CURSO DE FORMACIÓN METASTREAM
CURSO DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA
1
ÍNDICE CURSO DE ACOPLAMIENTOS
1. 1.1 1.2 1.3 1.4
1.5 1.6
GENERALIDADES INTRODUCCIÓN FUNCIÓN DE UN ACOPLAMIENTO NECESIDAD DE EMPLEAR ACOPLAMIENTOS FLEXIBLES CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS DE LOS A COPLAMIENTOS COPLAMIENTOS FLEXIBLES
7
ACOPLAMIENTOS ACOPL AMIENTOS METÁLICOS DE MEMBRANAS MEMBRA NAS MÚLTIPLES MÚL TIPLES VENTAJ VENTAJAS AS DE LOS ACOPLAMIENTOS DE MEMBRANA MEMBRANAS S MÚLTIPLES
8 8
1.6.1 CAPACIDAD DE PAR
9
1.6.2 CAPACIDAD DE ABSORCIÓN DE DESALINEAMIENTO
9
1.6.3 AUSENCIA DE LUBRICACIÓN LUBRICACIÓN
9
1.6.4 COMPORTAMIENTO AMBIENTAL
9
1.6.5 VIDA DE SERVICIO
10
1.6.6 FUERZAS DE REACCIÓN REACCIÓN POR DESALINEAMIENT DESALINEAMIENTO O
10
1.6.7 CAPACIDAD DE CARGA RADIAL
10
1.6.8 MANTENIMIENTO MANTENIMIENTO DE EQUILIBRADO EQUILIBRADO DINÁMICO DINÁMICO
10
1.6.9 RIGIDEZ TORSIONAL TORSIONAL
10 11
LÍNEAS METASTREAM DE A COPLAMIENTOS COPLAMIENTOS DE MEMBRANAS MÚLTIPLES
1.7.2.1 VENTAJAS ESPECÍFICAS ESPECÍFICAS DE LOS ACOPLAMIENTOS SERIE T 1.7.3 ACOPLAMIENTO INDUSTRIAL TIPO TIPO LS
2.
11 11 12
1.7.2 ACOPLAMIENTOS ACOPLAMIENTOS METASTREAM DE MEMBRANA MEMBRANA POLIGONAL POLIGONAL O DE ANILLO ANILLO
13 14 15
CURSO BÁSICO 16
INTRODUCCIÓN TIPOS DE ACOPLAMIENTOS
16
2.2.1 ACOPLAMIENTOS ACOPLAMIENTOS DE DIENTES
16
2.2.2 ACOPLAMIENTOS ACOPLAMIENTOS DE RESORTE
17
2.2.3 ACOPLAMIENTOS ACOPLAMIENTOS DE ELAST MEROS
18
2.2.3.1 A CIZALLA
18
2.2.3.2 A COMPRESIÓN
18
2.2.4 ACOPLAMIENTOS ACOPLAMIENTOS FLEXIBLES DE MEMBRANA MEMBRANA
2.3
7
1.4.2 DISEÑOS DE ACOPLAMIENTOS ACOPLAMIENTOS FLEXIBLES FLEXIBLES TOTALMENTE TOTALMENTE METÁLICOS
1.7.1.1 VENTAJAS DE DISEÑO M
2.2
5 7
1.7.1 ACOPLAMIENTOS ACOPLAMIENTOS METASTREAM DE MEMBRANA MEMBRANA RADIAL RADIAL
2.1
5
1.4.1 DISE OS BASADOS EN COMPONENTES COMPONENTES NO MET LICOS (Genéricamente (Genéricamente Elastómeros)
1.6.10 INSTALACIÓN 1.7
4
19
2.2.4.1 TIPO DISCO
19
2.2.4.2 TIPO DIAFRAGMA
20
REDUCCIÓN DE MANTENIMIENTO
2
21
2.4
23
SEGURIDAD 2.4.1 SEGURIDAD PRIMARIA
23
2.4.2 SEGURIDAD SECUNDARIA
23
2.4.3 DETECCIÓN DE DE FALLOS
23
2.5
24
INSTALACIÓN 2.5.1 GENERALIDADES
24
2.5.2 ALINEAMIENTO
25
2.5.2.1 PROBLEMAS DEBIDOS AL DESALINEAMIENTO
26
2.5.2.2 CONDICIONES PARA UN ALINEAMIENTO ADECUADO
26
2.5.2.3 CAMBIOS DINÁMICOS EN EL ALINEAMIENTO
27
2.5.2.4 ALINEAMIENTO CON COMPARADORES
27
2.5.2.5 EQUIPOS DE ALINEACIÓN POR RAYOS LÁSER
27
2.5.2.6
29
COMBI-LASER, ALINEADO “EN
CALIENTE”. (EXPANSIÓN TÉRMICA)
2.5.2.7 OTROS EQUIPOS PARA ALINEACIÓN Y MEDIDAS GEOMÉTRICAS POR RAYOS LÁSER 2.5.2.7.1 Sist Sistem ema a “VS “VSP P L SER” SER”
30
2.5.2.7.2 Sistema “DIGI-LÁSER”
31
2.5.3 LÁMINAS CALIBRADAS CALIBRADAS 2.6
33 33
EQUIPOS AUXILIARES 2.6.1 LIMITACI N DE PAR
33
2.6.1.1 FUSIBLE MECÁNICO
34
2.6.1.2 DISPOSITIVO SAFESET
34
2.6.2 REGULACIÓN DE PAR
35
2.6.2.1 EMBRAGUES DE FRICCIÓN
35
2.6.2.2 ACOPLAMIENTOS HIDRÁULICOS
35
2.6.2.2.1 Acoplamientos Hidráulicos de Llenado Fijo
36
2.6.2.2.1.1 Funcionamiento
36
2.6.2.2.1.2 Efecto en el Motor Eléctrico
36
2.6.2.2.1.3 Efecto en la Máquina Accionada
37
2.6.2.2.1.4 Ventajas de los Acoplamientos Hidráulicos de Llenado Fijo
