ACCIONAMIENTOS INDIVIDUALES DE VELOCIDAD VARIABLE PARA MOLINOS

AZUCAREROS

VARIABLE SPEED INDIVIDUAL DRIVES FOR SUGAR MILLS

Juliusz Lewinski, Paulo Grassman, Tomas Kallin

Bosch Rexroth

e-amail: jlewin@prodigy.net.mx

Palabras clave: accionamiento, independiente, molino, par, velocidad

RESUMEN

Los accionamientos individuales se refieren al movimiento por separado de cada rodillo del molino por las

unidades independientes. Esta forma de operación del molino es bastante nueva y el conocimiento de cómo

ajustar y operar los molinos con los accionamientos individuales es muy limitado. El documento describe las pruebas realizadas con el tándem de cuatro molinos propulsados por los accionamientos electro-hidráulicos

independientes. El primer molino fue propulsado con la velocidad constante del rodillo superior y la

alimentación se ajustaba automáticamente para mantener el nivel en la tolva en el rango predeterminado. Los

molinos restantes estaban cambiando de forma automática la velocidad manteniendo el nivel en la tolva de los molinos correspondientes en el rango preestablecido. Se analizaron tres escenarios: la cociente de la

velocidad entre los rodillos inferiores y el rodillo superior ajustada para mantener la misma presión en todos

los sistemas hidráulicos (distribución de par 50, 25, 25%), cociente de la velocidad para mantener la misma velocidad periférica de cada rodillo y la cociente de la velocidad de rotación igual a 1 como en el caso de los

molinos convencionales. Para cada escenario se analizó la distribución del par y potencia y los resultados se

compararon con los resultados operativos - la capacidad de molienda y la extracción reducida. Las

principales conclusiones fueron que el par total requerido no depende de la velocidad del molino y que la distribución del par en el molino de cuatro rodillos puede ser de 50, 25, 25 aumentando la velocidad del

rodillo cañero y bajando la velocidad del rodillo bagacero en comparación con la velocidad del rodillo

superior. Este escenario es el mejor desde el punto de vista mecánico y operativo.

INTRODUCCION

Los accionamientos individuales se refieren a la propulsión independiente de cada maza del molino por un

accionamiento colocado directamente sobre el eje de cada maza. El primer molino accionado de esta manera

se reporta en Cuba (Abon, 1986) cuando se presentan los resultados de distribución del torque sobre las

mazas dependiendo de las velocidades relativas de las mazas inferiores con respecto a la maza superior. Esta instalación fue el resultado de la colaboración del MINAZ (Ministerio de Azúcar) y la compañía Hagglunds

a partir de la introducción de primeros motores hidráulicos de alto torque en Cuba en el año 1976. En este

tiempo el accionamiento fue formado por motores hidráulicos Hagglunds y los reductores planetarios de una etapa que dio el inicio de un accionamiento Hydrodrive de la compañía Manesmann Rexroth donde se

combinaron motores hidráulicos de altas revoluciones y reductores planetarios de tres etapas de las

compañías pertenecientes a este consorcio. Un trabajo similar se presenta 10 años después en México (Muñoz, 1996). En los años 80’s Hagglunds desarrollo motores hidráulicos de torques más grandes lo que

permitió propulsar las mazas del molino de la manera individual sin necesidad de uso de los reductores

planetarios. La compañía alemana Flender reconocido fabricante de los reductores de engranes introdujo al mercado en el mismo tiempo un sistema Hydrex – Planurex combinando un motor hidráulico de alto torque

de fabricación propia y un reductor planetario de una etapa. Motores hidráulicos de alto torque sin o con el

reductor planetario encontraron gran interés en el mercado debido a grandes ventajas (Lewinski, 2005):

1. Eliminación parcial o completa de los engranes y las coronas convencionales

2. Eliminación de la barra cuadrada.

3. Requerimiento reducido de espacio 4. Reducción de las cargas sobre las flechas de las mazas.

5. No se requieren cimentaciones.

6. Máximo torque en todo el rango de velocidades, es decir, de cero a las velocidades máximas. 7. Reversibilidad del movimiento.

