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Acoplamento entre Ansys e Rocky DEM aponta soluções para falhas em peneiras vibratórias de multinacional chilena

Indústria Mineração e Metalurgia

O Chile tem a mineração como potência motriz de sua economia. A atividade é uma das principais responsáveis pela captação de receitas financeiras e impulsiona os setores industriais e de serviços. O solo chileno é extremamente rico em recursos minerais, com destaque para as reservas de cobre. O país é o maior produtor e exportador mundial do minério. Os principais depósitos de extração de cobre estão localizados no norte do Chile, onde diferentes empresas nacionais e internacionais trabalham na exploração.

A mineradora Anglo American possui uma de suas instalações localizadas na região metropolitana de Santiago, chamada Los Bronces. Em 2011, começou a operar na divisão uma nova usina chamada Confluencia, com capacidade de 70% da produção anual da empresa, o que significa que o investimento aumentou em mais de 200% a produção. A nova planta começou a apresentar as primeiras falhas, com foco principalmente nas peneiras vibratórias de descarga de moinhos SAG. Devido às condições operacionais, estes equipamentos costumam apresentar falhas graves repetidamente e, ao longo do tempo, tornam-se o gargalo da produção, ou seja, causam a estagnação da planta para aumentar o fluxo de produção.

Mina Los Bronces - Anglo American

Los Bronces – Anglo American

O estudo “Modelação numérica do comportamento estrutural da peneira vibratória R-MD, mediante acoplamento entre o método de elementos finitos e elementos discretos”, orientado pelo Prof. Dr. Franco Perazzo, da Universidad Técnica Federico Santa María, modelou o comportamento das peneiras vibratórias de descarga que operam em moinhos SAG. Por meio da complementação de dois softwares, um de elementos finitos e um de elementos discretos, Ansys e Rocky, respectivamente, se analisou a origem das falhas desses equipamentos.

As falhas estruturais nas peneiras vibratórias de descarga

As peneiras vibratórias de descarga de moinhos SAG são equipamentos que apresentam falhas estruturais de forma recorrente, gerando inúmeras perdas na área de manutenção e produção. No entanto, após numerosos estudos, não foi possível determinar a origem dessas falhas, sendo a fadiga a mais estudada dentre as condições operacionais.

Diagrama de escoamento do mineral

Diagrama de escoamento do mineral

O problema causado pelos equipamentos, não apenas para a Anglo American, mas para a maioria das empresas de mineração com taxas de produção semelhantes, levou a vários estudos para entender as falhas. As simulações usando o método de elementos finitos são as principais fontes de análise. Esse tipo de metodologia é aplicado com softwares especializados, nos quais se estuda o comportamento de qualquer estrutura em função das condições de contorno que são incorporadas. Quanto mais próximas da realidade são as condições de contorno, melhores são os resultados.

Falha da peça principal interior (esquerda) e reparação da viga de descanso (direita)

Falha da peça principal interior (esquerda) e reparação da viga de descanso (direita)

A proposta do estudo para resolver o problema de forma precisa foi acoplar dois softwares de modelagem numérica, um de elementos finitos e outro de elementos discretos. Por meio do estudo das partículas do mineral e das cargas que isso causa na estrutura, a vibração que exercem os excitadores e o amortecimento das molas, foi possível analisar como a peneira vibratória se comporta em suas condições reais de operação.

De acordo com as informações coletadas pelo pesquisador na Anglo American no que diz respeito às falhas apresentadas nas peneiras vibratórias, entre as datas de janeiro de 2013 e janeiro de 2015, as detenções de plantas no horário de trabalho causadas pelas peneiras estavam próximas a 70 horas – equivalente a 0,5% do total de horas trabalhadas entre esses dois anos. Essa quantidade de horas corresponde a um total de 28 detenções ou, em termos simples, a uma média de 2,5 horas por detenção. O número de detenções e o tempo médio geram um horizonte de bom funcionamento de 624 horas entre cada falha, ou seja, as peneiras falham em média a cada 624 horas de trabalho, o que em dias seriam equivalentes a 26.

