Acoplamientos de cadena: guía de selección, especificaciones y mantenimiento

A acoplamiento de cadena conecta dos ejes giratorios uniendo sus ruedas dentadas con una sección corta de cadena de rodillos, transmitiendo torque mecánicamente y acomodando pequeñas cantidades de desalineación del eje. Para aplicaciones de transmisión de potencia industrial que requieren una alta capacidad de torsión en un espacio compacto, una instalación sencilla sin desmontaje del eje y una tolerancia a la desalineación angular y paralela de hasta aproximadamente 1 a 2°, un acoplamiento de cadena es una de las soluciones más prácticas y rentables disponibles.

Esta guía cubre cómo funcionan los acoplamientos de cadena, en qué se diferencian de los tipos de acoplamientos de la competencia, qué especificaciones determinan la selección correcta y qué factores operativos y de mantenimiento determinan cuánto duran en servicio.

Cómo funcionan los acoplamientos de cadena

Un acoplamiento de cadena consta de tres componentes principales: dos ruedas dentadas (una enchavetada para cada eje) y una cadena de rodillos de doble hilo que envuelve ambas ruedas dentadas simultáneamente. La cadena engancha los dientes de la rueda dentada en ambos lados y la rotación del eje impulsor tira de la cadena, que a su vez hace girar la rueda dentada y el eje impulsado. Una cubierta o carcasa dividida encierra el conjunto para retener el lubricante y proteger la cadena de la contaminación.

La adaptación a la desalineación proviene del espacio entre los rodillos de la cadena y los dientes de la rueda dentada. Dentro de los límites de desalineación nominal del acoplamiento, la cadena puede desplazarse ligeramente a lo largo del perfil del diente a medida que las ruedas dentadas giran en planos ligeramente diferentes o en alturas de línea central ligeramente diferentes. Esto no es una deflexión elástica como un acoplamiento de mandíbula flexible: es un juego mecánico, razón por la cual acoplamiento de cadenas are classified as mechanically flexible rather than elastically flexible couplings.

Debido a que no hay ningún elemento elastomérico, los acoplamientos de cadena transmiten cargas de choque torsionales directamente desde el conductor al eje impulsado con una amortiguación mínima. Esta característica los hace muy adecuados para aplicaciones donde la resistencia a los golpes es más importante que el aislamiento de vibraciones, y menos adecuados para aplicaciones donde se requiere protección contra golpes de torsión de equipos accionados sensibles.

Tipos y configuraciones de acoplamientos de cadena

Si bien el principio operativo básico es consistente, los acoplamientos de cadena están disponibles en varias configuraciones adecuadas para diferentes requisitos de aplicación.

Acoplamientos de cadena de rodillos de doble hilo estándar

La configuración más común utiliza una cadena de rodillos estándar ANSI o ISO dúplex (doble hilo). La cadena de doble hilo proporciona una mayor capacidad de torsión que la cadena de un solo hilo del mismo paso dentro de la misma envolvente de acoplamiento. Los acoplamientos de cadena dúplex estándar cubren tamaños de orificio del eje desde aproximadamente 5/8" (16 mm) a 4" (100 mm) y están disponibles en tamaños de cadena ANSI desde el N° 40 (paso de 1/2") hasta el N° 160 (paso de 2") y sus equivalentes métricos ISO.

Acoplamientos de cadena con funda de nailon

Algunos acoplamientos de cadena reemplazan la cadena de rodillos de acero con una cadena de rodillos con funda de nailon, donde cada rodillo está encerrado en una funda de nailon en lugar de acero desnudo. Las mangas de nailon reducen el contacto de metal con metal entre los rodillos de la cadena y los dientes de la rueda dentada, lo que reduce el ruido, reduce la tasa de desgaste en condiciones de lubricación marginal y proporciona una amortiguación torsional muy limitada en comparación con un diseño totalmente de acero. Se utilizan particularmente en equipos de procesamiento y envasado de alimentos donde los niveles de ruido y la contaminación de la lubricación son motivo de preocupación.

