MÓDULO

VIBRADORES INDUSTRIALES

MANTENCIÓN MECÁNICA FUNDICIÓN

2006

VIBRADORES INDUSTRIALES

¿Qué es un vibrador industrial?

Vibradores Industriales

¿Donde se ocupan los vibradores industriales?

• Se ocupan en la industria, minería y agricultura, que mueve materiales sólidos en forma de polvo o granos.

¿Cómo se ocupanlos vibradores industriales?

• Se ocupan como vibradores lineales o rotatorios en chutes, silos y harneros vibratorios.

¿Por qué se usanlos vibradores industriales?

• Es un equipo que sirve para hacer escurrir cargas de fluidos sólidos, especialmente en chutes, silos y harneros vibratorios.

• Porque es bien sabido que la vibración puede ser destructiva, pero bien usada y manejada puede servir para ayudar a la industria y principalmente a la minería en su propósito de ahorrar costos de operación e incremantar la producción.

DIAGRAMA CONCEPTUAL

INTRODUCCIÓN

• La industria ha hecho muchos esfuerzos para eliminar la vibración, pero en realidad poco trabajo se ha realizado para desarrollar y usar la vibración como herramienta que sirva para solucionar ciertos problemas operacionales que se presentan.

• Es bien sabido que la vibración puede ser destructiva, pero bien usada y manejada puede servir para ayudar a la industria y principalmente a la minería en su propósito de ahorrar costos de operación e incremantar la producción.

• El principal uso que se le dá a los vibradores industriales, es para hacer escurrir cargas de fluidos sólidos, especialmente en chutes y silos. El otro gran uso de estos elementos son los usados en los harneros vibratorios que es en donde se clasifican los materiales sólidos a granel según su granulometría o tamaño.

• El primer vibrador líneal inventado fue el martillo. Pero el daño que causan a la estructura del equipo, son inmedibles.

• Gran avance creo el primer vibrador eléctrico magnético líneal usado para mover material sobre una plancha (Freeder Pan). Este modelo fue usado más adelante en chutes y luego apareció el vibrador tipo pistón de impacto.

• El otro tipo de vibrador es el rotatorio, que realiza el movimiento del material mientras produce el mínimo de amplitud de onda o deformación a la pared del silo. Esto se debe al tipo de onda simisoidal producida por este tipo de vibrador.

• El uso de vibradores rotatorios tiene su mayor aplicación en el manejo de materiales a granel (Silos Bins, Chutes, Cañerías, Carros Metaleros, envasado de productos etc.).

• Los mayores problemas de escurrimiento de material se producen en las paredes inclinadas de los chutes o silos.

• La compresión de la carga en los costados de estos componentes solo permite que una pequeña cantidad de material escurra dejando un vacío en el material compactado, dando la forma de “Puente” o forma de “Chimenea que explicaremos más adelante.

INTRODUCCIÓN

VIBRADORES DE MASAS EXCENTRICAS

VIBRADORES DE MASAS EXCENTRICAS

• Genera la fuerza de excitación que dá el movimiento oscilatorio.• En los modelos horizontales se prefiere el movimiento lineal y en los modelos inclinados el elíptico circular.• La fuerza del vibrador se obtiene de relaciones del fabricante. Esta fuerza de excitación proporcionada por los contrapesos es igual a la masa excéntrica por el radio de excentricidad por la velocidad angular al cuadrado.• Las características del motor se obtienen a partir del torque requerido, que puede calcularse como la aceleración angular por el momento de inercia de las masas del sistema de excitación. • La aceleración angular se obtiene de la velocidad de giro del vibrador dividido por el tiempo que demora el sistema en alcanzar dicha velocidad. (Tiempo promedio aprox. 5 segundos y RPM menores de 1200), recomendado por los proveedores, con este dato se determina el torque.• La potencia de accionamiento es el torque multiplicado por la velocidad de giro del sistema.

SISTEMA DE AJUSTE DE EXCENTRICIDAD

• También existen los vibradores de masas de contrapesos opuestos. • En estos se deben proteger las estructuras en los sistemas de suspensión y proteger las planchas con rigidizadores para evitar excesivas vibraciones.• En estos diseños se debe considerar un cáculo estructural incluyendo el efecto de fatiga y un factor de servicio pesado.

