Diseño de un dispositivo de trituración de minerales de 75 t/h, por medio de análisis con el método de elementos discretos

Abstract

El presente trabajo de investigación consiste en el diseño innovador de un dispositivo de trituración de minerales mediante impacto, especializado en piedra caliza. Para este fin se emplea como principal herramienta la aplicación del método de elementos discretos (DEM) a través simulaciones computacionales que incluyen análisis de la energía de impacto, modelamiento de rotura (empleando el modelo de rotura de Tavares) y análisis granulométricos. El proceso de diseño está divido en cinco etapas, las cuales abarcan desde la generación del concepto de solución hasta la presentación de las formas y dimensiones de los componentes finales del dispositivo. La generación del concepto, basada en la metodología de Ulrich y Eppinger, aplica una exploración sistemática de soluciones que resuelven la problemática que plantea el diseño y responde a las especificaciones objetivo que se han establecido. El concepto resultante es un dispositivo que permite la trituración de minerales por medio de impactos con componentes giratorios, denominados rotores. El concepto generado se concretiza mediante la creación de componentes, cuyas formas y dimensiones se han modelado y optimizado a través de evaluaciones de desempeño, realizadas mediante las simulaciones DEM. El dispositivo se complementa con la incorporación de elementos de máquinas referidos al accionamiento y sistema de transmisión. Se opta por el cálculo de la trasmisión mediante elementos flexibles. Finalmente al ensamble de componentes resultante, se aplica análisis estructurales FEM, estáticos y dinámicos, para asegurar la fiabilidad. Para las simulaciones DEM se emplea la plataforma comercial Rocky-DEM, la validación se da mediante la aplicación de información que compara ensayos de rotura simulada y experimental. El análisis FEM se realiza mediante ANSYS. El resultado es un dispositivo de trituración compacto y funcional de cuatro ejes que se acciona mediante dos motores de 15 kW y trabaja a 1775 rpm. El dispositivo es capaz de procesar piedra caliza, con un tamaño de alimentación máximo de 250 mm, puede trabajar con una alimentación constante de 75 t/h y tiene una relación de reducción de 20:1.

The present work consist in a design of an innovative impact crusher. The application is based on discrete element method (DEM) as the main tool, through computational simulations that include impact energy analysis, breakage modelling (using Tavares Breakage Model) and product size analysis. The design process is divided into five stages, which range from the generation of the solution concept to the presentation of the shapes and dimensions of the final components of the device. The generation of the concept, based on the Ulrich and Eppinger methodology, applies a systematic exploration of solutions that solve the problems of the design and check the objective specifications. The resulting concept is a device that allows the crushing of minerals by impacts with rotating components, called rotors. The concept is concretized through the creation of components, whose shapes and dimensions have been modeled and optimized through performance evaluations, using DEM simulations. The device is complemented with the incorporation of machine elements of the power transmission system. Finally, to the resulting assembly, static and dynamic FEM analysis is applied to ensure reliability. For DEM computational simulations, Rocky-DEM commercial platform was used, the simulations that was calibrated and validated using data from simulated and experimental breakage tests comparison results. For FEM analysis ANSYS software was used. The result is a compact and functional four-axis crusher actuated by two 15 kW at 1775 rpm. The device is capable of processing limestone, can work on feed up to 250 mm, at capacity of 75 t/h and reduction ratio of 20:1.