Evaluación Estructural por Elementos Finitos de la Silla de Volcado utilizada en plantas de Laminado en Caliente

El mantenimiento predictivo y la gestión de activos se ha convertido en una disciplina de alta trascendencia en el mundo empresarial actual. Preservar los activos y predecir sus posibles fallas futuras es hoy por hoy una herramienta indispensable para toda empresa que se precie de competitiva y que aspire a mantenerse, en especial porque permite evitar el paro de la producción, o bien hacer gastos en mantenimiento que no se compensan con los niveles productivos, y que a la larga se convierten en pérdida de ingresos para la empresa en cuestión.

El presente trabajo aborda el estudio de un bastidor que soporta cargas estáticas y dinámicas del proceso de volcamiento de bobinas de acero, provenientes del proceso de Laminación en Caliente. Para el análisis estructural de dicho equipo, el autor se ha valido del método de Elementos Finitos, evaluando el actual desempeño cinemático y estructural del equipo y diversas opciones de soporte adicionales, para que este cumpla con las condiciones actuales de operación bajo normas internacionales que rigen la seguridad y la funcionalidad.

Alcance del estudio

El alcance contempla el análisis estructural de un bastidor que soporta cargas estáticas y dinámicas del proceso de volcamiento de bobinas de acero provenientes del proceso de Laminación en Caliente. Se utilizará el método de Elementos Finitos para estudiar la situación actual y evaluar las propuestas para adecuar los equipos a las normas internacionales en materia de seguridad y de funcionalidad estructural. 

Metodología

Con el análisis de una estructura en funcionamiento se pretende verificar su confiabilidad, funcionabilidad y factibilidad, estudiar sus zonas críticas y concentradores de esfuerzos, comparar condiciones de diseño original versus condiciones reales de operación, así como verificar los materiales empleados. Todo esto con el fin de obtener conclusiones concretas para la toma de decisiones. Para esta sección se hace referencia a la norma ASME 30.20G Ed. 1999, en la sección 20-1.2.2 página, donde se indica: “Los componentes estructurales de elevación estarán diseñados para resistir las tensiones impuestas por su carga nominal más el peso de la estructura, con un mínimo factor de diseño de tres (3), sobre la base de límite elástico del material, no se debe exceder los valores indicados en ANSI/AWS D14.1 para las condiciones aplicables”.

Análisis de funcionamiento y carga del sistema

En el manejo de las bobinas procedentes del proceso de laminado en caliente, se requiere dar un giro de 90º como se aprecia en la secuencia fotográfica de la Figura Nº1.

En la Figura Nº2 se visualiza el giro y la cinemática del mecanismo. Se observa un cilindro hidráulico en sus dos posiciones tope y trayectoria de trabajo para lograr el giro de la silla cargada con una bobina y su retorno descargada. Son un par de cilindros hidráulicos que realizan esta acción. En el sistema se generan componentes de fuerza verticales y horizontales sobre el pivote “A” de los cilindros hidráulicos.

También se distingue que el centro de masa de las bobinas, desde las de menor hasta las de mayor tamaño, no coincide con el pivote “B” de la silla, lo que genera un momento flector en la estructura que cambia de sentido en la medida que la bobina comienza su giro. Estos valores se aprecian en la Tabla Nº 1 y en las Figuras 3, 4 y 5.

Figura 1. Secuencia de Volcado de Bobinas de Acero
Figura 1. Secuencia de Volcado de Bobinas de Acero
Figura 2. Esquema de funcionamiento de la sillavolcadora de bobinas
Figura 2. Esquema de funcionamiento de la sillavolcadora de bobinas
Tabla 1. Valores de carga y momento flector en la estructura
Tabla 1. Valores de carga y momento flector en la estructura

Se estudiarán las posiciones:

  • Pos1 para máxima componente vertical generada por el cilindro hidráulico más una componente menor Fx y un Mz(-).
  • Pos37 para máxima componente horizontal generada por el cilindro hidráulico más una componente menor Fy y un Mz(+).
  • Pos46 para un máximo momento flector generado por la bobina justo antes de liberarla en la cinta transportadora más Fx y Fy.