Metodologia: o acoplamento Rocky e Ansys

Inicialmente, estudou-se as falhas mais recorrentes, a geometria e as condições de contorno desse tipo de peneira para poder reproduzi-las nos softwares, que foram utilizados para o desenho de um modelo CAD do equipamento, para a modelagem do escoamento do mineral e para análise estrutural.

Vista frontal CAD peneira vibratória (esquerda) e vista isométrica modelo CAD peneira (direita)

Vista frontal CAD peneira vibratória (esquerda) e vista isométrica modelo CAD peneira (direita)

Após a modelagem CAD, iniciou-se a análise de elementos discretos no Rocky e, em seguida, elementos finitos no Ansys, obtendo-se a análise da estrutura usando critérios de falha estática (Von Mises) e critérios de falha dinâmica (fadiga).

Por fim, foram obtidos resultados para diferentes escoamentos de minerais e para cada um dos casos de interesse. Foram apresentadas análises comparativas baseadas em deformações, tensões e fatores de segurança, destacando os componentes e suas principais falhas.

O estudo propôs medidas de projeto para mitigar falhas e melhorar o desempenho do equipamento vibratório. A principal proposta foi a modificação da malha da peneira para que haja uma leve retenção do mineral na zona de descarga. Isso faz com que as forças de impacto na área traseira do equipamento sejam reduzidas e, portanto, o movimento harmônico da peneira não seja interrompido. A estrutura não muda, apenas o ponto cego que possui a malha na zona posterior foi modificado, que gera menor porcentagem de mineral selecionado, mas maior zona de amortecimento mineral.

Vista isométrica projeto CAD peneira modificada

Vista isométrica projeto CAD / peneira modificada

Benefícios das análises

O acoplamento entre o método dos elementos finitos e o método dos elementos discretos no estudo do comportamento estrutural da peneira vibratória permitiu identificar as variáveis de projeto mais relevantes (deformação total máxima, tensão máxima e fatores de segurança estática e dinâmica) para os componentes da estrutura.

Os componentes que apresentaram as maiores taxas de falhas no histórico de trabalho da planta foram os expostos a essas análises e submetidos a condições operacionais idealizadas – mas com alto grau de precisão em função do uso do software de simulação de partículas Rocky.

De acordo com os resultados apresentados no estudo, foi possível entender o comportamento mecânico estrutural da peneira vibratória para diferentes condições operacionais, identificando as mais críticas e podendo assim criar uma base analítica para propor as melhorias exigidas pelo desenho deste equipamento.

O acoplamento dos métodos de análise de elementos finitos e elementos discretos permitiu realizar mais estudos concluídos com relação às simulações de fenômenos físicos, que podem ser encontrados em qualquer tipo de processo de produção onde particularmente existem equipamentos sujeitos a grandes cargas e geradas por materiais a granel.

Deformação total máxima, peneira completa modificada

Deformação total máxima, peneira completa modificada

Resultados e conclusões relevantes do estudo

• A modificação do projeto da malha de peneira reduziu em média quase 3% a deformação total máxima e em 13% o esforço máximo para a placa do lado direito, deixando de ser o componente mais solicitado.

• Em geral, todos os componentes reduzem suas solicitações, deixando o feixe mãe como o principal componente exposto, porque o mineral afeta indiretamente seu comportamento.

• A maioria das cargas que a estrutura deste equipamento sofre provém dos excitadores, devido às baixas taxas de crescimento da deformação total máxima.

• O aumento do ponto cego na malha da peneira no equipamento faz com que o mineral deslize na área traseira e o impacto das cargas avance, estando dentro dos limites do leito da mola, que faz com que o aríete se mova da maneira oscilante para a qual foi projetado.

estudo de caso vale



Chefe de Confiabilidade/Jefe de Confiabilidad - Komatsu Chile

Engenheiro civil mecânico graduado pela Universidad Técnica Federico Santa María. Atualmente é chefe de confiabilidade na Komatsu Chile. Já atuou também na K+S Chile S.A., Thyssenkrupp e Anglo American, onde desenvolveu o estudo apresentado acima.


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