ACOPLAMIENTOS Y ALINEACIÓN DE EJES
JAVIER SOLÍS FERNÁNDEZ
ÍNDICE 1.
ACOPLAMIENTOS .................................................................................................................. 3 1.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 3
1.2 TIPOS DE ACOPLAMIENTOS................................................................................................. 3 ACOPLAMIENTOS RÍGIDOS .................................................................................................... 4 ACOPLAMIENTOS MÓVILES................................................................................................... 5 1.3 INSTALACIÓN Y DESINSTALACIÓN DE ACOPLAMIENTOS .................................................... 7 1.4 LUBRICACIÓN ...................................................................................................................... 7 1.5 MANTENIMIENTO ............................................................................................................... 8 2. ALINEACIÓN .............................................................................................................................. 9 2.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 9 2.2 TIPOS DE ALINEACIONES ................................................................................................... 10 2.3 TOLERANCIAS .................................................................................................................... 12 2.4 DIAGNÓSTICO DE LA DESALINEACIÓN .............................................................................. 12 2.5 CÁLCULO DE DESPLAZAMIENTOS PARA LA ALINEACIÓN (MÉTODOS DE ALINEACIÓN) ... 13 2.6 PROCEDIMIENTO DE ALINEACIÓN .................................................................................... 17
1.1 INTRODUCCIÓN Los acoplamientos son elementos de máquinas que permiten unir o acoplar para comunicar el movimiento entre dos ejes en línea recta con dirección paralela, inclinada o en planos diferentes. Los acoplamientos tienen como función prolongar líneas de transmisión de ejes o conectar tramos de diferentes ejes, estén o no alineados entre sí. Es un hecho real que siempre habrá alguna desalineación entre un eje motor y un eje conducido, por lo cual deben utilizarse acoplamientos flexibles. Es decir, el propósito fundamental de los acoplamientos es transmitir el par de to rsión requerido desde el eje motor al conducido y compensar el desalineamiento angular, paralelo o una combinación de ambos, con numerosas funciones complementarias como proporcionar desplazamiento axial y así mismo restringirlo. A través de una apropiada selección del acoplamiento y de un buen procedimiento de alineación pueden evitarse altos costes de mantenimiento y pérdida de tiempo en la producción.
1.2 TIPOS DE ACOPLAMIENTOS Se pueden distinguir comercialmente dos tipos de acoplamientos: rígidos y flexibles. Los acoplamientos rígidos son empleados para acoplar dos ejes que requieran de buena alineación. La capacidad está relacionada directamente con la capacidad de transmisión del eje al cual se va a acoplar y se selecciona según los diámetros de los ejes. Los acoplamientos flexibles reciben ese nombre porque permiten una pequeña desalineación de los ejes. Este desalineamiento es absorbido por las juntas, componentes del acoplamiento. Tienen limitada su capacidad normal por las tensiones máximas de sus elementos flexibles. La capacidad de carga de un acoplamiento debe estar relacionada con:
La potencia a transmitir. Características de la transmisión: uniforme, impulsiva o altamente impulsiva. Velocidad, revoluciones por minuto. Dimensiones de los ejes a acoplar. Vibraciones.
ACOPLAMIENTOS RÍGIDOS Los acoplamientos rígidos más usados son los de bridas o plato y los de manguito partido.
ACOPLAMIENTOS RÍGIDOS CON BRIDA Está compuesto por dos platos con una serie de agujeros para colocar los tornillos de unión. Van montados en los extremos de los ejes. Generalmente llevan un sistema de encaje para asegurar un riguroso centrado.
ACOPLAMIENTOS DE MANGUITO PARTIDO Están compuestos por dos mitades concéntricas y unidos por tornillo y tuerca. Al ser ajustados realizan la unión de los ejes.
ACOPLAMIENTOS MÓVILES Lo más normal es que se produzcan vibraciones o los ejes puedan sufrir algún desalineamiento, por lo que es común, utilizar elementos que permitan cierto movimiento. Entre ellos tenemos:
MANGUITO ESTRIADO Se trata de crear unas ranuras en el extremo de los dos árboles a unir, y trabarlas mediante un tubo que tiene las mismas ranuras, pero por el interior. Uno de los árboles está fijo al manguito y el otro puede deslizar con cierta holgura, pero no girar respecto a aquél.
