NUEVAS VAGONETAS PARA TRANSPORTE DE PLANCHONES

Transcripción

1 NUEVAS VAGONETAS PARA TRANSPORTE DE PLANCHONES Bruno García (1) Rogelio Ortega (1) Diego Martín (1) Sergio Chiavón (2) Felipe Reeves (2) RESUMEN El transporte de planchones desde la salida de la colada continua actualmente se hace a través del sistema ferroviario con 6 vagonetas de 9 m de longitud, con una capacidad de 90 t de carga. Debido a la instalación de la nueva colada continua y a fin de incrementar la productividad y permitir el movimiento de planchones de 12m de longitud se diseñaron nuevas vagonetas de 14 metros de largo de 240 t de capacidad. Los mismos bogies estándares presentes en los actuales vagones termos fueron rediseñados para poder utilizarlos en estas nuevas plataformas móviles. El diseño se hizo considerando las limitaciones del trazado de vías, carga a transportar y capacidad de tiro de las locomotoras. La verificación estructural se realizó por medio del modelado 3D y cálculo de solicitaciones a través del método de elementos finitos. Se comenzó con la construcción de 5 vagonetas, previendo que entren en servicio en noviembre de Palabras clave: Vagoneta, planchones, transporte, ferrocarril 1 Tecnología de Estructuras, Grúas e Ingeniería, Departamento Servicios Tecnológicos, Ternium Siderar. 2 Mantenimiento de Transporte, Servicios Centrales de Mantenimiento, Ternium Siderar.

2 INTRODUCCION El transporte de planchones desde la salida de la colada continua actualmente se hace a través del sistema ferroviario con 6 vagonetas de 9 m de longitud, con una capacidad de 90 t de carga. Debido a la instalación de la nueva colada continua y a fin de incrementar la productividad y permitir el movimiento de planchones de 12m de longitud se diseñaron nuevas vagonetas de 14 metros de largo de 240 t de capacidad. Los mismos bogies estándares presentes en los actuales vagones termos fueron rediseñados para poder utilizarlos en estas nuevas plataformas móviles. El diseño se hizo considerando las limitaciones del trazado de vías, carga a transportar y capacidad de tiro de las locomotoras. La verificación estructural se realizó por medio del modelado 3D y cálculo de solicitaciones a través del método de elementos finitos. Se comenzó con la construcción de 5 vagonetas, previendo que entren en servicio en noviembre de A través del siguiente trabajo se pretende demostrar la viabilidad técnico-económica de la vagoneta de planchones proyectada. DISCUSION El transporte de planchones en la planta constituye uno de los eslabones productivos principales. Por ello este sistema debe mejorar en la misma proporción que lo hacen los demás focos de producción, a fin de no transformarse en un cuello de botella. Actualmente se han realizado inversiones importantes en Ternium planta San Nicolás, incrementando significativamente la producción de planchones tras la instalación de una nueva línea adicional de colada continua. La producción no sólo aumenta en cantidad, sino que además permite la obtención de planchones de hasta 12 metros de longitud. Para ello fue necesaria la obtención de vagonetas de planchones que permitan una mayor capacidad de planchones por longitud de vía ferroviaria y con mayor versatilidad, a fin de permitir el transporte de las piezas de 12 metros. Figura 1: Nueva vagoneta para transporte de planchones. En la imagen se aprecia una vagoneta cargada con 18 planchones de 6000 mm x 1400 x 200 mm. Cada planchón tiene un peso de 13,2 t, lo que suma un total de 237 toneladas aprox.

3 Las nuevas exigencias de producción y protección del medio ambiente exigen que se tengan en consideración aspectos tales como ahorro de combustible, etc. Por ello se buscó que este nuevo requerimiento no incremente su consumo, así que esto demandó que se mantenga invariable la potencia tractora de las locomotoras. En forma paralela, se hace necesario incremento de la capacidad de transporte de planchones desde la salida de colada continua hasta el sector de laminación en caliente. Para esto fue necesario tener en cuenta que el límite de longitud de la formación de vagonetas no debía exceder los 54 metros (sin considerar la locomotora de tracción). A través del siguiente análisis comparativo se logran resumir parte de las mejoras: Límite de Longitud de Formación: 54 m Formación vagonetas actuales por viaje Formación nuevas vagonetas por viaje Cantidad 6 4 Capacidad unitaria (toneladas) Capacidad por viaje (toneladas) Toneladas por metro de vía (t/m) 10 17,8 Tabla 1 Cuadro comparativo vagonetas actuales contra nuevas vagonetas Como se aprecia, la capacidad de transporte se ve incrementada en la siguiente proporción: %Increment o Análisis del límite de la capacidad de transporte (17,8 10) % 10 Si bien las normativas vigentes en Argentina establecen que las vías ferroviarias poseen una capacidad portante límite de 20 toneladas por eje, en la planta éstas se encuentran adaptadas para soportar hasta 40 toneladas por eje. Cada vagoneta tiene un peso de 70 toneladas. Siendo el límite de capacidad de planchones de 240 toneladas, más 10 toneladas correspondientes a soportes y separadores de planchones, se tiene que la carga total sobre las vías es de 320 toneladas. El diseño que se llevó a cabo posee 8 ejes, con lo que la carga de cada eje será: PTOTAL q Cant. ejes 320 t 8 ejes 40 t / eje Si bien se ha alcanzado el límite, se considera aceptable ya que su valor queda encuadrado dentro del valor admisible. Consideraciones de diseño El diseño se realizó tomando como modelo otras vagonetas de la planta y se siguió el mismo esquema de funcionamiento de los vagones termos que transportan arrabio líquido en la planta. Su longitud total es de aproximadamente 16 metros y está montado sobre dos plataformas que pivotean respecto a los soportes del recipiente para transporte de arrabio. Estos puntos de pivoteo distan 10 metros aprox. entre sí. Cada una de estas plataformas está soportada por 2 bogies, y a su vez, cada uno de ellos se halla sobre 2 ejes con ruedas que giran sobre las vías ferroviarias. A continuación se observan sus dimensiones y características principales:

