Acoplamientos flexibles: tipos, criterios de selección y estándares

¿Qué son los acoplamientos flexibles y por qué son esenciales en la transmisión de energía?

Acoplamientos flexibles son dispositivos mecánicos que conectan dos ejes giratorios, generalmente un impulsor (motor, motor o turbina) y una máquina impulsada (bomba, compresor, caja de cambios o generador), al mismo tiempo que se adaptan a la desalineación entre las líneas centrales del eje, amortiguan la vibración torsional y protegen el equipo conectado de cargas de impacto. A diferencia de los acoplamientos rígidos, que requieren una alineación de eje casi perfecta y transmiten todas las fuerzas dinámicas directamente entre los ejes, los acoplamientos flexibles introducen un elemento dócil (caucho, poliuretano, membrana metálica o fluido) que absorbe la desalineación y atenúa la transmisión de cargas dinámicas dañinas.

La importancia mecánica de los acoplamientos flexibles se extiende mucho más allá de su función como simples conectores. En cualquier sistema de maquinaria rotativa, la desalineación del eje, ya sea angular, paralela (desplazada) o axial, genera cargas en los rodamientos, desgaste de los sellos y vibraciones que reducen la vida útil de la máquina y aumentan los costos de mantenimiento. Incluso en instalaciones cuidadosamente alineadas, la expansión térmica durante el funcionamiento y la deflexión dinámica bajo carga provocan que se desarrolle una desalineación con el tiempo. Los estudios realizados por organizaciones de confiabilidad de maquinaria indican que la desalineación es responsable de aproximadamente el 50% de todas las fallas de maquinaria rotativa. , lo que convierte la capacidad de adaptación de desalineación del acoplamiento flexible en una de las propiedades comercialmente más importantes en la transmisión de energía industrial.

El mercado mundial de acoplamientos flexibles estaba valorado en aproximadamente 3.200 millones de dólares en 2023 y presta servicios a industrias que van desde el petróleo y el gas y la generación de energía hasta el procesamiento de alimentos, el tratamiento del agua y la propulsión marina. Seleccionar el tipo de acoplamiento correcto para una aplicación determinada (hacer coincidir su rigidez torsional, capacidad de desalineación, clasificación de velocidad y compatibilidad ambiental con los requisitos del sistema) es una decisión de ingeniería crítica con implicaciones directas para la confiabilidad del sistema, los intervalos de mantenimiento y el costo total del ciclo de vida.

Tipos primarios de acoplamientos flexibles

Los acoplamientos flexibles se clasifican por la naturaleza de su elemento flexible: el componente que proporciona alojamiento para desalineaciones y amortiguación de vibraciones. Cada tipo ofrece una combinación distinta de capacidad de torsión, tolerancia a la desalineación, rigidez torsional y características operativas que lo hacen adecuado para clases de aplicaciones específicas.

Acoplamientos de mandíbula (araña)

Los acoplamientos de mordazas constan de dos cubos metálicos con proyecciones de mordazas entrelazadas separadas por un elemento de araña elastomérico (generalmente poliuretano o caucho) que transmite el torque mediante la compresión de sus lóbulos entre las mordazas. Son el tipo de acoplamiento más utilizado en aplicaciones industriales generales, valorados por su simplicidad, bajo costo, facilidad de reemplazo (la araña se puede cambiar sin mover las máquinas conectadas) y amortiguación efectiva de vibraciones. Los acoplamientos de mordazas estándar admiten una desalineación angular de hasta 1°, una desalineación paralela de hasta 0,5 mm y una desalineación axial dentro del rango de compresión de la araña. La dureza del elemento de araña (durómetro Shore A) determina la rigidez torsional y las características de amortiguación del acoplamiento. — las arañas más blandas (Shore 80A) proporcionan un mayor aislamiento de las vibraciones; Las arañas más duras (Shore 98A o poliuretano) ofrecen una mayor capacidad de torsión y una reducción de la cuerda a costa de una menor amortiguación.

