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INFORME FINAL
CODIGO DEL PROYECTO N 203-3543
COLUMNA DE PERFORACIN PARA FAENAS MINERAS
FONTEC-CORFO
THIESSEN SA.-
02 DE JUNIO DEL AO 2004.
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PRESENTACIN
En el ltimo decenio, se constata que el pas ha sabido ~il(erHar
~\)n xito el desafo impuesto por la poltica de apertura en i0$
macados internacionales, alcanzando un crecimieJ1lo )' desarrollo
econmico sustentable, con un sector empresarial dinmico. innovador
,. capaz de adaptarse rpidamente a las seales del mercado.
Sin embargo, nuestra estrategia de desarrollo, fundada en el
mayor esfuerzo exportador y en un esquema que principalmente hace
uso de las ventajas comparativas que dan los recursos naturales y
la abundancia relativa de la mano de obra, tender a agotarse
rpidamente como consecuencia del propio progreso nacional. Por
consiguiente, resulta determinante afrontar una segunda fase
exportadora que debe estar caracterizada por la incorporacin de un
mayor valor agregado de inteligencia, conocimientos y tecnologas a
nuestros productos, a fin de hacerlos ms competitivos.
Para abordar el proceso de modernizacin y reconvemon de la
estructura productiva del pas, reviste vital importancia el papel
que cumplen las innovaciones tecnolgicas, toda vez que ellas
confieren sustentacin real a la competitividad de nuestra oferta
exportable. Para ello. el Gobierno ofrece instrumentos financieros
que promueven e incentivan la innovacin y el desarrollo tecnolgico
de las empresas productoras de bienes y servicios.
El Fondo Nacional de Desarrollo Tecnolgico y Productivo FONTEC,
organismo creado por CORFO, cuenta con los recursos necesarios para
financiar Proyectos de Innovacin Tecnolgica, formulados por las
empresas
. del sector privado nacional para la introduccin o adaptacin y
desarrollo de productos, procesos o de equipos.
Las Lneas de financiamiento de este Fondo incluyen, adems, el
apoyo . a la ejecucin de proyectos de Inversin en Infraestructura
Tecnolgica y de Centros de Transferencia Tecnolgica a objeto que
las empresas dispongan de sus propias instalaciones de control de
calidad y de investigacin y desarrollo de nuevos productos o
procesos.
De este modo se tiende a la incorporacin del concepto Empresa
-Pas, en la comunidad nacional, donde no es slo una empresa aislada
la que compite con productos de calidad, sino que es la "Marca -
Pas la que se hace presente en los mercados internacionales.
El Proyecto que se presenta, constituye un valioso aporte al
cumplimiento de los objetivos y metas anteriormente comentados.
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INDICE
TEMA
A.- ANTECEDENTES GENERALES
B.- DESCRIPCION DE LAS ACTIVIDADES REALIZADAS
ETAPA N 1 ; DEFINICION DE LAS MATERIAS PRIMAS
ETAPA N 2 ; DESARROLLO EXPERlMENT AL DE LOS PRODUCTOS
ETAPA N 3 ; PRUEBAS
C.- RESULTADOS y CONCLUSIONES
D.- BIBLIOGRAFIA
F.- ANEXOS F.l.- ETAPAS FABRICACION PUNTAS F.2.- FOTOGRAFIAS
DESARROLLO EXPERIMENTAL F.3.- CARTA GANTT F.4.- COMPROBANTES
PAG.
3
5
7
21
26
36
36
38 45 44 45
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A.- ANTECEDENTES GENERALES:
A.1.- Etapas de Desarrollo:
El proyecto se centr en realizar los estudios destinados a
desarrollar tecnologa en la fabricacin de columnas de perforacin en
material plstico, polmeros con propiedades de alta resistencia
mecnica y atributos de flexibilidad y manipulacin que se pueden
indexar con el uso de nuevos materiales permitiendo la posibilidad
de crear nuevas configuraciones de mayor eficiencia en lo tcnico y
econmico en comparacin a las barras tradicionales que se fabrica en
acero con los inconvenientes tcnicos propios que presenta el
materiales con el cual fue construido y que se detalla mas
adelante.-
El proyecto se centra entonces en configurar un producto
fabricado en polmeros especiales y sus mezclas a determinar con los
anlisis de ste proyecto, para fabricar barras de perforacin en una
sola pieza con caractersticas tcnicas definidas y especificas,
barras destinadas al uso en la colocacin de elementos explosivos en
faenas mineras a tajo abierto.-
Caractersticas de una Barra de Perforacin
La columna de perforacin esta compuesta bsicamente por tres
partes principales: el adaptador superior, que se monta sobre la
maquina perforadora rotativa, el tren de barra que dependiendo de
la extensin de la columna puede estar conformado por una hasta tres
barras, el adaptador de tri cono, el tri cono propiamente tal el
cual est conformado por tres conos con insertos de carburo de
tungsteno que con rotacin y empuje provenientes del cabezal de la
perforadora, trituran la roca y profundiza la perforacin. La
totalidad de la columna esta fabricada de acero dulce o de aleacin
trmicamente tratado, para conseguir los requerimientos tcnicos
adecuados, cada pieza de la columna se atornilla una sobre otra
armndose la unidad que constituye el tren de perforacin que montada
sobre un equipo denominado perforadora rotativa, la hace girar con
una velocidad dependiente de las caractersticas del terreno.
Las fuerzas mecnicas que se ejercen sobre esta barras son
enormes, producindose atascamientos, por los constantes acoples y
desacoples, en cada faena destinados a montar y desmontar la
columna de perforacin trae como consecuencia una importante
inversin en horas hombres adicionalmente deben
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utilizarse grasas y aceites especiales para poder separar cada
parte de de la columna, grasa que posteriormente es retirada
mediante un lavado con agua produciendo una contaminacin
adicional.-
La velocidad de giro, y presin para efectuar la perforacin,
genera una gran turbulencia de material en el interior del pozo de
perforacin que posteriormente es expulsado hacia la superficie por
accin de la misma fuerza centrifuga hace que roca y granito choque
en forma violenta contra las paredes de la barra produciendo de
esta manera, un rpido y continuo desgaste del acero el cual
requiere refuerzo y reparacin, trayendo como consecuencia perdida
de la vida til de la unidad y costos de operacin ya que no queda ms
que cambiar la barra y reparar la parte daada.-
Nuestra propuesta tecnolgica ms importante apunt a la fabricacin
de una nueva barra compuesta preferentemente en su totalidad de una
sola pieza, evitando las perdidas de tiempo en acoples y desacoples
de la unidad, por otra parte dar nuevas caractersticas tcnicas a la
parte de la barra sometida a mayor friccin y abrasin, que es la
parte que inicia el proceso de perforacin y recibe el mayor impacto
y accin mecnica.- Adems se pretende encontrar nuevos materiales que
permitan el diseo de roscas auto lubricadas que minimicen el actual
atoramiento de los acoples.
Si bien nuestra propuesta de investigacin apuntaba a en
principio a entregar un informe de avance para el da 16 de Octubre
del 2003, actividades que coincidieron con nuestros ciclos altos de
produccin as como nuevas negociaciones con nuestros socios
extranjeros, nos impusieron un reasignacin de nuestros recursos
humanos y estructurales que no tenamos previsto.-
Paralelamente a ello, nos encontramos actualmente en la etapa de
Certificacin del Sistema ISO 9000-2000 a travs del Profo M
CORFO.Asimet y paralelamente estamos trabajando en Profo
Interexport II tambien a travs de CORFO-Asimet.
Este informe comprende las actividades desarrolladas desde
16/07/2003 hasta 30/11/2003.- Hasta la fecha el proyecto se
encuentra avanzado desarrollado completamente el capitulo nO 1 y
parte del capitulo nO 2, como se vera en detalle en la informacin a
continuacin en este informe.-
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B.- DESCRIPCION DE LAS ACTIVIDADES DESARROLLADAS
El proyecto total fue concebido para una duracin de 7 meses,
pero ciertas actividades del desarrollo que necesariamente
necesitan pasar por una prueba real han motivado su extensin a lo
menos en cuatro meses adicionales a la fecha de trmino prevista
originalmente para mediados de mayo 2004,situacin que solicitamos
evaluar y considerar, segn avance de las pruebas y sus resultados
experimentales.-
El programa de trabajo fue concebido como la repeticin de
ciertas actividades hasta alcanzar los Objetivos Tcnicos
propuestos, como se detalla en el Programa de Ejecucin, el proyecto
se estructuro en 3 etapas, y la metodologa de trabajo se ha
centrado en la evaluacin, anlisis, diagnostico que nos llevaron al
diseo de un proceso especfico en la fabricacin de barras de
perforacin en base a diversos polmetros a probar en el desarrollo
experimental, se consider el uso de materiales plsticos
denominados, plsticos de ingeniera, por presentar ciertas
caractersticas adecuadas para ste uso, de gran ayuda fue el
consultor Carlos Quezada, quien con la experiencia acadmica y
practica nos permiti acotar una gran cantidad de pruebas y ensayos,
mediante el desarrollo de modelos tericos basados en el
comportamiento fisico y qumico de las materias primas asociadas en
definitiva al proyecto de investigacin.-
Los plsticos de ingeniera presentan caractersticas adecuadas en
cuanto a propiedades mecnicas, trmicas y qumicas. Dada las
especificaciones tcnicas que demanda los atributos del producto, La
fabricacin de estas barras, demanda una adecuada configuracin
seleccin y formulacin del material tcnico a utilizar, as como los
diferentes mezclas o tratamientos que marcarn los atributos del
producto final.
La seleccin y configuracin adecuada de los materiales se
constituyo en el centro de nuestra propuesta de investigacin que
conjugado con un nuevo diseo de ingeniera que cuantificado y
calificado en sus aspectos fisicos y qUlmlcos permiti desarrollar y
medir los efectos de las fuerzas fisicas involucradas en una faena
de perforacin se pudieron identificar los puntos crticos que
permitieron ir avanzado sobre el requerimiento de materiales y
diseo adecuado.-
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Por tanto el proyecto demando: El desarrollo de alternativas de
materiales, un diseo de ingeniera adecuado para la barra, cuyo
comportamiento fsico es distinto que el de una barra de acero.
Tomando en consideracin los materiales y las condiciones
mecnicas a la cuales es sometido el producto, las pruebas debern
llevarse a cabo en diferentes tipos de terreno de tal manera de
verificar su comportamientos fsicos y en especial medicin de
variables especificas como resistencia a la abrasin, flexin, fuerza
de empuje, torqu de operacin, presin del aire, velocidad de
operacin, velocidad de giro ms adecuada, vida til y
especificaciones tcnicas, para cada configuracin de prototipo a
analizar.-
Establecido los sistemas y configuraciones que permitan
desarrollar la barra de perforacin en los materiales bsicos
especificados, se proceder a realizar pruebas pilotos en una
primera etapa en terreno.
