Dimensionamiento de acoplamientos de eje para equipos pesados: torsión, desalineación y selección

Un accionamiento de cinta transportadora de 132 kW en una explotación minera pasó por tres acoplamientos en una temporada de funcionamiento. Cada reemplazo tenía el mismo tamaño de catálogo y cada uno falló en los dientes del cubo. La culpa no fue la calidad del material; era un método de dimensionamiento que sólo tenía en cuenta el diámetro del eje y la potencia del motor. El ciclo de trabajo incluía arranques frecuentes bajo una correa cargada y nadie había medido la desalineación angular creada por la base que se asentaba. Esa lección se aplica en toda la industria pesada: dimensionar los acoplamientos de eje para equipos pesados ​​es un cálculo de ingeniería, no una búsqueda en un catálogo.

La lógica de dimensionamiento que previene fallas en el campo

Trabaje en el orden correcto y la mayoría de las fallas del acoplamiento desaparecerán. Calcule el torque de aplicación, aplique un factor de servicio que refleje la máquina accionada y su trabajo, identifique las condiciones máximas y de choque, mida la desalineación que realmente produce el equipo y solo entonces seleccione un tamaño de acoplamiento que satisfaga todas las restricciones al mismo tiempo. Un acoplamiento perfectamente clasificado para el par nominal aún puede fallar rápidamente cuando funciona con una desalineación angular continua o cuando el par de arranque alcanza tres veces el par de funcionamiento.

El par de diseño es el ancla de todo el cálculo: Td = Tn x SF. Tn es el par nominal transmitido en funcionamiento estable y SF es el factor de servicio. Para equipos pesados, el SF rara vez se sitúa por debajo de 1,5 y, a menudo, alcanza entre 2,5 y 3,0 para trituradoras y molinos reversibles. Dos variadores con el mismo par motor pueden requerir diferentes tamaños de acoplamiento. Una bomba centrífuga que funciona de manera constante a 1480 rpm normalmente utiliza un factor de servicio de 1,25, mientras que una trituradora con el mismo motor necesita 2,5 o más debido a la carga de impacto. La siguiente tabla enumera los factores de servicio comúnmente utilizados para los motores eléctricos.

Los tres números que deciden el tamaño del acoplamiento

Cada selección de acoplamiento de eje se reduce a tres números: torque, diámetro interior y desalineación. La velocidad y el entorno también importan, pero estos tres deciden el tamaño del cuadro.

Par nominal

Para un accionamiento giratorio, el par nominal es T = 9550 x P / n, donde P está en kilovatios, n está en revoluciones por minuto y T sale en newton metros. Por lo tanto, un motor de 132 kW a 1480 rpm transmite aproximadamente 852 Nm bajo carga constante.

Par máximo

Los motores eléctricos suelen producir entre el 150 y el 200 por ciento del par nominal durante el arranque. Los motores diésel y los motores hidráulicos pueden producir picos aún mayores. El acoplamiento debe sobrevivir al pico, no sólo al promedio, porque el par máximo tensiona los dientes, el cubo y los elementos de sujeción. Si el variador arranca regularmente bajo carga o invierte la dirección, trate el par máximo como una condición de diseño continua en lugar de un evento ocasional.

Capacidad de perforación

Un acoplamiento puede alcanzar el objetivo de torsión pero aun así fallar cuando el orificio es demasiado pequeño para el eje y el chavetero. Verifique el diámetro máximo del marco seleccionado y confirme que el chavetero pueda transmitir el torque de diseño sin aplastar sus bordes. Cuando las cargas axiales son altas, considere un conjunto de bloqueo en lugar de una llave; la fuerza de sujeción sujeta el cubo de forma segura y elimina la fatiga del chavetero.