PROCESO DE VIBRACIONES

• Todos los vibradores hoy en día se clasifican en forma general como sigue:• 1.- Bola giratoria por medio neumático.• 2.- Anillo giratorio por medio neumático.• 3.- Doble anillo giratorio por medio neumático.• 4.- Neumático - Eléctrico - Hidráulico.• 5.- Fuerza lineal de pistón (neumático).• 6.- Eléctrico - Magnético (fuerza lineal). Ver figura pág. siguiente.

• De acuerdo al sentido de movimiento existen dos tipos de vibradores:• Lineal y Rotatorio.

• Como lo indicamos en el inicio, el primer vibrador con movimiento lineal fue el martillo, que provocaba serios daños a la estructura en donde era instalado.• También dijimos que se creó el primer vibrador eléctrico magnético lineal, usado para mover material sobre una plancha (Feeder Pan), y que posteriormente fue usado en chutes de carga.• Luego apareció un vibrador líneal mas moderno tipo pistón de impacto.

1.- Bola giratoria por medio neumático.

2.- Anillo giratorio por medio neumático.

3.- Doble anillo giratorio por medio neumático.

4.- Neumático - Eléctrico - Hidráulico.

5.- Fuerza lineal de pistón (neumático).

6.- Eléctrico - Magnético (fuerza lineal).

• El vibrador lineal, hace de los chutes y paredes de silos unos verdaderos alimentadores vibratorios. Esta situación causa una inminente fatiga del metal y por ende su posterior colapso.• Así como el feeder pan se mueve de ida y vuelta, la pared del silo actuará de la misma forma para alimentar mineral por la boca de descarga.• A medida que la pared se mueve hacia adentro y afuera, hay que esperar que grietas vayan apareciendo y eventualmente ocurra que se desprendan trozos de planchas y que caigan junto con el concentrado en este caso.• Los vibradores lineales producen solamente una onda de impacto. Ver figura A.

• Una pared de un silo siempre va a vibrar a su frecuencia natural, no importa la fuerza del impacto. De este tipo de aplicación viene el término “Remecedor de Silo”. Pero se supone que lo que se necesita mover es el material o mineral, y no el silo.

• Como ya se había dicho, el otro tipo de vibrador es el rotatorio, que realiza el movimiento del material mientras produce el mínimo de amplitud de onda o deformación a la pared del silo. Esto se debe al tipo de onda simisoidal producida por este tipo de vibrador. Ver figura B.

• Una onda ininterrumpida de vibraciones puede ser forzada a través de la pared al material. La pared se mantiene relativamente estática (amplitud mínima) y actúa como difusor y la onda excita al mineral a un flujo óptimo.• Esta onda de energía posee una capacidad de afinamiento completamente diferente a la de un golpe (esporadico).• Un buen ejemplo del vibrador rotatorio sería la de un auto con un neumático desbalanceado.• A cierta velocidad se aprecia que el volante se agita, o vibra, si se incrementa la velocidad, el volante deja de agitar, y la vibración se traslada a otra parte del auto, como ser el tablero de instrumentos. Estamos cambiando la frecuencia, logrando que ambas partes del auto alcancen su frecuencia natural. Ver figura C.

Fig. B

Figura C.

FRECUENCIA NATURAL.

• El vibrador rotatorio, puede hacer resonar el material en vez de la pared, con un simple ajuste del vibrador seleccionado adecuadamente.• El mineral llega a ser sensitivo a las vibraciones cuando el vibrador es afinado o calibrado a la frecuencia natural.

• USO DE VIBRACIÓN APLICADA

• Como ya se dijo, el uso de vibradores rotatorios tiene su mayor aplicación en el manejo de materiales a granel (Silos Bins, Chutes, Cañerías, Carros Metaleros, envasado de productos etc.).• Los beneficios de este principio se basan en la reducción de la fricción.• Al reducir el factor de fricción entre las partículas de material que queremos mover, la fuerza de gravedad hace que el material (mineral) se desplace o fluya.• Ejemplo: Si queremos mover un objeto de 250 kg. posado sobre el piso, la fricción causada por el peso estático es tremenda.• Si este objeto es vibrado a una frecuencia de 5.000 veces por minuto, lo que equivale que en 30 segundos, realiza 2.500 revoluciones, el vibrador causaría una sensación tal, como si el objeto estuviera prácticamente en el aire, esta reducción de fricción nos permite moverlo con la mitad del esfuerzo.