JUNTA ELÁSTICA Formada por un anillo de goma al que se unen ambos árboles. Como el elemento de unión es elástico, con este método se pueden evitar vibraciones y se permite un ligero descentramiento de los ejes.
JUNTA CARDÁN Este mecanismo se utiliza cuando hay que variar la dirección del giro. Está formado por dos horquillas y entre las dos hay una pieza llamada cruceta. Cuando el árbol de entrada gira, arrastra a la cruceta y ésta a su vez arrastra al de salida.
La junta Cardan tiene el problema de que la velocidad de giro de salida sufre algunas variaciones por efecto de los ángulos. Para evitar estas variaciones se colocan siempre dos juntas Cardán que se compensen entre sí. A este elemento se le llama doble Cardán.
JUNTA HOMOCINÉTICA Otra solución para evitar una velocidad variable en el árbol de salida es esta evolución de la junta Cardan, la junta de bolas Rzeppa. Una de las variantes del mecanismo (aunque hay otras soluciones), de uso universal en los vehículos de tracción delantera, en los que las ruedas deben poder inclinarse mientras reciben el giro del motor.
EMBRAGUES Los embragues se basan en unir y separar cuando queramos un árbol motriz con otro árbol conducido. Para ello existen varios métodos: 1. Embrague de fricción: cada uno de los árboles está unido a un disco, uno de las cuales se puede desplazar. Al juntar los dos discos (posición de embragado) el rozamiento hace que giren juntos, y cuando se separan (posición desembragado), el árbol motriz sigue girando mientras el conducido puede incluso detenerse. Estos embragues de disco requieren de la acción de una persona. Existen otros tipos que son automáticos: 2. Embrague centrífugo: se basa en aprovechar la fuerza centrífuga provocada por el giro para comprimir las superficies de fricción contra una campana que recibe el giro. 3. Embrague hidráulico: en este caso una pieza unida al árbol motriz impulsa aceite contra otra pieza unida al árbol conducido. En este sistema siempre existen pérdidas de energía debidas al calentamiento y el rozamiento del aceite. 4. Embrague de garras: se utilizan para desplazar una de las piezas para hacer que giren juntos los árboles motriz y conducido. Para ello, ambos árboles deben estar detenidos, pues de otra forma no se pueden acoplar.
TRINQUETE Mecanismo que permite el giro en un sentido y lo impide en el otro.
1.3 INSTALACIÓN Y DESINSTALACIÓN DE ACOPLAMIENTOS Cada acoplamiento contará con instrucciones específicas para su instalación, las cuales proporciona el fabricante en cada caso. Sin embargo, en general, los acoplamientos se instalan en dos pasos: Primero, cada mitad del acoplamiento se instala sobre su árbol. En segundo lugar, una vez que las máquinas están alineadas, las dos mitades se atornillan entre sí directamente o a través de un espaciador.
1.4 LUBRICACIÓN Los acoplamientos mecánicamente flexibles son prácticamente los únicos que requieren lubricación. En estos acoplamientos la lubricación posee un papel de gran relevancia en su vida útil. Uno de los aspectos más importantes en la lubricación es la fuerza centrífuga que se genera con la rotación. Esta fuerza y su efecto sobre el lubricante será mayor cuanto mayor sea su velocidad de rotación. Los sellos juegan también un papel fundamental en la lubricación de acoplamientos. En la mayoría de los acoplamientos que fallan debido a la lubricación, el fallo está relacionado directa o indirectamente con el sellado de la cámara. Los acoplamientos pueden ser lubricados con grasa o con aceite, lo que supone prácticas muy distintas con procedimientos diferentes. 1. Lubricación con grasa: existen dos formas de lubricar los acoplamientos flexibles con grasa: antes del montaje y después del montaje. 2. Lubricación con aceite: puede estar lubricado de dos formas distintas: cuando el acoplamiento está confinado con otros elementos y la lubricación es común a todos ellos o cuando el acoplamiento contiene el lubricante.
