DISEÑO Y SELECCIÓN DE POLEAS Y CABLES. OMAR FEDULLO.
Cables
Mecanismos flexibles, tenaces y versátiles para a
transmisión
de
elevadas cargas, que se componen de un grupo de alambres trenzados, en cuya función se someten a esfuerzos de tracción, flexión, torsión y aplastamiento, en condiciones críticas y en general, sujetos a un pobre mantenimien mantenimiento. to.
Los cables se emplean para: levante, transporte y transmisión,
nor normalm malmen entte est están cons consttitui ituido doss por por 6 a 8 toron orones es (cord cordon ones es))
COMPOSICIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE UN CABLE
alambres y torones igual
Tipos de cables REGULAR: sentido de trenzado de alambres y torones contrarios
LANG: sentido de trenzado de alambres y torones igual
Figure 2. Comparison of Typical Wire Rope Lays: A) Right Regular, B) Left Regular, C) Right Lang, D) Left Lang, E) Right Alternate
Área de desgaste
Tipos de construcciones
Capa simple
El ejemplo más común de construcción de capa simple es un torón de 7 alambres. Tiene una alma con un solo alambre y seis alambres del mismo diámetro alrededor.
Warrington Esta construcción tiene
dos capas de alambre alrededor de un alambre central con un diámetro de alambre en la capa interior y dos diámetros de alambre que alternan entre mayor y menor en la capa exterior. Los alambres más grandes de la capa exterior descansan en los valles de la capa interior y los más pequeños en sus coronas. Ejemplo: 19 Warrington [1-6-(6+6)].
Seale
Alambres ³filler´
Esta construcción Esta construcción tiene dos capas tiene dos capas de alambre de tamaño de alambres alrededor de una alma con uniforme alrededor de la misma cantidad de alambres en cada un alambre central y capa. Todos los alambres la capa interior tiene de cada capa son del mismo diámetro. la mitad de alambres El torón está diseñado que la capa exterior. de manera que los Se colocan alambres alambres exteriores ³filler´ más pequeños, de mayor diámetro iguales en cantidad que los de la capa descansan en los interior, en los valles de la capa valles entre los interior. Alambres interiores Ejemplo: de menor diámetro. Torón de 25 alambres ³filler´ (1-6-6fEjemplo: 12). Torón 19 Seale (1-9-9).
Clasificaciones de cables estándar
Todos los cables del mismo tamaño, grado y alma de cada clasificación tienen la misma resistencia mínima a la rotura y peso por pie. Las diferentes construcciones dentro de cada clasificación difieren en las características de trabajo. Considere estas características siempre que seleccione un cable para una aplicación específica.
Dimensión nominal
Los tres tipos de alma usados con mayor frecuencia son:
1.
Alma de fibra El polipropileno
es la norma estándar, pero hay disponibles fibras naturales de sisal (o cáñamo) u otras artificiales bajo pedido especial. 2. Alma de cable independiente
Literalmente, un cable independiente con torones y alma, denominado IWRC. La mayoría de los cables hechos con alma de acero usan un IWRC.
3. Alma de torón Un torón hecho
con alambres. Normalmente, las almas de torón se utilizan en cables de servicios públicos únicamente.
Selección de la construcción
La clasificación de cables 6 x 19
incluye estándar 6 torones y cables de torones redondos con 16 a 26 alambres por torón. La clasificación de cables 6 x 36 incluye estándar 6 torones y cables de torones redondos con 27 a 49 alambres por torón. Aunque sus características de funcionamiento varían, todas tienen el mismo peso por pie y la misma Resistencia mínima a la rotura, para cada tamaño. Mientras que los cables 6 x 19 enfatizan principalmente la resistencia a la abrasión en varios grados, los cables 6 x 36 son importantes por su resistencia a la fatiga. Esta resistencia a la fatiga es posible por la mayor cantidad de pequeños alambres por torón. Las construcciones en la clasificación 6 x 36 están diseñadas principalmente para ser las más eficientes para cada diámetro de cable. A medida que se incrementa el tamaño del cable, por ejemplo, se puede usar una cantidad grande de alambres para lograr la resistencia a la fatiga requerida y dichos alambres continuarán siendo suficientemente grandes para ofrecer adecuada resistencia a la abrasión.
