Una caso real demuestra los beneficios de la tecnología AC
Por Eric N. Berkhimer, P.E.

Trabajando con un operador minero del oeste de Canadá, P&H Mining Equipment realizó un estudio de casos para comparar el rendimiento de su pala alimentada con corriente alterna (AC) con cables versus su pala alimentada con corriente continua (DC). La mina opera varias palas eléctricas P&H con cable, y hace poco compró dos palas P&H 4100XPC AC. Como estas unidades eran nuevas para la faena y trabajan conjuntamente con algunos camiones de extracción nuevos, se llevó a cabo un estudio en Marzo del 2011 para evaluar la productividad de estas palas nuevas en comparación con una pala 4100XPC DC que se ha usado en la propiedad desde mediados del 2008.

Los resultados mostraron que las palas AC presentaron una mayor disponibilidad que la pala DC durante un periodo similar. Además, resultados iniciales indican que el tiempo de ciclo de las palas AC es más rápido, dando como resultado una mayor productividad.

Los controles DC en las palas eléctricas P&H evolucionaron a partir de Ward-Leonard hasta el Electrotorque análogo en 1968, el Electrotorque Plus digital en 1997, y el Centurion en el 2004. La tecnología de adquisición de datos y control supervisor Centurion puso a P&H en posición para ofrecer accionamientos AC como una confiable alternativa a los accionamientos DC. Las primeras palas AC de la compañía entraron en servicio el 2007—dos años después de haber lanzado su proyecto de pala con accionamiento AC. Hoy en día, P&H ofrece palas tanto AC como DC ya que la demanda por estas últimas continúa en algunas regiones mineras, mientras que otras regiones estandarizan tecnología AC.

Para validar las tasas de producción de las palas 4100XPC AC, especialmente en el carguío de camiones de extracción Cat de 345-ton 795F y de 400-ton 797F, se planificó y ejecutó un estudio de productividad en forma conjunta entre la mina y P&H. Además de los mejoramientos en el rendimiento, P&H también quería verificar que su metodología “voz del cliente” para las operaciones en la mina era efectiva.

Cambios desde la 4100XPC DC a la 4100XPC AC
Una serie de importantes mejoramientos que afectan la confiabilidad y/o productividad fueron incluidos en la pala 4100XPC AC:
•    Cierre modular de la sala trasera hecho en fábrica para enrutamientos eléctricos simplificados, resultando en un menor tiempo de instalación y una mayor eficiencia en la resolución de problemas, reduciendo así el tiempo muerto;
•    Motores AC usados en giro y levante para mejorar estas velocidades, dando como resultado un mejoramiento en la productividad;
•    Se hicieron modificaciones (por nombrar algunas) al polín delantero, al sistema de lubricación, a las dimensiones del rodillo, a las dimensiones de la tornamesa, al tren de polines, a la caja de engranajes de levante, a la pluma y al pie derecho para mejorar la confiabilidad;
•    Accionamientos independientes para cada motor de avance, permitiendo “propulsión según se necesite” y eliminando el tiempo requerido para pasar del modo de excavación al modo de avance y viceversa, resultando en una mayor productividad porque hay más tiempo disponible para producción en lugar de demoras por avance; y
•    Sala trasera con mejor temperatura del clima mejor y control de polvo.

Estas modernizaciones se hicieron para mejorar el rendimiento de la 4100XPC AC, y varias de ellas estaban destinadas para ser validadas durante el estudio.

Adquisición de Datos
Un estudio para comparar las cifras de productividad entre una 4100XPC DC y una 4100XPC AC se realizó en conjunto, comenzando la semana del 28 de Febrero del 2011, entre P&H Mining/

MinePro Services y la mina. La mina aportó un conjunto de básculas de camión para pesar los camiones de extracción cargados por la 4100XPC AC (con unas pocas cargas de otras palas). Los pesados incluyeron camiones Komatsu 930E 320-ton, Cat 795F 345-ton y Cat 797F 400-ton.

Durante el mismo periodo se realizaron estudios de tiempo en la 4100XPB DC (Pala S05), 4100XPC DC (Pala S06), y la primera 4100XPC AC (Pala S07). Además, el sistema de adquisición de datos PreVail P&H instalado en la Pala S07 fue monitoreado para ver la regularidad de la carga útil mientras se comparaba con datos de las básculas de los camiones. PreVail también proporcionó información adicional sobre en ángulo de giro, el tiempo de excavación en el banco, el momento de girar cargado, y el momento de girar y volver a la posición encogida para cada pasada del balde. El mismo operador se usó en cada diferente pala durante los estudios de tiempo para eliminar el nivel de habilidad del operador como variable en el estudio.