Desalineación

La desalineación radial, angular y axial acortan la vida útil del acoplamiento cuando exceden los valores nominales. Los acoplamientos de engranajes manejan una desalineación angular de hasta aproximadamente 1,5 grados por malla, mientras que los acoplamientos de diafragma toleran menos pero ofrecen una mayor rigidez torsional. Los ejes universales aceptan los mayores desplazamientos angulares y axiales, lo que los convierte en el estándar para transmisiones móviles o de larga distancia. La velocidad amplifica el efecto: a altas revoluciones, incluso los pequeños errores angulares generan vibraciones y cargas dinámicas que el acoplamiento nunca fue diseñado para soportar.

Familias de Acoplamientos para Equipo Pesado

Cada familia de acoplamientos resuelve una combinación diferente de par, desalineación y velocidad. Conocer los límites de cada familia es la mitad del trabajo de dimensionamiento.

Acoplamientos de engranajes de tambor

Los acoplamientos de engranajes de tambor son los caballos de batalla de la industria pesada. Su forma de diente coronado reduce la presión en los bordes y permite la desalineación angular sin renunciar a la capacidad de torsión. Cuando el variador debe transmitir cientos de kilonewton metros en una envolvente compacta, la primera opción suele ser un acoplamiento de engranaje de tambor de tipo ancho. el acoplamiento de engranaje de tambor de tipo ancho con alta capacidad de carga Cubre el rango de diámetro y torsión típico de los accionamientos de molinos, transportadores y grúas, y sus juegos de engranajes reemplazables simplifican el mantenimiento. Para una visión más amplia de cómo se comportan estos acoplamientos en servicio, el artículo sobre Acoplamientos de engranajes de tambor para sistemas de accionamiento industriales pesados. Explica la geometría de los dientes, la lubricación y los modos de falla.

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Acoplamientos de eje universales

Cuando la máquina accionada se mueve con respecto al motor, o la línea de transmisión tiene un desplazamiento angular significativo, un eje cardán es la respuesta correcta. el eje universal de precisión de doble tipo mantiene una alta precisión de transmisión en grandes ángulos de trabajo y está disponible con secciones telescópicas donde la distancia entre los extremos del eje cambia durante la operación. Las aplicaciones incluyen laminadores, mezcladores y cualquier equipo en el que el motor y la máquina de trabajo se asienten sobre bases separadas que se mueven de forma independiente.

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Acoplamientos de diafragma

En cuanto a rigidez torsional y juego cero, los acoplamientos de diafragma superan a la mayoría de las alternativas. Las turbomaquinarias, los bancos de pruebas y las bombas de alta velocidad los utilizan porque transmiten el par a través de discos metálicos delgados que se flexionan elásticamente. En unidades que funcionan hasta 10.000 rpm, un Acoplamiento de diafragma de alta velocidad personalizado con capacidad de hasta 10.000 rpm evita la lubricación y el desgaste, y la construcción totalmente metálica se adapta a temperaturas ambiente altas donde las piezas elastoméricas se degradarían rápidamente.

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Acoplamientos elastoméricos

Los acoplamientos para neumáticos y los acoplamientos de pasador y casquillo añaden suavidad torsional y vibración húmeda. Son opciones económicas para transmisiones de par moderado y de baja velocidad, pero su densidad de par está muy por debajo de la de los diseños de engranajes o diafragma. En equipos pesados, aparecen principalmente en transmisiones auxiliares y transportadores pequeños donde la absorción de impactos importa más que la compacidad.

Un procedimiento de dimensionamiento paso a paso

El siguiente procedimiento funciona para la mayoría de las transmisiones de equipos pesados, ya sea que esté reemplazando un acoplamiento defectuoso o diseñando una nueva transmisión.

