3 de diámetro de las mismas. Así, el rendimiento de ambos tipos de equipos, a igualdad de diámetro, es normalmente mayor con cabezas axiales, salvo que estas unidades tengan que anclarse.
1.3.2 HERRAMIENTAS DE CORTE
Los útiles de corte, o picas, juegan un papel importante en el proceso de trabajo, ya que es el elemento sometido a un mayor desgaste. Su geometría, disposición secuencial en el cabezal de corte y los materiales de que se compone, influyen grandemente en el rendimiento y durabilidad y, por tanto, en la economía de la operación de rozado.
Las picas constan de una pastilla o punto de metal duro (carburo de tungsteno) según el tipo dentro de una matriz de acero sometida a tratamientos de endurecimiento.
Para rocas blandas se usan las picas planas o radiales y para las rocas duras las picas cónicas. Se fabrica una gama muy variada y la elección de la pica más económica debe hacerse después de haber probado varias de entre las que, por sus características de diseño, resultan más aconsejables. Una adecuada elección reduce los costos de rozado en una cuantía considerable. En presencia de rocas duras y abrasivas debe usarse una pica cuya punta de metal duro tenga un diámetro grande. El metal duro se compone principalmente de una aleación de carburo de tungsteno y cobalto buscando siempre un compromiso entre la dureza y la fragilidad del metal resultante.
El desgaste de picas es un factor muy importante a la hora de valorar el costo del rozado, que será el componente principal del costo de la unidad m3 de excavación. La vida de los cortadores es en estos momentos el factor dominante que limita el uso económico de estas máquinas.
Tipos de picas
En los que se refiere a los tipos de herramientas, existen dos clases: picas radiales y picas tangenciales. Las primeras se utilizan casi exclusivamente en el arranque de rocas blandas, y se caracterizan por tener un filo de corte constituido por una pastilla de carburo de tungsteno o widia.
Las picas tangenciales tienen una forma cónica, y están especialmente diseñadas para soportar la fricción con la roca, de ahí que también se denominen picas lapicero o autoafilantes.
La elección del tipo de pica depende de la dureza y abrasividad de la roca, así como de la potencia de la cabeza de corte.
Colocación de las picas
Centrándose en las picas cónicas, su posición sobre las cabezas de corte y su relación con la superficie de roca a cortar queda definida por los siguientes ángulos:
- Angulo de ataque: el ángulo de ataque es el ángulo formado por el eje de la pica y el plano que pasa por el vértice de la misma y el eje de la cabeza de corte, medido en el vértice de la pica. Se recomienda un valor de 45°, debiendo ser negativa la tolerancia de fabricación. En función del diámetro de las cabezas de corte, se tendrán diferentes ángulos de ataque. Las soldaduras o los revestimientos (cuñas) son los métodos utilizados para la alineación del bloque al ángulo correcto. Este ángulo es el más importante para la rotación de la pica cónica, la penetración en la roca y la economía de corte.
- Angulo de oblicuidad o sesgo: el ángulo de oblicuidad es el formato por un plano que pasa por el eje de la pica y es normal a la placa base del portapicas y un plano normal al eje de corte y la dirección de rotación de la cabeza, medido en el vértice de la pica. El ángulo de oblicuidad debe tener un valor entre 5 y 10°. Actuando en combinación con el ángulo de ataque, el ángulo de oblicuidad aumenta la tendencia giratoria de la pica cónica.
- Angulo de basculamiento: el ángulo de basculamiento es el formado por un plano que pasa por el eje de la pica, y es normal a la placa base del portapicas, y un plano normal al eje de la cabeza de corte y la dirección de rotación de éste, medido en la línea central de la placa base del portapicas. El basculamiento de los portapicas (además de la inclinación motivada por la forma del cuerpo) es necesario, especialmente en la zona de corte. El ángulo requerido en cada caso dependerá del tamaño de la cabeza de corte y de la combinación portapicas/pica que se utilice. Por otro lado, es interesante analizar la influencia de estos ángulos sobre el corte y la fuerza de impulso transversal producida por la máquina. La experiencia demuestra que el consumo de corriente eléctrica es mínimo cuando el ángulo de ataque es de 45°. Incluso para diferentes ángulos de oblicuidad. También se ha constatado que la fuerza de accionamiento transversal de la máquina (giro del brazo), tiene su valor mínimo cuando el ángulo de ataque es de 45° y el ángulo de oblicuidad está comprendido entre 5 y 10°.
Número y tamaño de las picas
Con respecto al número de picas con que ha de estar equipada una cabeza de corte, en general, se puede decir que debe ser el menor posible, pero con el mejor desarrollo, es decir, tantas picas como sean necesarias para obtener una forma de corte uniforme por utillaje y un funcionamiento suave y continuado de la máquina. El aumento del número de picas ocasiona un descenso en el rendimiento de corte y propulsión, así como una mayor generación de polvo, mientras que la disminución en el consumo de picas es mínima. Por otra parte, una reducción importante del número de picas tiene como consecuencia un mayor esfuerzo específico para las restantes, una reducción de su vida de servicio y la producción de vibraciones perjudiciales en la cabeza de corte y en el minador.