Nuestro Ingeniero Consultor, respaldar la calidad y propiedades
del producto, lo que permitir optimizar a la vez los atributos que
permitan maximizar una respuesta favorable de los potenciales
consumidores, al introducir al mercado productos con una ptima
calidad como lo exige un cliente exigente altamente profesional del
rubro minero.-
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Todo el desarrollo experimental se planteo bajo el siguiente
esquema de trabajo:
Alcances y Aplicaciones
I Detenninacin de Soluciones:
-Mecnicas
-Tnnicas
-Qumicas
-Otras
I Aspectos Aspectos I Alternativas I Constructi vos
Dimensionales
I I
Modificaciones
I I I Diseo _1 Evaluacin
Disefio Final
Planos y Esquemas
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Plan de Trabajo:
El proyecto contemplo que los objetivos tcnicos del proyecto
fueran alcanzados de acuerdo a la siguiente etapas de trabajo:
1.- Una etapa de Definicin de las materias primas (Actividad 1),
que permiti integrar en las caractersticas o atributos de los
productos, los requerimientos tcnicos que conforman sus
especificaciones, una de tas etapas importantes fue acotar los
tipos de materiales plsticos, buscar los polmeros, que presenten
caractersticas o atrbutos adecuados destinados a configurar los
requerimientos tcnicas del que debe cumplir una barra de perforacin
para faenas mineras.-
Dentro de esta actividad se contempl la evaluacin tcnica de cada
material proponente.-Los materiales a Ensayos:
Polietileno de alta densidad Polietileno de ultra alto peso
molecular
- Poliuretano - Polipropileno
Poliamida Poliamida ( Tipos: por colada, extruida y reforzada)
Polioximetileno.-
Es posible adicionalmente que dependiendo del resultado de las
pruebas parte de la estructuracin de la barra pueda ser mixta acero
polmetro.-
Anlisis Conceptual del Material, Inferir comportamiento.-Anlisis
Conceptual Seleccin tcnica econmica preliminar de cada
alternativa
- Desarrollo y Fabricacin Propiedades Mecanizas
- Dimensiones Fsicos Requeridas. Parmetros tcnicos de
Operacin.
Evaluacin Tcnica Generacin de alternativas de materiales
Seleccin tcnico factible Proceso de fabricacin
- Diseo bsico de Barra
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2.- Una etapa de Desarrollo Experimental de los Productos
(Actividad 2), Una de las etapas claves de este proyecto es definir
un tipo de materias primas adecuadas tomando en consideracin el uso
especfico donde se va a emplear el producto.-.
Los ensayos de materiales contemplaron:
Resistencia a la Traccin - Resistencia a la traccin limite
Elstico. - Modulo flexin - Resistencia a la flexin - Resistencia a
la Compresin - Esfuerzo de Corte - Densidad de materia prima
adecuada.-
Temperatura mxima de uso.-- Abrasin Relativa - Precio
relativo.-
Desarrollo de esquemas y planos.-- Para cada diseo y rediseo se
desarrollo una serie de planos y esquemas
que permitieron evaluar el desarrollo por parte de Thiessen SAo
hasta llegar a un modelo mejorado del prototipo Barra de
Perforacin
Fabricacin de prototipo: De acuerdo con la evaluacin y seleccin
de materiales se desarroll un sistema de fabricacin el cual
contempla:
- Fabricacin preforma - Formateado y mecanizado
3.- Una etapa de Prueba Piloto Correccin de Errores, (Actividad
3), donde ya establecido los sistemas que permita desarrollar las
barras de perforacin, se proceder a realizar las pruebas pilotos
que permitirn realizar las correcciones en el producto y proceso de
fabricacin. Debern analizarse:
Evaluacin de Prototipos: Comportamiento frente al apriete de
mordazas, acople y desacople.-Comportamiento en perforacin
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2.- Una etapa de Desarrollo Experimental de los Productos
(Actividad 2), Una de las etapas claves de este proyecto es definir
un tipo de materias primas adecuadas tomando en consideracin el uso
especfico donde se va a emplear el producto.-.
Los ensayos de materiales contemplaron:
Resistencia a la Traccin - Resistencia a la traccin limite
Elstico.
Modulo flexin - Resistencia a la flexin
Resistencia a la Compresin Esfuerzo de Corte
- Densidad de materia prima adecuada.-- Temperatura mxima de
uso.-
Abrasin Relativa Precio relativo.-
Desarrollo de esquemas y planos.-Para cada diseo y rediseo se
desarrollo una serie de planos y esquemas que permitieron evaluar
el desarrollo por parte de Thiessen SAo hasta llegar a un modelo
mejorado del prototipo Barra de Perforacin
Fabricacin de prototipo: De acuerdo con la evaluacin y seleccin
de materiales se desarroll un sistema de fabricacin el cual
contempla:
Fabricacin preforma Formateado y mecanizado
3.- Una etapa de Prueba Piloto Correccin de Errores, (Actividad
3), donde ya establecido los sistemas que permita desarrollar las
barras de perforacin, se proceder a realizar las pruebas pilotos
que permitirn realizar las correcciones en el producto y proceso de
fabricacin. Debern analizarse:
Evaluacin de Prototipos: Comportamiento frente al apriete de
mordazas, acople y desacople.-Comportamiento en perforacin
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- Efectos de Manipulacin y Uso de la Barra.-- Evacuacin de
Materiales (polmetros)
Al final de esta etapa, se seleccionarn las presentaciones que
permitan maximizar una respuesta favorable de los potenciales
consumidores, al introducir al mercado productos con una ptima
calidad.-
Sistema Evaluacin - Para asegurar la calidad de las barras
plsticas a producir, se desarrollara
una propuesta de sistema especifico para su fabricacin, cuya
finalidad es prevenir y detectar cualquier no conformidad que se
genere con la fabricacin de los prototipos de barra.-
- El sistema de calidad se aplicar en base a: Requisitos
especficos para el producto, establecidos segn diseo y
especificacin.-
- Conformidad del producto mediante demostracin adecuada de la
capacidad de uso.-Seguimiento y trazabilidad del producto en
cualquier punto de la fabricacin.-
c.- DESARROLLO EXPERIMENTAL .-
En este informe se incluyen se funden los resultados obtenidos
en el informe de avance y la ultima etapa que quedo pendiente, que
corresponden bsicamente a las pruebas pilotos y ajuntes en el
desarrollo de prototipo.-
Es asi como las etapas desarrolladas durante desde los inicias
del proyecto hasta los resultados recientemente obtnidos en mayo
del presente ao corresponden a lo siguiente:
Conceptualizar, desarrollar y evaluar revestimiento antiabrasivo
en material plstico que permita disminuir el desgaste de las
actuales barras estabilizadoras de acero en operacin. Para esto se
han desarrollado las siguientes etapas:
l. Bases y alcances del proyecto 2. Evaluacin tcnica 3.
Desarrollo de esquemas y planos
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4. Fabricacin de prototipos 5. Prueba y evaluacin de prototipos
6. Desarrollo de perfil de proveedor 7. Evaluacin y conclusiones
generales
Los puntos anteriormente referenciados se han desarrollado
segn:
Bases y alcances
Plan de trabajo para la ingeniera y desarrollo de pruebas que
contempla los siguientes pasos:
Anlisis conceptual Seleccin tcnico - econmica preliminar de las
alternativas Desarrollo y fabricacin Pruebas y evaluacin
Recopilacin de informacin de las barras estabilizadoras y
antecedentes del proceso de perforacin, a saber:
Proceso de perforacin Caractersticas del material de las barras
Propiedades mecnicas Dimensiones Parmetros de operacin
Evaluacin tcnica
Contempl el desarrollo de la ingeniera bsica, en donde se
analizaron los siguientes puntos:
Generacin de Alternativas de materiales polimricos (PEHD, P A6,
POM, otros) Seleccin de alternativas Procesos de fabricacin Diseo
bsico de las barras
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Desarrollo de esquemas y planos
Para cada diseo y rediseo se desarroll una serie de planos y
esquemas que permitieron evaluar el desarrollo por parte de
Thiessen y Cip Chile hasta llegar al desarrollo de un diseo
final.
Fabricacin de prototipos
De acuerdo con la evaluacin y eleccin del material se desarrolla
el sistema de fabricacin del revestimiento, y se procede de la
siguiente manera:
a) Fabricacin de preforma
Se obtiene a travs de una proceso extrusin de preforma donde se
obtiene una bocina que posteriormente es mecanizada e instalada en
la zona de desgaste de la barra
b) Proceso de revestimiento sobre sustrato
Se realiza le revestimiento directamente sobre la barra mediante
un proceso de laminado circular de extrusin, el que posteriormente
es mecanizado a las dimensiones de la barra.
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c) Mecanizado
proceso de mecanizado especificaciones (tolerancias, indicados
en los planos.
por CNC, programado segn terminaciones, procedimientos)
Evaluacin de prototipos
La evaluacin de prototipos se realiza de acuerdo al desempeo y
comportamiento mecnico en condiciones de operacin, donde se ha
orientado la observacin a los siguientes puntos:
Comportamiento frente al apriete de mordazas Comportamiento en
perforacin Efectos de manipulacin y uso de la barra Evaluacin del
revestimiento
Sistema de calidad
Para asegurar la calidad de las barras revestidas plsticas a
producir se desarrolla una propuesta de sistema especfico para la
fabricacin, cuya finalidad. es prevenir y detectar cualquier no
conformidad que se genere durante la fabricacin del producto.
Este sistema de calidad se aplica en base a:
(a)Requisitos especificados para el producto, establecidos segn
diseo o especificacin.
(b)Conformidad del producto mediante demostracin adecuada de la
capacidad del proveedor
(c)Seguimiento y trazabilidad del producto en cualquier punto de
la fabricacin.
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DESARROLLO
La infonnacin utilizada en el presente infonne se encuentra
basada en datos, parmetros y funcionamiento del actual proceso de
perforacin, entregados por Thiessen Team Ltda. y Compaa Minera
Andina.
Antecedentes generales
En el proceso de perforacin de produccin se perforan tiros de
aproximadamente 11 pulgadas de dimetro, con longitudes de 18 -20 m.
Para ello se usan dos barras de acero, ms estabilizadores y
adaptadores. Las barras se agregan a medida que avanza la
perforacin mediante acople atornillado, y luego se retiran cuando
se ha tenninado la perforacin.
El proceso de perforacin se lleva acabo con una alta exigencia
de desgaste de los materiales que constituyen los elementos de
perforacin, siendo este aspecto un punto esencial para la
productividad del proceso. Esto ha llevado a realizar continuos
mejoramientos de la calidad de los elementos, encontrndonos en el
presente con las siguientes caractersticas referidas a barras
estabilizadoras utilizadas por la Compaa Minera Andina:
Material
Los Estabilizadores actuales presentan las siguientes opciones
de material que las constituyen:
- Acero Aleado 4140 HTSR - Acero Aleado 4140 PHT - Acero Aleado
4145 H-Mod. - Acero Aleado 4340 HTRS - Acero Aleado 4340 PHT
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~_.H.F~ l1:7'41~t5
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DISEO DE REVESTIMIENTO PLASTICO DE ESTABILIZADOR
Diseo conceptual
El diseo de revestimiento del estabilizador ha sido conceptual
izado considerando:
Alcances de la aplicacin Solicitaciones de la aplicacin Aspectos
dimensinales Operacin de Perforacin Condiciones de terreno
Alternativas de Material Aspectos constructivos
El siguiente diagrama muestra los pasos seguidos para
desarrollar el diseo del revestimiento del estabilizador.
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Alcances Aplicaciones
Determinacin de solicitaciones: - mecnicas - trmicas - qumicas -
otras
I I I alternativa I I Aspectos constructivos I I Aspectos
dimensinales I
I I ~
I diseo I I modificaciones I -" I I evaluacin
Diseo final
Planos y esquemas
Alcances de la aplicacin
Reforzar la barra adaptador de tri cono para aumentar su
resistencia a la abrasin mediante un recubrimiento de las zonas de
mayor desgaste y aumento de la vida til. El reforzamiento al
finalizar su vida til sea desmontable e intercambiable.
