Ingeniero Civil Mecánico / La minería representa un gran porcentaje de la actividad económica del país. En este contexto, el estudio del proceso de obtención de mineral puro y los equipos utilizados toman gran relevancia, entre estos los molinos de bolas para el chancado del mineral. Los molinos presentan estructuras de soporte llamados trunnions que se apoyan en una superficie alimentada por aceite a presión para evitar el desgaste. Eventualmente, se ha encontrado que un trunnion del molino presenta desgaste de la superficie interior y fisuras axiales en su superficie exterior. El propósito de esta memoria es estudiar la respuesta de la resistencia mecánica del trunnion a medida que pierde espesor hasta alcanzar un estado con fisuras, cuando está sometido a las cargas de operación nominales. El problema se aborda mediante la teoría de fatiga para el estudio de la aparición de grietas, y con la teoría de la mecánica de la fractura para el avance de grieta, siempre dentro del rango elástico lineal. El estudio es de carácter teórico numérico en base a una modelación CAD del molino con sus principales componentes, que es sometido a simulaciones en elementos finitos para determinar el estado de esfuerzos del molino y en particular del trunnion. El estudio comprende tres casos, que corresponden al molino con sus trunnion sin defectos, al molino con un trunnion desgastado en su superficie interior y finalmente al molino con el mismo trunnion desgastado y con la presencia de una fisura axial. La evaluación de falla al primer ciclo para el trunnion en su estado normal y con desgaste de su superficie interior entrega factores de seguridad de 18,97 y 7,36 respectivamente, por lo que soporta perfectamente los esfuerzos máximos debido al estado de operación nominal. La evaluación de la vida a la fatiga del trunnion en su estado normal entrega un factor de seguridad de 6,27, y en presencia del desgaste uno de 1,86, por lo que el trunnion presenta una vida infinita a la fatiga aun estando desgastado. Dado lo anterior, se cree que la fisura aparece por fallas en el sistema de lubricación que generarían un roce excesivo en el trunnion capaz de provocar la falla de la pieza. Cuando el trunnion está desgastado y con una fisura de longitud menor en la superficie interior que la exterior, se concluye que la fisura avanza por la superficie interior por sus dos puntas. Para detener el avance de la fisura, se propone un redondeo de los frentes de fisura y el relleno con un material adherente que soporte las cargas de operación nominales.

Esta tese propõe avaliar a integridade estrutural de projetos de válvulas do tipo esfera trunnion e/ou gaveta. Por meio desta pesquisa, são avaliados os principais modos de falhas e parâmetros funcionais. Os estudos foram realizados utilizando a técnica dos elementos finitos e permitiram a construção de modelos para avaliar os seguintes modos de falha. (i) colapso estrutural dos principais componentes; (ii) vazamento na interface esfera/sede; (iii) travamento do sistema de acionamento devido à influência da vazão de escoamento do fluido. A avaliação da integridade estrutural é de fundamental importância para mitigar e/ou evitar erros, durante a fase de desenvolvimento de válvulas. Os modelos desenvolvidos também possibilitam o aprimoramento de novos projetos de válvulas e o aperfeiçoamento de projetos já desenvolvidos. O estudo proposto pode ser utilizado como indicador da qualidade de projeto de válvulas, auxiliando a equipe de desenvolvimento no dimensionamento de novos produtos, permitindo assim a avaliação dos requisitos funcionais e a avaliação da possível melhoria do projeto. Os resultados mostraram que o uso do método dos elementos finitos durante as fases iniciais do processo de desenvolvimento de válvulas é extremamente útil na concepção de novos produtos, permitindo a elaboração de produtos otimizados, sendo que por meio de um conhecimento multidisciplinar falhas prematuras podem ser detectadas nas fases iniciais do processo de desenvolvimento de projeto de válvulas, possibilitando com isso o desenvolvimento de um projeto mais racional com melhoria significativa de qualidade, confiabilidade, desempenho e competividade. O uso do método dos elementos finitos também possibilita uma redução do número de ensaios com protótipos físicos, o tempo de desenvolvimento e consequentemente o custo final do produto. / This thesis proposes to evaluate the structural integrity of the trunnion ball valves and/or gate. By means of this research, are evaluated main failure modes and functional parameters. The studies were conducted using the finite elements technique and allowed the construction of models to evaluate the following modes of failure. (i) structural collapse of the main components; (ii) leakage in the ball/seat interface; (iii) torque and/or locking of drive system due the influence of fluid flow rate. The evaluation of the integrity structural is of fundamental importance to mitigate and/or avoid errors, during the valve development phase. The models developed also enable the improvement de new valves design and the upgrade the valves design already developed. The proposed study can be used as an indicator the quality of valves design, assisting the development team in the design of new products, thus enabling the assessment of the functional requirements and evaluation of possible improvements in the design. The results showed that the use of finite element method during the early stage of valve development process is extremely useful in the conception the new products, allow to develop products optimized, and by means of a multidisciplinary knowledge premature failures can be detected in the early stages of the product design, besides enable the development of a design more rational with significant improvement in quality, reliability, performance and competitiveness. The use of finite element method also allows reduction the number of with physical prototype tests, time of development and the final cost of the product.

