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I. INTRODUCCIÓN

1.1 Generalidades.

La industria moderna con la globalización de la economía ha entrado en un

mercado altamente competitivo que la ha obligado ha revaluar todos sus

procesos productivos para determinar en cuales no es rentable y reformarlos o

en caso contrario prescindir de ellos porque de otra manera estaría condenada

a mediano o a largo plazo a tener que cerrar sus puertas con graves perjuicios

para sus inversionistas y trabajadores. Con el fin de incrementar su

productividad la industria ha venido implementando programas como los de

Re-ingeniería en todos sus procesos, Círculos de Calidad Total,

Mantenimiento Productivo Total y otros tantos que han venido apareciendo en

la medida en que los que se están utilizando muestran sus debilidades y

quedan obsoletos. [6]

Reingeniería es el rediseño rápido y radical de los procesos estratégicos –y de

los sistemas…– para optimizar los flujos de trabajo y la productividad de una

organización. El Objetivo primario de la reingeniería lo constituyen aquellos

que son a la vez estratégicos y proporcionan valor agregado. [7]

El mantenimiento de un equipo, máquina o unidad operativa debe realizarse

desde un enfoque sistémico, de manera que permita planear, ejecutar,

coordinar y controlar de una manera muy efectiva todas las actividades, tareas

y acciones propias del mantenimiento para el mejoramiento de la producción.

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Fig. N° 01. Selección de los Objetivos primarios para la Reingeniería. [7]

En estos nuevos tiempos de avance científico – tecnológico debemos lograr la

integración de todas las áreas sistémicas del mantenimiento, la elaboración de

una estrategia con sus respectivas actividades para realizar una gestión y

operación efectivas del mantenimiento, mediante la utilización de las mejores

prácticas internacionales, adaptándolas a las propias, el logro de un alto nivel

de desempeño en los sistemas productivos con altos índices de confiabilidad

en el mantenimiento, asegurando la disponibilidad de los equipos al más bajo

costo de inversión, con la máxima rentabilidad, la eliminación de tareas

inapropiadas en el mantenimiento, predicción y control de las fallas,

optimizando los recursos humanos y físicos de la empresa. [12]

Todas las modificaciones estructurales a las máquinas o equipos deben

considerar un nuevo cálculo que tome en cuenta las nuevas prestaciones de

resistencia mecánica, tanto en su proceso de trabajo en condición estable, así

como en condiciones dinámicas, introduciendo factores o cargas adicionales

que revelen estas prestaciones máximas; además previniendo que los

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diferentes elementos de la máquina o equipo fallen por fatiga debido al trabajo

cíclico, característico en un alto porcentaje de la maquinaria existente. [18]

La Reingeniería cómo única alternativa de solución a los problemas de una

empresa no ofrece efectos milagrosos, ni es un remedio coyuntural, temporal y

fácil de conseguir; es más bien cambiar un paradigma, empezar de cero,

realizar cambios estructurales profundos que se concretan con pensamiento

estratégico y mucho esfuerzo por parte de todo el personal de una empresa y

no sólo de los responsables de dirigir los cambios.

Sea cual sea el caso la mayoría de los programas cumplen bien o mal con el

objetivo de bajar los costos de producción y mejorar la calidad de los

productos; dicho en otras palabras incrementan la productividad de los

procesos y por consiguiente la de las empresas. [6]

1.2 Realidad Problemática.

Aún con el avance tecnológico actual, existen equipos de izaje con problemas

particulares, por un lado la regulación de las zapatas de frenos, sistema

hidráulico (fugas en cilindros y fallas en bombas hidráulicas); luego el sistema

eléctrico (Banco de resistencias), el sistema de control y/o seguridad (Lily

Control); pero el problema es aún mayor si se trata de una modificación para

cumplir nuevas prestaciones de extracción.

En todos los casos se hacen necesarios estudios profundizados que centren

su atención tanto en la geometría de la maquinaria, en las dimensiones de sus

diferentes componentes y en el cálculo de la frecuencia de izaje, para

ponerlos en un óptimo estado estructural y operacional.

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En labores mineras subterráneas, la maquinaria y equipo utilizado para la

extracción del mineral juega un papel muy importante, puesto que permite un

mayor avance en la explotación y manejo del material.