Acoplamientos de disco

Los acoplamientos de disco transmiten torsión a través de una serie de discos metálicos delgados, típicamente de acero inoxidable o Inconel, dispuestos en un paquete y atornillados alternativamente a bridas impulsoras y conducidas. El par se transmite en tensión y compresión del paquete de discos a medida que gira el acoplamiento, mientras los discos se flexionan para adaptarse a la desalineación. Los acoplamientos de disco son rígidos a la torsión (sin cuerda ni juego), no requieren lubricación y funcionan eficazmente desde temperaturas criogénicas hasta más de 300 °C, lo que los convierte en la especificación preferida para turbomaquinaria de alta velocidad, máquinas herramienta de precisión y aplicaciones de servoaccionamiento. Admiten una desalineación angular de hasta 0,5° por paquete de discos y una desalineación paralela mediante el uso de configuraciones de espaciadores de paquetes de discos dobles.

Acoplamientos de engranajes

Los acoplamientos de engranajes utilizan cubos de engranajes con dientes externos que engranan con manguitos con dientes internos para transmitir torque, y la geometría del perfil del diente permite la desalineación angular y paralela a través del contacto deslizante entre las superficies de los dientes coincidentes. Ofrecen la mayor densidad de par de cualquier tipo de acoplamiento flexible (los acoplamientos de engranajes pueden transmitir pares superiores a 2.000.000 Nm en grandes configuraciones industriales) y son la especificación estándar para industrias pesadas, incluidas acerías, equipos de minería y accionamientos de bombas grandes. El requisito de lubricación periódica (grasa o aceite) es la principal carga de mantenimiento de los acoplamientos de engranajes, y no mantener una lubricación adecuada es la causa más común de falla prematura del acoplamiento de engranajes en servicio.

Acoplamientos de membrana (diafragma)

Los acoplamientos de membrana utilizan uno o más diafragmas metálicos delgados (generalmente un solo diafragma contorneado o un paquete de múltiples diafragmas) para adaptarse a la desalineación debido a la flexión del material del diafragma. Al igual que los acoplamientos de disco, son rígidos a la torsión, no necesitan lubricación y pueden funcionar a alta velocidad. Los acoplamientos de diafragma son especialmente valorados en aplicaciones de bombas y compresores de la industria de procesos donde la combinación de alta velocidad, temperatura elevada y el requisito de cero mantenimiento en instalaciones inaccesibles hacen que los acoplamientos metálicos elastoméricos y lubricados sean inapropiados. Admiten una mayor desalineación angular que los acoplamientos de disco (hasta 1° por elemento) manteniendo al mismo tiempo la rigidez torsional.

Acoplamientos de neumáticos (neumáticos)

Los acoplamientos para neumáticos utilizan un elemento de caucho toroidal, con forma de rosquilla o de sección transversal de neumático, atornillado entre dos cubos con bridas. La forma del elemento de goma le permite flexionarse en todas las direcciones simultáneamente, proporcionando una adaptación excepcional a la desalineación (desalineación angular de hasta 4°, desalineación paralela de hasta 3 mm en tamaños grandes) y un excelente aislamiento de vibraciones. Se prefieren en aplicaciones sujetas a cargas de impacto severas y alta desalineación, incluidos accionamientos de trituradoras, compresores alternativos y sistemas de propulsión marina donde la flexibilidad de la base causa una gran desalineación dinámica durante la operación.

Acoplamientos fluidos

Los acoplamientos de fluido transmiten el torque hidrocinéticamente a través de un fluido de trabajo (generalmente aceite mineral) que circula entre un impulsor (impulsor) y un corredor (impulsado) contenido dentro de una carcasa sellada. Limitan inherentemente el par transmitido en el arranque (protegiendo los motores de altas corrientes de entrada y las máquinas accionadas de cargas de choque durante el arranque) y proporcionan deslizamiento entre los ejes de entrada y salida, absorbiendo las diferencias de velocidad y la vibración torsional. Los acoplamientos de fluido de llenado variable, que ajustan el volumen del fluido de trabajo para controlar la velocidad de salida, se utilizan para el arranque suave y el control de velocidad de grandes transmisiones de transportadores, sistemas de ventiladores y aplicaciones de bombas.