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Solicitaciones de la aplicacin
Parmetros de operacin
De acuerdo al anlisis de las caractersticas de la perforacin y
de los esfuerzos aplicados sobre las barras de perforacin, se
tienen las siguientes solicitaciones.
tem fuerza requerida Unidad Esfuerzo de operacin Abrasin Prdida
de peso (1) Temperatura oC 30 - 50C Fuerza empuje Libras 33000 a
60000 Torque operacin Libras-pie ----Presin de aire psi ----Caudal
de aire Litros/min. ----Estanqueidad Se requiere hermeticidad
(1), son solicitaciones a las que se encuentra la barra aunque
en este caso no se conocen sus valores.
Vida til: La vida til estimada del adaptador es de 15.000 a
20.000 metros efectivos de perforacin.
Velocidad de perforacin: de 20 a 40 metros por hora dependiendo
de la dureza del terreno a perforar.
Velocidad de giro: de 60 a 90 revoluciones por minuto
Desarrollo de alternativas de material
Se considera el uso de materiales plsticos denominados Plsticos
de Ingeniera por presentar caractersticas adecuadas a aplicaciones
con valor agregado tcnico.
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Estos Plsticos de Ingeniera exhiben propiedades mecnicas,
trmicas y qumicas que se presentan en el siguiente cuadro
genrico.
Pertenecen a este grupo de materiales plsticos, entre otros:
ACRlLONITRlLOBUT ADIENOESTIRENO ABS
POLIAMIDAS PA
POLIOXIMETILENO POM
POLI CARBONATOS PC
POLIETILENTEREFTALATO PET
Por sobre estos en trminos de propiedades tcnicas mejoradas estn
los denominados Plsticos de Altas Prestaciones como las Polimidas,
Polisulfonas y otros.
Bajo esta perspectiva y tomando en consideracin las
solicitaciones requeridas para la presente aplicacin se han
considerado una serie de materiales que presentan probabilidades de
un comportamiento adecuado en trminos de prefactibilidad
tcnico-econmica.
Los materiales presentados son :
HDPE : Polietileno de alta densidad * UHMWPE : Polietileno de
ultra alto peso molecular . PUR : Poliuretano PP : Polipropileno *
PA : Poliamida (tipos: por colada, extruda y reforzada) POM :
Polioximetileno
(*) No siendo Plstico de Ingeniera, su desarrollo como material
ha logrado avances en el rea de comportamiento tcnico.
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La siguiente tabla muestra las caractersticas mecnicas de los
materiales mencionados:
HDPE UHMW PP PA6 PUR PO PE M Resistencia a la traccin 15-39 38
29-41 82 11- 69 (MPa) 52 Resistencia a la traccin, lmite elstico
(MPa) 26-39 21-28 29-37 55 52
Mdulo flexin (MPa) 700- 895-965 1170- 2900 2760 1550 1725
---Resistencia flexin (MPa) 41-55 117 --- 69 Resistencia compresin
18-25 38-55 103 117 ICMPa) ---Esfuerzo corte 7-19 19 15-21 41 35
(MPa) ---Densidad (g/ce) 0.95 0.926- 0.9-0.92 1.14 1,24 lA 0.934
Temperatura nixima de 80 85/70 80 90 90 110 uso en continuo oC
Abrasin relativa (perdida) 1 1/5 2 1,5 1110 Precio relativo 1 2 1 3
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Operacin de perforacin
La operacin de perforacin se desarrolla en las siguientes etapas
generales:
1. Montaje de barras de perforacin en carrusel de la maquina 2.
Acople de barra estabilizadora mediante agarre de mordazas de
sujecin
en una de las barras perforadoras (la barra estabilizadora se
desacopla solo cuando se termina su vida til)
3. Acople de tricono en la barra estabilizadora mediante holla
de sujecin 4. Se inicia la perforacin luego de ubicar las
coordenadas indicadas de
perforacin, aplicando la fuerza de perforacin en forma
ascendente hasta
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lograr un rgimen de penetracin de acorde con el terreno
(vibraciones mecnicas)
5. Se logra perforar con toda la barra y se detiene la operacin
para acoplar la segunda barra utilizando la horquilla de sujecin en
la mesa de la maquina
6. Posterior a la perforacin completa con las dos barras se
comienza con el desacople de las barras utilizando la horquilla de
sujecin
7. Se desmontan las barras ubicndolas en el carrusel de la
maquina 8. Se observa el estado del tricono y estabilizador (el
tricono es el elemento
que sufre mayor desgaste) 9. Desacople de tricono, el desacople
se desarrolla colocando la holla de
sujecin y recepcin del tricono y luego se aplica torque a la
barra estabilizadora mediante las mordazas hidrulicas, las cuales
sujetan a la barra estabilizadora en su dimetro a 10" del punto de
acople con el tricono. Luego de finalizada la operacin se cambia el
tricono.
Nota : para cada etapa de acople se suministra en forma
automtica grasa lubricante en los hilos de las barras
3.6 Condiciones de terreno
El terreno de perforacin en el cual se encuentran los trabajos
de la Compaa Minera Andina es de perfil ferroso con un alto grado
de dureza, la cual no ha sido determinada. Sin embargo este perfil
se ve reflejado en la durabilidad de las barras estabilizadoras en
uso, cuya vida til no sobre pasan los 15.000 metro de
perforacin.
3.7 Aspectos constructivos
Uno de los objetivos del mejoramiento de la resistencia a la
abrasin y aumento de la vida til de las barras estabilizadoras es
desarrollar un revestimiento exterior instalado en la zona de mayor
desgaste de la barra, que al finalizar su vida til sea desmontable
e intercambiable.
En las siguientes figuras se describen dos alternativas
constructivas para el revestimiento escogido que cumplen con el
objetivo anteriormente mencionado. Estas alternativas se han
seleccionado de acuerdo a las posibilidades de anclaje y
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aspectos de proveedura de materiales en base a las
caractersticas geomtricas de la barra estabilizadora.
FABRICACIN DE PROTOTIPO REVESTIMIENTO EN HDPE En base al lo
expuesto en el diseo, se conceptual iza la fabricacin de las
barras estabilizadoras con las mismas caractersticas de la
fabricacin de las barras actuales, con la diferencia de que en la
zona de mayor desgaste es mecanizada para anclar un revestimiento
de Polietileno de Alta Densidad, que en conjunto tendrn las mismas
caractersticas dimensinales de las barras utilizadas actualmente en
la Compaa Minera Andina.
Flujo de fabricacin de Prototipo
Tubera de HDPE
Mecanizado
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Fabricacin de Barra Estabilizadora
Mecanizado de Barra de acuerdo dimensiones a nuevas
Unin mecnica del cuerpo .. y revestimiento
Prototipo
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DESARROLLO DE PRUEBAS DE PROTOTIPOS
la Prueba
Objetivo
La experiencia tiene como objetivo evaluar a priori la capacidad
del revestimiento, cuya fabricacin es en base a un tubo de HDPE
extrudo y mecanizado. En esta experiencia principalmente se
evaluar:
Caractersticas del diseo proyectado, en operacin Perdida en peso
por abrasin del material Vida til Mecanismo de reemplazo del
revestimiento Aspectos de operacin del revestimiento
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FASE 2
DESARROLLO DE COLUMNAS DE PLSTICO
El presente informe corresponde al estado de avance del proyecto
de Desarrollo Tecnolgico de Columnas Plsticas. El Proyecto se
denomina " Columna de Perforacin para Faenas Mineras", ejecutado
por la Empresa Thiessen S.A.
El avance tiene los siguientes alcances:
- Bases y alcances del proyecto
- Evaluacin tcnica de la fabricacin y uso de columnas
plsticas
- Modelamiento y simulacin por elementos finitos
- Desarrollo de esquemas y planos de proceso de las columnas
- Fabricacin de prototipos iniciales
- Evaluacin preliminar de prototipos iniciales
En este informe se adjunta:
a) Evaluacin tcnica de Material Plstico
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- Determinacin de parmetros de operacin actuales - Determinacin
de solicitaciones - Desarrollo de alternativas - Desarrollo de
clculos bsicos - Modelamiento por Elementos Finitos - Conclusiones
preliminares
b) Diseos de columnas
c) Desarrollo de prototipos iniciales
d) Fabricacin de prototipos iniciales
e) Prueba de prototipos iniciales
f) Resultados y conclusiones preliminares
FONTEC 25
-
FONTEC - CORFO
El plan de trabajo se desarroll sobre la base de los
antecedentes tcnico-econmico preliminares que forman parte del
estado del arte en la materia en cuestin.
EVALUACIN TCNICA
Para desarrollar desde el punto de vista tcnico una alternativa
factible de reemplazo de las columnas actuales de acero por
plsticas, se han seguido las siguientes etapas:
- Determinacin de parmetros de operacin actuales - Determinacin
de solicitaciones y cargas aplicadas - Alternativas de materiales
plsticos - Desarrollo de clculos bsicos - Modelamiento por
Elementos Finitos - Conclusiones preliminares
A continuacin se describen cada una de las etapas mencionadas:
DETERMINACIN DE PARMETROS DE OPERACIN ACTUALES
Alcances
La perforacin de produccin perfora tiros de 61/2" de dimetro y
ms con longitudes de hasta 100 m. Para ello se usan barras de acero
con un peso aproximado de mas de 40 kg Y un largo de 1.5 (m) cada
una. Las columnas o barras hay que agregarlas al tren de avance a
medida que progresa la perforacin, y retirarlas (una a una) cuando
se ha terminado la faena diaria
Material
Las columnas actuales presentan las siguientes caractersticas
nominales:
- Acoples: Acero Cr-Mo SAE 4140 con temple y revenido Esfuerzo
fluencia : 111000 psi
FONTEC 26
-
..
FONTEC - CORFO
- Tuberas: Acero SAE 4130 calibrado en fro Esfuerzo fluencia
>65000 psi
Peso: 35-38 Kg
Largo: 1.5 mt c/u
Propiedades mecnicas
Dimetro exterior Torquefluencia (lb-pie) Torque especficado
(lb-tubera pie)
114.3(e=6 mm) 19500 9750 110.3 (e= 4 mm) 12500 6250
FONTEC 27
-
..
FONTEC - CORFO
Parmetros de operacin
De acuerdo al anlisis de las caractersticas de la perforacin y
de los esfuerzos aplicados sobre las columnas, se tienen las
siguientes solicitaciones.
tem fuerza requerida Unidad Esfuerzo de operacin Compresin Mpa
2.0 Tor'lue (torsin)(mx.) Libras-pie 3550 Fatiga Ciclos, amplitud
(1)
esfuerzo Abrasin Prdida de peso 1 (2) Temperatura oC (3) Fuerza
empuje Librasf 2000 Torque operacin Libras-pie 2000 Presin de aire
psi 350 Caudal de aire Litros/min. 10 Estanqueidad Se requiere
hermeticidad
(1), (2), (3) son solicitaciones a las que se encuentra la
columna aunque en este caso no se conocen sus valores.
SOLICITACIONES A OUE EST SOMETIDA LA COLUMNA
El primer paso en el anlisis de cualquier pieza a disear es
determinar las cargas a las cuales estarn sujetas, en este caso las
columnas.