Esta tese propõe avaliar a integridade estrutural de projetos de válvulas do tipo esfera trunnion e/ou gaveta. Por meio desta pesquisa, são avaliados os principais modos de falhas e parâmetros funcionais. Os estudos foram realizados utilizando a técnica dos elementos finitos e permitiram a construção de modelos para avaliar os seguintes modos de falha. (i) colapso estrutural dos principais componentes; (ii) vazamento na interface esfera/sede; (iii) travamento do sistema de acionamento devido à influência da vazão de escoamento do fluido. A avaliação da integridade estrutural é de fundamental importância para mitigar e/ou evitar erros, durante a fase de desenvolvimento de válvulas. Os modelos desenvolvidos também possibilitam o aprimoramento de novos projetos de válvulas e o aperfeiçoamento de projetos já desenvolvidos. O estudo proposto pode ser utilizado como indicador da qualidade de projeto de válvulas, auxiliando a equipe de desenvolvimento no dimensionamento de novos produtos, permitindo assim a avaliação dos requisitos funcionais e a avaliação da possível melhoria do projeto. Os resultados mostraram que o uso do método dos elementos finitos durante as fases iniciais do processo de desenvolvimento de válvulas é extremamente útil na concepção de novos produtos, permitindo a elaboração de produtos otimizados, sendo que por meio de um conhecimento multidisciplinar falhas prematuras podem ser detectadas nas fases iniciais do processo de desenvolvimento de projeto de válvulas, possibilitando com isso o desenvolvimento de um projeto mais racional com melhoria significativa de qualidade, confiabilidade, desempenho e competividade. O uso do método dos elementos finitos também possibilita uma redução do número de ensaios com protótipos físicos, o tempo de desenvolvimento e consequentemente o custo final do produto. / This thesis proposes to evaluate the structural integrity of the trunnion ball valves and/or gate. By means of this research, are evaluated main failure modes and functional parameters. The studies were conducted using the finite elements technique and allowed the construction of models to evaluate the following modes of failure. (i) structural collapse of the main components; (ii) leakage in the ball/seat interface; (iii) torque and/or locking of drive system due the influence of fluid flow rate. The evaluation of the integrity structural is of fundamental importance to mitigate and/or avoid errors, during the valve development phase. The models developed also enable the improvement de new valves design and the upgrade the valves design already developed. The proposed study can be used as an indicator the quality of valves design, assisting the development team in the design of new products, thus enabling the assessment of the functional requirements and evaluation of possible improvements in the design. The results showed that the use of finite element method during the early stage of valve development process is extremely useful in the conception the new products, allow to develop products optimized, and by means of a multidisciplinary knowledge premature failures can be detected in the early stages of the product design, besides enable the development of a design more rational with significant improvement in quality, reliability, performance and competitiveness. The use of finite element method also allows reduction the number of with physical prototype tests, time of development and the final cost of the product.