4 Figura 2: Vagón termo para transporte de arrabio El transportador de planchones diseñado siguiendo el mismo esquema, a continuación se muestra una imagen en la que se observan dichas características. Figura 3: Nueva vagoneta de planchones Como puede notarse, ésta posee una longitud total de aproximadamente 14 metros, 2 puntos de pivoteo principales distantes 7 metros entre sí, a través de los cuales giran las plataformas intermedias. Dos bogies por plataforma giran respecto a esta última, habiendo una distancia de 3 metros aprox. entre sí, al igual que en el caso de los vagones termos. La altura de enganche se mantuvo en idéntica magnitud a la de estos vagones (1029 mm). A continuación se muestran algunas imágenes que ilustran los detalles constructivos de la vagoneta proyectada: Figura 4: Detalles constructivos nueva vagoneta de planchones

5 Figura 5: Detalles constructivos. Corte longitudinal. Figura 6: Detalles constructivos. Corte transversal sobre punto pivote de bogie. Como se observa en las figuras, el diseño adoptado es relativamente sencillo y de fácil construcción. Verificación de estabilidad y resistencia mecánica En esta sección se mostrarán de manera sintética las verificaciones que se han realizado para asegurar el correcto funcionamiento de la vagoneta. Las mismas se llevaron a cabo a través de simulaciones computacionales utilizando un modelo desarrollado en SolidWorks Premium Se han considerado diferentes estados de carga, ya que se tuvo en cuenta que en la realidad pueden presentarse condiciones inadecuadas de carga. Por ello, durante el diseño se buscó que el modelo verifique hasta las condiciones de carga más desfavorables.

6 En el primer escenario de carga, de acuerdo a la siguiente imagen, se consideró la influencia de una carga hipotética de 254 toneladas uniformemente distribuida. Sería el caso de 18 planchones de 6 m x 1,4 m x 200 mm. Figura 7 Carga total de 254 toneladas, uniformemente distribuida Mediante el método de elementos finitos, se procede con la simulación de esfuerzos mecánicos en la estructura de la plataforma superior. Tras considerar las condiciones de borde adecuadas y todas las fuerzas gravitatorias (peso propio de toda la plataforma superior y carga), se obtuvo el siguiente resultado, representado en las siguientes 5 (cinco) imágenes: Figura 8: Análisis estático. 254 toneladas uniformemente distribuidas. Cargas y condiciones de borde consideras.

7 Figura 9: Análisis estático. 254 toneladas uniformemente distribuidas. Mallado por FEM. Figura 10: Análisis estático. Distribución de tensiones de Von Mises. 254 toneladas uniformemente distribuidas. Escala de deformación 500:1.

8 Figura 11: Análisis estático. Distribución de tensiones de Von Mises. 254 toneladas uniformemente distribuidas. Figura 12: Distribución de corrimientos. 254 toneladas uniformemente distribuidas. Escala de deformación 500:1 Como resultado se obtuvo que los valores de tensión se encuentran dentro de los valores admisibles para los materiales empleados. A efectos de tener una referencia, si se considera un valor de tensión admisible de un acero F-36 de aprox. 330 MPa, comparado con el valor máximo obtenido por simulación de 41 MPa, se tendría un factor de seguridad de: fs 8 fs Otro de los escenarios ensayados corresponde al caso en que la vagoneta inicialmente descargada, es cargada con un paquete de planchones de 247 t en el centro. Si bien se considera inadecuada esta distribución de carga, se la considera a los efectos de seguridad. Los resultados de la simulación por elementos finitos se aprecian en las siguientes 4 (cuatro) imágenes.