Las cargas aplicadas son de ndole:
- Mecnicas - Trmicas - Qumicas - Otras
Cargas mecnicas
FONTEC 28
-
FONTEC - CORFO
Siendo estas las principales solicitaciones que afectan el
comportamiento de las columnas a disear, a saber son:
Compresin 2 (Mpa) . El valor requerido para esta aplicacin est
muy por debajo del valor que exhiben los materiales plsticos.
- Torque (mximo) : 3550 (Lb-pie)
Se considera que una barra sometida a torsin ha fallado cuando
es excedida la resistencia del material al esfuerzo cortante. Para
una carga de torsin, la resistencia al esfuerzo cortante usado debe
ser el valor indicado el 50% de la resistencia a la traccin, el que
sea menor. La tensin mxima al esfuerzo cortante en torsin est dado
por:
't =T*c J
Donde:
T = torsin aplicada en libras-pulgadas c = distancia desde el
centro de la flecha hasta el punto de la superficie
externa de la barra en donde ocurre el esfuerzo cortante mximo J
= momento polar de inercia, pulgadas
c = do/2
do = dimetro externo di = dimetro interno
Para el caso de Tmximo = 3550 (lb-pie) y considerando lo
indicado por literatura que el esfuerzo cortante corresponde al 50%
del valor del esfuerzo de traccin se obtiene el comportamiento a
esta solicitacin.
- Fuerza de empuje: 2000 (Lb fuerza)
- Presin : 350 psi
FONTEC 29
-
FONTEC - CORFO
- Abrasin: El valor de esta propiedad no ha sido determinada
cuantitativamente, pero es producto del detrito evacuado desde la
perforacin.
Cualitativamente se sabe que afecta el comportamiento de la vida
til del material. Esto es, al disminuir el espesor de la columna
debido al contacto con el material abrasivo la columna disminuye su
comportamiento mecnico. El nuevo material plstico a usar debe
exhibir un mejor comportamiento a abrasin que el acero.
Fatiga : El valor de esta propiedad no ha sido evaluada
cuantitativamente. An cuando se realicen pruebas de fatiga, estas
indican la capacidad relativa de los materiales plsticos ante este
tipo de solicitaciones, los ensayos normados se realizan con
probetas especialmente preparadas, y en condiciones de prueba que
no guardan relacin con las condiciones reales a las que sern
expuestas las piezas verdaderas. De este modo es esencial que las
pruebas se lleven a cabo en piezas verdaderas, y bajo condiciones
de operacin de uso final, para determinar la verdadera resistencia
a fatiga de cualquier pieza en donde exista una carga cclica
significativa.
Cargas combinadas : El comportamiento de la columna a las cargas
combinadas se realizar a travs de modelamiento y simulacin por
elementos finitos y por las pruebas de columnas prototipos.
- Factores de seguridad : No existen reglas establecidas para
seguir en la fijacin de factores de seguridad para piezas plsticas.
Sin embargo, la consideracin ms importante, por supuesto, es la
consecuencia de falla. Es necesario realizar pruebas de piezas
reales a las condiciones de operacin.
En general las fallas que ocurren durante las pruebas de
prototipos pueden corregirse con el uso selectivo de un espesor
mayor de las paredes, buscando alternativas que eliminan las zonas
donde se concentran las tensiones o mejoras en el material.
Los factores de seguridad comnmente utilizados corresponden
a:
Carga intermitente (sin fatiga)
25-50%
FONTEC 30
-
FONTEC - CORFO
Carga continua 10-25%
Criterios de falla Para determinar que criterios de fallas deben
ser usados implica la racionalizacin de estados de tensin ms
complejos que los analizados hasta ahora en forma separada, que se
utilizan para anlisis preliminares de diseo.
Sin embargo, para realizar un anlisis ms detallado y complejo
debe utilizarse la teora de Tresca o Von Mises mediante tcnica de
elementos finitos.
Cargas trmicas
Las cargas trmicas, en este caso, tienen relacin con la
temperatura de operacin. Se produce una elevacin de temperatura
debido al roce y abrasin producto de la operacin del sistema de
perforacin. Pero al mismo tiempo el agua ingresada ayuda a
refrigerar las columnas, disminuyendo la solicitaciones
correspondientes.
Cargas qumicas
La nica solicitacin qumica es producto del agua utilizada en el
proceso, que para los materiales termoplsticos no representa una
solicitacin severa o de importancia.
Otras solicitaciones
Debido a la presin de perforacin con que trabaja el sistema de
perforacin se debe mantener la estanqueidad del proceso.
FONTEC 31
-
FONTEC - CORFO
DESARROLLO DE ALTERNATIVAS
Se considera el uso de materiales plsticos denominados Plsticos
de Ingeniera por presentar caractersticas adecuadas a aplicaciones
con valor agregado tcnico.
Estos Plsticos de Ingeniera exhiben propiedades mecamcas,
trmicas y qumicas que se presentan en el siguiente cuadro
genrico.
Pertenecen a este grupo de materiales plasticos, entre
otros:
POLITETRAFLUORETILENO (teflon) PTFE
ACRILONlTRILOBUT ADIENOESTIRENO ABS
POLIAMIDAS PA
POLIOXIMETILENO POM
POLI CARBONATOS PC
POLIETILENTEREFT ALATO PET
Por sobre stos, en termino s de propiedades tecnicas mejoradas,
estan los denominados Plasticos de Altas Prestaciones como las
Polimidas, Polisulfonas y otros
Bajo esta perspectiva y tomando en consideracin las
solicitaciones requeridas para la presente aplicacin se han
considerado una serie de materiales que presentan probabilidades de
un comportamiento adecuado en trminos de prefactibilidad
tcnica.
FONTEC 32
-
..
FONTEC - CORFO
Los materiales presentados son:
HDPE : Polietileno de alta densidad * UHMWPE : Polietileno de
ultra alto peso molecular PP : Polipropileno * PA : Poliamida
(tipos: por colada, extruida y reforzada) POM : Polioximetileno PET
: Polietilentereftalato
(*) No siendo Plstico de Ingeniera, su desarrollo como material
ha logrado avances en el rea de comportamiento tcmico.
Cabe destacar que para cada uno de los materiales anteriores
existe la alternativa de reforzar(FV, C) o cargar(MoS, Al)
FONTEC 33
-
FONTEC - CORFO La siguiente tabla muestra las caractersticas
mecnicas de los materiales mencionados:
Resistencia a la traccin (MPa)
Resistencia a la traccin, lmite elstico (MPa)
Mdulo flexin (MPa) Resistencia flexin (MPa)
Resistencia compresin (MPa)
Esfuerzo corte (MPa) Densidad (g/cc)
Temperatura mxima de uso en continuo oC Abrasin relativa
Precio relativo
HDPE UHMWP E
15-39 38
26-39 21-28
700- 895-965 1550
18-25
7-19 19
0.926-0.95 0.934
80 85/70
1
1 2
PA6 con
PP PA6 PA6 * 30% fibra de vidrio
29-41 82 75-80 165
29-37 55 75-85
1170- 2900 6800 1725
41-55 117 195
103 38-55 (fluenci 115-130 165
a)
15-21 41 38-40 83
1.10-0.9-0.92 1.14 l.37 1.15
80 90 100 115
113 1 1
1 3 5 4-6
POM
69
2760
69
117
35
lA
110
4-5
FONTEC 34
-
FONTEC - CORFO
Cuadro de desarrollo de alternativas:
AL TERNA TIV AS
~ SOLO REFORZADO MATERIAL (FV) HDPE Al A2
UHMW-PE A4 A5
PP A7 A8 PA6 AlO All
POM A13 A14
CARGADO (CARGA)
A3 A6
A9 A12
A15
FONTEC 35
-
FONTEC - CORFO
Evaluacin preliminar de alternativas
Procesabilidad Economa Resistencia p mecan solda Proce Prec prov
reclc mec Tr qu abra
izado bilida so de lO eedo laje nic mlc mi sin d fabric relat r
a a ca
acin IVO Oc mate rial
Al < 1 R B B 1 N B B 80 B B A2 > 1 B R D 1,3 N D B 90 B B
A3 > 1 B R D 1,3 N D B 90 B B A4 > 1 B B B 2 N B B 90 B B A5
> 1 B R D 2,6 N D MB 100 B B A6 > 1 B R D 2,6 N D MB 100 B B
A7 < 1 B B B 1 N B B 110 B B A8 < 1 B R D 1,3 N D MB 120 B B
A9 > 1 B R D 1,3 N M MB 120 B B
AIO > 1 B B B 3 N B MB 130 B B A11 > 1 B R D 4 N D MB 135
B B A12 > 1 B R D 4 N M MB 135 B B A13 > 1 B B B 4 N B MB 80
B B A14 > 1 B R D 4,5 N D MB 90 B B A15 > 1 B R D 4,5 N M MB
90 B B
B: bueno R:regular D:dificil M:malo N:nacional MB:muy bueno
DESARROLLO DE CALCULOS BAsICOS
Para analizar las alternativas posibles de reemplazo de
materiales se han realizado clculos bsicos, en base a una tubera
plstica, tendientes a determinar como responde a las diferentes
solicitaciones a las que estara expuesta en la presente
aplicacin.
Presin
FONTEC 36
-
PN = (J * 2e (D- e)
Donde:
PN : Presin nominal (J : Esfuerzo admisible D : Dimetro externo
e : espesor
Esfuerzo cortante
FONTEC - CORFO
Se considera que una barra sometida a torsin ha fallado cuando
es excedida la resistencia del material al esfuerzo cortante. Para
una carga de torsin, la resistencia al esfuerzo cortante usado debe
ser el valor indicado el 50% de la resistencia a la traccin, el que
sea menor. La tensin mxima al esfuerzo cortante en torsin est dado
por:
=T * c J
Donde:
T = torsin aplicada en libras-pulgadas c = distancia desde el
centro de la flecha hasta el punto de la superficie
externa de la barra en donde ocurre el esfuerzo cortante mximo J
= momento polar de inercia, pulgadas
c = do/2
do = dimetro externo di = dimetro interno
Para el caso de Tmximo = 3550 (lb-pie) y considerando lo
indicado por literatura que el esfuerzo cortante corresponde al 50%
del valor del esfuerzo de traccin se tiene que para:
FONTEC 37
-
FONTEC - CORFO
Compresin
El valor requerido para esta solicitacin est muy por debajo del
valor que exhiben estos materiales. (PE18 - 25 MPa y PA6 115 - 130
MPa).
Abrasin
Para este requerimiento no se tiene un valor conocido de las
condiciones a las que est expuesto. Si bien se sabe que el material
sufre abrasin, pero no se encuentra cuantificado.
Fatiga
Esta no ha sido cuantificada en este anlisis, debido a que se
debe aportar antecedentes necesarios para tales efectos. Esto es,
ciclos y amplitud de la solicitacin.
Temperatura
Esta es una variable importante que debe ser considerada ya que
el comportamiento mecnico de los materiales plsticos se modifica
con la temperatura.
En la siguiente tabla se entregan los resultados de los clculos
realizados.
