Evaluación Estructural por Elementos Finitos de la Silla de Volcado utilizada en plantas de Laminado en Caliente (I Parte)

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.

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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