1.5 MANTENIMIENTO El mantenimiento de los acoplamientos consiste básicamente en inspeccionar, relubricar y alinear los ejes.
INSPECCIÓN La inspección persigue detectar daños en las piezas y controlar el desgaste que se produce al acumular horas de funcionamiento. En los acoplamientos lubricados, la inspección incluye la observación detallada de los sellos, no solo por su estado, sino también para localizar posibles fugas de lubricante. Con la máquina parada, primero se debe proceder a una inspección exterior exhaustiva. También es importante verificar la no ausencia de elementos como tornillos. Posteriormente se procede a desmontar cuidadosamente el acoplamiento, durante el desmontaje se deben inspeccionar los sellos y tapones, reemplazándolos en caso de estar deteriorados. Más tarde se separan las piezas, se limpian en un baño de disolvente y se secan. A continuación, todas las piezas deben ser inspeccionadas detalladamente. En esta tarea se observa la geometría de la pieza y, en especial, las superficies de trabajo vigilando el desgaste de las mismas. El desgaste exterior de las piezas indica rozamiento con partes estáticas de la máquina, lo que debe ser investigado y corregido. El lubricante extraído del acoplamiento también debe ser inspeccionado, observando su aspecto y apariencia. Tras la inspección del acoplamiento se debe verificar la correcta alineación de los ejes. Una vez asegurada la alineación, se procede con la lubric ación y el ensamblaje de las piezas según el procedimiento descrito por el fabricante.
RELUBRICACIÓN Para que un acoplamiento que requiere lubricación preste un servicio satisfactorio se debe vigilar el estado y la cantidad del lubricante periódicamente. Los acoplamientos son elementos que no requieren períodos de relubricación cortos. Se deben seguir siempre las instrucciones del fabricante en cuanto a la periodicidad, el tipo de lubricante y la cantidad a suministrar.
2.1 INTRODUCCIÓN La desalineación es un defecto mecánico que se define como la falta de coincidencia espacial de los ejes geométricos correspondientes a dos ejes de transmisión acoplados. Este concepto también puede ser aplicado a otros tipos de transmisiones en las que los ejes están dispuestos paralelamente (transmisiones por correa, transmisiones por engranaje, etc.) aunque, en estos casos, la desalineación denota ausencia de paralelismo entre los ejes geométricos. Dada una máquina con dos partes (conductora y conducida) conectadas mediante un acoplamiento, la alineación de los ejes es un procedimiento que consiste en la recolocación de las partes con el objetivo de que coincidan en el espacio los ejes geométricos de ambas partes. En la práctica, el procedimiento de alineación de ejes se realiza moviendo sólo una de las partes (parte móvil) mientras que se mantiene fija la posición de la otra parte (parte fija). El problema de desalineación de ejes aparece ante la necesidad de transmitir una potencia desde un elemento mecánico hasta otro. Cuando el par a transmitir y la velocidad de rotación son pequeños, el problema suele carecer de importancia ya que no influye sensiblemente en la vida útil de los componentes de la máquina. Sin embargo, al transmitir potencias mayores, la alineación de ejes es crítica para la vida de los componentes de la propia máquina. Las consecuencias de una mala alineación son conocidas y numerosas:
Desgaste y fallo del acoplamiento. Recalentamiento, desgaste y fallo de cojinetes y rodamientos. Sobrecarga y curvado de rotores y cigüeñales. Desgaste en empaquetaduras y sellos mecánicos. Fallo prematuro del eje por fatiga del material. Ruido. Vibraciones. Mayor consumo de energía.
Aunque, en principio una máquina es diseñada, instalada y puesta en funcionamiento con el objetivo de que no exista desalineación entre sus ejes, la práctica demuestra que el problema de desalineación aparece con frecuencia siendo sus causas muy diversas. De éstas, las más importantes son las siguientes:
Sobrestimación de la rigidez del material de la máquina durante el diseño. Subestimación de las fuerzas y momentos derivados del funcionamiento. Montaje de la máquina sobre cimentaciones en mal estado. Dilataciones producidas por cambios de temperatura en ejes, rodamientos, etc. Bancadas o amarres en mal estado debido a grietas por fatiga, errores en el apriete de los pernos, etc.