HDPE PA6 Presin Esf. Adm. =80 (kg/cm2) Esf. Adm. =80
(kg/cm2)
Dextemo =125 mm Dextemo = 114 mm PN = (J * 2e PN = 350 psi PN =
350 psi
(D- e) Se obtiene: Se obtiene:
Espesor de 17mm Espesor de 15mm
Torsin
FONTEC 38
-
FONTEC - CORFO
Espesor = 17mm Espesor = 15mm t =T * c Dextemo = 125mm Dextemo =
114mm
J Dintemo =91mm Dintemo =84mm
Se obtiene: Se obtiene:
t = 17 Mpa t=23 Mpa
ANLISIS POR ELEMENTOS FINITOS El mtodo de elementos finitos
permite modelar y simular elementos sometidos a cargas combinadas
obteniendo los esfuerzos y deformaciones mximas producidas en
operacin
El programa Algor contempla una estructura bsica y simplificada
para la resolucin de cualquier problema. Dicha estructura consiste
en tres etapas: (1) pre-proceso, (2) proceso y (3)
post-proceso.
En la etapa de pre-proceso Algor hace uso de la rutina
SuperDraw, en la que se define la geometra del modelo y se
especifica las condiciones de borde e iniciales para cada problema.
Tambin se hace uso de la rutina Decoder, en la cual el modelo
diseado con SuperDraw es interpretado y trasladado a un archivo
especial de elementos finitos. En este paso se definen las
propiedades mecnicas y fisicas (lineales y no lineales) del modelo.
Adems en esta etapa de pre-proceso se puede usar la rutina
SuperView, que es un ambiente grfico especializado que permite
comprobar los elementos, cargas y condiciones iniciales. Tambin, en
esta etapa, SuperView permite comprobar que el modelo desarrollado
este geomtricamente correcto y pueda ser procesado posteriormente
sin errores.
Despus de esto viene la etapa de proceso o clculo de las
variables requeridas. En esta etapa el programa Algor resuelve el
sistema de ecuaciones y define las matrices para todos los
elementos y nodos correspondientes al anlisis escogido y de acuerdo
al modelo planteado. En la etapa de post-proceso se analiza y
comprueba los resultados mediante varias opciones de graficado.
Para esto, Algor dispone de la rutina SuperView
FONTEC 39
-
FONTEC - CORFO
mencionada anteriormente y que en esta etapa permite visualizar
los resultados desarrollados en el proceso y comprobar a la vez la
buena formulacin del problema en funcin de las cargas,
temperaturas, condiciones iniciales y de borde, planteadas en la
etapa de pre-proceso.
Descripcion de los modelos analizados
Se analizaron 3 modelos generales de barras, para tres tipos de
materiales: Acero
4310, Polietileno PE-lOO y Poliamida.
El Acero es un material metlico y sus principales propiedades
son su alta dureza
y baja ductilidad (capacidad de deformacin); por otra parte el
Polietileno y la Poliamida son materiales polmeros cuya principal
caracterstica es su buena
capacidad de ductilidad. Actualmente esta broca se fabrica de
acero 4310 Y se
analiz, mediante elementos finitos, la viabilidad de fabricarla
en los polmeros
antes mencionados. Se estudio el comportamiento de estos
materiales
(distribucin de esfuerzos y deformacin en la barra) para el
estado de carga crtico de trabajo y se compararon estos resultados
con el esfuerzo de fluencia y deformacin mxima permisible de estos
materiales.
Geometra considerada para cada modelo e
L
FONTEC 40
-
FONTEC - CORFO
Acero 4130: L = 1500 (mm.) = 4.92 (pie) D = 114 (mm.) = 0.185
(pie) e = 6.3 (mm.) = 0.02 (pie)
Polietileno PE-lOO: L = 1500 (mm.) = 4.92 (pie) D = 114 (mm.) =
0.185 (pie) e = 15 (mm.) = 0.046 (pie)
Poliamida 6: L = 1500 (mm.) = 4.92 (pie) D = 114 (mm.) =0.185
(pie)
e = 7, 10, 15 (mm.) = 0.023,0.033,0.046 (pie),
respectivamente
Propiedades fsicas de los materiales necesarias para la
simulacin
Material Densidad Young (E) Poisson Esfuerzo fluencia (Lb/pie3)
- (Lb/pie2) - (MPa) (psi) - (MPa)
(kg/m3)
Acero 486.12 - 7786.89 4.8 E 9 - 229825 0.3 65000 - 448.1
PE-lOO 59.83 - 958.38 29275120 - 1401 0.35 3630 - 25
Poliamid 81.02 - 1297.81 70051180 - 3304 0.35 11182 - 77.09
a
FONTEC 41
-
FONTEC - CORFO
Fuerzas aplicadas
Torque torsin mximo = 3550 (Lb/pie) Fuerza de empuje = 2000
(Lbr) Presin de aire = 350 (psi) Fuerza de compresin = 2.0 (Mpa) =
2.8 E 9 (psia)
Desarrollo mediante elementos finitos
Se consideraron, para todos los modelos, 500 elementos slidos
(tipo ladrillo) y 1040 nodos. Los elementos slidos representan de
buena forma, para efectos de modelacin en Algor, el espesor del
cilindro hueco y puede estudiarse
la variacin que produce, en los resultados de esfuerzo y
deformacin, un
aumento disminucin del mismo. Para efectos de modelacin se
consideraron
las condiciones crticas de trabajo, asegurando de esta forma
buenas condiciones de seguridad en cuanto a los resultados aqu
mostrados.
FONTEC 42
-
FONTEC - CORFO
Geometra del modelo en elementos finitos
z
El modelo slo puede rotar a travs del eje "x" y a trasladarse a
travs de ese mismo eje (eje axial). En los ejes "y" y "z" no puede
rotar ni trasladarse.
Estado de cargas del modelo en elementos finitos
Fuerzas aplicadas Azul: Presin interna del aire Negro: Torque
torsin mximo Verde: Fuerza de empuje + Compresin Rojo: Tubo
acero
FONTEC 43
-
FONTEC - CORFO
Criterios de analisis
Para los anlisis desarrollados, se calcul la distribucin de
esfuerzos mediante dos criterios de f1uencia que el programa Algor
tiene incluidos, entre otros, y que son bastante conocidos: Tresca
y Von Mises. Usando estos criterios, Algor entrega esfuerzos
equivalentes de Tresca y Von Mises los cuales representan los
esfuerzos buscados para la simulacin. Los resultados entregados en
este informe son los esfuerzos equivalentes de Tresca, los cuales
arrojaron valores mayores que los esfuerzos equivalentes de Von
Mises. A continuacin se muestran estos esfuerzos equivalentes:
1. Esfuerzo equivalente de Tresca
2. Esfuerzo equivalente de Von Mises
a vm = I'!".[(ax _ay )2 + (ay -aJ2 +(ax -aJ2]+3.[rx/ +rYZ 2
+rx/] ~2 . a vm =~~ . [cal -(2)2 +(a2 -(3)2 + (al -(3)2]
al' a 2' a 3 = Esfuerzos principales (Circulo de Mohr)
FONTEC 44
-
FONTEC - CORFO
Resultados obtenidos
Acero 4130
Esfuerzo de Fluencia (af) = 65000 (Lb/pulg2) =9360000 (Lb/pie2)
Esfuerzo mximo (a) = 5502 (Lb/pulg2) = 792326 (Lb/pie2) Deformacin
mxima = 2.02 E -5 pie
% Deformacin = 0.01 %
n = af/ a = 12.0
, -'o . 1; '! .. ,
EsfuerzD (LbJ'pie2) 192326 t3Y824.0E. 61'1322.12 619820.18
5Ei2318.31 SOYBl E..31 ........ .,31 '-1.'-13 389812.5 332310.56
21Y8D8.5S 211305 . .,1 lS980LJ.19 102302.86
FONTEC 45
-
FONTEC - CORFO
Esfuerzo mximo
Polietileno PE-100
Esfuerzo de Fluencia (af) = 3630 (Lb/pulg2) = 522770 (Lb/pie2) %
Deformacin mxima permisible = 7 - 9 %
Esfuerzo mximo (a) = 2586 (Lb/pulg2) = 372385 (Lb/pie2)
Deformacin mxima = 0.0014 pie
% Deformacin = 0.77 %
n=af/a=l.4
11
Eatucrzu (LbJpie2) 312385.15 345331.18 3182B9.i:'S 2912'i1.28
2ElY193.3LJ 23l145.39 21 D091."i3 1830'i9.YEi 156D01.51 128953.51
lD1905.EiD 1'-1851.656 Y18D9.103
FONTEe 46
-
a
FONTEC - CORFO
Esfuerzo mximo
Polietileno PE-100
Esfuerzo de Fluencia (O"r) = 3630 (Lb/pulg2) = 522770 (Lb/pie2)
% Defonnacin mxima pennisible = 7 - 9 %
Esfuerzo mximo (O") = 2586 (Lb/pulg2) = 372385 (Lb/pie2)
Defonnacin mxima = 0.0014 pie
% Defonnacin = 0.77 %
n=O"r/O"= 1.4
1I "
Esfuerzo (LbIpia2J 312385.15 345331.18 318289.25 2912'-11.28
26'-1193.31..\ 231145.39 21OD91.Y3 1830"i9."i 156001.51 128953.51
lD1905.60 1'-1851.655 Y1809.103
FONTEC 46
-
FONTEC - CORFO
Esfuerzo mximo
Poliamida
Esfuerzo de Fluencia (Of) = 11182 (Lb/pulg2) = 1610 132
(Lb/pie2) % Deformacin mxima permisible = 4 - 5 %
1. Espesor = e = 7 mm. = 0.023 pie
Esfuerzo mximo (o) = 5526 (Lb/pulg2) = 795785 (Lb/pie2)
Deformacin mxima = 0.0016 pie
% Deformacin = 0.85 %
n = Of/ o = 2.0
FONTEC 47
-
FONTEC - CORFO
Esfuerzo mximo
2. Espesor = e = 10 mm. = 0.033 pie
Esfuerzo mximo (a) = 3468 (Lb/pulg2) = 499362 (Lb/pie2)
Deformacin mxima = 0.0009 pie
% Deformacin = 0.48 %
n = afl a = 3.2
FONTEC 48
-
FONTEC - CORFO
Esfuerzo [LbIpie2)
Esfuerzo mximo
3. Espesor = e = 15 mm. = 0.05 pie
Esfuerzo mximo (a) = 2585 (Lb/pulg2) = 372385 (Lb/pie2)
Deformacin mxima = 0.0006 pie
% Deformacin = 0.32 %
n = af/ a = 4.3
FONTEC 49
-
..
FONTEC - CORFO
. .. 1;\ ...1;\, ..
FONTEC 50
-
FONTEC - CORFO
Tabla de resultados
Material Espesor Esfuerzo mx. % n (u,/ (pie) - (mm) . 2 (Lb/pie)
- (Mpa) deformacin u)
Acero 4310 0.020 - 6.096 792326 - 38 0.01 12
PE-lOO 0.05 - 15.24 372385 - 17.9 0.77 lA
Poliamida 0.023 - 7.0104 795785 - 38.2 0.85 2.0
Poliamida 0.033 - 10.05 499362 - 24 OA8 3.2
Poliamida 0.05 - 15.24 372385 - 17.9 0.32 4.3
Se observa que:
Criterio para determinar los esfuerzos usado en Algor fue el
criterio de
Tresca. Los valores arrojados segn criterio de Von Mises son
menores a los de Tresca por lo que se estim que, para tener mayor
seguridad en los
resultados, era ms conveniente usar ese criterio.
Los esfuerzos obtenidos en las simulaciones, en condiciones
lmites, dan
menores que los esfuerzos de fluencia en todos los casos
estudiados. Las
deformaciones mximas se ubican en el mismo sector donde se
encontr el
mximo esfuerzo, en la direccin radial.
