En Chile, las correas transportadoras constituyen el modo de transporte principal para materiales granulados e industriales en grandes volúmenes, tales como minerales o carbón. Su presencia resulta imprescindible en zonas mineras y portuarias por la gran cantidad de material que se requiere mover y transportar.

Las correas transportadoras son un sistema de transporte formado por una banda continua que se mueve entre dos tambores con un polín tensor intermedio. La banda es arrastrada por fricción por uno de los tambores, que a su vez es accionado por un motor. El otro tambor suele girar libre, sin ser accionado, y su función es servir de retorno a la banda. La banda se encuentra soportada por rodillos o polines intermedios, tanto de guiado como de retorno, entre los dos tambores.

Así pues, las correas transportadoras se componen de una serie de equipos y elementos básicos como son el tambor motriz (motor, reductor, rodamientos, cojinetes, etc.), el tambor de cola, los polines tensores, los rodillos o polines intermedios y la banda, entre otros.

Esquema general correa transportadora de banda.

Uno de los principales desafíos a los que se enfrentan estas correas es el desgaste acelerado causado por el propio entorno y naturaleza de su operación, que se traducen en obstrucciones y erosión en los sistemas mecánicos por el depósito de partículas de polvo u otros componentes, fruto de la actividad minera o portuaria. Sin duda, esto produce disminución de la vida útil de los elementos que las componen, que conducen en muchas ocasiones a detenciones inesperadas.

Las inversiones económicas para mantener las correas transportadoras en buen estado son enormes. Según estudios llevados a cabo por expertos internacionales, el costo de mantenimiento de las correas transportadoras puede suponer hasta un 30–50% del costo de operación de una explotación minera.

Por poner un ejemplo que dé cuenta del orden de magnitud de las inversiones para mantenimiento necesarias también en las terminales portuarias, en la terminal Europees Massagoed Overslagbedrijf BV en Rotterdam, sólo en el año 2013 las correas transportadoras supusieron un costo de mantenimiento de 5 millones de dólares para una facturación total de 175 millones de dólares.

Entrando en un análisis más exhaustivo, alrededor de un 52% de esta inversión se emplea en el mantenimiento de los elementos rotativos (tambor motriz o tambor de cola, entre otros), un 18% a los polines intermedios, un 4% a la banda y un 26% al resto de componentes. Hay que destacar, que dentro de ese 52% de costo de mantenimiento de los elementos rotativos, el 46% se debe a fallos en los cojinetes, no existiendo en el mercado antes de nuestra solución una tecnología capaz de detectar los fallos en este elemento de forma fiable.

Adicionalmente al mantenimiento, el operador debe considerar el costo asociado a los periodos de inactividad de una correa transportadora debido a detenciones no programadas originadas por fallas en distintos elementos de la correa. Según datos aportados por el personal de la mina de oro de Queensland (Australia), una hora de inactividad de una correa transportadora puede suponer unas pérdidas económicas de 40.000 – 50.000 dólares.

Si analizamos las causas de detenciones no planificadas de las correas transportadoras, éstas se deben principalmente a fallas en los tambores (54% del tiempo de inactividad total), correspondiendo un 28% a los polines intermedios, un 9% a la banda y otro 9% a otros elementos.

Ante la inexistencia de soluciones en el mercado capaces de resolver esta situación de manera óptima, se identificó la necesidad de desarrollar una herramienta que fuera capaz de caracterizar los defectos en etapas tempranas de todos los elementos de la correa, haciendo posible pasar de la filosofía de mantenimiento actual de tipo correctivo (actuar una vez el fallo se ha producido) a otra de carácter predictivo (en la que el daño pueda ser anticipado y, en consecuencia, se puedan tomar acciones antes de que se produzca el fallo fatal del elemento).

Nuestra solución al problema: detección y predicción de defectos en tiempo real a partir de su temperatura y respuesta inercial

Actualmente en Chile el mantenimiento de las correas transportadoras, tanto en el ámbito portuario como minero, se lleva a cabo tradicionalmente en base a resultados de inspecciones visuales y mantenimiento correctivo. Sin embargo, empiezan a aparecer en el mercado algunas prácticas que combinan las inspecciones visuales con distintas tecnologías de inspección no destructiva, basadas en la termografía, los ultrasonidos o el análisis de vibraciones, con el objetivo de reducir la subjetividad y limitaciones asociadas a las prácticas tradicionales.

Sin embargo, estas técnicas presentan importantes limitaciones. Por ejemplo, las soluciones basadas en termografía, que estudian los niveles de temperatura de las máquinas para detectar problemas electromecánicos tienen como principal limitación su incapacidad para diagnosticar los problemas, ya que sólo los detecta una vez se presentan en estados muy avanzados.

Por otro lado, existen las soluciones basadas en ultrasonidos que parten del análisis de las ondas de sonido de alta frecuencia producidas por las máquinas cuando éstas presentan algún tipo de problema. Sin embargo, su uso está limitado a los cojinetes y no es capaz de detectar el motivo de la falla ni de proporcionar un diagnóstico.

Finalmente, tenemos las soluciones basadas en análisis de vibraciones, las cuales se sustentan en el estudio de las señales vibratorias emitidas por la maquinaria rotativa, lo que permite aplicar ciertos métodos de procesado de señales para extraer la información contenida en esos registros de vibraciones. Su principal limitación es el enmascaramiento de las señales, presentando precisiones de detección de fallas bajas, en torno al 40-50%.