Por este motivo, la verificación de la alineación de los ejes debe realizarse periódicamente para asegurar el buen funcionamiento de la máquina. El periodo necesario depende del tipo de máquina y de la potencia transmitida.
2.2 TIPOS DE ALINEACIONES En la práctica, el desplazamiento necesario en la parte móvil de la máquina para lograr la alineación se suele descomponer en desplazamiento horizontal y desplazamiento vertical, dando origen a dos planos de alineación: horizontal y vertical. Esto da lugar a distintas situaciones de alineación:
Alineación perfecta. Es una condición en la cual los dos ejes son perfectamente colineales y operan como un único eje sólido cuando están acoplados. La alineación perfecta se da sólo cuando los ejes coinciden en las proyecciones de ambos planos. Es un estado ideal que suele ser improbable en la práctica. El objetivo realista es aproximarse lo más posible a esta situación perfecta.
Desalineación paralela. Es un estado en el que los ejes geométricos de los ejes mecánicos son perfectamente paralelos, aunque no coincidentes. La desalineación paralela se cuantifica midiendo la distancia entre los ejes en cada plano de alineación.
Desalineación angular. Es una condición en la que los ejes geométricos no son paralelos, pero se cortan en el punto medio entre los platos del acoplamiento. La magnitud que define este tipo de desalineación es el ángulo que forman los ejes, que se mide en los dos planos de alineación.
Desalineación combinada. Ocurre cuando los ejes no son paralelos (desalineación angular) y no se unen en el centro del acoplamiento (desalineación paralela). Es el tipo de desalineación más general.
2.3 TOLERANCIAS En principio, el objetivo de la alineación es conseguir una alineación perfecta entre los ejes de las dos partes consideradas de la máquina (parte fija y parte móvil). Sin embargo, es interesante realizar ciertas consideraciones relativas a este objetivo. En primer lugar, considerando que la precisión de los instrumentos de medida es finita (por muy grande que sea), la alineación perfecta es imposible de certificar. Además, los elementos estructurales de la máquina no poseen una rigidez infinita. Durante el funcionamiento, los ejes se mueven debido a deformaciones de la bancada, de los amarres, de los soportes. Además, los cambios de temperatura provocarán dilataciones que también afectarán a los elementos estructurales y modificarán la posición del eje. Por otro lado, desde un punto de vista funcional y de durabilidad, para cada máquina existe un cierto grado de desalineación por debajo del cual ésta no acorta sensiblemente la vida útil de los componentes, ni conlleva otros efectos no deseados en el funcionamiento de la máquina. Erróneamente, existe una tendencia a utilizar la tolerancia de desalineación que proporciona el fabricante del acoplamiento como criterio válido para la máquina. Es incorrecto suponer que lo que es bueno para el acoplamiento es bueno para la máquina en la que está instalado. Aunque, si es cierto que hay que tener en cuenta la tolerancia del acoplamiento como un dato más para que puede ser útil para tomar una decisión sobre el grado de alineación necesario entre los ejes de la máquina.
2.4 DIAGNÓSTICO DE LA DESALINEACIÓN Cuando en una máquina existe un problema de desalineación, es posible detectarlo y diagnosticarlo de diferentes formas según la máquina esté en marcha o parada. El diagnóstico con la máquina en marcha se basa en la medida de la vibración durante su funcionamiento. La vibración generada hace que el problema de alineación sea fácilmente detectable. En cuanto al diagnóstico con máquina parada, la técnica se basa en la medición comparativa de distancias entre elementos del acoplamiento.
2.5 CÁLCULO DE DESPLAZAMIENTOS PARA LA ALINEACIÓN (MÉTODOS DE ALINEACIÓN) Los métodos de alineación están basados en el análisis geométrico de posición de los ejes desalineados. A través de estos métodos y a partir de las medidas tomadas se pueden determinar los desplazamientos necesarios en los apoyos del eje para la perfecta alineación de las partes. Aunque hay varios métodos de alineación, existen tres que son los más empleados: el método radial-axial, el método de los comparadores alternados y el método de alineación por láser.
REGLA Y NIVEL Es un sistema de alineamiento rápido, utilizado en los casos en los que los requisitos de montaje no son exigentes, dado que es poco preciso.