Acoplamientos de cadena sellados y lubricados de por vida

Los acoplamientos de cadena estándar requieren una relubricación periódica, generalmente cada 6 a 12 meses en condiciones normales. Los diseños sellados y lubricados de por vida utilizan una cadena prelubricada con juntas tóricas o juntas X entre cada placa de eslabón, reteniendo el lubricante dentro de las uniones de la cadena. La cubierta del acoplamiento todavía proporciona un recinto exterior, pero la lubricación interna de la cadena no requiere mantenimiento durante la vida útil nominal. Estos diseños se prefieren en instalaciones de difícil acceso o donde se debe minimizar el tiempo de inactividad por mantenimiento.

Acoplamientos de cadena tipo mandíbula (mordaza de cadena o cadena de engranajes)

Una variante menos común reemplaza la cadena de rodillos estándar con una cadena especialmente formada que engancha los dientes perfilados de la rueda dentada de una manera que proporciona una mayor capacidad de desalineación que los diseños de cadenas de rodillos estándar, a veces con una desalineación angular de hasta 3°. Se utilizan en aplicaciones con una desalineación predeciblemente alta y no son intercambiables con las ruedas dentadas de acoplamiento de cadena de rodillos estándar.

Acoplamientos de cadena frente a otros tipos de acoplamientos

Los acoplamientos de cadena ocupan un nicho específico en el panorama de selección de acoplamientos. Comprender dónde tienen un mejor desempeño y dónde son superados por las alternativas previene una mala aplicación y evita fallas prematuras.

La posición competitiva más fuerte del acoplamiento de cadena es frente a los acoplamientos de engranajes en aplicaciones de par medio donde el mayor costo del acoplamiento de engranajes y los requisitos de lubricación más exigentes no están justificados. Para aplicaciones con requisitos de torque entre 50 y 5000 Nm y velocidades de operación inferiores a 1500 RPM donde la alineación del eje se mantiene dentro de 1 a 2°, los acoplamientos de cadena generalmente ofrecen la mejor combinación de densidad de torque, costo y simplicidad de instalación.

Especificaciones clave y parámetros de selección

La selección correcta del acoplamiento de cadena requiere evaluar varios parámetros interdependientes. El tamaño insuficiente es el error de selección más común y provoca un desgaste acelerado de la cadena, daños en los dientes de la rueda dentada o fallas del acoplamiento en servicio.

Clasificación de par y factor de servicio

Los acoplamientos de cadena se clasifican según su par máximo permitido en Nm o lb-in. El par de diseño utilizado para la selección no es el par de operación nominal, sino el par nominal multiplicado por un factor de servicio que tiene en cuenta la naturaleza de la carga y el impulsor.

Las tablas de factores de servicio de AGMA y del fabricante clasifican las aplicaciones por tipo de carga:

• Carga suave y uniforme (bomba centrífuga accionada por motor eléctrico): Factor de servicio 1,0–1,25
• Choque moderado (motor eléctrico que acciona el compresor alternativo): Factor de servicio 1,5–2,0
• Choque fuerte (motor de combustión interna accionando trituradora o mezcladora): Factor de servicio 2,0–3,0

Ejemplo: Un transportador accionado por un motor eléctrico de 15 kW a 750 RPM tiene un par nominal de 191 Nm. Con un factor de servicio de 1,5 para shock moderado, el El par de diseño para la selección del acoplamiento es de 287 Nm. . El acoplamiento seleccionado debe tener una potencia nominal superior a este valor.

Clasificación de velocidad

Los acoplamientos de cadena tienen una velocidad nominal máxima que limita su uso en aplicaciones de mayor velocidad. A medida que aumenta la velocidad de rotación, aumenta la fuerza centrífuga sobre la cadena y aumenta la frecuencia de articulación de los eslabones de la cadena; ambos factores aceleran el desgaste y pueden hacer que la cadena se levante de los dientes de la rueda dentada a velocidades muy altas. Clasificaciones de velocidad máxima típicas por tamaño de cadena:

Los acoplamientos de cadena no son adecuados para velocidades superiores a 3500 RPM en la mayoría de las configuraciones. A velocidades más altas, los tipos de acoplamiento alternativos (acoplamientos de engranajes, acoplamientos de disco o acoplamientos elastoméricos) son más apropiados. Para aplicaciones de accionamiento directo con un motor de 1500 o 1800 RPM, prácticamente todos los tamaños de acoplamientos de cadena estándar están dentro de su rango de velocidad nominal.