En todos hubo:
•    Casi 10 horas de datos de estudio de tiempos recolectados;
•    226 camiones cargados por la Pala S07 pesados en las básculas de camión (durante un periodo de 4 días); y
•    Caso 8.000 puntos de datos desde el sistema Prevail en la Pala S07 (durante un periodo de 5 días) detallando ángulo de giro, tiempo de levante en el banco, tiempo de giro cargado y tiempo de giro vacío hasta una posición encogida.

Como parte del estudio, se tomaron fotos de llenadas representativas del balde y del camión para usarlas en futuras conversaciones y entrenamientos del operador, de forma que ellos puedan reconocer mejor cuando el balde y el camión están cargados hasta su capacidad.

Datos adicionales obtenidos desde la mina incluyeron:
•    Datos de disponibilidad para los primeros 6 meses de operación en la Pala S06 e información acumulada en ambas palas, la S07 y la S08;
•    Pautas de mantención preventiva e historial existente para las palas; y
•    Comentarios de técnicos en mantención y operadores y retroalimentación concerniente a los modelos de palas DC vs. AC.

El estudio comparó las palas 4100XPC DC y AC a partir de varios diferentes aspectos: disponibilidad física, tiempo de ciclo, requerimientos de mantención preventiva, costos de partes por hora y, finalmente, productividad total.

Disponibilidad
Exceptuando los primeros dos meses de operación para permitir un periodo de rodaje en cada pala, encontramos excelentes resultados en las tres palas bajo estudio, siendo la disponibilidad física más baja un 92,52% en la Pala S06 4100XPC DC por los siguientes cuatro mese de operación. Las dos palas AC (durante un periodo de operación de tres meses para la Pala S07 y un mes para la Pala S08) tuvieron una disponibilidad física ponderada promedio de un 93.96%.

Cabe notar que, acumulada (a través de más de 16.000 horas de operación), la Pala B ha demostrado una disponibilidad física del 93,58%, un mejoramiento sobre los primeros meses de operación.

Si estos números se mantienen en el tiempo, y asumiendo una unidad completamente ocupada con camiones, se puede agregar una ventaja de disponibilidad de aproximadamente un 1,5% a la tasa de producción de la mina. Bajo condiciones de plena utilización, un mejoramiento de sólo un 1% en la disponibilidad puede agregar algo así como 250.000 m3 de material estéril removido a la producción total de la mina anualmente (incluso considerando la misma producción por hora).

En el diseño de la pala AC, P&H apuntó a un mejoramiento en la disponibilidad de entre un 1% y un 2% por sobre la versión DC del mismo modelo de pala. Los resultados sugieren que esto es exacto.

Tiempo de Ciclo
Uno de los componentes claves en la productividad de una pala es el tiempo que le tarda a la pala cargar un balde de material al camión (junto con la carga útil en cada balde lleno). En una pala eléctrica con cables, el tiempo de ciclo consta de los siguientes componentes:
•    Levantar en el banco para cargar el balde;
•    Girar un balde lleno hacia camión;
•    Descargar en el camión; y
•    Retornar con un balde vacío a la posición encogida para comenzar el siguiente ciclo.

En los estudios de tiempo realizados, a cada componente (excepto a la descarga) se le hizo seguimiento individualmente (la descarga se consideró como parte de los componentes de giro vacío y giro en retorno y se supone ser de 2 segundos—un segundo para cada uno de ellos). Los datos de PreVail mostraron un ángulo de giro promedio de aproximadamente 60°.

Tal como se aprecia a partir de datos del estudio de tiempos sobre los componentes del ciclo de vida (Ver Figura 1), la 4100XPC AC tiene un tiempo de ciclo promedio de algo así como 3,5 segundos más rápido que el de la 4100XPC DC. Esto representa una significativa reducción en los tiempos de carga de la pala. Una porción menor de los ahorros en el tiempo de ciclo estuvo en el componente giro cargado (0,4 segundos) pero la inmensa mayoría de los ahorros en el tiempo de ciclo está en el tiempo requerido para levantar el balde a través del banco. Tiempos de levante más rápidos como los demostrados aquí son una de las ventajas inherentes de un accionamiento AC por sobre un accionamiento DC en una pala eléctrica con cables. Algunos de los ahorros de tiempo pueden atribuirse al balde que se está usando actualmente en las palas AC. P&H ratifica que estos baldes reducen el tiempo de excavación en la superficie de ataque.

P&H apuntaba a un mejoramiento en el tiempo de ciclo de 1 a 2 segundos por sobre la 4100XPC DC al diseñar la pala AC. El estudio indica que el número fijado como meta actualmente se está cumpliendo.