Parámetros de rendimiento y criterios de selección

Proceso de selección de ingeniería: más allá de la clasificación de torque

Seleccionar un acoplamiento flexible basándose únicamente en la clasificación de torsión nominal (hacer coincidir la torsión nominal del acoplamiento con la salida de torsión de la placa de identificación del conductor) es un enfoque que frecuentemente resulta en fallas prematuras del acoplamiento o protección inadecuada del sistema. Un riguroso proceso de selección tiene en cuenta el factor de servicio, la dinámica del sistema de torsión, las cargas de desalineación, la velocidad y las condiciones ambientales simultáneamente.

Aplicación del factor de servicio

El factor de servicio (SF) multiplica el par nominal transmitido para establecer la clasificación de par de acoplamiento requerida, teniendo en cuenta el carácter de carga dinámica de la aplicación. AGMA y los fabricantes de acoplamientos publican tablas de factores de servicio basadas en la combinación del tipo de controlador (motor eléctrico, motor diesel o turbina) y el tipo de máquina impulsada (bomba centrífuga, compresor alternativo o trituradora). Los factores de servicio varían desde 1,0 para cargas suaves y uniformes con motores eléctricos hasta 3,0 o más para cargas de choque pesadas con motores alternativos de varios cilindros. — lo que significa que una aplicación de par nominal de 100 Nm podría requerir un acoplamiento clasificado para 300 Nm cuando los factores de servicio se aplican correctamente.

Análisis de frecuencia natural torsional

Cada tren de maquinaria rotativa tiene frecuencias naturales de torsión determinadas por los momentos de inercia de masa de los componentes giratorios y la rigidez torsional de los ejes y acoplamientos de conexión. Si una frecuencia natural torsional coincide con una frecuencia de excitación dentro del rango de velocidad de operación (desde la frecuencia de paso de polos del motor, la frecuencia de engrane de engranajes o la frecuencia de disparo del motor alternativo), se produce resonancia, generando amplitudes de vibración torsional que pueden fatigar rápidamente los elementos de acoplamiento y los ejes conectados. La rigidez torsional del acoplamiento es la principal variable de diseño disponible para que el ingeniero desvíe las frecuencias naturales de torsión lejos de las excitaciones operativas. Para aplicaciones críticas, se debe realizar un análisis de torsión utilizando software como ANSYS o Rotor-Dynamics antes de finalizar la especificación del acoplamiento, y se debe consultar al fabricante del acoplamiento sobre los valores de rigidez torsional de los productos candidatos.

Capacidad de desalineación versus desalineación residual

Un error común es pensar que la capacidad de desalineación de un acoplamiento representa la desalineación de instalación objetivo. De hecho, la capacidad de desalineación del acoplamiento es la desalineación máxima permitida bajo la cual el acoplamiento funcionará sin fallar, y el funcionamiento continuo con una desalineación máxima genera cargas en los rodamientos, calor y fatiga del elemento del acoplamiento que reducen drásticamente la vida útil. Las mejores prácticas alinean la maquinaria dentro del 20-30 % de la capacidad nominal de desalineación del acoplamiento en el momento de la instalación, dejando margen para el crecimiento de la desalineación operativa debido a la expansión térmica y el asentamiento de los cimientos.

Consideraciones de velocidad y velocidad crítica

Los ejes espaciadores de acoplamiento flexible (el eje intermedio que conecta dos paquetes de discos o dos elementos de engranaje en una configuración de acoplamiento espaciador) tienen una velocidad crítica lateral que debe estar por encima de la velocidad operativa máxima con un margen de separación adecuado (normalmente un mínimo del 20 % según API 671). Para aplicaciones de turbomaquinaria de alta velocidad, los fabricantes de acoplamientos realizan cálculos de velocidad crítica lateral como parte del paquete de datos de ingeniería y certifican que el acoplamiento suministrado cumple con el requisito de margen de separación especificado.

Estándares específicos de la industria y requisitos API

Los acoplamientos flexibles utilizados en la industria de procesos, generación de energía y aplicaciones marinas están sujetos a estrictos estándares industriales que definen requisitos de diseño, materiales, pruebas y documentación más allá de los de los acoplamientos industriales generales.