Propiedades cables
Capacidad de carga
Capacidad de carga
Consideraciones al evaluar la carga en un cable
Incluir el peso o carga muerta de todos los elementos
Incluir cargas de arranque o parada
Incluir cargas de choque
Incluir fricciones en pasadores o poleas
Descontar la pérdida de resistencia del cable por el curvado del cable en poleas
DUREZA DE LOS ALAMBRES DE ACERO
Calidad
Dureza (Rockwell C)
Acero Arado extra Mejorado
52
Acero Arado Mejorado
45
Acero Arado
43
Tabla de Módu los de E lastici da d Las cifras mencionadas son aproximadas y son aplicables a cables trabajando con un factor de seguridad de alrededor de 5:1. Se puede conseguir Módulos de Elasticidad más altos, trabajando con factores de seguridad inferiores a 5:1 y viceversa Construccion Cables Negros
Modulo de Elasticidad (Kgs/mm2)
Serie
6 x 7 Alma de Fibra
6.300
Serie
6 x 7 Alma de Acero
7.000
Serie
6 x19 Alma de Fibra
5.000
Serie
6 x 19 Alma de Acero
6.000
Serie
6 x 37 Alma de Fibra
4.700
Serie
6 x 37 Alma de Acero
5.600
Serie 18
x 7 Alma de Fibra
4.300
Serie 18
x 7 Alma de Acero
4.500
T orones Galvanizados
x 7 (6/1)
11.000
x 19 (12/6/1)
10.000
x 37 (18 /12/6/1)
9.500
1 1 1
Configuraciones Vs. Costo relativo
Pérdida
de resistencia por curvado en poleas
Esfuerzo por flexión en poleas o tambores
Presiones sobre poleas o tambores
Presiones
permisibles en poleas (psi.)
Correlación entre tamaño de polea y vida
Relación presión-vida
Cómo utilizar los factores de diseño
Las normas y reglamentaciones requieren que el factor de diseño se aplique a la resistencia mínima a la rotura para determinar la carga máxima de trabajo. Para determinar la carga máxima de trabajo para la que se puede utilizar un cable, divida la resistencia mínima por el factor de diseño requerido. Ésta es la carga máxima de trabajo del cable. Puede haber otros factores limitativos en una aplicación, que pueden hacer que la carga máxima de trabajo que pueda manejar el equipo sea menor que la carga máxima de trabajo del cable.
Factores de seguridad
Ecuaciones para diseño
Coeficiente de seguridad
El coeficiente de seguridad de trabajo de un cable es el cociente entre la carga de rotura efectiva y la carga que realmente debe soportar el cable.
Mínimo número de grilletes o clips
Lubricación de cables Funciones del lubricante Los lubricantes para cables cumplen dos funciones 1. Reducir la fricción resultado del movimiento relativo entre los alambres. 2. Proveer protección contra la corrosión, lubricar el núcleo, los alambres internos y las superficies exteriores.
Tipos de lubricantes Hay dos tipos de lubricantes para cables los de penetración y los de recubrimiento. Los lubricantes de penetración contienen un solvente de petróleo que permiten el flujo del lubricante hacia el interior del cable, en el interior el solvente se evapora, permitiendo que una capa fuerte de lubricante proteja cada torón. Los lubricantes de recubrimiento penetran ligeramente, sellan la parte externa evitando la acción de contaminantes y de agua hacia el interior, reducen el desgaste y la corrosión por frotamiento El lubricante ideal mezcla las características de los lubricantes de penetración y el de recubrimiento.