9 Figura 13: Análisis estático. 247 toneladas concentradas en zona central. Cargas y condiciones de borde consideradas Figura 14: Análisis estático. Distribución de tensiones de Von Mises. 247 toneladas concentradas. Figura 15: Análisis estático. Distribución de tensiones de Von Mises. 247 toneladas concentradas

10 El factor de seguridad en este caso será: 330 fs 3 98 En la siguiente imagen se aprecia que los valores de tensión, en mayor parte, se hallan por debajo de 50 MPa, con lo que se llega a la conclusión que los valores altos son valores de concentración de tensión muy específicos. Figura 16: Tensiones de Von Mises superiores a 50 MPa. 247 toneladas concentradas en zona central. Un caso adicional que se decidió estudiar, corresponde al caso en que la carga máxima es colocada en el extremo de la vagoneta, lo cual, si bien es inadecuado, se tuvo en cuenta. Adicional al cálculo de tensiones por elementos finitos se calculó su estabilidad longitudinal. Los resultados se aprecian en las siguientes figuras. Figura 17: Análisis estático. 247 t concentradas en extremo. Cargas y condiciones de borde consideradas.

11 Figura 18: Análisis estático. Distribución de tensiones de Von Mises. 247 toneladas concentradas en extremo. Escala de deformación 200:1. Figura 19: Distribución de corrimientos. 247 toneladas concentradas en extremo. Escala de deformación 2 00:1

12 Figura 20: Carga de 247 toneladas concentradas en extremo. Análisis de estabilidad longitudinal. Determinación de reacción en apoyo más lejano a la carga. En la figura anterior, y de acuerdo al sistema coordenado adoptado, se aprecia que el valor de la reacción en sentido vertical y es positiva (1, N). Por lo tanto, se llega a la conclusión que el sistema cargado de esta manera es estáticamente estable en sentido longitudinal. Finalmente, se analizó el caso en que la vagoneta inicialmente descargada, es cargada con un paquete de planchones de 40 toneladas en el extremo. Los resultados de la simulación por elementos finitos se aprecian a continuación: Figura 21: Análisis de tensión. 40 toneladas aplicadas en uno de los extremos.

13 Figura 22: Distribución de tensiones de Von Mises. 40 toneladas concentradas en rincón. Figura 23: Distribución de corrimientos. 40 toneladas concentradas en rincón. Si bien los resultados del análisis por elementos finitos son aceptables, se decidió estudiar en este caso la estabilidad de esta carga en sentido transversal.

14 Para ello se hizo la suposición de que los platos de pivoteo se encuentran simplemente apoyados, aunque en realidad se hayan vinculados mediante perno y tuerca, según se aprecia en la figura 5. Figura 24: Análisis de estabilidad transversal. 40 toneladas cargadas en rincón de vagoneta. Los pesos y distancias de la figura anterior se obtuvieron mediante el software SolidWorks. Cada peso considerado se obtuvo tras realizar un corte longitudinal en la sección correspondiente al punto de apoyo de esta imagen. Las distancias corresponden a los centros de gravedad de cada una de estas porciones consideradas. Para que se verifique la estabilidad transversal se debe cumplir que el brazo de palanca correspondiente a la porción que contiene el planchón debe ser menor o igual que el momento generado por la otra porción.? kgf 864 mm kgf 689 mm 2,4 10 7? kgf. mm 3,6 10 El mismo análisis se lleva a cabo para un solo planchón: 7 kgf. mm No verifica Figura 25: Análisis de estabilidad transversal. Un planchón de 13 toneladas cargado en rincón de vagoneta.? kgf 890 mm kgf 700 mm 2, kgf. mm 1, kgf. mm Verifica Como conclusión, la vagoneta debe ser cargada de a un solo planchón. Si se deseara cargarla inicialmente con un paquete de 3 (tres) planchones, la vagoneta volcaría lateralmente, aunque en este caso es impedido por el perno de pivoteo.

15 RESULTADOS / CONCLUSION Resumiendo los resultados, puede decirse que se obtuvo un diseño que se adapta a los requerimientos operativos, de manera totalmente satisfactoria. En síntesis: - Es versátil, ya que permite el traslado de planchones de hasta 12 metros de longitud; - Tiene mayor capacidad de transporte, ya que incrementa su capacidad de traslado un 78%, pasando de una capacidad actual de 10 toneladas por metro de vía ferroviaria, a una magnitud de casi 18; - Por esto último, el consumo de gasoil de las locomotoras merma significativamente; - Sencillez constructiva, posibilitando la construcción en los talleres propios de la planta, y otorgando además un grado alto de mantenibilidad; - Alta confiabilidad, al operar con factores de seguridad aceptables; - Segura, al permanecer estable ante procedimientos inadecuados de carga. REFERENCIAS 1- Manual SolidWorks Simulation Professional Document Number PMT1141-ENG_ DRAFT. 2- Norma IRAM-IAS U Chapas de acero al carbono, laminadas en caliente, para uso estructural. 3- Planos Ternium-Siderar: Vagones termos 200 toneladas. - SS.SEC.SIFE.VGON-MCO10009 Conjunto general vagoneta de planchones 240 t. - SS.SEC.SIFE-VGON-MCT10010 Cortes conjunto general vagoneta de planchones.