37
2.6.2.1.2 Acoplamientos Hidráulicos de Llenado Variable
2.7
30
37
2.6.2.1.2.1 Funcionamiento
38
2.6.2.2.2.2 Efecto en el Motor Eléctrico y en la Máquina Accionada
38
2.6.2.2.2.3 Ventajas de los Acoplamientos Hidráulicos de Llenado Variable
39
APÉNDICE
39
2.7.1 SOLUCIONES ESPECIALES
40
2.7.1.1 AISLAMIENTO ELÉCTRICO
40
2.7.1.2 APLICACIONES VERTICALES
40
2.7.1.3 LIMITACIÓN DE JUEGO AXIAL
40
2.7.1.4 DISEÑOS COPLANARES
40
2.7.1.5 ACOPLAMIENTOS PARA TORRES DE REFRIGERACIÓN
41
3
1.1
INTRODUCCIÓN
Previamente a cualquier intento de atender al detalle de diseño y al estudio de los factores que afectan a la correcta elección de un acoplamiento de ejes, es conveniente un pequeño exámen de los componentes normales que forman un equipo rotativo. Esto ayudará a comprender la problemática de la transmisión de potencia, al mismo tiempo que facilitará la selección correcta del acoplamiento que antes apuntábamos. La más elemental división de un equipo rotativo, distingue tres elementos principales: Conductor, Conector y Conducido Cada uno de esos tres elementos puede, a su vez, ser subdividido en unas subclases de máquinas, más o menos extensas pero que responden al siguiente esquema general: CONDUCTOR Turbinas Motores Eléctricos Motores Térmicos Motores Hidráulicos
CONECTOR Acoplamientos Modificadores
CONDUCIDO Máqs. Centrífugas Máq Alternativas y/o Desplazamiento Máqs. Eléctricas diversas
El siguiente cuadro muestra una serie de ejemplos que, sin ser exhaustivos, indican la gran variedad de tipos de máquinas presente en cada grupo: Gas Vapor Agua Aire
TURBINA
CONDUCTOR ALTERNATIVO
Motor Diesel Motor Hidráulico Máquina de Vapor
EL CTRICO
Arranque Directo Estrella / Triángulo Velocidad Variable Muelles Membranas Elastómeros Grapa de Apriete Engranajes Junta Universal Rígidos Magnéticos
ACOPLAMIENTO CONECTOR
Reductor de Fluido Velocidad Variable Poleas Cadenas Limitador de Par o Velocidad Volante de Inercia
MODIFICADOR
Bombas Compresores Agitadores Ventiladores Hélices
CENTR FUGO
CONDUCIDO
Bombas de Engranajes Bombas de Tornillo Bombas de Pistones Compresores
ALTERNATIVO
EL CTRICO
Alternadores Generadores Trenes de Laminación Molinos Transportadores Trituradoras
OTROS
No debe olvidarse que esa primera clasificación que hemos efectuado de tres elementos principales, ha de ser tomada en el sentido de deseo de máxima simplificación. Muchos equipos
4
rotativos están integrados por trenes de máquinas. Por ejemplo, innumerables bombas de altas prestaciones integran motor, acoplamiento, caja de engranajes, acoplamiento y la propia bomba. En este ejemplo, la caja de engranajes es el elemento conducido respecto del motor pero, a su vez, es el elemento conductor respecto de la bomba. En otros casos similares y más complicados por el número de máquinas que forman el tren, encontraríamos idéntica doble clasificación de cada máquina. Otra faceta a considerar es la posibilidad de que una máquina pueda ser, dentro del mismo equipo, conductora o conducida, según el sentido de giro en el que opere. Ejemplo típico aplicable a este caso es el de los sistemas duales de generación