Dimensiones del orificio del eje y del chavetero

Los piñones de acoplamiento de cadena están perforados y codificados para adaptarse a los diámetros del eje impulsor y conducido. El orificio de la rueda dentada debe dimensionarse para el eje con la tolerancia de ajuste adecuada, generalmente un ajuste de transición o interferencia H7/js6 para conexiones enchavetadas según ISO 286. Las ruedas dentadas están disponibles en orificios estándar o el proveedor puede perforarlas con diámetros personalizados. No es necesario que ambas ruedas dentadas en un juego de acoplamiento tengan el mismo tamaño de orificio, lo que permite que el acoplamiento conecte ejes de diferentes diámetros, una ventaja práctica en muchas configuraciones de trenes de transmisión.

Límites de desalineación

Los acoplamientos de cadena estándar toleran la siguiente desalineación dentro de los valores nominales; exceder estos límites acelera drásticamente el desgaste:

• Desalineación angular: Hasta 1° (algunos diseños 2°): los ejes convergen o divergen en un ángulo en cualquier plano
• Desalineación paralela (desplazada): Normalmente entre 0,5 y 1,5 mm, según el tamaño de la cadena: las líneas centrales del eje son paralelas pero están desplazadas lateralmente
• Desplazamiento axial: Se permite un movimiento limitado a lo largo del eje del eje (generalmente de 1 a 3 mm) ya que la cadena flota axialmente sobre los dientes de la rueda dentada. Esto también tiene en cuenta una expansión térmica menor entre el conductor y las máquinas accionadas.

Estas capacidades de desalineación son límites máximos, no objetivos de diseño. Cuanto más cerca de una alineación perfecta logre la instalación, más durarán el acoplamiento y los dientes de la rueda dentada. Un acoplamiento que funciona en su límite máximo de desalineación puede durar entre 12 y 18 meses antes de que la cadena se desgaste significativamente; el mismo acoplamiento con menos de la mitad del desalineamiento máximo puede durar 5 años en la misma aplicación.

Materiales y estándares de fabricación.

Los materiales utilizados en los piñones de acoplamiento de cadena y en la cadena determinan la capacidad de carga, la vida útil y la idoneidad para entornos específicos.

Materiales de la rueda dentada

• Hierro fundido: Estándar para la mayoría de los acoplamientos de cadena comerciales. Adecuado para aplicaciones de hasta torque moderado con lubricación adecuada. Bajo costo, fácil de mecanizar para orificios personalizados.
• Acero al carbono (C45 o equivalente): Mayor resistencia y resistencia a la fatiga que el hierro fundido. Utilizado en aplicaciones pesadas y de alto impacto. A menudo, los flancos de los dientes están templados por inducción para mejorar la resistencia al desgaste.
• Acero inoxidable (304 o 316): Para ambientes corrosivos: procesamiento de alimentos, plantas químicas, aplicaciones marinas. Menor límite elástico que el acero al carbono; Las clasificaciones de torque generalmente se reducen entre un 20% y un 30% con respecto a los equivalentes de acero al carbono.
• Nailon o polímero de ingeniería: Para aplicaciones livianas y de baja velocidad que requieren resistencia a la corrosión y reducción de ruido. No apto para servicio de alto torque o alta temperatura.

Construcción de cadenas y estándares

La cadena utilizada en los acoplamientos de cadena cumple con ANSI B29.1 (norma americana) o ISO 606 (norma internacional). Estos estándares definen el paso, el diámetro de los rodillos, las dimensiones de las placas y la resistencia mínima a la tracción para cada designación de tamaño de cadena, lo que garantiza la intercambiabilidad entre fabricantes. Es aceptable mezclar cadenas de diferentes fabricantes dentro del mismo conjunto de acoplamientos, siempre que ambas cadenas cumplan con la misma designación estándar. — el perfil de los dientes de la rueda dentada está estandarizado y se acoplará correctamente a cualquier cadena conforme.

Los grados de calidad de la cadena varían dentro del estándar. La cadena de primera calidad utiliza pasadores y bujes completamente endurecidos, tolerancias dimensionales más estrictas y placas de eslabón granalladas para resistencia a la fatiga: diferencias importantes en aplicaciones de acoplamiento de alto ciclo o alta carga donde la cadena estándar de calidad comercial puede desgastarse prematuramente.