FONTEC 51
-
FONTEC - CORFO
Las deformaciones mximas permisibles son mayores que las
obtenidas en las
simulaciones. Sin embargo no se conoce si estas deformaciones
son las de
fluencia o de ruptura.
Deformaciones en acero 4130 son muy pequeas y en polmeros son
mayores. Esto concuerda con la caracterstica fisica de estos
materiales, el
acero es un material duro pero con muy poca ductilidad (admite
pocas deformaciones); los polmeros son materiales ms dctiles.
Las simulaciones arrojaron valores de esfuerzos mximos que
indican que estas brocas pueden fabricarse de ambos polmeros (PE-1
00 Y Poliamida). Sin embargo se recomienda comparar los resultados
obtenidos en esta simulacin
con la resistencia a la fatiga que presentan estos materiales en
condiciones de
trabajo. Esto dar una mayor seguridad para la fabricacin de las
Columnas, considerando otras variables, como son las horas
estimadas de trabajo a las que estn proyectadas para ser
usadas.
Los modelos presentados aqu representan lo que ocurre en todas
las
columnas en su conjunto. Puede modelarse el cabezal de las
columnas de otro material que no sea el mismo de la barra,
dependiendo de las caractersticas
que se desee (mayor dureza, por ejemplo). Esto ltimo puede
realizarse sin ningn problema en el programa Algor en cualquier
otro software de
elementos finitos.
FONTEC 52
-
FONTEC - CORFO
El factor "n" considerado en este informe esta relacionado con
el esfuerzo de
fluencia. El criterio de diseo final determinar si esta correcto
o debe usarse
un esfuerzo menor a este para determinar el factor de seguridad
de diseo.
Todos los resultados obtenidos en esta simulacin se deben tomar
como una
referencia para el diseo final que se desarrolle. El diseo y
material que se
elija para fabricar las columnas dependern de factores tcnico
-econmicos.
CONCLUSIONES TCNICAS PRELIMINARES
1.- En un primer anlisis de los materiales planteados y sus
respectivas propiedades mecnicas se obtiene que el HDPE, PP, UHMW -
PE, poseen una resistencia similar.
Al analizar los clculos bsicos para el HDPE se obtiene que
resiste las solicitaciones requeridas. Este anlisis de carga se ha
realizado de manera esttica y considerando las cargas actuantes en
forma individual.
2.- De los materiales expuestos se observa el grupo formado por
PA6, PA6 reforzada y POM que exhiben mejores caractersticas y
propiedades mecnicas que los polietilenos. Dentro del grupo de las
Poliamidas, la P A6 Y la P A6 reforzada se destacan por su alta
prestacin en condiciones de esfuerzos mayores, considerando el
control de la absorcin de humedad por parte de la P A.
Realizando los clculos preliminares de P A6 se observa que
cumple con las solicitaciones en forma individual. 3.- Del anlisis
de Elementos finitos se obtiene que los esfuerzos obtenidos en las
simulaciones, en condiciones lmites, son inferiores a los esfuerzos
de fluencia en todos los casos estudiados.
4.- Del anlisis de elementos finitos se visualiza y obtenemos el
comportamiento de los materiales a las cargas combinadas.
Exhibiendo la P A6 un mejor comportamiento que el HDPE, lo que se
traduce en un factor de seguridad mayor ( del orden de 4 )
FONTEC 53
-
FONTEC - CORFO
DISEO DE COLUMNA PLASTICA
DISEO CONCEPTUAL
El diseo de la columna ha sido conceptualizado considerando: -
Alcances de la aplicacin - Solicitaciones de la aplicacin -
Material - Anlisis estructural
- Esfuerzos mecnicos - Anlisis por Elementos finitos
- Aspectos constructivos - Condiciones de terreno - Acople
metal/plstico
- Aspectos dimensionales El siguiente diagrama muesta los pasos
seguidos para desarrollar el diseo de las barras.
FONTEC 54
-
FONTEC - CORFO
Alcances Aplicaciones
Detenninacin de solicitacines: -mecnicas -trmicas -qumicas
-ntr:l.~
I I I alternativa I I Aspectos constructivos I I Aspectos
dimensionales
I Anlisis
estructural
I diseo I I modificaciones I
~I evaluacin I I Diseo final
1 I Planos y esquemas
DESARROLLO DE PROTOTIPO
Diseo inicial: HDPE unin soldada
El diseo se conceptualiza con las mismas caractersticas
(dimensionales) de las columnas de acero usadas en perforacin con
la diferencia de que el material de la columna es de PE-lOO Y su
espesor fue aumentado considerablemente. Se fabric prototipo el que
consta una tubera (cuerpo) y extremos (raccords) unidos mediante
soldadura.
I
FONTEC 55
-
'.: ":. ' ',o ,
! -, ;.
-
FONTEC - CORFO
La evaluacin tcnica, as como, las ventajas o desventajas del
prototipo son:
Prototipo en PE-lOO Color Negro Peso 9 kilos
Resistencia a la abrasin Alta Rigidez Baja
% de deformacin Alta Tenacidad Alta
Flexin por pandeo Alta
FONTEC 57
-
FONTEC - CORFO
FABRICACIN DE PROTOTIPOS
PROTOTIPOS 1 Y PROTOTIPO 2 : HDPE
Procesos de fabricacin
Los procesos involucrados en la obtencin de las primeras
columnas prototipos de HDPE han sido especificados de acuerdo con
las caractersticas que debe presentar la barra, considerando las
limitaciones y la procesabilidad de los materiales.
Extrusin del cuerpo y extremos de la barra
1 MecaJizado CNC
1 Soldadura por placa calefactora del cuerpo y los extremos
1 prototipo
FONTEC 58
-
FONTEC - CORFO
Descripcin del Prototipo 1 / r Prueba
Fabricacin
Cuerpo del prototipo fabricado a partir de tubera extruida de
HDPE (tipolOO), PN 16 standard, extremos del prototipo
semi-elaborado de PE-lOO mecanizados porCNC.
La unin de los elementos se realiza mediante soldadura por placa
calefactora.
Dimensiones
Se adjunta en el plano respectivo.
Prueba del prototipo en laboratorio
- Ensaye de soldadura - Peso = 11.2 kg
Caracterstica: Color negro
Prueba en faena
- Se instal manualmente A) Se atornill primeramente en la parte
superior de la columna en forma
manual B) Por control automtico la mquina asegur el extremo
inferior.
- Proceso de ajuste A) En el ajuste el torque producido desgarr
el hilo cnico de la columna B) Se solt la barra en el primer
apriete y se volvi a instalar C) En vista a lo sucedido se abort la
prueba
Observaciones.
- Se observ flexin por pandeo de la columna
FONTEC 59
-
FONTEC - CORFO
- No se pudo realizar la aplicacin de presin. Peso ptimo para el
manejo No se deben engrasar
Descripcin del Prototipo 2/1 a Prueba
Fabricacin
Cuerpo del prototipo fabricado a partir de tubera de PE-lOO
extruida, PNl6 estandard, los extremos del prototipos son de
semielaborados de PE-lOO mecanizado por CNC.
La unin de los elementos se realizan mediante soldadura por
placa calefatora.
Caracterstica: Color negro
Dimensiones
Se adjunta el plano respectivo.
Prueba del prototipo en laboratorio
- Ensaye de soldadura - Peso
Prueba en faena
- Se instal manualmente
A) Se atornill primeramente por el extremo inferior de la
columna. B) Por control automtico la mquina asegur el extremo
superior.
- Proceso de ajuste
A) El torque producido desgarr el hilo cnico de la columna
FONTEC 60
-
FONTEC - CORFO
B) En vista de lo sucedido se abort la prueba
Observaciones
- No se pudo aplicar presin. ., .
EVALUACIN DE LA FABRICACIN
HDPE:
I.I-EI primer prototipo se fbrico de HOPE (PE-lOO), con
caractersticas similares a la barra fabricada en acero pero de
mayor pesor.
Si bien los clculos preliminares indican que el PE resiste las
solicitaciones en forma individual, la simulacin por FEM arroja
estrecho margen de seguridad.
1.2.- El HOPE presenta mayor facilidad al maquinardo.
1.3.- La fabricacin del prototipo HOPE presenta la desventaja de
estar constituido por tres partes que deben ser soldadas.
1.4.- La fabricacin del prototipo en HOPE se realiza a partir de
una tubera estndar disponible en el mercado.
FONTEC 61
-
FONTEC - CORFO
EVALUACIN DE PRUEBAS Al realizar la prueba del prototipo de
Polietileno (HDPE), los hilos de los extremos de las barras no
resisten las solicitaciones de acople y desacople de! montaje, por
lo tanto no fue factible realizar pruebas con las cargas de
operacin en este prototipo.
Para e! prototipo a efectos de prueba se tiene como objetivo
verificar los resultados arrojados por los clculos preliminares y
simulacin por elementos finitos. En vista a los resultados este
material arroja mrgenes de seguridad mayores.
Realizando un anlisis exaustivo de lo ocurrido y un seguimiento
a los procesos involucrados en la fabricacin de la interface
(acople), se ha llegado a la siguiente conclusion: Se debe proceder
a probar prototipos de Plsticos de Ingeniera como los refcrenciados
antcrioremente mejorando la tenacidad y resistencia mecnica.
De las pruebas realizadas se desprende que es necesario
desarrollar un procedimiento para manipulacin, manejo e instalacin
de las columnas desarrolladas ya que debe tenerse en cuenta e!
comportamiento distinto que presentan estos materiales con respecto
al acero, por lo tanto surge la necesidad de capacitar a los
trabajadores que utlizarn esta aplicacin de columnas en el
comportamiento y uso de los materiales plsticos
FONTEC 62
- FONTEC - CORFO PRUEBAS PILOTOS RESULTADOS @l[,\Qliili~
1QIill\
-
FONTEC - CORFO
ACTUALIZACIN DE ALTERNATIVAS
En el desarrollo de proveedores de materiales y/o procesos se
han logrado identificar nuevas alternativas de aplicacin, las
cuales se detallan en este punto a fin de incorporarlas como
posibles soluciones.
La base de Alternativas preseleccionadas finales son:
Nomenclatura:
IIDPE PEX PUR PA
= Polietileno de Alta Densidad = Polietileno Reticulado =
Elastmero base Poliuretanos = PoliAmida
MATERIAL PROCESO FABRICACIN
IIDPE Revestimiento PEX Revestimiento PUR Elastmero
Revestimiento POLIAMIDA Revestimiento
Se han definido las siguientes Alternativas:
Alternativa : Revestimiento de IIDPE Alternativa : Revestimiento
de Polietileno Reticulado Alternativa : Revestimiento de PUR
Elastmero Alternativa : Revestimiento de Poliamida Alternativa :
Adaptador de IIDPE Alternativa : Adaptador de PEX Alternativa :
Adaptador de PA
Adaptador Adaptador
-
Adaptador
En esta etapa se deben incorporar los alcances referidos a:
Proveedores de Materiales
Proceso de Fabricacin
FONTEC 64
-
...
FONTEC - CORFO
Anlisis de Precios
CARACTERIZACIN y FABRICACIN DE PROTOTIPOS
Los esquemas finales de Materiales, Propiedades y Procesos de
Fabricacin son los que se detallan a continuacin.