de energía / almacenamiento de agua. En las horas punta de demanda de energía el equipo funciona como turbina hidráulica / generador eléctrico. Durante las horas valle el sistema se invierte, aprovechando la energía sobrante para que el equipo funcione a la inversa, es decir motor eléctrico / bomba hidráulica volviendo a elevar el agua para su futuro aprovechamiento. Como resúmen volvemos a insistir en que la observación cuidadosa de las condiciones de trabajo de un equipo ayuda a efectuar una correcta selección del sistema de transmisión de potencia entre máquinas.
1.2
FUNCIÓN DE UN ACOPLAMIENTO
Una primera aplicación de ingeniería que comprende una máquina funcional, tal como una bomba o un compresor, y una máquina motriz, tal como una turbina de gas o vapor o motor eléctrico, necesita de un elemento que transmita el movimiento entre ambas. Este elemento, en sus múltiples variantes, es el elemento conector que antes anunciábamos y que, las más de las veces, será un acoplamiento. Ese movimiento a transmitir entre las máquinas encierra dos factores: potencia y velocidad, que llevan al concepto más importante en Transmisión de Potencia: el par. Repetiremos muchas veces a lo largo de esta exposición que un acoplamiento transmite par . Es un error de deformación hablar comúnmente de qué potencia transmite un acoplamiento sin hacer referencia o consideración alguna al segundo término del binomio: la velocidad de transmisión. Quede pues bien claro y sentado como definitorio que, entre las múltiples funciones que cumple un acoplamiento, la primaria es la de transmisión de par. Haciendo una consideración simplista de unir dos ejes en movimiento, la solución primera es el acoplamiento rígido. No obstante, en todos aquellos casos en que se utilizan acoplamientos rígidos es necesario que se cumplan una serie de condiciones que hagan aceptable tal acoplamiento. Entre ellas mencionaremos que las longitudes libres de ejes a acoplar sean cortas y de relativos grandes diámetros. También será necesario la mayor parte de las veces que las máquinas a acoplar sean de grandes dimensiones y, sobre todo, que se encuentren montadas sobre una sólida bancada común. Es condición indispensable para el empleo de un acoplamiento rígido que el alineamiento alcanzado entre ambos ejes asegure que los esfuerzos cíclicos de pandeo no afecten a los ejes. Tales esfuerzos de pandeo causarían en dichos ejes consiguientes fallos y roturas por fatiga al cabo de un cierto tiempo.
1.3
NECESIDAD DE EMPLEAR ACOPLAMIENTOS FLEXIBLES
Desde un punto de vista práctico es muy difícil, y por tanto muy costoso, hacer una alineación perfecta de dos ejes de máquinas a acoplar. Aún aceptando la posibilidad de lograr un alineamiento perfecto, el comportamiento de las máquinas durante su funcionamiento en proceso no permitirá asegurar que se mantendrá esa perfección inicial. Existen una serie de factores típicos que causarán ese desalineamiento. Entre ellos podemos citar:
Errores inadvertidos durante la instalación
Desgaste continuo y progresivo de los elementos de máquinas y sus rodamientos durante el proceso.