8. Variación continúa en las velocidades de cada uno de los rodillos por separado.

9. Protección contra sobrecarga e interrupción casi inmediata del trabajo del molino.

10. Posibilidad de automatización del proceso de molienda. 11. Medición del torque de cada uno de los rodillos.

12. Facilidad de mantenimiento.

13. Tamaño y peso muy reducidos. 14. Ahorro de energía (alta eficiencia de la transmisión, uso de energía eléctrica, reducción de cargas en las

chumaceras).

15. Aumento en la extracción (optimación del proceso de extracción).

La ventaja principal es la velocidad variable independiente de cada maza lo que permite optimizar el

funcionamiento del molino desde el punto de vista mecánico (distribución del torque) y operacional

(extracción, pol en bagazo, humedad de bagazo. El siguiente paso de la aplicación de los accionamientos individuales a los molinos azucareros ha sido el uso

de los reductores planetarios conectados directamente o a través de la flecha cardan con motores eléctricos de

corriente alterna y de frecuencia variable - solución ya conocida en la industria azucarera para propulsar mesas, conductores y transportadores de caña.

Aunque ya se tienen desde hace más de 20 años las experiencias de la operación del molino de la manera

individual directa no existe información publicada como operar estos molinos (distribución del torque,

distribución de velocidad, ajustes de los molinos, etc.). Este trabajo pretende dar algunas respuestas a estas inquietudes.

DESCRIPCIÓN DE LA METODOLOGÍA DE PRUEBAS

Para realizar las pruebas se escogió un tándem de molinos propulsado por los accionamientos electro

hidráulico de alto par (sin reductores planetarios). Cada molino es propulsado por cuatro motores hidráulicos

de alto par del mismo tamaño colocados directamente sobre las mazas del molino (dos motores sobre la maza

superior y uno sobre cada maza inferior) (Fig.1)

Fig. 1. Accionamiento electro-hidráulico individual directo

Cada motor hidráulico esta movido por un motor eléctrico el cual propulsa una bomba hidráulica de caudal

variable permitiendo operar los motores en el rango de velocidades 0 - n máx. El flujo es transmitido a los

motores por medio de la tubería lo que permite mucha flexibilidad de posicionamiento de las unidades de potencia (motor eléctrico, más bomba, más accesorios) con respecto a los motores hidráulicos. El tándem

consta de 4 molinos y se ubica en el Ingenio Santa Isabel en Brasil (Fig. 2).

Fig. 2. El tándem de molinos propulsados por los motores hidráulicos

en el Ingenio Santa Isabel.

El molino 1 es de 7 pies y los molinos restantes son de 6.5 pies. El tándem esta automatizado (Fig. 3)

controlándose la alimentación al molino 1 para conservar el nivel del chute en el rango determinado y los molinos restantes varían automáticamente su velocidad para mantener el nivel de su chute en rangos

predeterminados. Las mediciones comprendían el torque sobre los ejes de cada molino (medición continua de

presión en cada sistema hidráulico), revoluciones (sensores colocados directamente sobre los motores

hidráulicos), consumo de potencia eléctrica.

Fig. 3. Pantalla del sistema de control en el Ingenio Santa Isabel

Los resultados buscados son:

1. Distribución del torque.

2. Distribución de revoluciones (relación de la relaciones de las revoluciones de las mazas inferiores con respecto a la maza superior).

3. Distribución de potencias sobre las mazas de molinos.

4. Potencia total consumida en cada molino. 5. Potencia total del tándem

Los resultados se van a relacionar con los resultados del laboratorio TCH, extracción reducida, pol en bagazo

y humedad en bagazo del tándem completo así como la extracción del molino 1.

Durante el año 2008 se analizaron tres diferentes escenarios para los ajustes del molino definidos por el

asesor del ingenio para operar los molinos con la velocidad de 6.6 rpm y la capacidad calculada de 584 TCH. La velocidad real de operación del molino uno fue ajustada a 6.0 rpm para moler teóricamente 550TCH

(toneladas de caña por hora).

Escenario 1.

Distribución del torque 50%, 25%, 25% - la mejor desde el punto de vista de aprovechamiento optimo de la

capacidad de los motores hidráulicos (presión igual en todos los sistemas hidráulicos del molino). Para este

objetivo se determinaron experimentalmente las relaciones de revoluciones). Escenario 2.