• API 671 (Acoplamientos de propósito especial para servicios de la industria del petróleo, productos químicos y gas): El estándar principal para acoplamientos utilizados en turbomaquinaria de la industria de procesos. Requiere un diseño de elementos metálicos rígidos a la torsión (disco o diafragma), equilibrio a G2.5 o mejor según ISO 1940-1, análisis de velocidad lateral crítica y documentación completa de trazabilidad del material. Los acoplamientos API 671 deben ser capaces de transmitir el 177 % del par nominal sin fallas (equivalente a un factor de servicio de 1,77 integrado en la norma).
• AGMA 9000 y 9001: Normas de la Asociación Estadounidense de Fabricantes de Engranajes que cubren los requisitos de clasificación, selección y lubricación de acoplamientos de engranajes. AGMA 9000 proporciona el marco para acoplar factores de servicio ampliamente referenciados en aplicaciones industriales generales.
• ISO 14691: Estándar internacional para acoplamientos flexibles para aplicaciones industriales generales, que cubre criterios de selección, terminología de desalineación y pruebas de rendimiento, y proporciona un marco para la comparación y selección de acoplamientos fuera del contexto de la industria de procesos cubierto por API 671.
• ATEX/IECEx: Para acoplamientos instalados en atmósferas explosivas, la certificación ATEX (UE) o IECEx verifica que el diseño y los materiales del acoplamiento no crean fuentes de ignición en condiciones de falla normales o previsibles. Los acoplamientos elastoméricos requieren elementos de araña antiestáticos (resistividad de la superficie ≤10⁹ Ω) para evitar descargas electrostáticas en entornos ATEX Zona 1 y Zona 2.

Mantenimiento, análisis de fallas y optimización de la vida útil

Los requisitos de mantenimiento de los acoplamientos flexibles varían significativamente según el tipo, pero todos los acoplamientos se benefician de un programa estructurado de inspección y monitoreo de condición que identifica los problemas en desarrollo antes de que causen tiempos de inactividad no planificados o daños secundarios a la máquina.

Para acoplamientos elastoméricos (tipos de mandíbula, neumático y buje), el elemento de servicio principal es el elemento flexible. Los elementos de caucho y poliuretano se degradan por fatiga, ataque químico por contaminación de aceite y grasa y envejecimiento térmico. La inspección visual en intervalos de mantenimiento planificados (en busca de grietas, fragmentos, deformación por compresión o deterioro de la superficie de la araña o del elemento del neumático) permite reemplazar el elemento antes de que falle. Los intervalos de reemplazo de elementos elastoméricos de 1 a 3 años son típicos en servicio industrial continuo. , aunque la vida útil real varía ampliamente según la gravedad de las condiciones operativas y el grado de desalineación del sistema.

Para acoplamientos de elementos metálicos (disco y diafragma), el principal requisito de mantenimiento es la inspección periódica del paquete de discos para detectar grietas por fatiga, picaduras por corrosión y retención del torque de los sujetadores. La inspección del paquete de discos mediante pruebas de tintes penetrantes en intervalos de revisión importantes es una práctica estándar en aplicaciones críticas de turbomaquinaria. Las fallas por fatiga del disco generalmente se inician en los orificios de los pernos (el punto de mayor concentración de tensión) y se propagan radialmente, lo que lleva a una pérdida repentina de la integridad del paquete de discos. La consecuencia de una falla del paquete de discos en maquinaria de alta velocidad puede incluir daños catastróficos al equipo si no se contiene el acoplamiento defectuoso, lo que hace que la inspección del paquete de discos sea una tarea de mantenimiento crítica para la seguridad.

El monitoreo en línea de la condición de los acoplamientos flexibles a través del análisis de vibraciones (seguimiento de los cambios en las amplitudes y fases de vibración de la velocidad de funcionamiento 1× y 2× que caracterizan la desalineación) permite una evaluación continua de la condición del acoplamiento y la alineación sin parada. Los aumentos significativos en la amplitud de vibración de 2× o los cambios en la relación de fase entre las máquinas acopladas con frecuencia indican una desalineación en desarrollo o una degradación del elemento de acoplamiento, lo que proporciona una advertencia anticipada que permite planificar y programar el mantenimiento en lugar de reaccionar.