Analisis de Un Harnero Con Ansys

Simulación Computacional de Harnero Vibratorio Leopoldo Jauriat Universidad de Antofagasta – Chile Presentador: César Sepúlveda – ESSS Chile

Contexto • Proyecto de investigación de la asignatura “Diseño Mecánico” realizada en la Universidad de Antofagasta – Chile .

• Objetivos para los alumnos: Estudiar el comportamiento estructural y el flujo del material de un Harnero Vibratorio usando herramientas de simulación computacional.

Contexto • Harnero Vibratorio: Sistema mecánico utilizado en la minería para separar material en tamaños diferentes.

El harnero vibratorio estudiado se encuentra actualmente construido, he instalado en el laboratorio de la U. de Antofagasta.

Objetivos • Estudiar el comportamiento de la estructura del harnero vibratorio debido a la fuerza excitadora → ANSYS. • Estudiar el comportamiento del material en el harnero vibratorio → EDEM. • De los resultados obtenidos definir cambios en el diseño del Harnero Vibratorio

I.- Análisis Estructural • Fuerza excitadora: Es la fuerza que se produce debido al efecto externo de unidades vibratorias.

Estimación de la Fuerza Excitadora • La fuerza excitadora puede ser estimada mediante la expresión:

Fe  me  R   2

Fuerza excitadora

Masa de los contrapesos

Distancia entre el centro de masa del contrapeso y el eje

Velocidad angular

Estimación de la Fuerza Excitadora • La fuerza excitadora generada por un contrapeso es: me  108.67

 kg 

  780[rpm]  R  0.15  m



2   rad   81.68  60  s 

Fe  me  R   2  11085.7  kgf 

• Considerando 3 unidades vibratorias y 4 contrapesos en cada una de éstas, se obtiene una fuerza excitadora total: FeTotal  11085.7  3  4  133028.5  kgf 

Geometría Harnero Vibratorio • Modelo Geométrico de Análisis: Carga Aplicada

Restricciones Restricciones

Modelo de Elementos Finitos - ANSYS • Malla:

Nodos

494782

Elementos

121898

Resultados Modelo de Elementos Finitos - ANSYS • Análisis Estático → Deformación Total:

dmax=1.24 [mm]

Resultados Modelo de Elementos Finitos - ANSYS • Análisis Estático → Tensiones:

σmax=125.8 [MPa] < σy=250 [MPa]

II.- Comportamiento del Material • Se busca estudiar el comportamiento del material en el harnero vibratorio de forma de estimar el correcto funcionamiento de éste, mediante el Método de los Elementos Discretos → EDEM.

Consideraciones del Modelo • Tamaño de partículas → Radio: 20 y 30 [mm]. • Distribución de tamaño de partículas → Lognormal (Std. Dev. = 0.1)

• Velocidad de generación de partículas → 1000 [kg/seg] • Dinámica del harnero vibratorio → Rotación sinusoidal: Amplitud = 7.0 [mm] y Frecuencia = 13.0 [Hz]

• No se consideran efectos de humedad entre las partículas.

Resultados Simulación EDEM • Instante de Simulación: 0.5 [seg]

Resultados Simulación EDEM • Instante de Simulación: 2.0 [seg]

Resultados Simulación EDEM • Instante de Simulación: 3.5 [seg]

Resultados Simulación EDEM • Velocidad Promedio de las Partículas:

Se genera una disminución de la velocidad promedio de las partículas producto del estancamiento de éstas en la zona de la salida del harnero.

Resultados Simulación EDEM • Video: Simulación Harnero Vibratorio - Velocidad

El diseño del harnero vibratorio no es adecuado, ya que no permite el correcto flujo de material.

Cambio Propuesto en el Diseño • Producto de los resultados obtenidos se ha planteado un nuevo diseño para la malla del harnero, realizando cambios principalmente en el ángulo de salida • Estado Actual → Diseño Conceptual.

Conclusiones • El diseño estructural del Harnero vibratorio para el estado de carga correspondiente a la fuerza excitadora posee un factor de seguridad mayor a dos. • El harnero vibratorio estudiado presenta deficiencias en el funcionamiento, producto del ángulo de la malla, ocasionando la acumulación de partículas a la salida de éste.

Conclusiones • Debido a los resultados obtenidos se contempla un nuevo diseño que permita resolver el problema presentado en el flujo del material. • Recalcar la importancia del uso de herramientas de simulación en el diseño de estos u otros sistemas mecánicos, de forma de evitar errores en el funcionamiento una vez ya construidos.

Pasos Siguientes • Incluir en el diseño estructural análisis de mayor complejidad, como por ejemplo: grandes deformaciones, no linealidad material, análisis de fatiga, etc. • Evaluar el nuevo diseño conceptual mediante herramientas de simulación numérica → ANSYS + EDEM • Realizar un análisis acoplado con ambas herramientas de simulación para considerar la interacción Partícula-Harnero en el diseño estructural de este sistema mecánico.