PE ( Polietileno ) PP ( Polipropileno ) PEX (Polietileno
reticulado ) PA ( Poliamida ) PI ( I'oliimida ) PUl(
(Elastmc!'o)
i .......... I
En la representacin anterior se han graficado en trminos
comparativos las propiedades de los materiales analizados. En
particular las pruebas hechas con respecto a la resistencia a
Abrasin.
FONTEC 65
-
FONTEC - CORFO
Se concluye que la relacin decreciente en trminos de Resistencia
a Abrasin result ser:
1) PUR Elastmero similar a PEX 2) PI 3) PA 4) PE 5) PP
En el desarrollo de posibles proveedores que se adjunta en Anexo
1 se ha podido concluir:
P A = Poliamida
En Chile la nica empresa que "fabrica" Poliamida es INDUP AQ,
sin embargo, a la fecha no est fabricando piezas como las
requeridas para este proceso. En vista de lo anterior el perfil de
proveedor en Chile es empresas que importan masisos
(semielaborados) para luego ser mecanizados por Thiessen.
PI = Poliimida
No se fabrica en Chile y solo corresponde al caso de importar
semielaborados
PUR Elastmero
Es procesado en Chile, sin embargo, sus materias primas son
importadas y por factor tiempo del proyecto y "cantidades" no ha
sido factible fabricar prototipo para sus pruebas. Cabe destacar
que de las alternativas estudiadas sta es la nica que se fabrica
"proyectando" materias primas lquidas sobre una colurrma metlica,
es decir, ocurre una reaccin qumica de endurecimiento (gelificado y
curado) del material plstico. Este proceso ocurre en tiempos muy
cortos ( 10 -20 segundos)
PEX = Polietileno reticulado
En este caso el material es un termoplstico que se puede
"entochar" ( fabricacin de recubrimiento mediante enrollamiento) PE
plastificado sobre la colurrma de acero y posterior mecanizado del
mismo.
FONTEC 66
-
FONTEC - CORFO
PE = Polietileno
En este caso el material es un termoplstico que se puede
"entochar" ( fabricacin de recubrimiento mediante enrollamiento )
PE plastificado sobre la columna de acero o columna completa y
posterior mecanizado del mismo.
Los resultados preliminares de las etapas anteriores nos
llevaron a pruebas finales en base a dos conceptos:
Concepto Recubrimiento plstico
Concepto Columna mecamza
Un mandril de acero se recubre con material
Un semielaborado de material plstico se
Los nuevos tipos de prototipos fabricados para su prueba se
muestran a continuacin:
FONTEC 67
-
FONTEC - CORFO
1) Columna metlica especialmente diseada revestida con material
plstico
2) Columna de plstico especialmente diseada
FONTEC 68
-
FONTEC - CORFO
TIPO 1 : ALTERNATIVA DE RECUBRIMIENTO
Se ha procedido a fabricar y probar prototipo en base recubierto
con HDPE segn el siguiente modelo:
a mandril metlico
Affernativa 1: RECUBRIMIENTO ANTIABRASIVO
Mezaniz.ado: : "A HDPE : V" ADAPTADOR
I.1ETAuco
Exlrusln: tv1 ~ HDPE
PEX v,
SPRAY: hA Elastmero :"" ADAPTADOR
...................... RECUBIERTO
,
MECANIZADO FINAL
/ ....................... ~ . . ,~ .
.
IINSPECCION fmmmmm) PRUEBA TERRENO , , , , ,
', ........................ ~
S DE REVESTIMIENTO ALTERNATIVA 12 m m de espesor
HOPE semlaaborodo HDPE "entochado PE< "ertochaoo~ PVDF PU
celado Elastmero
Secc/nAA
'0-
, I
:SULTADO
FONTEC 69
-
FONTEC - CORFO
1'. Etapa: Fabricacin de mandriles de acero segn
especificaciones de plano anterior
2'. Etapa: Mecanizado del mandril a dimensiones intermedias para
luego ser revestido en HDPE segn especificaciones
PONTEe 70
-
FONTEC - CORFO
3'. Etapa: Mecanizado de revestimiento de HDPE a medidas
fmales
FONTEC 71
-
FONTEC - CORFO
43 Etapa: Prueba de prototipo revestido
FONTEC 72
-
FONTEC - CORFO
DESCRIPCIN DE PROTOTIPOS TIPO 1
Fabricacin:
Columna metlica tratada superficialmente la cual se revisti
mediante "entochado" con Polietileno de Alta Densidad (HDPE)
plastificado
Dimensiones del revestimiento: Segn plano adjunto se tiene
Espesor = 12 mm, Dimetro externo = 140 mm, Largo = 840 mm
Material del revestimiento : Polietileno de Alta Densidad
(HDPE)
Prueba del prototipo en laboratorio: Caracterstica del
recubrimiento
- Prueba comparativa de resistencia a Abrasin - Peso de HDPE =
3.6 kg - Peso total (columna metlica + revestimiento) = 63 kg -
Densidad = 0.96 gr / cc ( Alta Densidad segn Norma ISO 4427 ) -
Polietileno tipo lOO segn Norma ISO 4427 - Color negro (Negro de
humo segn ISO 4427)
Fabricacin del revestimiento:
"Entochado" de HDPE plastificado a 210C +- 10C
Prueba en faena:
- Se instal manualmente C) Se atornill primeramente en la parte
superior de la columna. en forma
manual D) Por control automtico la mquina asegur el extremo
inferior
En esta experiencia el recubrimiento fue daado completamente en
la faena como se observa
FONTEC 73
-
,.
FONTEC - CORFO
Observaciones o
Se observ (ensayo de adherencia) excelente a unin entre la
columna y el revestimiento debido a anclaje y termo contraccin del
material plstico
TIPO 2 : ALTERNATIVA DE COLUMNA PLSTICA Con HDPE se ha procedido
a fabricar prototipo segn el modelo representado a continuacin:
Alternativa 2: PIEZA UNITARIA
Extrusin: HOPE
PA
"Enlochado": HOPE PEX
o o o o o o 0 ___ ~: __________ o
IINSPECClONlm_mnmm
,
BOCINA PLSTICA
MECANIZADO FINAL
PRUEBA TERRENO
,------------------------
RESULTADO
FONTEe 74
-
FONTEC - CORFO
ALTERNATIVA DE SEMELABORADO ('TOCHO")
HDPE PE:< PA PI
Se=/nA-A
1 a. Etapa: Fabricacin de "tocho" de HDPE en base a
enrollamiento sobre un mandril del mismo material
FONTEC 75
-
FONTEC - CORFO
2". Etapa: Mecanizado del "tocho" a dimensiones de columna final
segn especificaciones
FONTEC 76
-
FONTEC - CORFO
23 Etapa: Mecanizado del "tocho" a dimensiones de columna final
segn especificaciones
FONTEC 76
-
FONTEC - CORFO
l
,
J 3a Etapa: Prueba de columna en perforacin a escala real
FONTEC 77
-
FONTEC - CORFO
DESCRIPCIN DE PROTOTIPOS TIPO 2 Fabricacin:
Columna 100 % plstica
Dimensiones : Se adjunta el plano adjunto
Material : Polietileno de Alta Densidad (HDPE)
Prueba del prototipo en laboratorio: Caracterstica del
material
- Prueba comparativa de resistencia a Abrasin - Peso de total de
columna de HDPE = 13.2 kg - Densidad = 0.96 gr / cc ( Alta Densidad
segn Norma ISO 4427 ) - Polietileno tipo 100 segn Norma ISO 4427 -
Color negro (Negro de humo segn ISO 4427)
Fabricaci"t de columna:
"Entochado" bocina de HDPE plastificado a 210C +- 10C Mecanizado
de columna plstica
Prueba en faena:
- Se instal manualmente C) Se atornill primeramente por el
extremo inferior de la columna D) Por control automtico la mquina
asegur el extremo superior.
Observaciones
Se observ baja resistencia en los hilos del HDPE Baj el ruido de
la faena en la penetracin de la columna plstica Disminuy
drsticamente el peso de la columna La zona de apriete (presin de
mordazas) requiere de control especial que en esta oportunidad no
se pudo controlar (presin de acero con acero)
FONTEC 78
-
FONTEC - CORFO
RESULTADOS Y CONCLUSIONES DE PROCESO Y DE PRUEBAS DE
PROTOTIPOS
Los resultados obtenidos se pueden resumir en:
Resultados y Conclusiones de Proceso de fabricacin:
1) El proceso de fabricacin mediante recubrimiento de mandril
metlico con HDPE por procedimiento denominado "entochado" result
ser fcil, efectivo y econmicamente rentable. Estructura de costo
est dada por el valor nominal de la materia prima (aprox. 1 US$ )
mas el costo de servicio de "entochar"
2) El peso de colurrma metlica recubierta fue de 63 kg, mientras
que la colurrma completa de HDPE fue de 13.2 kg.
3) El revestimiento de HDPE tuvo un peso de 3.6 kg, lo que
implica un costo aproximado de 3,6 x 2 x 1 = 7.2 US$ por material
plstico
4) El tiempo empleado en "entochar" un mandril metlico fue de
aproximadamente 60 minutos, incluyendo los tiempos muertos ~5) El
proceso de "entochar" solamente HDPE tambin result ser de gran
facilidad (disponible en el mercado), efectividad y de costo
estructuralmente similar al anterior ( materia prima + servicio de
fabricacin de "tocho" )
6) El peso de la colurrma de HDPE fue de 13.2 kg, lo que implica
que el costo directo de material es de aproximadamente 13.2 x 1.1 x
1 = 14.5 US$
7) El mecanizado del HDPE realizado por primera vez en Thiessen,
result ser simple y fcil para las instalaciones actuales
8) El proceso de "entochado" definitivamente en mejor que el
mecanizado de piezas de revestimiento como el que se hizo en las
primeras pruebas
9) Se concluye que el "entochado" de PEX es factible y solo se
debe resolver la posibilidad de importar material para probar
10) El proceso de "entochado" permitira con la tecnologa actual
de proveedores de HDPE hacerlo con PVDF, PEX, P A, esto implicaria
proveedores nacionales
11) El proceso inicial de revestimiento mediante semi elaborado
de HDPE y posterior soldadura se descarta ya que se pudo comprobar
su lentitud, muy bajo grado de anclaje y mucha mano de obra en
trminos
FONTEC 79
-
.'0
FONTEC - CORFO
comparativos con los nuevos procesos presentados ("entochado" y
proyeccin)
12) El proceso de "proyeccin" con PUR elastmero debera ser
probado y desarrollado
13) Para asegurar la calidad de las columnas revestidas y/o
plsticas se desarrolla una propuesta de sistema especfico para la
fabricacin, cuya finalidad es prevenir y detectar cualquier no
conformidad que se genere durante la fabricacin del producto. El
Plan de Calidad se aplica en base a:
(d)Requisitos especificados para el producto, establecidos segn
diseo o especificacin.
(e)Conformidad del producto mediante demostracin adecuada de la
capacidad del proveedor
(f) Seguimiento y trazabilidad del producto en cualquier punto
de la fabricacin.