Carga Útil del Balde
Se hicieron observaciones a la carga útil del balde de la Pala S07 4100XPC AC usando el sistema PreVail equipado en la pala, como también a las cargas útiles totales del camión a partir de la información del estudio de las básculas de los camiones. Durante un periodo de cinco días, el sistema PreVail indicó una carga útil promedio del balde de 91,2 toneladas métricas ™ desde 8.000 puntos de datos. Observaciones hechas (del sistema PreVail) estrictamente durante los estudios de tiempo realizado, indicaron una carga útil promedio del balde de 93,1 tm. Los camiones pesados durante un periodo de cuatro días durante el estudio indicaron una carga útil promedio del balde de 92,7 tm. Esto derivó en un rango muy estrecho de solamente 1,9 tm (un diferencia del 2%), resultando en una correlación muy alta entre todas las observaciones hechas.

Sin embargo, se cabe indicar que hay algunas diferencias—entre diferentes días y también entre modelos de camiones—que son quizás más significativas. De acuerdo a la Figura 2, la variación entre días puede llegar a un 10% reflejando cambios en las condiciones de excavación, fragmentación del material, posición dentro del banco, etc.

También es interesante hacer notar que existe una diferencia en las cargas útiles del balde cuando la 4100XPC AC está cargando los camiones Komatsu 930E más pequeños y cuando está cargando los camiones Cat 795F. Al cargar los 930E, la 4100XPC tuvo una carga útil promedio del balde de 90,2 tm. Al cargar los camiones 795F, tuvo una carga útil promedio del balde de 95,2 tm—una variación del 5,5%. Esta diferencia fue relativamente constante en el día-a-día e indica que el operador podría estar cargando hasta alcanzar una carga útil del balde más alta (al menos subconscientemente) cuando sabe que hay un camión más grande presente. Ambas palas 4100XPC estudiadas estaban equipadas con bales de 55-m3.

Mantención Preventiva, Programación y Experiencia
A la fecha, la mina ha mantenido la misma pauta de mantención preventiva (PM) para las palas AC como se usa actualmente con la pala 4100XPC DC. Sin embargo, ellos están investigando la posibilidad de extender estos intervalos. Basándose en datos actuales, la mina ha descubierto que el tiempo muerto promedio de la máquina por cada PM es de aproximadamente 2,2 horas menos con las palas 4100XPC AC que con las 4100XPC DC.  Además, están usando un promedio de 7,6 horas-hombre menos para la parte eléctrica de la PM (Ver Figura 3).

Estas indicaciones a partir de los datos de la PM muestran que puede haber una importante ventaja para la pala AC. Si el operador está logrando un promedio de 3.300 metros cúbicos banco (BCM) por hora de producción y puede ganar dos horas extra de producción por cada 500 horas de operación, habría un potencial para movilizar 79.000 BCM de material adicional cada año. Los ahorros en mano de obra pueden también agregar una educción significativa en los costos de la PM. Estos resultados continuarían intensificándose si se extendieran los intervalos de PM para las palas AC.

Costo de Partes por Hora
Seis meses de operación de la 4100XPC AC en la mina no habían sido suficientes horas de operación como para que la faena generase un historial de comparación de costo de partes entre las palas DC y las AC. Sin embargo, el servicio de Gestión del Ciclo de Vida de P&H ha hecho algunas proyecciones de largo plazo.

Principalmente debido a la menor frecuencia de mantención que involucran los motores AC, P&H proyecta una reducción total del 4% en el costo de partes por hora con la 4100XPC AC versus la unidad DC (basado en 6.000 horas horómetro al año).

Anualmente, los ahorros varían de un 2,7% a un 5,4%, ocurriendo las variaciones más altas en los dos periodos más tempranos. Combinado con las mayores productividades experimentadas en la pala AC, el costo por BCM continúa reduciéndose significativamente.

Productividad Total
Es difícil comparar productividades basándose estrictamente en los datos del estudio de tiempo porque las palas no experimentan los mismos niveles de presentación de camiones. La Tabla 2 compara la producción total esperada entre una P&H 4100XPC DC y una 4100XPC AC basada en carguío por dos lados de los camiones y algunos de los otros parámetros observados durante los estudios de tiempo realizados a ambas palas. Se usará una eficiencia operacional del 83% (50 minutos-hora) y se asume una capacidad de camión de 290 tm para este cálculo (con una carga de 3 pasadas).

En base a los tiempos de ciclo observados, la 4100XPC AC tendría una ventaja de productividad estimada del 11,2% por sobre la 4100XPC DC en similares condiciones de operación. Esto es actualmente mayor que lo proyectado por P&H pero debiera ser muy probable lograr una ventaja en el largo plazo de entre un 5% a 6%.