Estas condiciones de carga se indicarán en el modelo de elemento finito y se analizarán los puntos críticos. Siempre se tendrá una condición de carga estática de 22+8 Ton sobre el bastidor, proveniente del peso de la bobina y de la estructura de centrado de bobina. El cálculo corresponde a una variación de cada 2º del recorrido de la bobina. Los valores máximos de cada posición se resumen a continuación:

  • Posición 1 (Máxima componente Vertical): 43122.71 N.
  • Posición 37 (Máxima componente Horizontal): 345572.50 N.
  • Posición 46 (Máximo Momento por Bobina): 676200.00 N.m.
Figura 3. Componente horizontal de fuerza sobre pivotes, Cilindro Hidráulico
Figura 3. Componente horizontal de fuerza sobre pivotes, Cilindro Hidráulico
Figura 4. Componente vertical de fuerza sobre pivotes, Cilindro Hidráulico
Figura 4. Componente vertical de fuerza sobre pivotes, Cilindro Hidráulico
Figura 5. Momento flector generado por el giro de la bobina
Figura 5. Momento flector generado por el giro de la bobina

En la Figura Nº 3 se aprecia como la componente de fuerza horizontal es creciente hasta los 72º de giro, y luego decrece hasta 90º. La Figura Nº 4 muestra como la componente vertical actúa en un sentido hacia Y(+) y luego se invierte, generando un esfuerzo alternante de un sólo ciclo, que ocasionan  efectos de fatiga a estudiar más adelante. La Figura Nº 5 muestra como el momento flector cambia de sentido según la regla de la mano derecha debido a que el eje del centro de masa de la bobina no coincide con el eje del pivote de la silla volcadora. Cuando estos ejes coinciden, el momento flector es nulo y justo después cambia de sentido ocasionando esfuerzos alternados y consecuentemente fatiga en un sólo ciclo. Estos efectos se repiten 720 veces por día con un período de dos minutos por ciclo. Para un año laboral de 11 meses y 4.5 días operativos por semana, se tiene Aproximadamente 158400 ciclos/año a la tasa referida.

El presente trabajo aborda la continuación del estudio de un bastidor que soporta cargas estáticas y dinámicas del proceso de volcamiento de bobinas de acero, provenientes del proceso de Laminación en Caliente. Para el análisis estructural de dicho equipo, el autor se ha valido del método de Elementos Finitos, evaluando el actual desempeño cinemático y estructural del equipo y diversas opciones de soporte adicionales, para que este cumpla con las condiciones actuales de operación bajo normas internacionales que rigen la seguridad y la funcionalidad.

Cálculo de fuerza correspondiente a la acción del cilindro hidráulico de volcamiento de la bobina

Primero que nada, se compara la presión de diseño del sistema de 100 atmósferas, según el plano 80045123018-00 (ver Figura 7), vs. la presión de trabajo real de 140 atmósferas. Esto indica que la estructura se encuentra trabajando con cargas superiores a las de diseño.

Figura 7. Presión de trabajo de los cilindros hidráulicos
Figura 7. Presión de trabajo de los cilindros hidráulicos

En la Figura 8 se especifican las dimensiones del cilindro:

Figura 8. Dimensiones del cilindro hidráulico para volcamientoulicos
Figura 8. Dimensiones del cilindro hidráulico para volcamientoulicos

Cuando el cilindro hidráulico actúa para girar la bobina en sentido antihorario 90º, la presión hidráulica actúa sobre la cara anular del pistón, se tiene:

Conversión:

La descomposición de esta fuerza en vectores verticales y horizontales es la que se ha analizado en las gráficas 4 y 5, para visualizar el efecto de fatiga.

Análisis estructural bastidor de silla volcadora de bobinas

Esta estructura es la que soporta el peso de la máquina sobre una fundación y las cargas dinámicas del movimiento de volcado. Presenta un diseño basado en vigas HEA-450 y 240, cartelas y soportes todos de acero ASTM A-36. En las Figuras 9 y 10 se aprecia el bastidor:

Figura 9. Bastidor de Volcador de Bobinas
Figura 9. Bastidor de Volcador de Bobinas
Figura 10. Bastidor de Volcador de Bobinas
Figura 10. Bastidor de Volcador de Bobinas

Análisis por carga estática

Preliminarmente se hará un análisis estático para las condiciones críticas de fuerza y momento, luego se simulará para condiciones de carga fluctuante.

Premisas

Preliminarmente se hará un análisis estático para las condiciones críticas de fuerza y momento, luego se simulará para condiciones de carga fluctuante. Esta estructura fue simulada mediante Análisis de Elementos Finitos, bajo las siguientes premisas:

  • Material: ASTM A-36.
  • Material Isotrópico.
  • Temperatura Ambiente: 50ºC.
  • Temperatura de la Estructura: 85ºC.