1. Determine el par nominal a partir de la potencia del motor y la velocidad de funcionamiento.
2. Seleccione el factor de servicio según el tipo de máquina, la frecuencia de arranque y el nivel de impacto.
3. Calcule el par de diseño multiplicando el par nominal por el factor de servicio.
4. Verifique el par máximo en condiciones de arranque, marcha atrás o calado.
5. Mida la desalineación radial, angular y axial que realmente produce la instalación.
6. Elija un marco de acoplamiento con un par nominal superior al par de diseño y una capacidad de desalineación superior a los valores medidos.
7. Confirme las dimensiones del orificio y del chavetero con los extremos reales del eje.
8. Verifique la velocidad máxima y, para transmisiones de alta velocidad o de velocidad variable, realice un análisis de vibración torsional.
9. Revisar el entorno: rango de temperatura, polvo, humedad y acceso a la lubricación.

Errores comunes de tallas y cómo evitarlos

La mayoría de los fallos en el campo se remontan a uno de los siguientes errores:

• Utilizar el par indicado en la placa del motor en lugar del par de arranque o de parada.
• Elegir un factor de servicio demasiado bajo para cargas pesadas intermitentes.
• Midiendo la desalineación sólo en la instalación e ignorando el crecimiento térmico y el asentamiento de los cimientos.
• Seleccionar el acoplamiento solo por el tamaño del orificio, sin verificar la clasificación de torque.
• Sobredimensionado hasta tal punto que el acoplamiento ya no protege el sistema contra sobrecargas.
• Olvidándose de la retención axial cuando el accionamiento lleva un empuje axial elevado.

Cuando el equipo deba cumplir con la práctica europea, la guía para Tipos y selección de acoplamientos DIN Aclara cómo se comparan las series DIN en cuanto a rigidez torsional, capacidad de alineación y requisitos de mantenimiento.

Un ejemplo práctico de dimensionamiento

Tomemos como ejemplo una cinta transportadora accionada por un motor eléctrico de 132 kW a 1480 rpm, con un eje de motor de 80 mm y un eje de entrada de la caja de cambios del mismo diámetro.

1. Par nominal: Tn = 9550 x 132 / 1480 = 852 Nm.
2. Factor de servicio para un transportador con impacto moderado y arranques frecuentes: 1,75.
3. Par de diseño: Td = 852 x 1,75 = 1491 Nm.
4. Par de arranque máximo al 200 por ciento del par motor: aproximadamente 1704 Nm.
5. Seleccione un bastidor de acoplamiento con una capacidad nominal superior a 1491 Nm, con un diámetro interior máximo de al menos 80 mm y un chavetero que se ajuste al eje.

Un acoplamiento de engranaje de tambor con un par nominal de 2000 Nm, un diámetro interior máximo de 85 mm y una capacidad de desalineación angular de aproximadamente 1,5 grados cumpliría el requisito con un margen de seguridad razonable. El siguiente bastidor más pequeño, con capacidad de 1200 Nm, fallaría en la verificación del par de diseño incluso si su orificio encaja en el eje. Por este motivo, el cálculo del par debe preceder a cualquier comparación de diámetros.

Comprobaciones finales antes de realizar el pedido

Antes de confirmar el tamaño del acoplamiento, revise estos puntos:

• Confirme que el orificio del acoplamiento coincida tanto con el eje del motor como con el eje de la máquina impulsada.
• Verifique las dimensiones del chavetero con la norma aplicable.
• Decida si para la aplicación se necesita una versión de rueda de freno o de disco de freno.
• Tenga en cuenta el intervalo de lubricación y si la instalación permite un fácil acceso para el mantenimiento.
• Para cargas de alta velocidad o inversas, solicite un análisis de torsión al fabricante antes de finalizar el tamaño.

El dimensionamiento de acoplamientos de eje para equipos pesados ​​funciona mejor como un proceso estructurado. Comience con el torque, aplique un factor de servicio honesto, respete las condiciones máximas y mida la desalineación que realmente crea la instalación. Cuando esos números son correctos, el tamaño del acoplamiento se determina naturalmente y la pieza que instala tiene una posibilidad real de durar tanto como la máquina a la que sirve.