Lubricante: requerimientos adicionales
Mantener
la
flexibilidad
del
cable
con independencia del clima
o entorno. Tener un elevado punto de fusión. Ser compatible con elastómeros o polímeros involucrados en poleas o accesorios. Ofrecer o mantener certeza en cuanto al coeficiente de fricción.
Características del lubricante Lubricantes pueden ser aceites minerales o compuestos de petróleo, o mezclas con espesantes (jabones o ceras).
El lubricante debe ser estable al agua, para que en condiciones de intemperie no sea desplazado por la misma.
Los aceites que lubrican cables a intemperie deben incluir inhibidores de harrume y corrosión.
Tipos de lubricantes
Aceites lubricantes. Deben ser de elevada viscosidad, se aplican sumergiendo el cable
en un baño de aceite caliente, lubrican núcleo y parte interior
Grasas lubricantes. Se emplean para recubrir la parte externa del cable, evitando la
salida del aceite aplicado (jabón de litio o sodio), en ambientes contaminados no se emplean
Compuestos de petróleo. Presentan buena resistencia a la corrosión y al agua, como
son traslucidos permiten la inspección visual del cable
Amalgamas de partículas metálicas. Suelen ser de zinc, estaño, cobre, plomo, plata, entre otros, se aplican disueltos en una capa volátil.
Sólidos. Consiguen buena condición de lubricación, se aplican disueltos en una
base volátil y por medio de corrientes de aire comprimido (MoS2). Son efectivos pero costosos, se utilizan para trabajar en ambientes contaminados.
Beneficios de lubricación adecuada
Selección del lubricante
Tabla de un lubricante comercial
Lubricante comercial
Cables no lubricados Los cables expuestos a ambientes polvorientos, pueden venir lubricados de fábrica y recubiertos de una funda plástica flexible, que los protege del entorno, no requieren lubricación. La protección plástica impide la inspección visual del cab cable. Cuando la funda se rompe hay que cambiar
el cab cable
Lubricación (aspectos claves) El cable viene pre lubricado por el fabricante con el fin de protegerlo en el almacenado, transporte y manipulación Los cables deben ser periódicamente limpiados y relubricados. La limpieza se realiza con solvente brochas rígidas, aire comprimido o vapor sobrecalentado con el fin de remover materiales extraños, suciedad, y el lubricante viejo de los valles entre los torones y alambres antes del re-lubricad cado Método todos s de lubr lubric icac ació ión n empl emplea eado dos s
Los métodos de lubricación empleados van desde: la lubricación continua por baño, goteo, vertido, limpiado, pintura hasta el rociado por boquillas.
Métodos de lubricación
Manual. Los sitios adecuados para lubricarlo son poleas y tambores,
donde el curvado del cable facilita el flujo del mismo al interior i nterior
Depósito con aceite caliente. Se hace pasar el cable por el depósito, que incluye al
inal un paño para limpiar el cable configuraciones
y
el
lubricante
en
exceso,
tiene
distintas
Polea de inmersión con depósito con aceite caliente.
Se coloca una polea desviadora que hace la inmersión del cable en el aceite
caliente
Pol
l
ri
or .
oloca
a ol a con agu j r os n la r anur a
l cabl , stos
agu j r os r ciben el aceite esde un depósito a pr esión al interior de la polea.
Lubricación a presión, goteo o rociado
Lubricación a presión
ccesorios de limpieza y lubricación
POLEAS Las poleas son ruedas que tienen el perímetro exterior diseñado especialmente para facilitar el contacto con cuerdas o correas.