Además, resulta necesario que aquella maquinaria sea utilizada con eficiencia

y eficacia, con altos índices de rendimiento operacional y funcional. De esta

manera se hace necesario que los equipos estratégicos tengan un alto

rendimiento, basado en recomendaciones ingenieriles para su óptima

explotación [5]

Fig. N° 02. Configuración del sistema de Izaje en pique María. Fuente Propia

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II. ANTECEDENTES

Los primeros dispositivos de elevación y transporte fueron las palancas, los

rodillos y los planos inclinados. La realización de grandes trabajos de

construcción con este tipo de equipamiento exigía enorme cantidad de gente.

Georg Bauer (1490 – 1565) trabajó como médico en los centros mineros de

Sajonia; en su obra “De re Metallica”, del año 1556, aparece el esquema de

un aparato de elevación en una mina. Georg Bauer describe el uso de ruedas

dentadas y de cadenas movidas por caballos, para la extracción del mineral.

Agustín Betancourt, en su obra “Memorias de las reales Minas de Almadén” se

puede encontrar un sistema de elevación compuesto por un tambor y un freno

mecánico que permitía la detención de la operación de un forma simple y

cómoda así como el diseño de una cabina que se desplazaba sobre guías y

que podía ser utilizada para subir el mineral por los pozos inclinados. En este

documento se exponen también problemas siempre presentes en la historia de

la elevación como es el peso de los cables y cadenas, y formas de optimizar la

disposición de ambos con objeto de reducir el peso propio de los mismos.

Aún con todos los adelantos y cambio sufridos en la evolución de este tipo de

equipos, no fue sino hasta 1852 que Elisha Graves Otis diseña un ascensor

hidráulico con un sistema de seguridad altamente fiable. Así en 1861, Otis

patentó un motor de vapor controlado independientemente especialmente

adaptado para la elevación, instalándose en 1862.

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Fig. N° 03. Máquina de un ascensor accionado mediante un tambor movido a

vapor correspondiente a la primera patente de Elisha Graves Otis. [1]

2.1. La tracción eléctrica.

El equipo de izaje eléctrico tuvo desde sus comienzos en 1889 un gran éxito

por su menor coste de instalación y funcionamiento; aún así presentaba varios

inconvenientes, siendo el de mayor importancia la tambora de tracción que

limitaba su tamaño. Así aparece un elemento constitutivo que pasa a ser de

real importancia y completa el conjunto del equipo: La polea de tracción.

Este tipo de ascensor no tiene limitación en altura, siempre y cuando la

tambora pueda soportar el volumen de cable. Como ejemplo sirva la

instalación en una mina en Sudáfrica que desciende a una profundidad de 600

metros.

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Como problemas técnicos a resolver en estos equipos de tan elevada altura de

izaje eran el peso propio de los cables y los esfuerzos en el eje de la polea y

en sus apoyos. [1]

En un yacimiento minero donde el acceso a la mina no es posible por

socavones de cortada o túneles; cuando se quiere profundizar una mina en

plena operación o se quiere extraer mineral o desmonte; cuando se quiere

introducir materiales, maquinarias y el mismo personal; y no se tiene

socavones principales, se recurre a la utilización de infraestructura y

maquinaria de izaje

La variedad de maquinarias de izaje, potencia del motor y necesidad de las

operaciones, hacen la selección y elección del tamaño de los sistemas de

izaje. Esta elección, facilita que una gran, mediana y pequeña minería y

minería artesanal decidan por las soluciones de los problemas de transporte

vertical. Lo importante es que, se evita el sobreesfuerzo humano, al utilizar

estas maquinarias; que permiten mejorar la productividad y la velocidad de

extracción vertical o inclinada.

En necesario comentar también que, además de las excavaciones

subterráneas para la explotación de yacimientos o para la apertura de

cámaras de grandes dimensiones, existen labores como son los piques o

pozos y las chimeneas verticales o inclinadas que se caracterizan por el

trazado lineal y las dificultades de perforación; las cuales, han sido superadas

en estos últimos tiempos, mejorando los avances y el control preventivo de

riesgos, superación de los peligros propios de la construcción de este tipo de

infraestructuras, que son sinónimos de alta seguridad en winches y piques o

pozos subterráneos.

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El Winche de izaje, es una maquinaria utilizada para levantar, bajar, empujar o

tirar la carga; el Winche de izaje, es utilizado también para bajar e izar

personal del interior de la mina; siempre que cumpla con exigencias mínimas

de seguridad.

En otras palabras el sistema de izaje a través de los Piques de una mina, tiene

semejanza a los ascensores de los edificios; en las minas importantes del

Perú, se utiliza el Winche como maquinaria principal de transporte vertical

(para el arrastre de mineral, se utilizan los winches de rastrillaje).