Las velocidades periféricas de todas las mazas del molino iguales – el caso considerado por algunos

investigadores como optimo en la operación del molino. Escenario 3.

Las revoluciones de todas las mazas del molino iguales – como en caso de molinos con transmisiones

convencionales equipadas con coronas.

Durante el año 2009 se operó el molino con el escenario 1. Los ajuates del molino fueron iguales a los del año 2008 para moler teóricamente 584 TCH con la velocidad de 6.6 rpm. La presión hidráulica en los

cabezotes de los molinos fue reducida en 7 a 15 % Se realizaron dos mediciones en junio por un tiempo de

aprox. una hora buscando el periodo estable de operación del ingenio (2009-1A y 2009-1B) y una medición

por el periodo de más de cinco horas en octubre del mismo año (2009-2), cuando la operación del ingenio fue más estable.

RESULTADOS

Las figuras 4 y 5 muestran como ejemplo el comportamiento del molino para cada escenario (año 2008)

donde: TR – rodillo superior

CR – rodillo cañero

BR – rodillo bagacero

Fricción – relación de velocidad angular entre los rodillos inferiores y el rodillo superior FCR – relación de velocidad angular entre el rodillo cañero y el rodillo superior.

FBR – relación de velocidad angular entre el rodillo bagacero y el rodillo superior.

El escenario 1 ha resultado ser el más adecuado tomando en cuenta el uso optimo de los accionamientos así

como la distribución de la velocidad. Todos los motores hidráulicos son del mismo tamaño y todos trabajan

con la misma presión lo que permite su uso optimo en cuanto la presión máxima de trabajo y su eficiencia La maza cañera siempre gira con mayor velocidad coadyuvando con la mejor alimentación y la maza bagacera

girando con menor velocidad reduce el fenómeno de reabsorción. En todos los escenarios el torque sobre la

maza superior es constante independientemente de la variación de las velocidades del molino y de las

relaciones de velocidades y es de 50% del torque total generado. La potencia consumida en la maza superior es 50 % de la potencia total consumida por el molino independientemente del escenario. Se recomendó

operar los molinos con el escenario uno (distribución del torque 50, 25, 25%) y en el año 2009 todos los

molinos operaron en estas condiciones. La figura 6 presenta las mediciones realizadas en el año 2009 en el mes de junio cuando el trabajo del

tándem no fue estable (duración de registro continuo de aprox. una hora) y la figura 7 los resultados de todos

los molinos registrados en el mes de octubre cuando la operación del tándem fue bastante estable (duración

del registro continuo aprox. 5 horas). La tabla 1 presenta los resultados numéricos promedios de todas las mediciones, la tabla 2 presenta las potencias totales consumidas en el tándem completo en todas las pruebas

y la tabla III presenta resultados del laboratorio durante el periodo de pruebas del tándem completo.

Los resultados operacionales son impresionantes tomando en cuenta el numero de molinos y su tamaño (molienda aprox. 600 TCH. La extracción en el molino 1 fue reportada como 84% y la extracción máxima

del todo el tándem de 97%). Comparando con el año 2008 los torques generados en los molinos fueron

notablemente menores dando como resultado menor consumo de potencia total con similares o hasta mejores resultados operacionales. La potencia total consumida en el tándem fue aprox. 2600 kW lo que tomando en

cuenta el numero de molinos, la fibra en caña (aprox. 12%) y capacidad por hora (aprox. 600 TCH) da una

potencia específica media del molino de 9 kW/Tonelada de fibra/hora. sobre el molino. El valor total de la

potencia consumida en el tándem completo es todavía el valor más impresionante.

Fig. 4A. Molino 1 – Relación presión – velocidad (medición directa)

Fig. 4B. Relación Torque – fricción

Fig. 5A. Molino 4 – relación presión – velocidad.

Fig. 5B. Molino 4 – relación torque-fricción.

Fig. 6A. Molino 1 – relación presión – velocidad

Fig. 6B. Molino 4 – relación presión – velocidad.