En toda polea se distinguen tres partes: cuerpo, cubo y garganta. El cuerpo es el elemento que une el cubo con la garganta. En algunos tipos de poleas está formado por radios o aspas para reducir peso y facilitar la ventilación de las máquinas en las que se instalan. El cubo es la parte central que comprende el agujero, permite aumentar el grosor de la polea para aumentar su estabilidad sobre el eje. Suele incluir un chavetero que facilita la unión de la polea con el eje o árbol (para que ambos giren solidarios). La garganta (o canal ) es la parte que entra en contacto con la cuerda o la correa y está especialmente diseñada para conseguir el mayor agarre posible. La parte más profunda recibe el nombre de llanta. Puede adoptar distintas formas (plana, semicircular, triangular...) pero la más empleada hoy día es la trapezoidal.
Las poleas empleadas para tracción y elevación de cargas tienen el perímetro acanalado en forma de semicírculo (para alojar cuerdas), mientras que las empleadas para la transmisión de movimientos entre ejes suelen tenerlo trapezoidal o plano (en automoción también se emplean correas estriadas y dentadas)
Utilidad
Básicamente la polea se utiliza para dos fines: cambiar la dirección de una fuerza mediante cuerdas o transmitir un movimiento giratorio de un eje a otro mediante correas. En el primer caso tenemos una polea de cable que puede emplearse bajo la forma de polea fija, polea móvil o polipasto. Su utilidad se centra en la elevación de cargas (pastecas, grúas, ascensores...), cierre de cortinas, movimiento de puertas automáticas, etc.
En el segundo caso tenemos una polea de correa que es de mucha utilidad para acoplar motores eléctricos a otras máquinas (compresores, taladros, ventiladores, generadores eléctricos, sierras...) pues permite trasladar un movimiento giratorio de un eje a otro. Con este tipo de poleas se construyen mecanismos como el multiplicador de velocidad, la caja de velocidad y el tren de poleas.
Polea
de cable
La polea de cable es un tipo de polea cuya garganta (canal) ha sido diseñada expresamente para facilitar su contacto con cuerdas, por tanto suele tener forma semicircular. La misión de la cuerda (cable) es transmitir una potencia (un movimiento o una fuerza) entre sus extremos. El mecanismo resultante de la unión de una polea de cable con una cuerda se denomina aparejo de poleas. Esta polea podemos encontrarla bajo dos formas básicas: como polea simple y como polea de gancho
Polea
simple
Una polea simple es, básicamente, una polea que está unida a otro operador a través del propio eje. Siempre va acompañada, al menos, de un soporte y un eje. El soporte es el que aguanta todo el conjunto y lo mantiene en una posición fija en el espacio. Forma parte del otro operador al que se quiere mantener unida la polea (pared, puerta del automóvil, carcasa del video...). El eje cumple una doble función: eje de giro de la polea y sistema de fijación de la polea al soporte (suele ser un tirafondo, un tornillo o un remache).
Además, para mejorar el funcionamiento del conjunto, se le puede añadir un casquillo de longitud ligeramente superior al grueso de la polea (para facilitar el giro de la polea) y varias arandelas (para mejorar la fijación y el giro). También es normal que la polea vaya dotada de un cojinete para reducir el rozamiento.
Una polea simple cambia la dirección de una fuerza sin cambiar su magnitud, como se observa en la figura, donde la carga y el esfuerzo toman un valor de 100 N. La eficiencia de la polea está determinada principalmente por el rozamiento del cojinete. Son habituales eficiencias altas, incluso superiores al 95%
Polea
de gancho
La polea de gancho es una variación de la polea simple consistente en sustituir el soporte por una armadura a la que se le añade un gancho; el resto de los elementos básicos (eje, polea y demás accesorios) son similares a la anterior. El gancho es un elemento que facilita la conexión de la " polea de gancho" con otros operadores mediante una unión rápida y segura. En algunos casos se sustituye el gancho por un tornillo o un tirafondo.
