Diseño e implementación de un dispositivo de ajuste automático de la coaxialidad para válvulas de compuerta esféricas mineras

Este artículo presenta el diseño de un sistema automático de detección y ajuste de coaxialidad desarrollado para la geometría de la bola y el asiento de una válvula de compuerta esférica minera. El dispositivo incorpora un mecanismo de apriete automático que aprieta o afloja repetidamente las dos tapas finales a prueba de polvo, lo que permite que el sistema ajuste la posición de la bola dentro del asiento de la válvula. Las tapas de los extremos se aprietan gradualmente hasta que el asiento de la bola y la válvula se vuelven completamente concéntricos, completando así el ajuste automático de coaxialidad de la válvula de compuerta esférica minera.

Una amplia gama de Válvulas de puerta minera Está actualmente disponible en el mercado, y se utilizan principalmente en sistemas de control hidráulico para operaciones mineras. Estos productos se ensamblan completamente a mano, y para válvulas de compuerta minera de mayor diámetro, los componentes clave -el asiento de la válvula y la pelota- son comparativamente pesados. Actualmente, el ajuste de coaxialidad entre la bola y el asiento de la válvula se realiza manualmente. Este método tiene baja precisión y la calidad de montaje resultante afecta directamente al rendimiento de la válvula de compuerta minera. Además, el proceso de ajuste y montaje es laborioso e ineficiente, lo que resulta en recursos desperdiciados, baja productividad y ciclos de montaje de productos extendidos. El ajuste manual de coaxialidad del asiento de la bola y la válvula implica colocar el cojinete inferior del accesorio de ajuste de coaxialidad contra la superficie interior del asiento de la válvula y colocar la sonda indicadora del dial en contacto con la bola. A continuación, la sonda se mueve a lo largo de toda la circunferencia interior del asiento de la válvula, y las lecturas del indicador del dial indican la desviación entre la bola y el centro del asiento de la válvula. Durante este proceso, las tapas de los extremos a prueba de polvo izquierda y derecha deben apretarse o aflojarse repetidamente para reposicionar la bola y alinearla gradualmente. Las tapas de los extremos se aprietan progresivamente hasta lograr la coaxialidad. Para superar las limitaciones del montaje manual, se desarrolló un dispositivo de ajuste automático para la minería de válvulas de compuerta esférica, que ofrece una alternativa innovadora a los métodos de ajuste convencionales. Con un arranque con un solo botón, el dispositivo realiza automáticamente el ajuste de coaxialidad del asiento de la bola y la válvula, proporcionando un ajuste rápido y de alta precisión y un valor práctico significativo para mejorar la automatización del montaje de la válvula de compuerta de bola. Un sensor de desplazamiento de alta precisión monitorea continuamente la coaxialidad de la bola y el asiento de la válvula, proporcionando retroalimentación en tiempo real tanto sobre la alineación como sobre el proceso de ajuste. El sistema utiliza un servomotor equipado con con un reductor y un sensor de par para apretar repetidamente las dos tapas finales a prueba de polvo con un par controlado, ajustando así la posición de la bola. Las tapas de los extremos se aprietan gradualmente hasta alcanzar el par de torsión especificado, lo que garantiza un ajuste preciso y constante. El dispositivo integra sensores de desplazamiento y par de alta precisión para recopilar, registrar y analizar datos sobre los ajustes de coaxialidad y el par de apriete de las tapas de los extremos a prueba de polvo. Estos datos sirven de base para optimizar los parámetros del proceso de montaje de las válvulas de compuerta esférica minera.

El dispositivo consta de un mecanismo de desplazamiento, un mecanismo de posicionamiento secundario, un mecanismo de sujeción y medición, mecanismos de ajuste de coaxialidad izquierda y derecha, un conjunto de plataforma inferior y un conjunto de cubierta de equipo. El diseño estructural general del dispositivo se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Diseño general del dispositivo

La válvula de compuerta esférica minera preensamblada, que incluye el asiento de la válvula, la bola y las tapas finales a prueba de polvo, se coloca primero en el mecanismo de posicionamiento secundario del dispositivo de ajuste de coaxialidad. La válvula se coloca utilizando un principio de posicionamiento de doble pin de un solo lado. Impulsado por un cilindro neumático, el mecanismo de desplazamiento mueve el mecanismo de posicionamiento secundario - a lo largo con de la válvula de bola - a la posición de sujeción y medición, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2: Mecanismo de desplazamiento y mecanismo de posicionamiento secundario

En el mecanismo de presión y medición, un cilindro acciona la unidad de medición hacia abajo para hacer contacto con con la superficie superior del asiento de la válvula. Dos cilindros deslizantes extienden las sondas de los sensores de desplazamiento hasta que entran en contacto con la superficie de la bola, momento en el que se mide la desviación de coaxialidad entre la bola y el asiento de la válvula. La estructura del mecanismo de presión y medición se muestra en la Figura 3. El mecanismo está equipado con con dos sensores de desplazamiento de alta precisión, y se utiliza un par de cojinetes de seguidores para posicionar la superficie superior del asiento de la válvula, así como los lados izquierdo y derecho de su superficie circular interior. Una vez finalizado el posicionamiento, las sondas del sensor de desplazamiento se extienden para entrar en contacto con la superficie de la bola, lo que permite medir con precisión la desviación de coaxialidad entre la bola y el asiento de la válvula.