5
Fig. 1 (B) Desalineamiento radial o paralelo
Fig. 1. (A) Desalineamiento angular.
Distorsiones y expansiones térmicas.
Deflecciones y pandeos de máquinas y ejes bajo carga.
Asentamientos y movimientos de bancadas.
Todos estos factores y más, causantes del desalineamiento de aquella perfección inicial comentada, influyen directamente sobre el elemento conector acoplamiento que estamos considerando y su absorción constituye la totalidad de funciones a desempeñar por el acoplamiento; funciones que caen en la denominación genérica de absorción de desalineamientos residuales.
Fig. 1 (C) Desalineamiento axial
Es obvio que todos los movimientos, esfuerzos, distorsiones, etc., atribuidos a todos esos factores anteriormente enunciados, originan que el eje ideal único que debían seguir los ejes de las máquinas a acoplar varíe su posición constantemente, dando lugar a desalineamientos que comprendan una o más de las tres siguientes condiciones: Desalineamiento angular Desalineamiento radial o paralelo Desalineamiento axial o “juego axial” Estos tres tipos fundamentales de desalineamientos se ilustran en la Fig. 1, pero es importante hacer notar y recordar que, si bien ahí los tenemos reflejados en un plano, todos ellos pueden estar presentes en cualquier instalación dada en más de un plano. La Fig. 2 muestra las posibilidades de combinarse los desalineamientos angulares y paralelos.
Fig. 2
Todo lo hasta ahora comentado respecto a los acoplamientos rígidos en cuanto a necesidades a cumplir, así como los esfuerzos provocados en ejes desalineados, conducen a llevar grandes cargas a los ejes como consecuencia de la propia resistencia a doblarse y a pandear. Estas cargas son transmitidas directamente a los rodamientos de las máquinas y pueden provocar su deterioro rápido. Además, dichas fuerzas son transmitidas a todo el resto de la máquina, siendo fuente de ruidos, vibraciones y averías. Son innumerables las roturas y pérdidas en Cierres Mecánicos que pueden atribuirse a ejes desalineados.
6
Por todo ello y tras las consiguientes consideraciones, se hace necesaria la adopción de un Acoplamiento Flexible que absorba todos esos esfuerzos en su mayor valor, para así evitar costosas averías, reparaciones y paradas de producción.
1.4
CARACTERÍSTICAS DE LOS ACOPLAMIENTOS FLEXIBLES
Hemos asentado que la primera función de un acoplamiento es transmitir el par motor de una máquina a la otra. Hemos visto igualmente que un acoplamiento alcanza el concepto de flexibilidad por ser capaz de absorber esfuerzos provocados por los “desalineamientos residuales” hasta un cierto nivel, evitando que dichos esfuerzos se transmitan a los diferentes órganos y piezas de las máquinas. Son muchos los principios y materiales que se emplean en la construcción de los Acoplamientos Flexibles; pero todos ellos pueden quedar comprendidos en las dos siguientes y principales categorías:
1.4.1 DISEÑOS BASADOS EN COMPONENTES NO METÁLICOS (Genéricamente ELASTÓMEROS)
Acoplamientos Tipo Neumático Acoplamientos Tipo Disco o Sandwich Acoplamientos de Bulón y Casquillo Acoplamientos de Tacos, Estrellas o Zunchos.
1.4.2 DISEÑOS DE ACOPLAMIENTOS FLEXIBLES TOTALMENTE METÁLICOS.
Acoplamientos de Membranas Múltiples. Acoplamientos de Dientes. Acoplamientos de Cadena. Acoplamientos de Diafragma.
Todos estos diseños, sin hacer consideración histórica alguna y solo atendiendo a su importancia y generalización de uso, serán contemplados en sus ventajas y desventajas en la segunda parte de este curso. Baste por ahora decir que todos estos diseños de Acoplamientos Flexibles atienden a las funciones primordiales de transmitir par y absorber desalineamientos de los ejes. Existirán y veremos posteriormente, argumentos y características que aportarán beneficios diferentes a la instalación y que pueden, consecuentemente, decidir una u otra selección. Es bastante frecuente y desafortunado cifrar la selección con ligereza, por atender solamente al concepto coste o valor de adquisición. Es, como decimos, un error lamentable centrar ese beneficio de la instación solo en el coste, cuando existen otra serie de características que los acoplamientos poseen en mayor o menor grado y que deben atender a: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Reducción de vibraciones, choques y variaciones de par o cargas. Reducción de los efectos de holgura o juego (backlash) Protección contra sobrecargas de par. Insensibilidad o inalterabilidad a efectos ambientales y/u operacionales. Facilidad de montaje y desmontaje. Propio del acoplamiento y del/de los grupos. Durabilidad y resistencia al desgaste. Posibilidad de operación bi-direccional.