Cargas y restricciones

Modelo (ver figuras 10 y 11) Pieza modelada según dimensiones expresadas en los planos. Carga distribuida sobre la superficie de las chumaceras donde apoya el pasador del cilindro hidráulico, proveniente de una presión hidráulica de 120 bar. Esta carga es de 30,225 Ton (Ver Figura 10).

Carga distribuida proveniente del peso de una bobina de 22 Ton conjuntamente con el peso de la silla volcadora de aproximadamente 8 Ton., para un total de 30 Ton.

Tipo de Análisis: Tensión estática con modelo de material lineales, carga fluctuante ya descrita para 158400 ciclos/año. Todo simulado a Tamb=50ºC y Testruct=85ºC.

Figura 11. Cargas aplicadas en soportes chumaceras
Figura 11. Cargas aplicadas en soportes chumaceras
Figura 12. Cargas y peso aplicados al bastidor, Condiciones de temperatura
Figura 12. Cargas y peso aplicados al bastidor, Condiciones de temperatura
Figura 13. Mallado a 15 mm con puntos de refinado
Figura 13. Mallado a 15 mm con puntos de refinado

Resultados bastidor de silla volcadora

En la Figura 14 se observa el resultado de esfuerzos Von Mises sobre la estructura, específicamente en los pivotes para cilindros hidráulicos, donde se presentan las principales solicitudes.

En la Figura 15 se aprecia como en uno de estos puntos críticos se tiene previa aparición de endurecimiento del material y propagación de grietas.

Figura 14. Distribución de Tensiones Von Mises sobre la Estructura
Figura 14. Distribución de Tensiones Von Mises sobre la Estructura
Figura 15. Plasticidad del material y grieta
Figura 15. Plasticidad del material y grieta
Figura 16. Punto crítico sobre la base de uno de los soporte
Figura 16. Punto crítico sobre la base de uno de los soporte
Figura 17. Valores de tensiones Von Mises sobre el apoyo
Figura 17. Valores de tensiones Von Mises sobre el apoyo

Factor de seguridad estático

Tal como se muestra en las Figuras 18 y 19, el factor de seguridad FS para carga estática es de 1.29 (esfuerzos muy cercanos al límite de la fluencia), cuando el valor recomendado para carga estática, de acuerdo al “Machinery’s Handbook, 27th Edition”, debe ser superior a tres (3).

Figura 18. Ubicación de Factor de Seguridad (FS) Crítico
Figura 18. Ubicación de Factor de Seguridad (FS) Crítico
Figura 19. Valor de Factor de seguridad Crítico
Figura 19. Valor de Factor de seguridad Crítico

Análisis por fatiga

Para un período de carga de un (1) ciclo cada dos (2) minutos, un año laboral de 11 meses y 4.5 días operativos por semana, se tiene:

Como referencia, en un día de 24 horas efectivas de labor se realizan 720 ciclos.

Adicionalmente a esto se tiene que las cargas son fluctuantes cambiando entre compresión y tracción (componentes verticales), al igual que el momento flector cambiando su aplicación según la regla de la mano derecha.

Estos datos fueron alimentados en archivos *.dat reconocibles por el software utilizado. Los valores que se utilizaron referidos al momento flector, fueron divididos cada uno de ellos entre su máximo valor para generar dígitos adimensionales que serán utilizados por el software como multiplicadores de carga y signo en la variabilidad de cada ciclo.

La Figura 20 muestra la curva para un ciclo completo de volcado y retorno sin carga, así como el criterio de Goodman (más conservador), que lleva su análisis de fatiga hasta el esfuerzo último.

Figura 20. Patrón de carga alternante y criterio de Goodman
Figura 20. Patrón de carga alternante y criterio de Goodman

En la Figura 21, para el apoyo 1, se aprecia que la plasticidad en el material aparece a los 3625 ciclos, equivalentes a 5 días de trabajo. Esta es una falla no visible en inspecciones oculares y es el inicio de la degradación de las propiedades dúctiles del material. Los primeros daños, aun difícilmente visibles por el ojo humano, aparecen a los 4550 ciclos (equivalentes a 7 días de operación). Luego se llegarán a condiciones de falla como la mostrada en la Figura 15.