En base a las limitaciones de los sistemas existentes y las tecnologías presentadas en el estado del arte, nos fijamos como objetivo desarrollar una solución propia que a través del desarrollo de filtros y tratamiento matemático avanzado de datos registrados in situ, fuera capaz de conseguir diagnósticos precisos y en etapas tempranas de todos los elementos fundamentales que conforman una correa transportadora.

Nuestra metodología para desarrollar la solución

A través de nuestra metodología, partiendo de los requisitos definidos como resultado del análisis e investigación llevado a cabo, planteamos desarrollar un sistema de monitorización global de los diferentes elementos de la correa que permitiera llevar a cabo el diagnóstico de manera sencilla, automática, inalámbrica y en tiempo real, generando a su vez un plan de mantenimiento predictivo.

Partiendo de este planteamiento, y tras un análisis exhaustivo del estado del arte, determinamos que el mejor enfoque era combinar dos tecnologías diferentes:

• Análisis de vibraciones del tambor motriz, tambor de cola y polín tensor; y
• Análisis de temperatura de los polines intermedios.

Partiendo de estas premisas, y tras diseñar y ensamblar nodos sensores con acelerómetros de sensibilidad y robustez necesaria, comenzamos con el desarrollo completo de algoritmos para caracterizar la señal vibratoria de ciertos elementos rotativos (tambor motriz, tambor de cola y polín tensor), incluyendo un pre-procesado (filtrado) que permitiera extraer el ruido de la señal registrada.

Así, para desenmascarar las señales que presentasen ruido proveniente de diversas fuentes y pudiesen inducir a fallo, se desarrolló un filtro auto adaptativo encargado de eliminar el ruido que dificulta el análisis de las señales vibratorias. Este filtrado además incorporó un algoritmo capaz de actualizar los parámetros de filtrado para minimizar el error y acercarse lo máximo posible a la señal real de los elementos cuya señal queda enmascarada (como pueden ser los rodamientos o cojinetes).

Por último, tras obtener la señal procesada, se desarrolló un algoritmo de identificación de patrones, mediante el cual, con una comparación de patrones vibratorios, el sistema es capaz de determinar la existencia de falla, reconociendo el tipo de defecto existente y el elemento en el que se produce.

Configuración instalación nodos acelerómetros en tambor motriz

En paralelo, se generó una programación matemática necesaria para que el sistema fuese capaz de obtener a través de la temperatura registrada si existe un funcionamiento anormal de algún rodillo o polín intermedio.

El razonamiento para adoptar este enfoque consiste en que cuando un polín intermedio se encuentra en mal estado debido al desgaste de los rodamientos que lo hacen girar adecuadamente, éste comienza a vibrar. Estas vibraciones producen un aumento de temperatura que sobrepasa el umbral normal de funcionamiento. Así, las temperaturas de funcionamiento normales oscilan entre 20˚ C y 50˚ C, dependiendo de la temperatura ambiente. Si la temperatura de un polín aumenta a temperaturas más altas, que oscilan entre 80 ° C y 120 ° C, entonces eso es una clara señal de una posible falla. Mediante la incorporación de estos sensores térmicos en los polines estos sobrecalentamientos se pudieron monitorizar de forma que fue posible detectar los rodillos o polines intermedios que se encontraban en mal estado.

Gracias a las numerosas pruebas llevadas a cabo durante el desarrollo de la solución se pudo obtener y calibrar diferentes valores umbral de temperatura de referencia en función de la posición del polín, su velocidad de giro y la temperatura ambiente, que permiten diagnosticar el defecto y su causa.

Configuración instalación nodos sensores de temperatura en polines intermedios.

Como último paso de nuestra metodología, la solución final fue validada en varias correas transportadoras de Puerto Panul y Puerto Mejillones, consiguiéndose en ambos demostrar la alta fiabilidad de nuestra solución y sus ventajas respecto a la competencia.

Imagen de uno de los nodos instalados en el tambor motriz (izquierda) e instalación por parte de uno de nuestros ingenieros del nodo router para asegurar la transmisión de los datos de manera segura

Conclusiones

Nuestro equipo ha desarrollado un sistema integrado compuesto por un innovador software y elementos de hardware que permite detectar defectos en cualquier elemento fundamental de las correas transportadoras, de manera que se pueda implementar una estrategia de mantenimiento predictivo que minimice la inversión necesaria y evite en todos los casos las paradas inesperadas.

Gracias a la aplicación de técnicas de Inteligencia Artificial, la caracterización y análisis de patrones vibratorios y perfiles de temperatura de los diferentes elementos permite diagnosticar fallos enmascarados en etapas tempranas, algo que no era posible hasta el momento.

Para obtener más información sobre esta solución innovadora, no dude en descargar nuestro brochure específico.

Adicionalmente, si busca mejorar la productividad de su sector industrial, no dude en consultar otras soluciones desarrolladas por nuestro equipo o contactarnos para desarrollar de manera conjunta una solución tecnológica a medida que responda a su problemática concreta.

Referencias

Ašonja, A., & Adamović, Ž. (2010, September). The Economic justification of the Automatic lubrication Using. In 14th International Research/Expert Conference” Trends in the Development of Machinery and Associated Technology” TMT 2010, Mediterranean Cruise (pp. 11-18).

Thieme, K. R. (2014). Economic Justification of Automated Idler Roll Maintenance Applications in Large-Scale Belt Conveyor Systems; Economische rechtvaardiging van geautomatiseerde applicaties voor rollenonderhoud in grootschalige systemen van bandtransporteurs.

Zimroz, R., & Król, R. (2009). Failure analysis of belt conveyor systems for condition monitoring purposes. Mining Science, 128(36), 255.