De acuerdo a lo proyectado por P&H durante la fase de diseño de la pala 4100XPC AC, y según lo valida este estudio, la pala con accionamiento AC ofrece algunas importantes ventajas en costo y productividad por sobre la pala DC. La pala AC está logrando entre un 1% a un 2% de mejor disponibilidad (durante el mismo periodo); un tiempo de ciclo más rápido igualando a una mayor productividad; y, menores costos operacionales proyectados. Considerando todos estos factores, se espera que la 4100XPC AC tenga un impacto positivo en el largo plazo tanto en la producción como en el costo por tonelada/BCM movilizado en la mina.

Berkhimer es un ingeniero de aplicaciones senior de P&H Mining Equipment. Este artículo fue adaptado de una presentación hecha en conferencia Haulage & Loading, que se llevó a cabo durante Mayo del 2011 en Phoenix, Arizona, EEUU.

Siemens Mejora la Seguridad de la Pala
Siemens ha desarrollado varios nuevos mejoramientos relacionados con la parte eléctrica de las palas con cables. “Periódicamente, analizamos productos desde diferentes puntos de vista tales como la seguridad, productividad, eficiencia y sustentabilidad,” dijo Daniel Robertson, gerente de desarrollo de negocios de Siemens, quien se especializa en software y controles para pala eléctricas. “Desde la perspectiva de la seguridad, Siemens identificó varias áreas para mejoramiento.”

Como ejemplo, una nueva disposición de diseño reubica los transductores de voltaje de línea y el enlace desde un área de control de baja tensión de acceso frecuente a un compartimiento separado. Los técnicos ahora pueden acceder a los sistemas del área de control de baja tensión sin requerir de permisos de acceso a alto-voltaje. Para algunas de las rutinas de mantención más comunes, tales como encendido y apagado de los interruptores conmutadores, los técnicos ahora tendrán un acceso fácil y seguro.

Un pedido reciente de una pala Caterpillar, dirigido a Australia en Enero, incluyó una opción para un interruptor de conexión a tierra con enlace DC. El dispositivo brinda los medios para conectar físicamente ambos terminales del enlace DC a tierra antes que los técnicos de mantención entren al gabinete. Al conectar a tierra el enlace DC antes de entrar, el personal de servicio puede evitar el riesgo potencial de voltaje residual. “La secuencia de detención normal usa interruptores rotatorios de sobretensión para descargar rápidamente el sistema hasta 50 voltios,” dijo Robertson. “Desde ese punto, las resistencias de descarga siguen bajando el voltaje hasta cero dentro de 5 minutos. Sin embargo, no había una condición para garantizar en forma positiva cero posibilidad.”

Se usaron prácticas de seguridad eléctrica estándar para conectar manualmente a tierra el sistema, pero estos métodos requieren intervención humana, y el uso de PPE. “Este proceso ahora ha sido automatizado de manera de conectar a tierra el sistema antes de abrir el gabinete,” dijo Robertson.  El riesgo ha sido eliminado del sistema. El interruptor de puesta a tierra está ubicado dentro del gabinete del inversor, pero es accionado externamente e incluye una ventanilla para poder verificar físicamente las conexiones a tierra además de los indicadores de estado.

Otra nueva opción da a los técnicos la capacidad de probar el circuito de falla a tierra. El circuito de falla a tierra original involucra un divisor de voltaje a lo largo del enlace DC con un punto enganchado a tierra, explicó Robertson. La presencia de una tierra, y su localización, se determina en base al voltaje a través del capacitor de falla a tierra. “Este circuito todavía está en su lugar, pero lo hemos aumentado con un método para probar el circuito.” Siemens desarrolló un circuito de prueba de falla a tierra donde los técnicos pueden conmutar en una tierra y ver que está respondiendo a ello y por consiguiente se apaga.

Siemens también ha agregado nueva señalización para cada cubierta de gabinete. Antes se usaba señalización sencilla para indicar la presencia de alta tensión. La nueva señalización, inspirada en normas Australianas de seguridad en minas, proporciona una indicación de alta tensión, como también información detallada indicando el nivel de voltaje presente detrás de cada cubierta apernada. 

Otro futuro mejoramiento apunta a reducir cualquier riesgo de caída al mover componentes, originalmente ubicados en compartimientos en la parte de arriba del gabinete eléctrico mayor seguridad. Estos gabinetes tienen más de 6 pies de altura, por lo que se requiere que los técnicos de mantención usen una escalera para acceder a los componentes en la parte de arriba. “Dejamos algo de espacio disponible de forma que podamos mover estos componentes a una posición inferior donde se puede acceder a ellos fácilmente sin usar una escalera,” dijo Robertson. Además de la seguridad, explicó Robertson, el nuevo diseño también mejora los tiempos de reparación porque los técnicos no tendrían que poner una escalera y un arnés y trabajar en un ambiente restringido.

Estos mejoramientos estarán disponibles para todos los nuevos pedidos de palas Cat, y Siemens prosigue con kits de reacondicionamiento post-venta para equipos existentes. Los kits estarán disponibles para fines del 2012.

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