Utilidad
El aparejo de poleas (combinación de poleas de cable y cuerda) se emplea bajo la forma de polea fija, polea móvil o polipasto:
La polea fija de cable se caracteriza porque su eje se mantiene en una posición fija en el espacio evitando su desplazamiento. Debido a que no tiene ganancia mecánica su única utilidad práctica se centra en: Reducir el rozamiento del cable en los cambios de dirección (aumentando así su vida útil y reduciendo las pérdidas de energía por rozamiento) Cambiar la dirección de aplicación de una fuerza. Se encuentra en mecanismos para el accionamiento de puertas automáticas, sistemas de elevación de cristales de automóviles, ascensores, tendales, poleas de elevación de cargas... y combinadas con poleas móviles formando polipastos.
La polea movil de cable es aquella que va unida a la carga y se desplaza con ella. Debido a que es un mecanismo que tiene ganancia mecánica (para vencer una resistencia "R " es necesario aplicar solamente una potencia "P " ligeramente superior a la mitad de su valor "P>R/2 ") se emplea en el movimiento de cargas, aunque no de forma aislada, sino formando parte de polipastos
El polipasto es una combinación de poleas fijas y móviles. Debido a que tiene ganancia mecánica su principal utilidad se centra en la elevación o movimiento de cargas. La podemos encontrar en grúas, ascensores, montacargas, tensores...
En la figura de la izquierda observamos un sistema de 2 poleas llamado polipasto. La polea superior se fija a un soporte estacionario, en tanto que la polea inferior se mueve con la carga. Es evidente que en estas condiciones las dos secciones paralelas de cable soportan la carga (de 100 N), soportando cada una de ellas una tensión de 50 N. El esfuerzo es en este caso 50 NylaVM=2.
La ventaja mecánica de un polipasto viene dada por:
VM = (e) (nº de cuerdas) ·(nº de cuerdas)
Polea
de correa
La polea de correa trabaja necesariamente como polea fija y, al menos, se une a otra por medio de una correa, que no es otra cosa que un anillo flexible cerrado que abraza ambas poleas.
Este tipo de poleas tiene que evitar el deslizamiento de la correa sobre ellas, pues la transmisión de potencia que proporcionan depende directamente de ello. Esto obliga a que la forma de la garganta se adapte necesariamente a la de la sección de la correa empleada.
Básicamente se emplean dos tipos de correas: planas y trapezoidales. as corr e igen poleas con el perímetro ligeramente l bombeado o acanalado, siendo las primeras las más empleadas. n algunas aplicaciones especiales tambi n se emplean correas estriadas y de sincronización ue e igen la utilización de sus correspondientes poleas.
Las correas trapezoidales son las más empleadas existiendo una gran variedad de tamaños y formas. Su funcionamiento se basa en el efecto cuña que aparece entre la correa y la polea (a mayor presión mayor será la penetración de la correa en la polea y, por tanto, mayor la fuerza de agarre entre ambas). Esto obliga a que la correa no apoye directamente sobre la llanta de la garganta, sino solamente sobre las paredes laterales en forma de "V".
Relación de velocidades
La transmisión de movimientos entre dos ejes mediante poleas está en función de los diámetros de estas, cumpliéndose en todo momento: Donde: D1 Diámetro de la polea conductora D2 Diámetro de la polea conducida N1 Velocidad de giro de la Polea Conductora N2 Velocidad de giro de la Polea Conducida
Definiendo la relación de velocidades (i) como:
Posibilidades
del multiplicador de velocidades
Disminuir de la velocidad de giro
Si la Polea conductora es menor que la conducida, la velocidad de giro del eje conducido será menor que la del eje conductor.
Mantener la velocidad de giro
Si ambas poleas tienen igual diámetro, las velocidades de los ejes serán también iguales
Aumentar la velocidad de giro
Si la Polea conductora tiene mayor diámetro que la conducida, la velocidad de giro aumenta
Invertir el sentido de giro
Empleando poleas y correas también es posible invertir el sentido de giro de los dos ejes sin más que cruzar las correas.
Tren de poleas
Se emplea cuando es necesario transmitir un movimiento giratorio entre dos ejes con una gran reducción o aumento de la velocidad de giro sin tener que recurrir a diámetros excesivamente grandes o pequeños.