• Como ya indicamos anteriormente, los problemas de flujo de material ocurren en las paredes inclinadas. • Simulemos que estamos mirando un tubo de pasta de dientes. Existe el máximo en cantidad de material (mineral) al tope de la pared inclinada, que empuja para salir por una boca chica de descarga.• La compresión en los costados provoca que una pequeña cantidad de material escurra del fondo mismo, dejando un vacío en el material compactado.• Este fenómeno se denomina “Puente”. • Otro problema común es cuando las paredes laterales permiten el flujo pero dejan una colúmna a 90º en el centro. Se denomina “Chimenea” o “Rat-Holing” que en castellano significa “Hoyo de Rata”. Dejando nada mas que el espacio central disponible, obligando una mayor frecuencia de cargas al Hopper y por lo tanto menor área de almacenamiento. Ver figura D.• Estos problemas son comunes y se encuentran en todas las Plantas y son visibles las marcas dejadas por los golpes (combos) en muchas paredes.• También en cañerías, carros metaleros, en donde los enllampes deben ser removidos por martillos neumáticos.

Figura D.

SITUACIONES EN PAREDES INCLINADAS DE LOS CHUTES

• ¿COMO SE MONTA UN VIBRADOR?

• Se ha dicho por gente muy preparada, que la aplicación de un vibrador para solucionar algún problema, se resuelve con un 80% de sentido común y un 20% de ingeniería. Esto se ha comprobado en casi todos los casos. Generalmente un cambio de posición será requerido solamente para mejorar el rendimiento y lograr una correcta aplicación.• Algo que no cambia: El montaje de un vibrador rotatorio debe ser rígido.• Cuando el montaje tiene una soportación débil o está mal apretado, este no transmite vibraciones.• El vibrador reacciona solamente a resistencia, osea, para que haya una acción debe existir una reacción.• Como ejemplo, se puede sostener un vibrador funcionando por el mango, y sentir muy poca vibración, pero distinto es, si lo ponemos sin amarrar a una estructura; este va a saltar a todos lados como loco.• La mejor manera de asegurar un montaje óptimo, es soldar una canal a todo el largo del chute o pared del silo.• Uno debe ser capaz de leer la placa del motor entera con el vibrador andando, para considerar un montaje firme y rígido.

CANAL A TODO EL LARGO DEL CHUTE

• MONTAJE APROPIADO• Casi todas las aplicaciones son similares como para usar las mismas reglas de montaje.• Algunos fabricantes aconsejan soldar una placa con pernos espárragos para afianzar el vibrador.• Nuestra experiencia nos ha demostrado que este sistema no es recomendable puesto que ofrece una superficie muy pequeña y no transmite la onda a una mayor área.• Toda la energía se concentra en un área radial, cerca de la placa.• La canal soldada a la pared ha demostrado ser muy eficaz al transmitir la onda a una mayor área.

• ¿DONDE MONTAR UN VIBRADOR CON RESPECTO A LA CANAL?• Siempre que sea posible la canal debe ser soldada verticalmente. Soldar 4”, saltar 1”, y no soldar las puntas.• El largo lo determina el alto de la pared inclinada.• Si el alto es más de 6 metros quiere decir que el diámetro del silo es tal que se deberán usar varios vibradores. • El largo máximo de la canal a usar es 4,5 metros.• Al instalar dos vibradores, soldar dos canales a 180º una de la otra.

MONTAJE DE UN VIBRADOR CON RESPECTO A LA CANAL

• Al instalar tres vibradores, soldar tres canales a 120º una de la otra.• Al instalar cuatro vibradores, soldar cuatro canales a 90º una de la otra.• Sugerimos, 1 vibrador por canal a cada tres metros de chute o cañería.• Si el chute es menor de tres metros, extienda la canal a su largo total.• En Hoppers o Bins con atiezadores externos, recortar la canal al ancho del atiezador, o bién instalar en las secciones la canal soldada a los atiezadores.• En casos extremos se puede realizar un montaje de forma horizontal pero será menos efectiva que un montaje vertical, y su ubicación será considerada más crítica.

