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Innovación en transporte de mineral:

Validación del rediseño de circuito de aire para motores de camiones mineros


 

Indicadores relevantes pilotaje industrial


Innovación: Rediseño del sistema de refrigeración del circuito LTA en motores Cummins para camiones de gran minería.
Desarrollador: CPDA-UA, Centro de Pilotaje del Desierto de Atacama de la Universidad de Antofagasta (socio fundador del CNP).
Inversión: Mas de $4.200.000 de pesos en el desarrollo de la ingeniería, prototipado, fabricación y montaje. .
Duración: Ingeniería de rediseño se realizó en 2017 durante 21 días.
Lugar: Banco de pruebas de la empresa Cummins, bajo condiciones normales de verificación del comportamiento de los motores posterior al overhaul. Región de Antofagasta.
RRHH: Ingeniero mecánico, coordinador del CPDA; un ingeniero mecánico, coordinador de empresa Cummins, y un técnico mecánico, operador del banco de prueba de Cummins.
Patentes: No hubo proceso de patentamiento.




Rediseño del circuito de enfriamiento de aire de camiones de gran minería


En 2017, la empresa Torque Stiff contrató al Centro de Pilotaje Desierto de Atacama de la Universidad de Antofagasta, CPDA-UA, para desarrollar la ingeniería de rediseño del circuito de refrigeración LTA del motor a diésel Cummins. Específicamente, el Centro debía llevar a cabo las pruebas necesarias para verificar los resultados del reposicionamiento de las cañerías del líquido refrigerante en el circuito de enfriamiento de aire de admisión del motor.
El CPDA-UA es un centro dedicado al desarrollo y transferencia tecnológica, y tiene por misión contribuir al desarrollo económico y sustentable de la Región de Antofagasta, con especial foco en las pequeñas y medianas empresas de la zona. Ello mediante soluciones innovadoras que permitan a los emprendedores generar nuevos equipos y productos, tanto para el mejoramiento de su productividad como para una mayor participación en el mercado nacional e internacional de la industria minera.

ETAPAS DE VALIDACIÓN TECNOLÓGICA


Detección del problema


La empresa Torque Stiff, dedicada a la reparación y mantención de componentes de la industria minera, con especialización en motores diésel, debía analizar la factibilidad de reposicionar el circuito de refrigeración del aire de alimentación al motor Cummins QSK78, desarrollado por la empresa Cummins Inc, uno de los mayores productores mundiales de tecnologías y de investigación de motores diésel.

Las cañerías del circuito de refrigeración tenían una disposición inconveniente para su mantenimiento y para los otros componentes del motor, por lo que un rediseño adecuado lograría un mejor desempeño del motor, al disminuir el tiempo de mantenimiento y, de esa forma, incrementar la disponibilidad de la flota de camiones de extracción.

En este contexto, la empresa Torque Stiff solicitó al CPDA-UA el desarrollo de la ingeniería de rediseño del circuito de refrigeración LTA, con foco en el reposicionamiento de las cañerías del refrigerante del circuito de enfriamiento del motor.



Requerimiento


Zona de intervención del motor Cummins QSK 78
Se debía intervenir el sector destacado para que se pudiera rediseñar el camino que siguen las cañerías del circuito de refrigeración
Zona específica de intervención del circuito LTA
En esta ampliación se puede observar cómo los elementos se encuentran encapsulados entre la estructura superior y los sistemas de soporte.

Prototipo ALFA


Debido a los urgentes requerimientos del personal de Cummins, Torque Stiff construyó un prototipo en un lapso de dos semanas.

El prototipo tenía un esquema funcional básico y sin desarrollo ingenieril, pero su objetivo era expresar físicamente la propuesta básica estructurada por el personal de Cummins.

El prototipo Alfa fue construido artesanalmente, pieza a pieza. El resultado fue una forma poco regular y sistemática.



Esquema Solidworks del Prototipo Alfa
Una vez conseguido el prototipo físico, para fines de documentación el CPDA trazó un sistema en Solidworks.

Aunque la solución no tuvo un desarrollo ingenieril, se realizó una prueba preliminar del prototipo Alfa en los talleres de Cummins, la que mostró buenos resultados en cuanto al control de temperatura del aire de alimentación, como de las temperaturas del refrigerante

Con estos resultados, Cummins quiso probar el prototipo directamente en un camión en una faena minera. Con la intervención del CPDA se pospuso la prueba en faena, hasta que se desarrollara un proyecto formal, para obtener un sustento confiable de los resultados de la prueba. Por ello se desarrolló un proyecto ingenieril mecánico, con memorias de cálculo que sustentaran el desempeño requerido del sistema. .

