Memoria de cálculo para un tornillo Sinfín para transporte de solidos Resumen Diseñar un Elemento transportador requiere considerar una cierta cantidad de variables para la obtención satisfactoria de este. El código CEMA es la guía más precisa que la industria emplea de manera regular cuando se requiere diseñar y fabricar equipos de transporte. La definición de las propiedades del material determinan las condiciones de selección del transportador. PALABRAS CLAVES: Tornillo Sinfín, Código CEMA. 1.INTRODUCCION 2. DESARROLLO DEL PROYECTO El transportador sinfín se empelara para remover solidos que han sido secados en un lecho almacenados dentro de un tanque. Las capacidad de dicho tanque permite alojar 5.5 m2 de solido a ser transportado por el sin fin. La figura 1. Muestra la disposición del área de remoción. 4P almacenara 1.5 Ton de sólidos para una capacidad volumétrica de 6.6 m3 aproximadamente. El factor de diseño, tipo de carga de la artesa las cuales ayudaran a establecer la capacidad del transportador y su velocidad. Figura 2. Característica del material. 2.2 Selección tamaño del transportador y velocidad. P Figura1. Área de compuerta del tanque, P. remoción de sólidos. 2.1 Caracterización de propiedades de Solido a Remover El D50 es 48 micrones, con un peso especifico W de 162 lb/ft3. El material a ser removido es una mezcla de componentes minerales. Se asume que el material a remover será arena húmeda de banco, por similaridad en densidad, tamaño de partícula, fluidez. Condiciones no establecidas como la abrasividad del solido afectaran la vida útil del equipo. El volumen a remover de solidos es 5.7m3 equivalentes a 14 Ton. aproximadamente. Por tanto la capacidad a desplazar del tornillo no deberá ser inferior a 14Ton/h. La Figura 1 muestra las condiciones del material, El diseño del transportador es dependiente del tipo de material para poder determinar las diversas cargas del material. Asi mismo la dosificación del material es otro factor que se deberá establecer en la calibración del proceso. La figura 2 muestra el porcentaje de carga en la artesa, el diámetro de la hélice 9”, las revoluciones de salida en el eje, 100RPM y sus capacidad C de desplazamiento a 1RPM y a una máxima revolución es de 545 ft3/h y un factor del material Fm de 2.8. Debido a que el sistema no va a ser operativo todo el dia, su carga se considerara al 30%. Figura 2.Tabla de capacidad pata transportadores helicoidales horizontales. Memoria de cálculo para un tornillo Sinfín para transporte de solidos El tamaño del helicoidal está determinado no solo por la capacidad de requerida sino también por el tamaño y proporción de las partículas. Se considera un 10% de las partículas de un tamaño máximo son de la mitad del tamaño máximo y el 90% son de partículas de la mitad del máximo, Por tanto el diámetro de la helicoidal será de 9” y un tubo de diámetro externo de 2 7/8”. La figura 3 muestra la relación Figura5.Factor de buje del colgante Figura3. Tabla de tamaños máximos de partículas. Para la potencia a mover HPm, C la capacidad de desplazamiento. W es la densidad del material, Fm el factor del material (fig. 2), Ff de 1 ;el factor de porcentaje de carga a 30%y una hélice estándar(fig6). 2.3 Calculo de Potencia HP total La potencia para operar un transportador helicoidal se basa en una instalación adecuada, en una alimentación regular y uniforme al transportador. Esta depende de la relación entre potencia que se requiere para mover el transportador vacío HPf(ec.1), la potencia para mover el material HPm(ec.2) y la Potencia total de la transmisión HP total(ec.3) Figura6. Factor porcentaje de carga. Con estos datos se encuentra que el valor de Potencia a mover del material HPm es de 0.78. La potencia total de trasmisión HP total, está determinada por el factor de sobrecarga (Fo) de 2(figura 7), hallada por la suma de HPm y HPf (0.92) (1) (2) (3) L es la longitud del transportador, 39.4 pies, N las revoluciones de operación 100RPM,( Fd). El factor del diámetro del transportador (fig. 4), 18, F(b) el factor del buje para el colgante de 2(fig. 5). Por tanto HPf será de 0.14 Figura 7.Factor de seguridad Fo. Figura4. Factor diámetro del transportador. Figura 8. Eficiencia de la transmisión e. El sistema de transmisión a utilizar será por cadena entre la caja reductora y el eje motriz del helicoidal por tanto la eficiencia será del 87%.(fig. 8). La potencia Total HP total, será de 2.1 Hp que es la potencia requerida para manejar 545 pies cúbicos por hora del solido en un transportador de diámetro de hélice 9” de 39.4 pies de longitud. Se debe utilizar un motor de 5 HP, 4KW. Memoria de cálculo para un tornillo Sinfín para transporte de solidos 2.4 Limite de Resistencia a la Torsión. El torque en el tornillo determina si la flecha puede trabajar a estas condiciones y está dada por la relación entre la potencia y la velocidad con que gira el helicoidal. Figura 11. Peso del helicoidal seccional. (4) Para el transportador de 9” de diámetro, a 100RPM y con un motor de 4 HP, el torque será de 2521 lb pulgada. Al comparar este dato con la tabla de capacidad torsional (fig. 9) se ve que usar un eje de 2” con dos barrenos en un tubo de 2” es adecuado ya que 2521<7600 El peso de la hélice W será de 630 libras a una longitud L de 472 pulgadas y un momento para el tubo de 1.53. La deflexión en los 12 metros será de 0,06 pulgadas o 1.25 milímetros, un valor menor para que este se pandee por tanto se asegura una funcionalidad axial óptima. Otro factor a considerar es la dilatación del material por deltas de temperatura cuando se transportan materiales calientes. La misma operación genera un incremento de la temperatura en el helicoidal. En este caso se considera que este factor no afectara de manera significativa la longitud del transportador. 