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

0

20

40

60

80

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200

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:34

:21

10

:45

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10

:57

:17

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:08

:45

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:20

:13

11

:31

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11

:43

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:54

:37

12

:06

:05

12

:17

:33

12

:29

:01

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:40

:29

12

:51

:58

13

:03

:26

13

:14

:54

13

:26

:22

13

:37

:50

13

:49

:19

14

:00

:47

14

:12

:15

14

:23

:43

14

:35

:11

14

:46

:39

14

:58

:07

15

:09

:35

15

:21

:03

Vel

oci

dad

Pre

sió

n

Tiempo

Molino 1

TR bar CR bar BR bar TR rpm CR rpm BR rpm

Fig. 7A. Molino 1 – relación presión – velocidad.

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

10:5

2:18

11:0

6:30

11:2

0:42

11:3

4:55

11:4

9:07

12:0

3:19

12:1

7:31

12:3

1:43

12:4

5:56

13:0

0:08

13:1

4:20

13:2

8:32

13:4

2:44

13:5

6:57

14:1

1:09

14:2

5:21

14:3

9:33

14:5

3:45

15:0

7:57

Velo

cida

d

Pres

ión

Tiempo

Molino 2

TR bar CR bar BR bar TR rpm CR rpm BR rpm

Fig. 7B. Molino 4 – relación presión – velocidad.

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

10

:54

:48

11

:08

:32

11

:22

:16

11

:36

:01

11

:49

:45

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:03

:29

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:17

:13

12

:30

:58

12

:44

:42

12

:58

:26

13

:12

:10

13

:25

:54

13

:39

:38

13

:53

:22

14

:07

:06

14

:20

:50

14

:34

:34

14

:48

:18

15

:02

:02

Vel

oci

dad

Pre

sió

n

Tiempo

Molino 3

TR bar CR bar BR bar TR rpm CR rpm BR rpm

Fig. 7C. Molino 3 – relación presión – velocidad.

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

020406080

100120140160180200

11

:27

:15

11

:38

:49

11

:50

:23

12

:01

:57

12

:13

:31

12

:25

:06

12

:36

:40

12

:48

:14

12

:59

:48

13

:11

:22

13

:22

:56

13

:34

:30

13

:46

:04

13

:57

:38

14

:09

:12

14

:20

:46

14

:32

:20

14

:43

:54

14

:55

:28

Vel

oci

dad

Pre

sió

n

Tiempo

Molino4

TR bar CR bar BR bar TR rpm CR rpm BR rpm

Fig. 7D. Molino 4 – relación presión – velocidad.

Tabla I - Resultados numéricos promedios de todas las mediciones MOLINO Mediciones PRESIÓN VELOCIDAD TORQUE POTENCIA

TR bar CR bar BR bar TR RPM FCR FBR Total Nm TR % CR % BR % Total kW TR % CR % BR %