Equipos similares de izaje son los elevadores eléctricos de aire o hidráulicos,

grúas móviles, puentes-grúa, malacates y tecles. [3]

2.2. Desarrollo de la Máquina de Extracción

Los primeros registros de las máquinas de extracción datan en “De re

Metallica” Obra del médico Georg Bauer (1490 – 1565), quien trabajó como

médico en los centros mineros de Sajonia. Desde entonces, durante 300

años estas máquinas quedaron sin modificación alguna. Se registran en el

caso de pequeñas profundidades (hasta 40 m.) y pequeñas cantidades de

extracción (del orden de los 25 kg.); para profundidades mayores (en Sajonia

hasta 280 m.) y mayores cargas útiles (hasta 500 kg) se empleaban caballos,

la producción horaria era de 2 TN.

Sólo a comienzos del siglo XIX, después de la introducción como

accionamiento de la máquina de vapor, empieza un rápido desarrollo de la

técnica de extracción por pozos. Las primeras máquinas de extracción de

vapor eran verticales de un cilindro de baja presión (2 a 3 kg/cm2) con

escape a la atmósfera y transmisión por balancín. Su potencia media era de

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cerca de 10 CV. En el año 1835 la profundidad media en Westfalia era de

120 a 150 m, la carga útil de 300 kg, la velocidad de 0,3 a 0,5 m/s. En el

Harz en este tiempo ya se alcanzaron profundidades de 400 a 600 m.

En el año 1840 aparece en Alemania la primera máquina horizontal

directamente acoplada, sin balancín y de presión de vapor mayor. La

potencia de la máquina en el año 1860 alcanzaba a 100 CV y la carga útil a 2

TN. Las dificultades del arranque se eliminaron, agregando al primer cilindro

horizontal un segundo cilindro, cuyo sistema biela – manubrio se colocaba a

90º con el primero. De este modo, hacia 1850 aparece la máquina de vapor

de dos cilindros. La velocidad de extracción alcanzó a 3 m/s.

En el año 1834 aparecieron en Harz los primeros cables de extracción

metálicos. La ventaja principal de los cables de alambres metálicos de aquel

tiempo era su peso por metro lineal de aproximadamente un tercio del cable

orgánico comparable y su duración de vida en pozos húmedos por lo menos

cuatro veces mayor.

Con el avance a profundidades mayores (éstas eran en el año 1865 en

Alemania comúnmente cerca de 300 m.) aumentó el peso del cable por

metro lineal. Con esto creció en los tambores cónicos la conicidad que era

necesaria para la igualación del peso del cable. Debido a que con

profundidades mayores los tambores cónicos no permitían la igualación

completa del cable, se crearon de éstos más tarde los tambores espirales, en

los cuales el cable corre en soportes perfilados. En estos tipos de tambores,

el menor diámetro del tambor se determina por la relación D = (80 - 100).d,

donde d es el diámetro del cable, y el diámetro mayor por el largo o el peso

del cable, que se debe igualar. De este modo se fabricaron a finales del siglo

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XIX enormes tambores. El diámetro mayor en los tambores espirales alcanzó

a 13.5 m. Por ejemplo, la máquina de vapor de dos cilindros, con dos

tambores cónicos, instalada sobre el pozo Alemania de 630 m de

profundidad de la Cía. Alemania, en Ölsnitz, en el año 1905 tenía Dmáx = 8.5

m, Dmín = 4.5 m, carga útil de 4 TN, velocidad de 13 m/s, presión de vapor de

10 kg/cm2, temperatura de 220 ºC. En tal máquina un serio problema era el

frenado al final de la cordada, debido a la gran energía cinética acumulada

por el sistema.

Para reducir la energía cinética de las masas en movimiento, apareció una

forma intermedia entre el tambor cilíndrico y el tambor cónico o espiral: el

tambor bicilindrocónico. Con esto se sacrificó una parte de la igualación de

fuerzas pero se obtuvieron relaciones de aceleración más favorables. Otro

notorio inconveniente de los tambores cónicos y bicilindrocónicos reside en

la imposibilidad de enjaular las vagonetas simultáneamente en jaulas de

varios pisos en ambos enganches, debido a los recorridos diferentes

efectuados por las jaulas en la superficie y en el interior, como consecuencia

de los diferentes diámetros de ambos tambores.