• ¿DONDE INSTALAR UN VIBRADOR CON RESPECTO AL HOPPER?

• El fenómeno de Puenteo o Chimenea ocurren en el tercio de abajo o desde la mitad hacia abajo del Hopper.• Instalación de un vibrador: instalarlo desde 1/3 desde la descarga hacia arriba.• Aplicaciones con dos vibradores: Posicionar las canales a 180º, una unidad en la pared baja del 1/3 y el otro en la parte superior del 1/3 del Hopper.• En las partes múltiples de silo cónico a 120º o 90º, dividir el alto en cuatro partes y posicionar los vibradores en espiral.

MONTAJE DE UN VIBRADOR CON RESPECTO AL HOPPER

• En las aplicaciones rectangulares, posicionar los vibradores en costados opuestos.• Cuando existan paredes con diferentes ángulos de inclinación, posicionar los vibradores en las paredes que tengan mayor resistencia al flujo gravitacional.• Recuerde: La fuerza o energía debe ser aplicada donde el trabajo debe ser ejecutado.• Estas sugerencias, aseguran el 50% del éxito en la efectividad de los vibradores.• Por lo tanto: Aunque se elija el vibrador adecuado, si este queda mal montado, lo más probable es que no cumplirá sus funciones.

• ¿CUAL ES LA POSICIÓN IDEAL?• Los vibradores lineales y rotatorios sin rodamientos, operaran bajo cualquier posición.• Los vibradores con rodamientos deben ser instalados de tal manera que los rodamientos radiales no sean exigidos por una fuerza lateral o axial.• Instale los vibradores en posición tal que el eje del motor quede horizontal (paralelo al piso).

• SELECCIÓN DEL VIBRADOR ADECUADO• El fabricante que recomienda un vibrador basándose en el espesor de la pared del silo, no está considerando la cantidad de material existente en el interior y que es necesario mover.• Las reglas de oro en “fuerza” para una cantidad específica de material, son más confiables.• Cada vibrador tiene una cantidad predeterminada de fuerza a una frecuencia dada.• En condiciones normales, una libra de fuerza, se require para cada 10 libras de material depositada en la pared inclinada del silo., siempre y cuando el peso del material sea de aproximadamente 90 libras por pié cúbico.

• FUERZA REQUERIDA SEGÚN EL PESO DEL MATERIAL:

• Bajo 90 lb / pie3 Bajo 120 lb / pie3 Bajo 160 lb / pie3

1 lb. fuerza 1 lb. fuerza 1 lb. fuerza

10 lb. material 7 lb. material 5 lb. material

• Esta tabla es solamente una aproximación. • No existe una ciencia exasta para esta materia.

• Seleccione un vibrador de aproximadamente un 75% de su máxima fuerza, esto deja un márgen de ajuste para una correcta aplicación en chutes y cañerías.• De acuerdo a lo mencionado anteriormente, se recomienda un vibrador cada tres metros de chute o cañería.• Como guía práctica, considere tres libras de fuerza por cada libra de material más la estructura que se quiere hacer vibrar.

• CARROS METALEROS• Existen alternativas de vibradores con accionamiento Neumático, Eléctrico o Hidráulico. • El neumático es el más común. El motor modelo 6A usa 60 a 70 C.F.M. a 80 psi.• La mayor complicación es que muchas plantas pequeñas no tendrán tanta cantidad de aire disponible.• En caso de considerar la elección de un compresor, use la fórmula de 4 C.F.M. por cada 1 H.P.• Si no existe la posibilidad de aire, existe las alternativas de instalar un vibrador con accionamiento eléctrico o hidráulico.

