Diseño de un sistema de recuperación de energía de frenado para camiones mineros CAT 777D

Abstract

Debido a los recurrentes llamados para cambio de freno delantero con pocas horas y, con evidente desgaste en la mayoría de los camiones CAT 777D presentes en empresa DRUMMOND LTD. impactando en costos de mantenimiento, se decide analizar las acciones que llevan a estos componentes a dicha condición de operación resultando como causa raíz las altas cargas de frenado. El escenario considerado, con base en mediciones de los ciclos de trabajo, analiza los camiones que se encuentran frenando en descenso a pendientes de 30% desde velocidades de 54 a 41.8 km/h en 22 segundos. Es por esto, que el presente proyecto se enfoca en el diseño de un sistema que reduzca la carga a la que están sometidos los discos y al mismo tiempo, recupere parte de la energía de estos para ser usada en el accionamiento del sistema de levante de la tolva del camión. Se presentan tres alternativas, cuyos sistemas de almacenamiento son mecánico: volante de inercia; eléctrico: banco de baterías; hidráulico: acumulador, determinando, bajo criterios técnico-económicos, aquella con el mejor desempeño. La alternativa seleccionada fue el sistema hidráulico cuyos componentes principales son un embrague hidráulico, una bomba variable de pistones axiales, un sistema de transmisión de engranajes helicoidales y un acumulador de pistón. El embrague y la bomba fueron seleccionados mientras que los engranajes helicoidales fueron diseñados bajo la norma AGMA B-89 y el acumulador hidráulico según la norma ASME para recipientes a presión. El diseño tuvo en cuenta la dinámica tanto del camión, como de los componentes rotativos del mismo. Simultáneamente, un trazado de las líneas hidráulicas con su respectivo algoritmo de control es propuesto. El sistema cumple con los requerimientos de levante bajo los ciclos de trabajo definidos en el análisis, disminuyendo en un 79.8% la potencia que reciben los discos frontales en el escenario considerado, con un volumen del 3.8% respecto al volumen útil del camión.

Due to the recurring calls for change of front brake with few hours and, with evident wear on most of the CAT 777D trucks present in DRUMMOND LTD. impacting on maintenance costs, it is decided to analyze the actions that lead these components to those operating condition, resulting in high braking loads as the root cause. The scenario considered, based on measurements of the work cycles, analyzes the trucks that are braking in descent to 30% slopes from speeds of 54 to 41.8 km / h in 22 seconds. For this reason, the present project focuses on the design of a system that reduces the load to which the disks are subjected and at the same time, recovers part of their energy to be used in the operation of the lifting system of the hopper of the truck. Three alternatives are proposed, whose storage systems are mechanical: flywheel; electric: battery bank; Hydraulic: accumulator, determining, under technical-economic criteria, the one with the best performance. The alternative selected was the hydraulic system whose main components are a hydraulic clutch, a variable axial piston pump, a helical gear transmission system and a piston accumulator. The clutch and pump were selected while the helical gears were designed under the AGMA B-89 standard and the hydraulic accumulator according to the ASME standard for pressure vessels. The design took into account the dynamics of both the truck and its rotating components. Simultaneously, an outline of the hydraulic lines with their respective control algorithm is proposed. The system meets the lifting requirements under the work cycles defined in the analysis, reducing the power received by the front disks in the scenario considered by 79.8%, with a volume of 3.8% with respect to the useful volume of the truck.