La longitud normal de cabeza de la pica (calibre) es de 64 a 68 mm. Este calibre ha demostrado su eficacia en condiciones difíciles de corte (resistencia no inferior a 100 MPa); en condiciones más blandas, una extensión del calibre de 13 mm aproximadamente resulta más ventajosa para obtener un rendimiento de corte mayor.
Por otro lado, en la figura siguiente se muestra de forma esquemática la relación entre el consumo de picas y resistencia de la roca con respecto a la eficacia de corte, utilizando para ello distintos diámetros de punta de carburo. La trayectoria de las curvas está trazada de forma aproximada y solamente está destinada a mostrar la tendencia.
Resulta muy difícil prever el rendimiento de corte y el consumo de picas, dado el cambio constante de factores, tales como las características geológicas, la resistencia de la roca, su tenacidad, el contenido en minerales abrasivos, diaclasas y físuración. La siguiente grafica muestra la relación existente entreel consumo de picas y el rendimiento de corte con la resistencia de la roca.
También tienen importancia las características del propio minador empleado y la experiencia del operario que lo maneja.
Si se usan puntas de carburo de menor diámetro, al aumentar la resistencia de la roca, el consumo de picas aumenta rápidamente, mientras que el rendimiento de corte sólo se reduce moderadamente. Por el contrario, si se emplean puntas mayores de carburo, al aumentar la resistencia de la roca, el consumo de picas aumenta ligeramente, mientras que el rendimiento muestra una mayor tendencia a la disminución.
Según esto, se puede decir que, en general, resulta más económico utilizar puntas de carburo de menor diámetro al disminuir la resistencia de la roca. Debido a la escasa resistencia a la penetración, el rendimiento de corte se mantiene alto y el consumo de picas resulta soportable.
Por otra parte, es aconsejable emplear puntas de carburo de mayor diámetro al aumentar la resistencia de la roca, ya que la vida de las picas en servicio es más crítica desde el punto de vista económico que la disminución del rendimiento de corte.
Portapicas
Los portapicas son elementos que, soldados a la cabeza de corte, permiten fijar a la misma el utillaje de corte. Las picas se pueden colocar, por medio de sus mangos, con anillos de retención o por medio de grapas anulares de montaje rápido.
Con objeto de reducir el desgaste en los orificios de sujeción de los portapicas, también se fabrican éstos con casquillos insertados de acero de gran resistencia y tenacidad.
1.3.3 SISTEMA DE RECOGIDA Y CARGA
Los sistemas de recogida y carga del material rocoso arrancando del frente son distintos en las diferentes máquinas que existen, pero básicamente se dispone de cuatro tipos:
- Brazos recolectores: el material arrancado cae sobre una plataforma y es dirigido mediante unos brazos hacia el transportador de racletas que lo evacúa. Es adecuado para materiales húmedos y pegajosos, entrelazados y en forma de bloques.
- Ruedas recolectoras: Es un dispositivo de ruedas giratorias con varios brazos en posición radial, que al girar entre sí en sentido contrario, dirigen el material rozado hacia el transportador.
- Discos giratorios: Consisten en dos discos con nervaduras que al girar en sentido contrario envían al material suelto hacia el transportador. Sus aplicaciones son las mismas que las del sistema de ruedas giratorias con brazos.
- Cardador de racletas: El material suelto si es poco abrasivo y presenta pocos bloques puede ser cargado con uno o dos carruseles continuos de racletas unidas por cadenas.
- Sistemas especiales: Existen rozadoras con brazo rozador y recolector, en el que la cabeza de corte al irse desplazando de abajo a arriba, a la vez que corta, carga el material sobre un transportador central de racletas montado sobre el mismo brazo.
La mayoría de los sistemas de carga van montados sobre una plataforma o rampa de carga, que puede ser subida y bajada hidráulicamente, e incluso en algunos modelos avanzarse hidráulicamente.
Los transportadores de cadenas, uno o dos, suelen ir montados en el centro o en los laterales de las máquinas y están accionados por reductores colocados en el extremo de descarga.
La velocidad de estos transportadores suele ser inferior a 1 m/s.
2 BIBLIOGRAFIA
- Manual de Arranque, Carga y Transporte en Mineria a Cielo Abierto – Instituto Tecnológico Geominero de España
- https://www.etcg.upc.edu/asg/TiMR/descargas/07Rozadoras.pdf
- Las Maquinas Rozadoras en Túneles y Minas – Laureano Cornejo Álvarez – Revista Industrial Minera N° 243 - Noviembre de 1984
- Consideraciones sobre la Aplicación de Maquinas Rozadoras en la Construcción de Túneles y Galerías de Minas – Laureano Cornejo Álvarez – Revista Canteras y Explotaciones - Noviembre de 1989
http://nimbleinity.com/5uv7
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