Esta dissertação apresenta um estudo desenvolvido com o intuito de consolidar uma metodologia para a otimização de projeto de porta-sedes de uma válvula de esfera trunnion. Este trabalho está dividido em dois artigos. Primeiramente, é apresentado um estudo comparativo entre diferentes modelos de porta-sedes, realizado com o apoio do método dos elementos finitos (FEA). O porta-sede de melhor desempenho foi determinado utilizando a Função de Perda Quadrática Multivariada. O objetivo principal deste primeiro artigo é identificar os principais parâmetros da geometria de um porta-sede, que possam garantir o desempenho funcional da válvula e correspondente atendimento dos requisitos de qualidade. O segundo artigo descreve uma aplicação da metodologia de Projeto de Experimentos (DOE), conduzida com o intuito de identificar a configuração geométrica da válvula que conduza a condição ótima de funcionamento, fornecendo, desta forma, subsídio para a área de Desenvolvimento de Produtos na elaboração de válvulas mais robustas. Uma das principais contribuições deste trabalho é a constatação que os quatro fatores controláveis incluídos no estudo exercem efeito significativos sobre as variáveis de resposta utilizadas (pressão de contato e força de reação). Excetuando-se o fator “pressão de operação da válvula”, que caracteriza a condição operação, mas não é um parâmetro de projeto, o fator que revelou efeito mais pronunciado sobre as variáveis resposta foi a “área da pista de vedação”. / This thesis presents a study conducted in order to consolidate a methodology for seat-retainer design optimization of a trunnion ball valve. This work is divided in two papers. Initially a comparative study between different seat-retainer models, developed with the support of the finite element analysis (FEA), is presented. The best performance seat-retainer was determined using the Multivariate Quadratic Loss Function. The main purpose of this first article is to identify the main parameters of the seat-retainer geometry, which could ensure the functional performance of the valve and corresponding quality requirements. The second paper describes an application of Design of Experiments (DOE) methodology, conducted in order to identify the geometric configuration of the valve that leads to the optimal operating condition, providing thereby, contribution to the Product Development area in designing more robust valves. The main contribution of this work is the finding that the four control factors included in the study exert significant effect on the response variables used (contact pressure and reaction force). Except for the factor "valve operating pressure" that characterizes the operation condition, but is not a design parameter, the factor that showed more pronounced effect on the response variables was the “seat sealing area”.

Esta tese propõe avaliar a integridade estrutural de projetos de válvulas do tipo esfera trunnion e/ou gaveta. Por meio desta pesquisa, são avaliados os principais modos de falhas e parâmetros funcionais. Os estudos foram realizados utilizando a técnica dos elementos finitos e permitiram a construção de modelos para avaliar os seguintes modos de falha. (i) colapso estrutural dos principais componentes; (ii) vazamento na interface esfera/sede; (iii) travamento do sistema de acionamento devido à influência da vazão de escoamento do fluido. A avaliação da integridade estrutural é de fundamental importância para mitigar e/ou evitar erros, durante a fase de desenvolvimento de válvulas. Os modelos desenvolvidos também possibilitam o aprimoramento de novos projetos de válvulas e o aperfeiçoamento de projetos já desenvolvidos. O estudo proposto pode ser utilizado como indicador da qualidade de projeto de válvulas, auxiliando a equipe de desenvolvimento no dimensionamento de novos produtos, permitindo assim a avaliação dos requisitos funcionais e a avaliação da possível melhoria do projeto. Os resultados mostraram que o uso do método dos elementos finitos durante as fases iniciais do processo de desenvolvimento de válvulas é extremamente útil na concepção de novos produtos, permitindo a elaboração de produtos otimizados, sendo que por meio de um conhecimento multidisciplinar falhas prematuras podem ser detectadas nas fases iniciais do processo de desenvolvimento de projeto de válvulas, possibilitando com isso o desenvolvimento de um projeto mais racional com melhoria significativa de qualidade, confiabilidade, desempenho e competividade. O uso do método dos elementos finitos também possibilita uma redução do número de ensaios com protótipos físicos, o tempo de desenvolvimento e consequentemente o custo final do produto. / This thesis proposes to evaluate the structural integrity of the trunnion ball valves and/or gate. By means of this research, are evaluated main failure modes and functional parameters. The studies were conducted using the finite elements technique and allowed the construction of models to evaluate the following modes of failure. (i) structural collapse of the main components; (ii) leakage in the ball/seat interface; (iii) torque and/or locking of drive system due the influence of fluid flow rate. The evaluation of the integrity structural is of fundamental importance to mitigate and/or avoid errors, during the valve development phase. The models developed also enable the improvement de new valves design and the upgrade the valves design already developed. The proposed study can be used as an indicator the quality of valves design, assisting the development team in the design of new products, thus enabling the assessment of the functional requirements and evaluation of possible improvements in the design. The results showed that the use of finite element method during the early stage of valve development process is extremely useful in the conception the new products, allow to develop products optimized, and by means of a multidisciplinary knowledge premature failures can be detected in the early stages of the product design, besides enable the development of a design more rational with significant improvement in quality, reliability, performance and competitiveness. The use of finite element method also allows reduction the number of with physical prototype tests, time of development and the final cost of the product.