En el año 1877 se creó en Alemania un nuevo tipo de accionamiento, la

polea de fricción, en la cual el esfuerzo motor se transmite a los cables por la

ecuación de Euler T = eμα. Mientras que con las máquinas de tambor cada

recipiente de extracción tiene su cable propio cuyo otro extremo está fijo al

tambor, en el sistema Koepe ambos recipientes están suspendidos sobre el

mismo cable, que descansa encima de la polea Koepe y recibe su

movimiento por fricción.

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En el año 1885 apareció un nuevo tipo de accionamiento: la máquina de

vapor compound o sea de doble expansión de vapor, cuya ventaja residía en

la mejor utilización del vapor, pero a costo de una construcción mayor. Para

poder utilizar el cilindro de baja presión para arranque, se debía conducir a

éste mediante una válvula especial el vapor vivo. Este inconveniente fue

eliminado 15 años más tarde en la máquina tándem, que representa un

acoplamiento de dos máquinas una tras otra, una de ellas de alta presión, y

la otra de baja presión. Los émbolos de alta y de baja presión se fijan sobre

un mismo vástago y trabajan sobre el mismo manubrio. En el año 1900 la

potencia de la mayor máquina de vapor compound tándem considerada

como la mayor máquina de extracción del mundo, era de 5000 CV, y estaba

instalada en Tamarack Mining Corp. en Canadá.

Al comienzo del siglo XX aparecieron en Alemania los primeros

accionamientos eléctricos, que muy pronto hicieron gran competencia a la

máquina de vapor. Eran los motores de corriente continua en derivación con

reóstato, de potencia limitada. Su carga útil era cerca de 1 TN, su velocidad

de 3 a 5 m/s y la profundidad de extracción 200 m.

Pocos años más tarde en los accionamientos mayores se introdujo el

sistema de conexiones Leonard, consistente en un motor de extracción de

corriente continua y excitación independiente, alimentado por un grupo motor

generador. No obstante la transformación de la energía, las pérdidas totales

eran relativamente pequeñas. La máquina de extracción de Koepe instalada

en 1907 sobre el pozo 5 de Rheinpreussen A. G., fue proyectada para una

carga útil de 3,3 TN y una velocidad de 18 m/s desde la profundidad de 600

m. La potencia de los motores era de 2 x 430 kW.

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Otro problema a resolver radicaba en la eliminación de la repercusión que las

grandes máquinas de extracción eléctricas ejercían sobre otros

consumidores de corriente eléctrica, en las redes de reducida potencia de

aquellos tiempos. Con este fin se fabricaron baterías de acumuladores

conectadas en paralelo con la red alimentadora o volante pesado de Ilgner

sobre el eje del grupo convertidor de Leonard, cuya energía cinética

descargaba el accionamiento del grupo motor – generador en los picos de

consumo. Más tarde, al aumentar la potencia de las usinas eléctricas y al

mejorar las redes eléctricas, estos volantes y baterías resultaron

innecesarios.

Gran ventaja de la máquina de corriente continua es su fácil regulación: la

velocidad del motor de extracción depende únicamente de la posición de la

palanca de conducción, mientras que en la máquina de vapor la velocidad de

extracción depende no sólo de la posición de la palanca de conducción, sino

de la carga extraída y la posición del manubrio.

En consecuencia, con la máquina de vapor deben utilizarse frenos pesados y

largos trechos de frenado, por el contrario en los accionamientos Leonard la

posición de la palanca de regulación por si sola lleva la máquina al número

de revoluciones deseado, y los frenos se utilizan únicamente como agentes

de retención durante las paradas.

Casi al mismo tiempo que las primeras grandes máquinas de corriente

continua, se desarrolló en Alemania también la primera gran máquina de

corriente alterna. El motor fue proyectado para la extracción de una carga útil

de 2.2 TN desde 700 m. de profundidad y con una velocidad de 16 m/s. Pero

debido a la difícil regulación del motor trifásico, pronto resultó en aquel

13

tiempo como inapropiada. Hasta el año 1920 la utilización del motor trifásico

se limitaba a instalaciones pequeñas, hasta de 300 kW. Para la reducción de

su relativamente alta velocidad necesitaba reductores.

En el año 1907 aparecieron las primeras máquinas instaladas en la torre,

cuyas ventajas son economía de lugar y la posibilidad al pasar a niveles más

profundos, de utilizar la instalación existente, mientras se construye la nueva.