El elemento principal de este mecanismo es la polea doble, que consiste en dos poleas de diámetros diferentes unidas entre sí de manera que ambas giran solidarias. Solamente las poleas situadas sobre los ejes extremos (el conectado al motor y el conectado a la carga) giran solidarias con ellos.
Este sistema técnico nos permite aumentar o disminuir mucho la velocidad de giro de un eje, cumpliendo todo lo apuntado para el multiplicador de velocidad por poleas . Si suponemos un sistema técnico formado por tres tramos (tres correas) en el que el eje motriz gira a la velocidad N1, por cada grupo montado se producirá una reducción de velocidad que estará en la misma proporción que los diámetros de las poleas dobles (Db /Da):
N2=N1·(Db /Da) N3=N2·(Db /Da) N4=N3·(Db /Da)
Por tanto, en este caso tendremos que la velocidad del eje útil respecto a la del eje motriz será: N4=N1·(Db/Da)·(Db/Da)·(Db/Da)
Presiones
permisibles en poleas (psi.)
Presiones sobre poleas o tambores
POLEAS EN V, DE HIERRO FUNDIDO.
Tres conceptos muy importantes relacionados con las máquinas simples son los de ventaja mecánica (VM), ventaja de velocidad (VV) y eficiencia (e). El primero es el cociente entre la carga y el esfuerzo, el segundo es el cociente entre la velocidad alcanzada por la carga y la velocidad del punto de aplicación del esfuerzo, que coincide con el cociente entre los desplazamientos realizados por la carga y el punto de aplicación del esfuerzo en un cierto tiempo t; el tercero parámetro se define como el cociente entre el trabajo útil producido y el trabajo suministrado, siendo, por lo tanto, un número inferior a la unidad. Debemos decir que una VM alta (mayor que la unidad) implica normalmente una VV baja (menor que la unidad) y viceversa, ya que, siempre que la eficiencia de la máquina valga 1, se cumple que VM·VV = 1.
VV = (velocidad alcanzada por la carga) / (velocidad del punto de aplicación del esfuerzo)
VM·VV = e
La ventaja mecánica de un polipasto depende del número de cuerdas que soporta la carga (número que suele ser equivalente al del número de poleas que conforman el polipasto) y de la eficiencia total, que básicamente depende del rozamiento en los cojinetes de cada polea. De hecho, se puede demostrar que la VM de un polipasto responde a la expresión: VM = e · (número de cuerdas del soporte) e = (Trabajo útil producido) / (Trabajo suministrado) La eficiencia de una polea suele ser alta, del orden de 0.98 para un cojinete de rodillos
Cálculo de los diámetros de las poleas. Para d1, se busca en el catálogo el diámetro mínimo recomendado para el perfil seleccionado. Una vez conocido el diámetro mínimo debe ser adoptado como diámetro primitivo en la polea menor de la transmisión uno mayor que el diámetro mínimo recomendado (d1 dmin). El diámetro del resto de las poleas se calcula por la razón de transmisión.
Recomendación de diámetros primitivos mínimos de poleas
Diámetro mínimo recomendado para poleas montadas en motores
Potencia
[rpm] 1/2 3/4
870
1
2.2 2.4 2.4 2.2 2.4
1 1.5
2
3
del Motor El éctrico
5
7.5
10
15
20
25
30
40
50
2.4
3.0 3.0 3.8 4.4 4.4 5.2 6.0 6.8 6.8 8.2 8.4
2.4
2.4 3.0 3.0 3.8 4.4 4.4 5.2 6.0 6.8 6.8 8.2
1160
-
1750
-
-
2.2
2.4
2.4 2.4 3.0 3.0 3.8 4.4 4.4 4.4 5.2 6.0 6.8
3500
-
-
-
2.2
2.4 2.4 2.4 3.0 3.0 3.8 4.4 4.4
-
-
-