Esta dissertação apresenta um estudo desenvolvido com o intuito de consolidar uma metodologia para a otimização de projeto de porta-sedes de uma válvula de esfera trunnion. Este trabalho está dividido em dois artigos. Primeiramente, é apresentado um estudo comparativo entre diferentes modelos de porta-sedes, realizado com o apoio do método dos elementos finitos (FEA). O porta-sede de melhor desempenho foi determinado utilizando a Função de Perda Quadrática Multivariada. O objetivo principal deste primeiro artigo é identificar os principais parâmetros da geometria de um porta-sede, que possam garantir o desempenho funcional da válvula e correspondente atendimento dos requisitos de qualidade. O segundo artigo descreve uma aplicação da metodologia de Projeto de Experimentos (DOE), conduzida com o intuito de identificar a configuração geométrica da válvula que conduza a condição ótima de funcionamento, fornecendo, desta forma, subsídio para a área de Desenvolvimento de Produtos na elaboração de válvulas mais robustas. Uma das principais contribuições deste trabalho é a constatação que os quatro fatores controláveis incluídos no estudo exercem efeito significativos sobre as variáveis de resposta utilizadas (pressão de contato e força de reação). Excetuando-se o fator “pressão de operação da válvula”, que caracteriza a condição operação, mas não é um parâmetro de projeto, o fator que revelou efeito mais pronunciado sobre as variáveis resposta foi a “área da pista de vedação”. / This thesis presents a study conducted in order to consolidate a methodology for seat-retainer design optimization of a trunnion ball valve. This work is divided in two papers. Initially a comparative study between different seat-retainer models, developed with the support of the finite element analysis (FEA), is presented. The best performance seat-retainer was determined using the Multivariate Quadratic Loss Function. The main purpose of this first article is to identify the main parameters of the seat-retainer geometry, which could ensure the functional performance of the valve and corresponding quality requirements. The second paper describes an application of Design of Experiments (DOE) methodology, conducted in order to identify the geometric configuration of the valve that leads to the optimal operating condition, providing thereby, contribution to the Product Development area in designing more robust valves. The main contribution of this work is the finding that the four control factors included in the study exert significant effect on the response variables used (contact pressure and reaction force). Except for the factor "valve operating pressure" that characterizes the operation condition, but is not a design parameter, the factor that showed more pronounced effect on the response variables was the “seat sealing area”.

Esta dissertação apresenta um estudo desenvolvido com o intuito de consolidar uma metodologia para a otimização de projeto de porta-sedes de uma válvula de esfera trunnion. Este trabalho está dividido em dois artigos. Primeiramente, é apresentado um estudo comparativo entre diferentes modelos de porta-sedes, realizado com o apoio do método dos elementos finitos (FEA). O porta-sede de melhor desempenho foi determinado utilizando a Função de Perda Quadrática Multivariada. O objetivo principal deste primeiro artigo é identificar os principais parâmetros da geometria de um porta-sede, que possam garantir o desempenho funcional da válvula e correspondente atendimento dos requisitos de qualidade. O segundo artigo descreve uma aplicação da metodologia de Projeto de Experimentos (DOE), conduzida com o intuito de identificar a configuração geométrica da válvula que conduza a condição ótima de funcionamento, fornecendo, desta forma, subsídio para a área de Desenvolvimento de Produtos na elaboração de válvulas mais robustas. Uma das principais contribuições deste trabalho é a constatação que os quatro fatores controláveis incluídos no estudo exercem efeito significativos sobre as variáveis de resposta utilizadas (pressão de contato e força de reação). Excetuando-se o fator “pressão de operação da válvula”, que caracteriza a condição operação, mas não é um parâmetro de projeto, o fator que revelou efeito mais pronunciado sobre as variáveis resposta foi a “área da pista de vedação”. / This thesis presents a study conducted in order to consolidate a methodology for seat-retainer design optimization of a trunnion ball valve. This work is divided in two papers. Initially a comparative study between different seat-retainer models, developed with the support of the finite element analysis (FEA), is presented. The best performance seat-retainer was determined using the Multivariate Quadratic Loss Function. The main purpose of this first article is to identify the main parameters of the seat-retainer geometry, which could ensure the functional performance of the valve and corresponding quality requirements. The second paper describes an application of Design of Experiments (DOE) methodology, conducted in order to identify the geometric configuration of the valve that leads to the optimal operating condition, providing thereby, contribution to the Product Development area in designing more robust valves. The main contribution of this work is the finding that the four control factors included in the study exert significant effect on the response variables used (contact pressure and reaction force). Except for the factor "valve operating pressure" that characterizes the operation condition, but is not a design parameter, the factor that showed more pronounced effect on the response variables was the “seat sealing area”.