Resultados y Conclusiones de Pruebas Piloto:
1) Para los materiales probados se concluye que es factible una
solucin tanto en el concepto de Revestimiento de columna metlica
como de Columna 100 % plstica
2) El HDPE en la zona de comportamiento elstico es una solucin
factible del tipo "desechable"
3) Durante las pruebas de perforacin se detectaron mejoras
adicionales al comportamiento objetivo (resistencia a abrasin):
Menor peso: Disminucin de lumbago (actualmente accidente de
trabajo) Menor ruido durante la faena de perforado Posibilidad de
color en la masa (codificacin de geometras) No se requiere de grasa
en los acoples
4) La buena resistencia a abrasin de todos los materiales
plsticos analizados permiten pensar en mejora de la vida til de la
columna
5) La columna plstica sufre de mayor pandeo que una metlica, lo
que implica posibles problemas en la direccin de perforacin
6) Los mayores problemas y donde debe enfocarse el desarrollo
siguiente es a resolver la resistencia en los hilos de acople
(enroscado) entre columna plstica y tri cono, as como, entre
columna plstica y columna de perforacin
FONTEC 80
-
FONTEC - CORFO
7) Similar conclusin a la anterior se deduce de todas las zonas
donde hay contacto del tipo plstico-metal, en particular cuando hay
presin, como es el caso de las mordazas. Se debe estudiar el
comportamiento y las condiciones de presin de aprete mxima y su
control.
8) Se recomienda probar hilos alternativos al cnico 9) Un
aspecto importantsimo en la transferencia de tecnologa desde
material metlico a material plstico es la capacitacin de
personal. Lo anterior implica en alguna medida cambio de filosofia
de enfrentar la operacin. (los materiales plstico se comportan de
otra manera y por tanto se trabajan de otra forma)
10) Se recomienda continuar el desarrollo enfocando los
esfuerzos a desarrollar proveedor especficos de PEX y/o PUR
elastmero
11) Se concluye que los materiales factibles de usar en la
fabricacin de revestimiento para columnas metlicas son:
HDPE para soluciones de baja duracin (desechable) PUR elastmero
para solucin de alta solicitacin PEX (a probar) para solucin de
largo plazo
12) Se concluye que los materiales factibles de usar en la
fabricacin de columnas 100% plstica son:
HDPE para soluciones de baja duracin (desechable) PEX (a probar)
para solucin de largo plazo (durable) PA para solucin de largo
plazo (durable)
FONTEC 81
-
..
FONTEC - CORFO
ANEXO 1: ANLISIS DE PROVEEDORES - -
PROVEEDORES DE MATERIALES
El perfil de bsqueda se centr en proveedores de semielaborados,
transformadores de materias primas, comercializadores de materiales
plsticos. Dicha bsqueda se realiz sobre la base del material
utilizado para los prototipos a probar y alternativas seleccionadas
u ofrecidas por los proveedores, de acuerdo a las solicitaciones a
las cuales esta sometida la columna en su operacin.
En base a Base de datos de posibles proveedores en el extranjero
y en Chile se estableci contacto utilizando distintas vas de
comunicacin siendo Internet la principal herramienta de bsqueda. La
respuesta obtenida de los contactos gener la informacin que se
presenta a continuacin.
De la informacin reunida respecto de la proveedura internacional
de barras en material plstico, se puede concluir que existe
claramente la posibilidad de proveedores extranjeros de
semielaborados de material plstico.
La barra en poliamida 6 por colada es una alternativa viable
desde el punto de vista econmico, ya que el estudio indica que un
pedido de barras a una representacin en Argentina de 100 unidades
alcanza un valor de alrededor de us$ 250. Ver anlisis econmico de
proveedura Internacional barras poliamida 6 por colada
Se ha analizado los posibles proveedores ("entochado")
nacionales de acuerdo a su capacidad tecnolgica y caractersticas de
proveedura , proponiendo a las siguiente empresas como posibles
proveedores:
SIPLAS S.A. / Sr. Marcelo Basso INFEPLAST Ltda. / Sr. Patricio
Rodriguez PLASTECNIA Ltda. / Juan Pedro Belmonte
FONTEC 82
-
FONTEC - CORFO
A continuacin se lista la informacin de direccin de contactos
con empresas internacionales en los rubros proveedura de materiales
plsticos en forma de materia prima, proveedores de semielaborados y
empresas de mecanizado de materiales plsticos y mecanizado en
general analizado en el marco de este proyecto
Pagina web Contacto de correo
www.mecanizados-Jami.com [email protected]
www.oi-savall.eslaolitex anlitexabnicronlanet.net
www.cecor.es tallerrakecor.es www.mrf.es/mundo%200/mundo-O
mrbrasilfa'l:zaz.com
www.ruttino.com.br infofa>ruttino.com.br www.triesa.es
triesa@,triesa.es
www.rhodiQoliarnida.com.br info(a)..rhodi:ooliamida.com.br
www.mastertecnoQlastica.com.br/duQont
vendaa)mastertecnonlastica.com.br
www.cybemw.com mrn.lknnm.com www.cervellati.it
infofa)cervellat.it
www.sidera.com.ar ichorost(a1sidera.com.ar www.vescoQlastics.com
selesv vesconlastics.com www.mgs-fgm.com.br victar
rlV.lll2:S-fQ11l.com. br www.rtQcornQany.com rtna)
rtocomnanv.com
www.olasticscomerce/maineolastics.com dkaolanr1maineolastics.com
www.dsmeQQ.com obusto(Q)ciudad.com.br
www.Ja.com.ar ventas!Jia.com.ar
www.ferroQlast.es/Qages/frames.htrnl
www.confab.com.br/contacto/index-esQ.htrnl www.unasa.com
crnonicarwtukan.ujat.mx [email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
guadri@ki!ynet.net.ar
[email protected]
rnhaginsa)jgs.net [email protected]
noveglasVven.net
FONTEC 83
-
FONTEC - CORFO
[email protected]
FONTEC 84
-
FONTEC - CORFO
ANEXO 2: ANLISIS TCNICO DE COLUMNAS DE P A / PI
Como consecuencia del estudio de innovacin tecnolgica se ha
llegado ha desarrollar un mtodo de recubrir y/o fabricar una
columna completa en Poliamida.
Por el anlisis tcnico de las pruebas realizadas con los
prototipos de HDPE se detennina que la P A resiste las
solicitaciones mecnicas como predice el anlisis tcnico y la
simulacin por elementos finitos previamente realizados.
En relacin a los elementos metlicos de las mquinas perforadoras
que estn en contacto directo con la columna plstica se debe
analizar su modificacin en las condiciones de aprete y ajuste para
evitar el deterioro prematuro de la misma.
De el comportamiento de las barras en el acople y desacople, se
estima la realizacin de un mayor control de los parmetros de
operacin de la maquina para obtener un menor deterioro de los hilos
plsticos.
Para evitar el efecto del deterioro de los hilos en las columna,
se debe realizar un estudio particular a fin de lograr obtener una
configuracin metal-plstico que pennita resolver el problema
detectado en la rosca plstica. Esto pasa por un anlisis de otro
tipo de hilo (no cnico).
Se debe capacitar y calificar personal en el manejO y uso de los
materiales plsticos.
Respecto de la desviacin durante la penetracin de la columna,
sta no ha podido ser cuantificada.
El peso estimado para el diseo de la columna se encontrara entre
18 y 20 kg.
Poliimida = PI
La alternativa de columna en PI (Poliimida) es tcnicamente
aceptable ya que sus propiedades mecnicas superan ampliamente
los
FONTEC 85
-
FONTEC - CORFO
valores presentados por la PA, por lo cual se estima que la
operacin con columna de este material se desarrollara de forma ms
cercana a la operacin con columna metlica.
Manteniendo el diseo desarrollado para la columna de PAla de PI
presentara una mayor resistencia en los hilos en la operacin de
acople y desacople.
La mayor rigidez que presenta este material respecto a la Poli
amida se debe traducir en un menor grado de desviacin y mejores
condiciones en perforaciones inclinadas.
En lo dems las conclusiones son similares a las de la
Poliamida
FONTEC 86
-
FONTEC - CORFO
ANEXO 1: ANLISIS ECONMICO BSICO En este caso el anlisis es
comparativo y resulta de modo lineal con respecto al valor de la
unidad de masa para cada material, a saber:
HDPE PEX PA
: 1 : 1.8 - 2.2 : 2.5-3
PUR elastom.: 10 PI : 400
US$/kg US$/kg US$/kg US$/kg US$/ kg
Estos antecedentes implican que el material a descartar es la PI
por su alto costo unitario y que no se sustenta por la diferencia
de valor agregado que aporta.
En relacin al PUR elastmero la conclusin es diferente ya que en
este caso la nica posibilidad tcnica es el revestimiento y en
espesores del orden de 5 - 6 mm, lo que lo hace un material
atractivo como solucin tcnico-econmica.
FONTEC 87
-
FONTEC - CORFO
D.- RESULTADOS y CONCLUSIONES
El resultado final de este proyecto nos permiti configurar
tcnicamente la fabricacin de las barras de perforacin para uso
minero
La primera etapa del proyecto, estuvo enfocada en determinar los
parmetros para la fabricacin de las barras. Fue necesario
determinar la materia prima a utilizar : la experiencia
especializada en polmetros de Carlos Quezada nos permiti acotar el
estudio y direccionarnos de inmediato hacia ciertos polmetros muy
especficos, que al final fueron los que mejor rindieron en las
pruebas pilotos realzadas.-
La segunda etapa y la que nos demand un mayor tiempo, fue
realizar las distintas pruebas experimentales. En esta etapa se
obtuvo toda la informacin necesaria para configurar en forma
definitiva cada barra de perforacin preparada a nivel de prototipo.
A travs del estudio exhaustivo de las fallas que presentaban en as
diferentes pruebas y el contacto directo con el usuario, se
retroaliment el proceso de fabricacin de forma tal introducir las
mejoras necesarias para mejorar el producto final.
Despus de realizar este proyecto, creemos que poseemos el
conocimiento tecnolgico destinado a la fabricacin de barras de
perforacin en base polmeros para minera , identificando las
variables que inciden en su produccin. A travs de este proyecto,
hemos ganado una experiencia muy valiosa al detectar en terreno los
problemas que tenan los usuarios y con lo cual hemos desarrollado y
perfeccionado el producto.
Nuestro siguiente paso ser establecer estrategias comerciales y
alcarIZar alianzas estratgicas con proveedores, ya sea de aceros,
polmeros y susa derivados, tratamientos trmicos, etc., lo cual nos
llevar a un escalamiento productivo econmicamente sustentable y
rentable, con el objetivo de sustituir los productos importados que
llegan a nuestro pas.
FONTEC 88
-
,.
FONTEC - CORFO
E.- BIBLIOGRAFIA.-
Artculos tcnicos Proporcionados QUIMICA POLMEROS por CIP CHILE,
proveedores de A. ZLATKIS / E. BREITMAIER polmetros de
ingeniera.-
QUIMICA y FISICA DE OS Artculos y Revistas Especializadas,
POLIMEROS DE HDPE As como Internet. L. G WADE, Jr
FONTEC 89
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FONTEC - CORFO
Carta Gantt:
Desarrollo del proyecto estudio:
ITEMS 1 2
l- Una etapa de definicin de las materias primas y
procedimientos.-
Anlisis Conceptual del Material, Inferi comportamiento.- l
- Anlisis Conceptual I - Seleccin tcnica econmica preliminar d
1
cada alternativa l.', . - Desarrollo y Fabricacin 1> -
Propiedades Mecanizas - Dimensiones Fsicos Requeridas. - Parmetros
tcnicos de Operacin. .
Evaluacin Tcnica ..
- Generacin de alternativas de materiales 1 . - Seleccin