Ventajas: rapidez Inconvenientes: induce errores
El proceso de alineamiento es el siguiente:
Los ejes, con los platos calados, se aproximan hasta la medida que se especifique. Con una regla de acero y un nivel, se sitúan en las generatrices laterales y se irá corrigiendo hasta que los consideremos alineados. Se comprueba el paralelismo de los platos midiendo en cuatro puntos a 90º.
RELOJ RADIAL Y GALGAS En primer lugar, se busca corregir la desalineación angular con la ayuda de las galgas. El objetivo es que los dos platos del acoplamiento estén en el mismo plano. Los pasos a seguir son los siguientes: 1. 2. 3. 4.
Se mide con las galgas la distancia entre los platos del acoplamiento Se mueven conjuntamente los árboles 90º, repitiendo las medidas del paso anterior. Los valores obtenidos se colocan en una tabla y se calculan los promedios. El alineamiento se consigue si las medidas son iguales en todos los puntos.
Puede suceder que el plano del plato no sea perpendicular al eje, lo que puede generar un “error de plano”.
En la práctica se corrigen primero los errores angulares en el plano vertical y luego en el horizontal. Una vez corregida la desalineación angular se busca corregir la desalineación radial utilizando un reloj comparador.
RELOJ RADIAL Y AXIAL Este método conocido también como alineación mediante cara y borde, presenta características similares al caso anterior. El comparador radial es colocado sobre la cara lateral (cilíndrica) del acoplamiento y permite cuantificar la desalineación paralela. Por otro lado, el comparador axial puede ser colocado en las caras frontales externa o interna del acoplamiento y permite determinar el grado de desalineación angular. Pasos a seguir para la alineación: 1. Marcar sobre la superficie de uno de los acoplamientos un punto de referencia y otros 3 más a 90º, 180º y 270º. 2. Montar dos relojes comparadores, uno con su palpador apoyado en el exterior de un palto y su soporte asegurado en el eje de la otra máquina, ocupando la posición 0º, y el otro colocado en la dirección contraria en la posición 180º. 3. Anotar las lecturas que se obtienen en todas las posiciones. 4. Se procede a la determinación de la desalineación en el plano vertical. 5. Con las lecturas en las posiciones 0º y 180º del reloj comparador conocemos la distancia (posición relativa del eje “II” respecto del eje “I” en el plano de medida), de forma que podemos situar el punto II.
El método radial-axial proporciona una visualización intuitiva de las posiciones relativas de los dos ejes. Sin embargo, presenta ciertos inconvenientes que hacen al método de los comparadores alternados más indicado en ciertos casos. De los inconvenientes del método radial-axial, los principales son los siguientes:
En el caso de girar solamente la parte móvil, la posible excentricidad de la pared cilíndrica del acoplamiento con respecto al eje geométrico puede inducir a errores en las lecturas. En el caso de girar exclusivamente el eje de la parte móvil, cualquier irregularidad en la cara sobre la que apoya el comparador axial puede derivar en una lectura errónea que lleve a una alineación incorrecta.
Si alguno de los ejes presenta una cierta holgura axial, esto puede provocar errores en las lecturas del comparador axial. Si no existe hueco suficiente para colocar el comparador axial, el método no se puede aplicar. La precisión obtenida en la alineación es tanto menor cuanto mayor sea la distancia entre los platos del acoplamiento y menor sea su radio.
COMPARADORES ALTERNADOS (RELOJES RADIALES EN AMBOS EJES) De forma similar al método radial-axial, este método se basa en la utilización de dos relojes comparadores. Sin embargo, en este caso, cada uno de los comparadores está fijo a cada una de las partes de la máquina que quedan a ambos lados del acoplamiento. Los pasos a seguir son prácticamente iguales que en el método anterior.
Dentro de los métodos manuales, el método de los comparadores alternados presenta ciertas ventajas:
Proporciona una muy buena precisión cuando los diámetros de los platos del acoplamiento son pequeños. Las medidas se pueden tomar con los ejes acoplados, por lo que no requiere el desmontaje del acoplamiento. Generalmente, ambos ejes son girados conjuntamente y, de esta forma, la posible excentricidad de las caras laterales del acoplamiento no afecta la medida. La holgura axial de los ejes no afecta significativamente las medidas. Los desplazamientos necesarios están relacionados con las lecturas de los comparadores de forma intuitiva, lo que proporciona seguridad en los cálculos.