2008 ESC. 3 195 121 203 5.0 1.00 1.00 1493417 51 21 28 781 51 21 28

2008 ESC. 2 186 197 188 5.0 1.04 0.98 1529224 55 19 26 800 55 19 26

2008 ESC. 1 187 180 184 5.0 1.15 0.95 1577250 51 24 25 821 50 27 23

1 2008 ESC. 1 188 184 172 6.0 1.15 0.95 1564145 51 25 24 1006 50 28 22

2009-1A 156 165 166 6.5 1.04 0.92 1391719 49 26 26 910 49 27 24

2009-1B 158 162 156 6.5 1.03 0.91 1370462 50 25 25 894 51 27 22

2009-2 158 151 155 6.2 1.03 0.91 1309833 51 24 25 841 52 25 23

2008 ESC. 3 192 162 201 5.7 1 1 1067541 52 21 27 630 52 22 27

2008 ESC. 2 190 189 193 5.5 1.06 98 1090592 50 25 25 635 49 26 25

2008 ESC. 1 198 185 189 5.6 1.03 0.97 1101944 51 24 25 643 51 25 24

2 2008 ESC. 1 195 194 190 6.7 1.03 0.97 1107455 50 25 25 777 50 26 24

2009-1A 156 158 169 6.6 1.05 0.90 922561 49 25 26 617 49 26 24

2009-1B 162 156 162 6.7 1.05 0.89 927151 50 24 25 627 51 27 22

2009-2 158 150 148 6.9 1.05 0.89 860216 52 24 24 608 52 26 22

2008 ESC. 3 188 171 212 5.1 1.01 0.98 1084312 49 22 28 584 50 23 27

2008 ESC. 2 192 186 197 5.0 1.03 0.95 1097073 50 24 26 572 50 25 25

2008 ESC. 1 194 199 195 5.2 1.03 0.95 1120708 50 25 25 614 50 26 24

3 2008 ESC. 1 198 202 192 6.0 1.03 0.95 1135501 50 26 24 715 50 27 23

2009-1A 156 162 169 6.2 0.99 0.82 896636 47 26 27 541 49 27 24

2009-1B 153 161 155 6.3 0.98 0.80 895730 49 26 25 543 52 27 21

2009-2 152 165 158 6.5 1.00 0.88 879676 49 26 25 583 50 27 23

2008 ESC. 3 185 159 210 4.9 1.02 0.98 1052240 50 21 29 546 50 22 28

2008 ESC. 2 188 175 198 4.8 1.04 0.95 1069083 50 23 27 539 50 24 25

2008 ESC. 1 190 192 195 5.0 1.05 0.94 1095205 50 25 25 570 50 26 24

4 2008 ESC. 1 189 194 196 5.8 1.05 0.94 1098780 49 25 26 669 49 27 24

2009-1A 157 149 164 6.1 1.05 0.92 904055 50 24 26 558 51 25 24

2009-1B 156 155 161 6.1 1.06 0.91 903403 50 25 26 558 50 26 24

2009-2 154 161 151 6.4 1.05 0.91 870705 50 26 24 575 50 28 22

Tabla II - Potencias totales consumidas en el tándem completo

MEDICIONES MOLINO 1 RPM POTENCIA TANDEM KW

2008 ESC. 3 5.0 2541

2008 ESC. 2 5.0 2546

2008 ESC. 1 5.0 2648

2008 ESC. 1 6.0 3167

2009-1A 6.5 2626

2009-1B 6.5 2622

2009-2 6.3 2607

Tabla III - Resultados del laboratorio

Mediciones Molienda Extraccion Pol en el Humedad en Fibra en caña

TCH % bagazo % el bagazo % %

2008 572 95.65 2.7 48.5 12.42

2009 - 1 578 96.13 2.24 47.9 11.6

2009 - 2 602 95.94 2.4 48.3 12.09

CONCLUSIONES

Con los accionamientos individuales el molino puede ser operado con diferentes distribuciones de

velocidades entre los rodillos pudiendo operar el molino con las misma velocidad periférica de todos los

rodillos o con las mismas revoluciones de todos los rodillos como en los molinos convencionales o

cambiando la relación de velocidades de las mazas inferiores con respecto a la maza superior buscando mayor velocidad de la maza cañera (mejor alimentación) y menor velocidad de la maza bagacera (menor

reabsorción). Esta última opción para los ajustes del molino convencionales se puede obtener ajustando las

velocidades de los rodillos para mantener similar presión en todos los motores hidráulicos lo que da como resultado el mismo torque aplicado en los extremos de ejs de todos los rodillos. Para esta opción todos los

accionamiento hidráulicos pueden ser operados en su capacidad óptima, maximizando el torque en el molino,

evitando la sobrecarga de los sistemas hidráulicos y generando los mismos esfuerzos en los extremos de los ejes de rodillos.

En el Ingenio Santa Isabel el uso del escenario de la misma presión en todos los motores hidráulicos ayudo

obtener mejores resultados de operación comparando con el año anterior. El tándem de cuatro molinos estaba

moliendo 600 TCH con la extracción máxima 97% y con la extracción en el molino 1 hasta 84%. Estos resultados fueron logrados con el consumo total de potencia menor que el año anterior.

Los futuros trabajos deben de enfocarse al encontrar los valores óptimos de la distribución de las velocidades

para la distribución del torque 50, 25, 25% optimizando los ajustes de los molinos para estas nuevas condiciones de trabajo.

REFERENCIAS

Abon, J.F. (1986). Utilisation of hydraulic motors for the individual drive of sugar-cane rollers.

Their results after three sugar-cane crops. Proc. Int. Soc. Sugar Cane Technol. 19: 850–859.

Muñoz, G., Lewinski, J. (1996). Analysis of the mechanical performance of a sugar cane mill.

ISJ, 98: 574–578.

Lewinski, J. (2005). Electro-hydraulic assist drives for sugar mills. ISJ, 107: 532–538.