• AFINAMIENTO PARA MÁXIMA EFICIENCIA• Si manejamos nuestro automóvil a fondo, solo por el hecho de que es capáz de hacerlo, o más bien regulamos la velocidad de acuerdo a las condiciones existentes. Lo mismo hay que hacer con un vibrador.• La mayoría de ellos se encuentran instalados y conectados a la red de la Planta y sin regulador de presión, funcionando entre 50 a 120 psi, situación que no ayuda a su funcionamiento, acortando su vida útil, aumentando el consumo de repuestos etc.• Los vibradores lineales neumáticos funcionan mejor a altas presiones.• Los vibradores rotatorios, funcionan mejor a menores presiones y se les debe instalar un regulador de flujo para variar la frecuencia de funcionamiento, ajustando de esta forma el flujo hasta encontrar la frecuencia natural del material en vez de la pared del silo como referencia.• La unidad hidraúlica se afina con una válvula reguladora de flujo (G.P.M.)• La unidad eléctrica se afina cambiando la velocidad por medio de un control de velocidad variable o transformador.• Algunos modelos eléctricos están diseñados para cambiar la fuerza en vez de la velocidad al reposicionar la excentricidad de los contrapesos.• El mayor pecado que pueden cometer los vibradores, es pasar a ser agitadores del silo (Chute, Hopper etc.).• En el caso del vibrador eléctrico en que se cambia la fuerza en vez

de la frecuencia, la geometría del bin o la zona de montaje pasa a ser

muy importante.

INTERIOR DE UN VIBRADOR ELÉCTRICO

1.- CASING: Amarre cubierta del vibrador.

2.- ELECTRIC MOTORS: Motor eléctrico.

3.- SHAFT: Eje central de acero con tratado térmico especial.

4.- BEARINGS: Rodamiento ciíndrico de bolas.

5.- GREASE ZERK: Conducto para lubricar comodamente.

6.- RUBBER BUFFERS: Placa de conexión eléctrica.

7.- RUBBER SHEATH: Protector de vibración del cable eléctrico.

8.- TERMINAL BOARD CONNECTIONS: Terminal blindado de conecciones.

9.- ECCENTRIC WEIGHTS: Carga excéntrica, ajuste de vibración.

• CICLOS DE TRABAJO• En el traspaso de material el vibrador debe actuar como reductor de fricción y no como alimentador.• Una vez que las fricciones de las partículas han sido reducidas, se produce el flujo por gravedad debido a que el vibrador ya realizó su trabajo. Después de esto el vibrador debería detenerse por varias razones.• A) Economía• Un estudio revela que el costo de 1.000 pie3 de aire cuesta US$ 0,30. La mayoría de los vibradores ocupan un 60% más de lo requerido. Si ya cumplió su misión ¿por qué no apagarlo?• Se debe agregar un regulador de presión para que el vibrador esté afinado a 60 PSI en vez del aire directo de la planta (90 PSI), esto nos ahorra 1/3 del aire consumido, al valor indicado anteriormente.• Continuando con este análisis, se puede instalar un timer en combinación con un solenoide que produzca los ciclos óptimos.• B) Vida útil del equipo• Su vida útil se ha extendido en el mismo grado del ahorro de aire comprimido.• C) Garantía de éxito en la aplicación• El vibrador aporta material al área de descarga. Si se aporta mayor cantidad de material que el que se descarga, este material se compactará.• Por lo tanto, sugerimos usar los vibradores solamente cuando las

compuertas estén abiertas o se desee flujo de material.

• REDUCCIÓN DE RUIDOS• Existe conciencia en reducir el nivel de ruidos en las áreas industriales.• En general los vibradores industriales son ruidosos, aún instalandoles un silenciador.• El ruido del impacto metal-metal es de altos decibeles.• Los vibradores rotatorios no producen impacto y los niveles de ruido son bajos. Si a estos últimos se les agrega un silenciador los niveles de ruido llegan a menos de 75 DB. La mayoría de los modelos produce entre 62 a 69 DB.