Procedimiento de instalación y alineación

La instalación correcta es el mayor determinante de la vida útil del acoplamiento de cadena. Una instalación bien alineada en un acoplamiento de tamaño insuficiente durará más que una instalación desalineada en uno de gran tamaño. La secuencia de instalación de un acoplamiento de cadena estándar:

1. Limpiar los extremos del eje. minuciosamente: elimine las rebabas, el óxido y el material viejo del chavetero. Verifique los diámetros del eje con las dimensiones del orificio de la rueda dentada antes de presionar.
2. Instalar llaves en chaveteros — asegúrese de que la chaveta tenga la dimensión correcta y esté completamente asentada en el chavetero sin balancearse. Utilice una nueva llave si la existente muestra desgaste o redondeo.
3. Presione o impulse las ruedas dentadas sobre los ejes. usando una prensa de árbol o una herramienta de instalación tipo perno. Nunca use un martillo directamente sobre el cubo de la rueda dentada; el impacto puede dañar los cojinetes del eje. Deje las ruedas dentadas en su posición axial preliminar para fines de alineación.
4. Alinear aproximadamente los ejes usando una regla a través de las caras de la rueda dentada y una galga de espesores para verificar el paralelismo. Esta prealineación reduce el esfuerzo de alineación de precisión a un rango de corrección manejable.
5. Realizar una alineación de precisión usando indicadores de cuadrante o una herramienta de alineación láser. Mida la desalineación angular girando ambos ejes juntos y midiendo el descentramiento de la cara; Mida el desplazamiento paralelo midiendo el espacio entre los diámetros exteriores de las ruedas dentadas en cuatro posiciones. Ajuste los soportes de la máquina según sea necesario para llevar la desalineación dentro de los límites nominales del acoplamiento, idealmente a menos de la mitad del máximo nominal.
6. Conecta la cadena alrededor de ambas ruedas dentadas e instale el eslabón maestro (de conexión), asegurando el clip en la dirección de avance de la cadena de modo que el extremo cerrado mire hacia adelante.
7. Aplique grasa para acoplamientos al interior de la cadena a través del engrasador de la cubierta antes de cerrar y atornillar las mitades de la cubierta.
8. Verificar la posición axial final de las ruedas dentadas para confirmar que ninguna de las ruedas dentadas esté en el extremo del rango de enganche de la cadena.

Las herramientas de alineación láser reducen el tiempo de alineación entre un 60 % y un 80 % en comparación con los métodos de indicador de cuadrante y normalmente logran una alineación final de ±0,05 mm de desplazamiento paralelo y ±0,05°/100 mm angular, dentro de los límites nominales de cualquier acoplamiento de cadena. Para trenes de transmisión de alta velocidad o de alto valor, la inversión en alineación láser se amortiza inmediatamente en una mayor vida útil del acoplamiento y del rodamiento.

Lubricación: la tarea de mantenimiento más importante

La lubricación es el requisito de mantenimiento más crítico y más descuidado para los acoplamientos de cadena. La cadena se articula bajo carga en cada engranaje de los dientes, y sin una película lubricante adecuada entre las superficies del pasador y del buje, el desgaste adhesivo consume rápidamente los espacios libres de las juntas de la cadena, un proceso que se acelera exponencialmente una vez que los espacios libres se abren más allá de un umbral.

Selección de lubricante

Los fabricantes de acoplamientos de cadena especifican universalmente una grasa para acoplamientos en lugar de una grasa para rodamientos de uso general. Las grasas para acoplamientos están formuladas con:

• Alta viscosidad del aceite base (típicamente ISO VG 460–680) — mantener una película adecuada bajo las altas presiones de contacto en las interfaces pasador-casquillo de la cadena
• Resistencia a la separación centrífuga — los espesantes de grasa estándar pueden separarse bajo las fuerzas centrífugas dentro de una cubierta de acoplamiento giratoria, dejando solo el aceite base en contacto con las superficies de la cadena.
• Aditivos EP (extrema presión) — para protección contra cargas de impacto que generan presiones de contacto momentáneas que exceden la resistencia de la película del aceite base solo

El uso de grasa para rodamientos estándar o grasa de litio general en un acoplamiento de cadena es un error de mantenimiento común que da como resultado una vida útil de la cadena significativamente más corta, generalmente del 30 al 50 % de la vida útil que se puede lograr con la grasa para acoplamiento correcta.