Un desafío para el desarrollo fue que no se contaba con los planos originales, por lo que se realizó un levantamiento de los elementos del motor, para establecer los trazados del circuito. Se pueden observar los resultados de construir los levantamientos del CPDA en el programa de dibujo y simulación Solidworks.


Prototipo Beta

Prototipo Beta circuito LTA

Prototipo Beta circuito LTA

Una vez determinado que el prototipo Alfa tenia potencialidades de desarrollo se realizó la propuesta funcional. Luego del proceso de aprendizaje inicial, esta vez se realizaron distribuciones diferentes para las líneas de alimentación y de descarga de los intercambiadores de calor inter y after cooler.

Dada la falta de información del comportamiento de la bomba del circuito, las memorias de cálculo se basaron en un análisis diferencial de las pérdidas de carga. El principio fue el siguiente:  si las pérdidas de carga se mantenían por debajo del circuito original, la eficiencia de enfriamiento del sistema debía ser mejor. Considerando que el comportamiento de perdida de carga del radiador, de los seis aftercoller y de los dos intercooler permanecen similares, ya que estas zonas y elementos son iguales en el circuito actual y el circuito proyectado, se tiene que:

Perdida de carga diferencial en circuito original: HCA = 51,85.m

Pérdida de carga diferencial en circuito modificado: HCA = 44,99.m

Con este aspecto se concluyó que el desempeño esperado del prototipo Beta sería superior al circuito de enfriamiento original.


Prueba de pilotaje prototipo Beta

Para el desarrollo de las pruebas de pilotaje del rediseño del circuito LTA se observaron los siguientes aspectos:

Protocolos: Se desarrolló en el banco de prueba de motores de Cummins, operado con su personal. Los resultados estándar de la prueba de cada motor consideró el registro de los valores de temperatura, en los puntos típicos de verificación del circuito LTA, en un registro en planilla Excel.

El desarrollo de los protocolos en Cummins, acorde a las exigencias de certificación de productos, es robusto ya que los ensayos se realizan bajo las normas aceptadas por la empresa.

Programa de ejecución. Las pruebas fueron efectuadas en los prototipos Alfa y Beta, con una diferencia de seis meses, y fueron integradas al programa propio de Cummins.

Proceso de validación de la tecnología: No exigió un esfuerzo a considerar, porque cada motor reparado en Cummins es sometido a prueba de diversos niveles de carga regulado por el dinamometro hidráulico de la planta de reparación de motores.


Resultados de la validación industrial

Los prototipos Alfa y el Beta tuvieron resultados satisfactorios, ya que en ambos casos se consiguieron temperaturas menores del refrigerante y del aire de alimentación del motor.

Prototipo Alfa: Se registraron temperaturas inferiores en 1°C a 2°C respecto de los circuitos originales.

Prototipo Beta: Los resultados mostraron valores menores a los originales entre 3°C y 5°C.

Esto demostró que los criterios de cálculo respaldan los criterios de diseño del rediseño.


Propuesta de valor

  • El rediseño del circuito de enfriamiento mejoró la calidad y cantidad de las mantenciones del motor, al tener mayor visibilidad y accesibilidad a los elementos y componentes.
  • En una prueba comparativa de un motor con la configuración original del circuito de enfriamiento versus uno con el prototipo mejorado, hubo una disminución de los tiempos de intervención por mantenimiento de cada overhaul de 22,5 horas.
  • Incremento de la productividad de los camiones, tomando en cuenta los siguientes factores:
    • En minería existe una flota de 120 camiones, de 360 toneladas de capacidad de carga, con motor Cummins, en que se realiza un overhaul anual.
    • Que cada camión demora 1,5.hrs en cada ciclo de trabajo desde mina a Chancador primario.
    • En consecuencia, con la disminución de 22,5 horas en el overhaul por año, se tendrían 15 vueltas más por camión, lo que correspondería a 648 mil toneladas de mineral procesado adicionalmente por el total de la flota, lo que se transformaría en 5.184 toneladas de cobre (con una ley de 0.8%).

Protección de la propiedad intelectual y patentes

Debido a los contratos involucrados entre la empresa Cummins y Toker Stiff, y que los equipos trabajaron en conjunto, sin definir los grados de participación de cada uno, no se pudo especificar a qué organización correspondía la propiedad industrial del producto.

Por su parte, la empresa mandante Cummins no registró la propiedad, aunque el know how de la innovación quedó encapsulada en la empresa y se perdió la oportunidad para que la innovación quedara en desarrolladores regionales.

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