• DETONADORES NEUMÁTICOS• Los detonadores neumáticos son relativamente nuevos en el mercado. Fueron desarrollados en los años 70 para el uso en silos de concreto y su uso fue ampliado para remover el flujo de material muerto sobre todo en silos de carbón, eliminando los riesgos de incendios.• En general, una recomendación o instalación errónea de equipos vibradores puede causar daños estructurales, y es por ese motivo que se ha buscado otras soluciones al flujo de material, siendo la alternativa de descargas de aire a una presiónde 80 PSI con una secuencia programada. Esta es una alternativa muy atractiva para la industria. • El concépto principal de esta última, es que de un acumulador de aire comprimido a 80 PSI, conectado a una válvula de escape rápido que mantiene la presión con un pistón de aluminio y una cámara que actúa como sello.• Al recibir la instrucción a través de la válvula solenoide, esta cámara se vacía permitiendo el retroceso del pistón, lo que provoca la detonación del aire acumulado en el estanque.• Un timer electrónico programable envía las señales al solenoide.• La variedad de tamaños de estanques y los diversos modelos de boquillas para dirigir la descarga, hacen que estos sistemas sean adaptables a cualquier problema que se encuentre en Silos - Hoppers - Chutes - Canales etc.

• Su eficiencia se basa en la fuerza desarrollada por la masa de aire comprimido al ecapar en un tiempo de milésimas de segundo directamente al material y no a través de un equipo mecánico a la estructura contenedora del mineral o material.• Estos equipos son de muy fácil mantención, con un número mínimo de elementos de desgaste para recambio.• El consumo de aire lo determina la frecuencia de secuencia de detonaciones, que es bastante menor que cuando se usan lanzas para desencallar.

GLOSARIO TECNICO

• VIBRADOR: Equipo mecánico diseñado para generar y transmitir fuerza vibratoria a una sustancia o estructura, siempre que esté montado adecuadamente.

• FRECUENCIA: Cantidad de ciclos completos hechos por una masa líneal, o rotación completa generadas por las revoluciones de un vibrador rotatorio en un tiempo determinado. Se expresa en ciclos por minuto o vibración por minuto (CPM - VPM - RPM).

• FRECUENCIA NATURAL: De un cuerpo o materia, es esa frecuencia en la cual vibrará más facilmente.

Todos los cuerpos o materia tienen frecuencia natural dependiendo de sus masas, sus características geométricas y en la forma en que se les pone en vibración.

• EXCENTRICIDAD O DESBALANCE: Peso de la masa excéntrica rotante. Este valor no significa nada menos que expresemos la distancia del centro de rotación al centro de gravedad de la masa. Se expresa en libras/pulgadas.

• FUERZA CENTRÍFUGA: Expresada en libras, se refiere a la fuerza centrífuga desarrollada por una masa excéntrica rotatoria. Esta fuerza resulta de la tendencia de la masa rotatoria

de escapar a su órbita. Se aplica solamenta en alimentadores rotatorios.

• FUERZA VIBRACIONAL TOTAL POR MINUTO: Medida total de la fuerza aplicada sobre una sustancia o estructura en un tiempo dado.

• AMPLITUD: Al aplicarse ondas vibratorias, sustancias o estructuras se mueven de ida y vuelta a una distancia medible. Amplitud es una medida del total desplazamiento de una masa sujeta a una fuerza vibratoria.

GLOSARIO TECNICO

EJERCICIOS DE APLICACIÓN

Verdadero (V o F):

1.........- Es un equipo que sirve para hacer escurrir cargas de fluidos sólidos, especialmente en chutes, silos y harneros vibratorios.

2.........- El vibrador lineal, hace de los chutes y paredes de silos unos verdaderos alimentadores vibratorios. Esta situación causa una inminente fatiga del metal y por ende su posterior colapso.

3.........- EL vibrador lineal, es el que realiza el movimiento del material mientras produce el mínimo de amplitud de onda o deformación a la pared del silo. Esto se debe al tipo de onda simisoidal producida por este tipo de vibrador.

4.........- Como guía práctica, puede considerar tres libras de fuerza por cada libra de material más la estructura que se quiere hacer vibrar.

5.........- En caso de considerar la elección de un compresor, usaría la fórmula de 4 C.F.M. por cada 1 H.P.

Desarrollo:

A.- Que parámetros consideraría usted para la elección de un vibrador? Explique.

B.- ¿Como realiza el afinamiento para máxima eficiencia en los vibradores neumáticos, eléctricos e hidráulicos? Explique.

EJERCICIOS DE APLICACIÓN