2.6 Sentido de giro del transportador Figura 9. Capacidad Torsional de componentes 2.5 Deflexión El transportador tendrá una rotación de izquierdas, girando en el sentido de las manecillas del reloj. El diagrama de abajo muestra una representación del giro de la hélice. Una de las principales limitantes en el diseño es la presencia de deflexiones en la hélice de un tornillo transportador, por lo cual se utilizan colgantes intermedios en el eje. Se procederá a realizar el cálculo de acuerdo a lo establecido por CEMA. (5) Siendo D la deflexión del claro en pulgadas. W el peso de la hélice, L la longitud del tornillo en pulgadas e I el momento de inercia en el tubo. Figura 12. Rotación de un transportador helicoidal a izquierda. 2.7 Acabados Especiales en la soldadura continua. Las soldaduras tendrán un acabado Tipo IV; remoción de escoria y salpicadura y un pulido fino, sin poros ni grietas.(figura 12). Figura 10. Momento de inercia en tubo Sch 40. El peso del elemento se establece como un aproximado suministrado por la siguiente figura. Figura 13. Acabado de soldaduras. Memoria de cálculo para un tornillo Sinfín para transporte de solidos 2.8 Arreglos de los transportadores Figura 15. Transmisión Motorreductor. Dentro de la estandarización de los componentes del transportador, se presentan arreglos típicos que permiten no solo una mayor facilidad en la fabricación sino también controlar deflexiones casi de forma parametrizada. La dimensión de la artesa se observa en la figura 13 para un diámetro de hélice de 9” y un diámetro del eje motriz de 2”. 2.8.3 Estandares CEMA. Dimensión de los helicoidales seccionales. Los helicoidales vienen dimensionados para una tolerancia del paso dada entre ¼” a ½” y una tolerancia al diámetro definida entre un mínimo de 1/16” a ¼”. La soldadura entre hélices deberá ser continua y el helicoidal ira ajustado al tubo por medio de soldaduras intermedias. El material seleccionado para la hélice será de acero anti desgaste con una composición química de C.18% Mn.145% P0.02% S 0.003% Cr0.8% Mo0.2% B 0.003% Ni 0.12% con un límite elástico de 12000N/mm2, resistencia a la tracción 1400N/mm2 y una dureza nominal HB 410-490. 2.8.4 Soldaduras Figura 13. Arreglo de transportador helicoidal. 2.8.1 Brida para Artesa en U La geometría de la canal se describe en la figura 14. La soldadura a aplicar deberá ser de una dureza de 52-62 RC a un amperaje de 100-140A para una barra de 1/8” AC /DC, con una composición química de C .85% Si.9% Mo.6% Mn.5% Cr 9% V .3%. la figura 16 muestra el estándar dado por CEMA para un tornillo de 9” de diámetro y 2” de diámetro del eje. Figura 14. Selección de Brida 2.8.2 Arreglo de la transmisión Figura 16. Helicoidal Seccional. La trasmisión será por motorreductor de cadena al eje del transportador e ira soportado sobre una placa en la parte superior de la artesa. El fabricante deberá dimensionar la placa y hacer la distribución de los elementos de sujeción entre la plca y la artesa. En la siguiente figura se observa la disposición del arreglo. 2.8.5 Tapas de Artesa. Las tapas de artesas exteriores se usan para apoyar la chumacera en la tapa y esta será de borde con pie. Figura 17. Tapa de Artesa. 2.8.7 Determinación del Empuje axial. Memoria de cálculo para un tornillo Sinfín para transporte de solidos El objetivo principal es determinar la fuerza axial para poder posteriormente seleccionar el rodamiento. Este se define como la resultante axial de las fuerzas aplicadas en el material. Sus componentes son la resultante a la resistencia del movimiento W debido al desplazamiento del material y la fricción entre el materia y la artesa, helicoide y los colgantes y la otra componente es el peso del material en su dirección axial. (6) V –Capacidad del tornillo, 545 ft3/h (15.4 m3/h) β- angulo de inclinacion del tornillo, 0° ϒ- Densidad del material a transportar, 162 lb/ft3(25,9 KN/m3) L-longitud del tornillo ,12m dh- diametro de la helice 9” (0,23 m) Km=Fm factor del material 2.8 Kp-coeficiente de proporcion, 1 por paso y diametro de helice iguales. Figura 18. Cuerpo libre de la helice y el tubo. La figura 19 , muestra un diagrama de la helice, dada por un rectangulo el cual β es el sinfín inclinado con respecto a al horizontal, o grados, la fuerza de empuje Fe en direccion del eje del equipo, la normal N que ejerce el material contra la helicoide, la fuerza de friccion µN al mover el material por la helicoide y una fuerza Ft contraria al momento o Tmax. Ki -coeficinete de inclinacion, 1 por ser el transportador horizontal Kh- coeficiente de la helice, 1 por ser esta continua, α- Angulo de la helice α= tan-1(1/π)= 17.67°. n-revoluciones de la helice 100 RPM Pd-angulo de friccion dinamico, 30° para la arena (fig. 20) Figura 19. Diagrama de fuerzas en la helice. Por tanto la Fuerza axial Fa de un tansportador helicoidal vendra dado por la siguiente expresion. Figura 20. Angulos de friccion interna o dinamica. Memoria de cálculo para un tornillo Sinfín para transporte de solidos Reemplazando en (6) la carga axial Fa sera de: 𝐹𝐹𝐹𝐹 = 3.49 𝐾𝐾𝐾𝐾 Memoria de cálculo para un tornillo Sinfín para transporte de solidos Diseño de Artesa 1. Canal 1.2 Brida