Aunque este método también cuenta con algunos inconvenientes que hacen poco indicado su uso en algunas circunstancias:
Se requiere la rotación de ambos rotores. Si un rotor de una máquina no se puede mover, el método no es aplicable. Proporciona una precisión menor en máquinas axialmente muy próximas con acoplamientos de gran diámetro. No puede ser utilizado en pequeñas máquinas con espacio insuficiente para instalar dos brazos soporte y los correspondientes relojes comparadores. En máquinas con acoplamiento de gran diámetro y distancias axiales grandes, los brazos de los comparadores hacen difícil la toma de datos consistentes y sin error.
SISTEMA DE RAYO LÁSER Los sistemas de alineación por láser están basados en los mismos principios que el método de los comparadores alternados. Sin embargo, en lugar de utilizar elementos mecánicos (tales como galgas o relojes comparadores) para tomar las medidas, se utilizan dispositivos láser que son mucho más precisos. Estos dispositivos cuentan con un emisor de luz láser y un sensor de luz capaz de determinar con gran precisión la posición en la que incide el haz de otro dispositivo. La información leída por los dispositivos láser es transmitida a un analizador portátil que se encarga de procesarla y, en base a las medidas de la máquina determina no solamente el tipo y grado de desalineación de los ejes, sino los desplazamientos necesarios en la parte móvil para conseguir la alineación perfecta. Además, una vez desplazada la máquina, el sistema permite verificar la calidad de la alineación. Los sistemas de alineación por láser se basan en el hecho de que, cuando los ejes están perfectamente alineados, un haz de luz fijo a una de las partes dibuja, al girar el eje, una circunferencia perfecta sobre un plano fijo en la otra parte. Sin embargo, cuando los ejes están desalineados la figura dibujada deja de ser una circunferencia para ser una elipse.
Los sistemas de alineación por láser cuentan con importantes ventajas que se resumen a continuación:
Para obtener información suficiente sobre la desalineación de las máquinas, no es necesario tomar datos en toda una vuelta del eje (360°), sino que puede hacerse tomando datos incluso solamente en un cuarto de vuelta (90°). Esto es muy útil en los casos en los que por falta de espacio o por limitaciones en la movilidad de las máquinas, los dispositivos láser colocados sobre los ejes no pueden ser rotados completamente. Los sensores de luz láser poseen mejor precisión que los elementos mecánicos de medición. La eliminación de soportes mecánicos sometidos a flexión contribuye a mejorar aún más la precisión de este método frente a los métodos que los utilizan. La medición automática elimina los errores potenciales del operador.
El principal inconveniente de este sistema es que depende de la transmisión del haz de luz láser, el cual es susceptible de problemas en ciertos ambientes.
2.6 PROCEDIMIENTO DE ALINEACIÓN Antes de proceder con la alineación, es necesario tener en cuenta algunas consideraciones y realizar ciertas comprobaciones para asegurar la viabilidad del procedimiento y la validez de los resultados. Es muy importante tener en cuenta unas consideraciones antes de proceder con el proceso de alineación. A continuación, se enumeran las más importantes:
Configuración de la máquina Estado de la estructura de la máquina Tipo de máquina y configuración de los apoyos Acoplamiento Defecto geométrico en ejes y acoplamiento (runout) Juego radial, axial y torsional Temperatura Instalaciones Cimentación y apoyos Deformación de los soportes de los relojes comparadores.
Es fundamental para lograr una alineación óptima que el procedimiento sea ejecutado correctamente, contemplando todas las consideraciones que se han expuesto anteriormente. El procedimiento es distinto según se vaya a utilizar comparadores o dispositivos láser para medir la desalineación de los ejes. Antes de comenzar el trabajo de alineación conviene hacer una revisión para asegurar que se cuenta con todo el material necesario. Una vez asegurado el material imprescindible, se puede comenzar a ejecutar el procedimiento de alineación.