Intervalo de relubricación

Los acoplamientos de cadena estándar que funcionan a velocidades y cargas moderadas deben relubricarse cada 6 a 12 meses o 2000 a 4000 horas de funcionamiento , lo que ocurra primero. Las aplicaciones con mayor velocidad, mayor carga, temperatura ambiente elevada o carga de choque requieren una relubricación más frecuente; algunos fabricantes recomiendan intervalos de 3 meses para aplicaciones de servicio pesado. Se debe abrir la cubierta del acoplamiento, inspeccionar la grasa vieja y retirarla si está muy degradada o contaminada, y aplicar grasa de acoplamiento nueva para cubrir completamente la cadena y los dientes de la rueda dentada antes de volver a ensamblar.

Criterios de monitoreo y reemplazo de desgaste

Los acoplamientos de cadena se desgastan gradualmente y pueden continuar funcionando en un estado degradado durante algún tiempo, pero operar un acoplamiento desgastado más allá de su límite de servicio provoca un daño acelerado en los dientes de la rueda dentada que, en última instancia, requiere reemplazar tanto la cadena como las ruedas dentadas en lugar de solo la cadena.

Medición del alargamiento de la cadena

A medida que se desgastan las interfaces pasador-casquillo, cada paso de la cadena aumenta en longitud. Este aumento de longitud acumulativo, llamado alargamiento de la cadena o estiramiento de la cadena, es la medida principal del desgaste. Reemplace la cadena cuando el alargamiento alcance entre el 1,5% y el 2% de la longitud original de la cadena. — el límite estándar utilizado por la mayoría de los fabricantes de acoplamientos y cadenas. Para un acoplamiento con una cadena de 12 eslabones, esto significa un máximo de aproximadamente 3 mm de aumento de longitud total antes de que sea necesario reemplazarlo.

La medición es sencilla: coloque la cadena sobre una superficie plana, aplique una ligera tensión y mida la longitud paso a paso en 6 o 12 eslabones. Compare con la longitud teórica (número de pasos × dimensión del paso). Una herramienta de medición del paso de la cadena es el método de medición de campo más rápido.

Inspección de los dientes de la rueda dentada

Después de retirar la cadena desgastada, inspeccione los dientes de la rueda dentada para detectar los siguientes patrones de desgaste:

• Perfil de diente en forma de gancho o de aleta de tiburón: El lado cargado del diente se ha desgastado hasta adoptar una forma de gancho debido al enganche de la cadena con un paso alargado. Reemplace la rueda dentada: una cadena nueva no engranará correctamente con los dientes en forma de gancho y se desgastará rápidamente.
• Desgaste uniforme de la punta del diente (redondeo): Desgaste moderado dentro de un servicio aceptable: si el perfil del diente conserva su forma básica y las dimensiones de la raíz están intactas, la rueda dentada puede continuar en servicio con una cadena nueva.
• Picaduras o fatiga superficial en los flancos de los dientes: Indica lubricación inadecuada o sobrecarga. Reemplace la rueda dentada e investigue la causa raíz antes de volver al servicio.

Instalar una cadena nueva en piñones desgastados es una falsa economía — la nueva cadena se desgastará hasta igualar el paso alargado de los dientes desgastados de la rueda dentada en una fracción de su vida útil normal. Reemplace siempre la cadena y las ruedas dentadas como un conjunto cuando los dientes de las ruedas dentadas muestren un desgaste más que moderado.

Aplicaciones comunes y uso industrial

Los acoplamientos de cadena se encuentran en una amplia gama de industrias donde el par de torsión medio a alto, la velocidad de baja a moderada y la economía práctica de instalación son los criterios de selección dominantes.