Figura 21. Análisis por fatiga, apoyo 1
Figura 21. Análisis por fatiga, apoyo 1

En la Figura 22, para el apoyo 2, se aprecia que la plasticidad, y el inicio de la degradación de las propiedades en el material, aparece a los 6328 ciclos, equivalentes a 9 días de trabajo. Los primeros daños visibles aparecen a los 10000 ciclos (14 días de operación).

Figura 22. Análisis por fatiga, apoyo 2
Figura 22. Análisis por fatiga, apoyo 2

Para estas condiciones se considera siempre materiales isótropos. Cualquier anisotropía (irregularidades superficiales o internas del material tales como poros o incrustaciones), aceleraran el crecimiento de grietas en zonas cercanas a la plasticidad creciente.

En la Figura 23 se observa que existen otras áreas críticas en la estructura, producto de las cargas alternantes de los cilindros hidráulicos y el momento flector generado en el volcamiento de la bobina. Para el punto Nº 1 se realizó un arreglo con una cartela triangular y una grieta existente como se ve en la Figura 24.

Figura 23. Análisis por fatiga del apoyo de la silla
Figura 23. Análisis por fatiga del apoyo de la silla
Figura 24. Adaptación de cartela para reducir velocidad de propagación de grieta
Figura 24. Adaptación de cartela para reducir velocidad de propagación de grieta

En la Figura 25 se ven los resultados si se adecuara una cartela en una estructura nueva, para alivio de tensiones en esa zona.

Figura 25. Adaptación de cartela para reducir velocidad de propagación de grieta
Figura 25. Adaptación de cartela para reducir velocidad de propagación de grieta

Las zonas plásticas aparecen justo donde termina la cartela, a 29732 ciclos (equivalente a 43 días de operación de 24 horas c/u). Se observa en esta Figura que se insertó una viga HEA-400 entre las alas de la viga HEA-450. Los resultados de esta modificación a nivel de fatiga para los apoyos 1 y 2 se mostrarán más adelante.

Análisis de resultados

El análisis por elementos finitos indica que las cargas a las cuales se encuentra sometido el volcador, originan concentraciones de esfuerzos superiores a las de diseño, específicamente en los pivotes para cilindros hidráulicos. Ver Figura 14.

Según las figuras 18 y 19 se verifica un factor de seguridad para carga estática de (1.29). lo cual no cumple con el factor de seguridad mínimo de 3, según el criterio de Von misses.

El análisis por fatiga, también indica fallas prematuras en la estructura debido a las cargas repetitivas que actúan sobre el volcador originado fallas plásticas a los pocos ciclos de operación. Los primeros daños, difícilmente visibles por el ojo humano, aparecen a 4550 ciclos (equivalentes a 7 días de operación). Luego se llegarán a condiciones de falla como la mostrada en la Figura 15.

Existen otros puntos críticos que no cumplen con los requerimientos de fatiga ver Figura 23.

El análisis también incluyó la colocación de refuerzos estructurales en el volcador, arrojando resultados de bajo rendimiento para las cargas solicitadas. En la Figura 24 y 25 se ven los resultados si se adecuara una cartela en una estructura nueva.

Conclusiones

Analizando el estudio teórico presentado anteriormente, se puede concluir que la estructura no cumple los requerimientos de carga para los factores de seguridad y criterios que establece la norma. ASTM 30.2 G.

Realizar modificaciones sobre la estructura existentes para manejar las cargas actuales, serian soluciones temporales que presentarían fallas a corto plazo.

Recomendaciones

Se recomienda realizar un nuevo diseño de la estructura con especificaciones más robustas que permitan soportar las cargas estáticas, cíclicas y dinámicas del proceso de volcado de bobinas. Este diseño se encuentra fuera del alcance de este proyecto.

Referencias

  • 1. Beer, Johnston & Dewolf Mecanica de Materiales 3ra Ed.
  • 2. Fereydoon Dadkhah, Jack Zecher (2008), ANSYS Workbench Software Tutorial with Multimedia CD Release 11.
  • 3. K. J. Bathe (1995): “Finite Element Procedures”, Prentice Hall, 2nd edition. Información para cálculo cinemático: Según el plano 80045123018-00 SIDOR.

Autor: Alexander De Jesús Marquez Marquez
Ingeniero Mecánico
11 años de experiencia en el área de proyectos en industria petrolera y metalmecánica.
Manejo de estándares API, ASME, ANSI, AISI, Normas PDVSA, COVENIN.
Conocimiento en Normas NFPA, SAE, AWS.

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