ANÁLISIS FEM DE UN MOLINO DE BOLAS
Este proyecto abarca el estudio y análisis FEM (Finite Element Method) de un molino de bolas de acero para cemento que ha fallado en servicio. El estudio consiste en determinar por elementos finitos las causas de fallo, teniendo en cuenta los esfuerzos a los que va a estar sometido el sistema, principalmente debidos a la carga distribuida del interior del molino.
Paúl Molina Campoverde
Colaborador en la realización de este proyecto
La función del molino de bolas para cemento es triturar, mediante el giro del mismo, las partículas internas y materiales que constituyen el cemento. Esto se consigue mediante la acción de una serie de bolas de acero contenidas en el interior del cuerpo cilíndrico del molino, que actúan sobre las partículas a moler a medida que el cuerpo exterior gira.
El modelo de molino que se ha simulado es similar al que se muestra en la imagen anterior, siendo su giro el correspondiente al movimiento alrededor del eje de revolución. Además, a lo largo del cuerpo externo existen una serie de aperturas a modo de ventanas, cuyas esquinas pueden ser susceptibles de concentración de tensiones.
El análisis por elementos finitos del sistema requería que se hallara la causa más probable de fallo de los elementos que componen el molino, ya que su rotura se ha producido en servicio y por causas desconocidas. Como datos de partida se tenían tanto los planos de fabricación como el dato empírico de que se habían detectado grietas en as ventanas.
Para generar la geometría de este modelo se empleó el programa comercial de análisis por elementos finitos Ansys, concretamente el APDL. Por simplicidad, la geometría ha sido realizada por partes, generando primero el cilindro, luego las bridas y finalmente las tapas del cuerpo cilíndrico.
El mismo procedimiento se ha empleado en el proceso de mallado, utilizando elementos diferentes para cada componente según su comportamiento (SHEL182 para cilindro-bridas y PLANE181 para la sección transversal de las tapas). Especial mención merece el hecho de que se han tenido que conectar los nodos de las mallas de tapas y cuerpo para asegurar continuidad en aquellos puntos en los que existe conexión física, esto es, se han unido los nodos en los que existe unión por tornillería. Además, se ha refinado la malla en las esquinas de las ventanas, con el objetivo de analizar con menor error esas zonas.
A continuación se muestran algunas imágenes del proceso:
RETOS DEL PROYECTO
Uno de las mayores dificultades a la hora de afrontar este análisis ha sido la manera en la que se considera la carga debida a lo que se mueve en el interior del molino. Esta carga, de naturaleza distribuida, siempre se dirige hacia al suelo, pues es debida a la gravedad. No obstante, las parte de la superficie del molino donde actúa esa carga varía con el tiempo. Por esto, y para poder considerar todos los casos de carga a este efecto, se empleó un código que, una vez ejecutado, permitía analizar todos esos casos rotando la posición de la carga, pero siempre dirigiéndola hacia el exterior del molino, como lo haría la gravedad.
Por otro lado, el hecho de averiguar la posible causa de fallo del sistema se han tenido que realizar muchos análisis computacionales, como son: análisis modal del conjunto, análisis gravitatorio, análisis de casos de carga… De entre ellos se hace especial mención a los cálculos referentes a la comprobación de los pernos de unión (slippage, gapping, bolt strength..). De esta etapa ha sido un mayor reto saber interpretar correctamente los resultados obtenidos.
CONCLUSIONES
Los análisis realizados demostraron que la tensión era especialmente alta cuando la carga se situaba sobre las ventanas, lo que, unido a la concentración de tensiones de las ventanas generó grietas que al propagarse causaron la rotura.
A la hora de modelar con la finalidad de analizar por elementos finitos hay que tener muy en cuenta que ciertas geometrías (o maneras de dibujar esas geometrías) son mejores para generar una maya aceptable que cumpla con las características del análisis a desarrollar.