• Sistemas transportadores: Accionamientos de eje principal que conectan motores o cajas de engranajes a los tambores de accionamiento del transportador. Los acoplamientos de cadena son estándar en transmisiones de cintas transportadoras para agregados, minería, cemento y manufactura en general, donde las cargas de torque son pesadas y la alineación del eje se mantiene dentro de tolerancias razonables.
• Accionamientos de bomba: Conexiones de motor a bomba para bombas centrífugas y de desplazamiento positivo en aplicaciones de tratamiento de agua, procesamiento químico y HVAC. Los acoplamientos de cadena son rentables para accionamientos de bombas de baja velocidad donde no se requieren las características de transmisión de ruido y vibración de los acoplamientos elastoméricos.
• Maquinaria agrícola: Conexiones de ejes de toma de fuerza, transmisiones de cosechadoras y tomas de fuerza de implementos. La capacidad de adaptarse a la desalineación durante la operación en el campo y tolerar cargas de impacto provenientes de terrenos irregulares hace que los acoplamientos de cadena sean prácticos para las líneas de transmisión agrícolas.
• Conexiones de la caja de cambios: Vincular los ejes de salida del motor a los ejes de entrada de la caja de cambios y los ejes de salida de la caja de cambios al equipo impulsado. Los acoplamientos de cadena permiten colocar y calzar la caja de cambios independientemente del motor para su alineación, y el acoplamiento absorbe la desalineación residual.
• Equipos marinos y offshore: Maquinaria de cubierta, cabrestantes y transmisiones auxiliares en embarcaciones donde el tamaño compacto, la alta capacidad de torsión y la resistencia al agua salada de las variantes de acero inoxidable hacen que los acoplamientos de cadena sean una opción estándar.
• Accionamientos para fábricas de pulpa y papel: Accionamientos de rodillos y tambores en máquinas papeleras donde un par elevado, arranques frecuentes y cargas de choque ocasionales son condiciones operativas normales.

Cuándo no utilizar un acoplamiento de cadena

Los acoplamientos de cadena son una tecnología bien probada, pero tienen limitaciones específicas que los hacen inadecuados para determinadas aplicaciones. Saber cuándo especificar una alternativa evita fallas en el servicio.

• Aplicaciones de alta velocidad por encima de 3500 RPM: Los efectos de la fuerza centrífuga y la frecuencia de articulación de la cadena hacen que los acoplamientos de cadena no sean prácticos a velocidades elevadas. Utilice en su lugar acoplamientos de disco, diafragma o engranajes.
• Aplicaciones que requieren protección contra golpes de torsión de equipos sensibles: Los acoplamientos de cadena tienen una amortiguación torsional mínima y transmiten cargas de impacto directamente. Para proteger equipos accionados sensibles (codificadores, cajas de engranajes de precisión, impulsores frágiles), utilice una mordaza elastomérica o un acoplamiento tipo neumático con clasificación Shore A adecuada para el nivel de impacto.
• Ambientes donde la lubricación es imposible o la contaminación es crítica: En entornos de sala limpia, zonas de contacto directo con alimentos o fabricación de dispositivos médicos donde la presencia de lubricante es inaceptable, utilice un tipo de acoplamiento de funcionamiento en seco (acoplamiento de disco, ciertos diseños elastoméricos) en lugar de intentar utilizar un acoplamiento de cadena en seco.
• Temperaturas ambiente muy altas, superiores a 100-120 °C: Las grasas para acoplamientos estándar se degradan por encima de este rango de temperatura, lo que elimina la protección de la lubricación. Las grasas especiales para acoplamientos de alta temperatura amplían un poco este límite, pero por encima de 150 °C, normalmente se requieren tipos de acoplamiento alternativos.
• Aplicaciones donde no se puede realizar el mantenimiento periódico: Un acoplamiento de cadena sin lubricar fallará en unos meses. Si la ubicación de instalación hace que el acceso para mantenimiento sea realmente poco práctico, especifique un diseño sellado lubricado de por vida o un tipo de acoplamiento libre de mantenimiento.

Dentro de su gama de aplicaciones, los acoplamientos de cadena son componentes excepcionalmente fiables, rentables y de larga duración. La mayoría de las fallas de los acoplamientos de cadena en servicio son atribuibles a una de tres causas evitables: lubricación inadecuada o incorrecta, desalineación de la instalación más allá de los límites nominales del acoplamiento u operación con cargas y velocidades que exceden el par de selección de diseño. Abordar estos tres factores en la etapa de especificación e instalación, y mantener los intervalos de lubricación de manera consistente, permite que los acoplamientos de cadena brinden entre 5 y 10 años de vida útil en la mayoría de las aplicaciones industriales.