Figura 3. Mecanismo de presión y medición

Los mecanismos de ajuste de la coaxialidad izquierda y derecha son activados simultáneamente por los servomotores inferiores. A medida que los mecanismos de desplazamiento se mueven hacia el centro, los servomotores superiores giran, impulsando los extremos frontales de los ejes para girar los accesorios de herramientas, que se acoplan a con las tapas de los extremos a prueba de polvo en ambos lados de la válvula de compuerta esférica minera. Los sensores de desplazamiento miden la desviación de coaxialidad entre la bola y el asiento de la válvula. El sistema luego analiza el desplazamiento medido y utiliza lógica de software para calcular el desplazamiento requerido. Los servomotores inferiores mueven los mecanismos de ajuste de coaxialidad izquierdo y derecho más hacia el centro, mientras que los servomotores superiores giran los ejes para apretar las tapas de los extremos a prueba de polvo. Durante el proceso de ajuste, las tapas de los extremos a prueba de polvo se giran continuamente, se aprietan o aflojan según sea necesario, para ajustar la posición de la bola dentro del asiento de la válvula. Las dos tapas de los extremos a prueba de polvo trabajan juntas para reposicionar la bola, apretando gradualmente hasta que el centro de la bola se alinea con con el centro del asiento de la válvula. Una vez que las tapas de los extremos alcanzan el par de apriete nominal, supervisado por el sensor de par en el eje de rotación frontal del eje superior, el ajuste de coaxialidad de la válvula de compuerta esférica de minería está completo. Los mecanismos de ajuste de coaxialidad izquierda y derecha se ilustran en las figuras 4 y 5.

Figura 4. Mecanismo de Ajuste de Coaxialidad Izquierda

Figura 5. Mecanismo de Ajuste de Coaxialidad Derecha

Cada mecanismo de ajuste de coaxialidad está equipado con con un sensor de par de alta precisión que monitorea el par en tiempo real, asegurando que las tapas de los extremos a prueba de polvo alcancen el par de apriete asignado durante el apriete. Si el par supera el límite, el servomotor superior retrocede para aflojar ligeramente la tapa de los extremos y luego la vuelve a apretar hasta que el par está dentro del rango aceptable. A lo largo del proceso de ajuste, las lecturas del sensor de desplazamiento se transmiten en tiempo real al sistema de control. Usando lógica de software, el sistema calcula y ejecuta los desplazamientos necesarios de los servomotores izquierdo y derecho hasta que el asiento de bola y válvula alcanza la tolerancia de coaxialidad especificada.

El servomotor superior y el reductor, que actúan como accionadores de los mecanismos de ajuste, son componentes críticos de este dispositivo.

Requisitos de funcionamiento:

Masa de tapa de extremo a prueba de polvo: m = 0,46 kg

Radio: r = 30 mm

Tiempo de puesta en marcha: t = 0,5 s

Velocidad de rotación: n = 60 r / min

Par de apriete necesario: T = 10 N · m

La aceleración angular de la tapa del extremo a prueba de polvo se calcula como:

 JL = 0,5 mr2 = 2 × 10-4 kg · m2

El momento de inercia de la tapa del extremo a prueba de polvo es:

 Α = 2pi × n / ( 60t ) = 12,56rad / s2

El par de arranque en el extremo de carga consta de dos partes: el par de rotación de la tapa final TS1 y el par para superar la fricción TS2.

TS1 = JLα = 0,0025N · m

TS2 = mgr = 0,0203N · m 

TS = TS1 + TS2 = 0,0228N · m

En comparación con con el par de bloqueo requerido de 10 N · m, el par de arranque y el momento de inercia en el extremo de la carga son insignificantes. Por lo tanto, la selección del motor y el reductor está determinada principalmente por el par de apriete requerido. Un motor Panasonic MHMF042L1U2M, clasificado en 1,27 N · m, se selecciona y empareja con un reductor 20: 1 (modelo AB60L2-20-P1-S2-14-30-50-70-M4). Esta combinación ofrece un par de salida de 25,4 N · m en el extremo de la transmisión, proporcionando un margen de seguridad de aproximadamente 2,5 ×, lo que lo convierte en una opción adecuada.

Antes de la producción formal, el dispositivo realizaba cinco ajustes automáticos de coaxialidad en válvulas de tope esféricas de cuatro diámetros (40, 60, 80 y 100 mm), produciendo un total de 20 conjuntos de datos de ajuste, como se resume en la Tabla 1.

Tabla 1: Resultados de la medición de la coaxialidad de las válvulas de tope esféricas (mm)

De los datos de la Tabla 1, se puede concluir que el dispositivo logra un ajuste automático de coaxialidad con una precisión superior a 0,02 mm. El dispositivo ha completado con éxito el diseño, la fabricación, la depuración y las pruebas de campo, cumpliendo todos los objetivos de rendimiento establecidos durante la fase de diseño. El dispositivo construido se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Fotografía del Dispositivo Completado

El dispositivo de ajuste automático para la minería de válvulas de compuerta esférica transforma el proceso tradicional de montaje y ajuste manual en una operación completamente automatizada. Realiza rápidamente ajustes de coaxialidad del asiento de bola y válvula con de alta precisión, logrando una alineación dentro de 0,02 mm, y proporciona una referencia valiosa para el montaje automatizado y el ajuste de coaxialidad de válvulas de compuerta de bola.