Después de la primera guerra mundial se crearon reguladores apropiados

para las máquinas trifásicas que trabajaban con ayuda de un valor de

referencia o un regulador hidráulico. Pero en los primeros tiempos la

potencia de las máquinas era relativamente pequeña, y sólo al comienzo de

la década del cincuenta, después del descubrimiento del freno dinámico o

regulación por baja frecuencia, se crearon accionamientos de una potencia

de hasta 2 000 kW.

Alrededor de 1915, en lugar de la conexión del grupo convertidor Leonard,

para la alimentación de la máquina de corriente continua se introdujo el

rectificador de corriente regulado por rejilla. Al mismo tiempo apareció la

máquina de vapor rápida de triple expansión. La presión de vapor era de 40

kg/cm2, su temperatura 300 ºC. En el año 1930 la carga útil alcanzó 10 TN, y

la profundidad entre 700 m. a 800 m.

Corto tiempo después de la segunda guerra mundial apareció una nueva

técnica de extracción (Koepe multicaule, que permitió aumentar la capacidad

de extracción a profundidades mayores, mediante el aumento de la carga

útil. La primera gran máquina Koepe cuadricable se instaló en el año 1947

sobre el pozo 2 de la mina Hannover de la Hütten), que extraía una carga útil

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de 12 TN desde 750 m. de profundidad, y que después fue reconstruida para

1350 m. En África del Sur se encuentra la instalación de cuatro cables de

mayor profundidad, de 2 200 m. Tiene carga útil de 12 TN con accionamiento

por corriente alterna.

En cuanto a variaciones realizadas a las máquinas de extracción, se tiene

registros que el mayor aumento de la profundidad de explotación se realizó

en Inglaterra alrededor de 1955 desde 310 a 396 m. con 86 m. de

incremento. También ha aumentado mucho la profundidad de explotación del

carbón alrededor de 1960 en Alemania, de 647 a 727 m. o sea en 80 m.

También alrededor de 1965 en Francia aumentó de 447 a 520 m.

Las profundidades en Alemania llegaron hasta 1400 m. La carga útil de 20 a

30 TN y en algunos casos sobrepasan este valor, además de ello la

tendencia es cada vez más mecanizar y automatizar la extracción. Las minas

más profundas de África del Sur e India sobrepasan los 3 000 m. sus labores

se hacen escalonadas de dos instalaciones en serie.

La mayor máquina de extracción del mundo es la del pozo 6 de la mina Sofía

Jacoba, puesta en servicio desde 1965 para una extracción por jaula – skip

con carga útil máxima de 44.8 TN, su velocidad de extracción de 20 m/s y su

profundidad máxima de 1100 m. El tambor Koepe para 4 cables es de 62

mm de diámetro, tiene 6.3 m. de diámetro; 2 motores de corriente continua

de una potencia total de 11 600 kW. Con regulación según el principio de

Leonard, para alimentación se utilizan rectificadores.

Finalmente mencionaremos un tipo de máquina de tambora Blair que se

instaló en la Unión Sudafricana en la mina Presidente Brand. Tiene dos

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cables por recipiente, extracción con skips, carga útil de 10 TN, velocidad de

extracción de 15.3 m/s desde una profundidad de 1600 m. diámetro de los

cables de 28.6 mm, la potencia de cada una de las dos máquinas Leonard es

de 2 300 kW. [2]

2.3. Winches de Izaje en el Perú.

En el Perú existen un sinnúmero de equipos de extracción en diferentes

unidades mineras, estos constituyen los equipos principales de la minería

subterránea. Ejemplos resaltantes de winches de izaje tenemos en las minas

de Casapalca (Yauliyacu – Glencord), Cerro de Pasco (Paragsha, Chungar –

Volcán Cía. Minera), Unidad de Producción Uchucchacua (Chacua –

Buenaventura), Morococha (Natividad – Pan American Silver)

En el país existen algunas empresas que ofrecen el servicio de fabricación e

instalación de winches de izaje para minería, pero es escasa la información

que ofrecen para una modificación del tipo longitud de izaje o capacidad de

carga, lo que hace pensar que este tipo de trabajos obedece a un estudio

minucioso y dedicado, antes de ofrecer algún comentario o recomendación.

Se ha encontrado un trabajo de tesis desarrollado por el Ing. Iván Marmolejo

en el Winche de Izaje Manuelita, de esta misma unidad minera, donde trata

el tema de la automatización del sistema de control y seguridad (mandos y

frenos) mediante un sistema de electroválvulas y mediante modelamiento

obtiene curvas de funcionamiento elementales para el correcto

funcionamiento del equipo.