Estas características son, en su mayoría, atribuibles a todos los diseños de Acoplamientos totalmente metálicos. En la segunda parte del presente curso se analizan en más profundidad esas características. No obstante, conviene hacer resaltar que, si a todas las expuestas, se suman las de ausencia total y efectiva de mantenimiento alguno, junto con la de una duración ilimitada de operación, todas las discusiones y selecciones apuntarán a una decisión final hacia la selección primeramente expuesta. “Acoplamiento de Membranas Múltiples”
base de la línea de acoplamientos METASTREAM del GRUPO TI. 7
1.5
ACOPLAMIENTOS METÁLICOS DE MEMBRANAS MÚLTIPLES. PRINCIPIOS DE CONSTRUCCIÓN. Todos los acoplamientos metálicos de membranas múltiples utilizan conjuntos o paquetes de láminas de muy pequeño espesor para transmitir el par y absorber los desalineamientos. El tipo más común de estas láminas tiene forma similar a un anillo poligonal de número par de lados, llamados eslabones, a cuyos vértices se fijan en forma alternativa, en uno el par motor y en el siguiente el par resistente. De esta manera, el par se transmite por tensión en partes alternadas o eslabones de la lámina considerada (Fig. 3A). El par transmitido es proporcional a la sección recta del paquete de membranas y al número de eslabones de las membranas.
La capacidad de par es igual que si el paquete de membranas estuviera formado por una sola pieza o anillo macizo de igual sección que el paquete. Sin embargo, la flexibilidad del paquete, al estar constituido por láminas de un espesor entre 0,25 mm. y 0,38 mm. hace que su capacidad de doblarse o combarse sea mucho mayor, para adaptarse a las condiciones de trabajo bajo esfuerzos de desalineamiento. Estos esfuerzos pueden ser mantenidos en cada lámina individualmente dentro de valores totalmente aceptables y, por tanto, las fuerzas que se generen como resultantes tendrán un valor muy pequeño. Fig. 3A
Fig. 3B
Existe una forma alternativa de construcción de láminas, única de METASTREAM, que utiliza conjuntos de láminas muy delgadas en forma de rueda o disco con radios para transmitir el par (Fig. 3B). En este diseño acoplamiento original METASTREAM el par se transmite por esfuerzo de cizalla en los radios, al estar los pares motor y resistente unidos o conectados cada uno, respectivamente, a los aros exterior e interior del discorueda. La capacidad de absorber desalineamiento responde a idéntico principio que en el caso ya contemplado de membrana en forma de anillo: Flexibilidad del paquete de láminas.
En la mayor parte de aplicaciones de acoplamientos metálicos de membranas múltiples es muy común utilizar dos conjuntos de paquetes de membranas (unidades de membrana) separados por una pieza distanciadora (espaciador). Esta disposición permite la absorción de desalineamientos paralelos por descomposición en dos angulares, actuando las membranas como juntas flexibles. Como regla práctica para la aplicación de acoplamientos de láminas debe seguirse: “En todo sistema de ejes a acoplar, formado por cuatro rodamientos (sistema rígido), es nec e-
sario utilizar dos elementos de membrana. En el caso de sistemas de ejes a acoplar formados por tres rodamientos, puede utilizarse solamente una membrana o elemento flexible.”
La mayor parte (>90%) de aplicaciones de acoplamientos caen dentro de sistemas de cuatro rodamientos.
1.6 VENTAJAS DE LOS ACOPLAMIENTOS DE MEMBRANAS MÚLTIPLES. Este tipo de acoplamientos en sus diferentes formas constructivas presenta una serie de venta jas sobre el resto de todos los otros acoplamientos de tipo flexible, que los hace claramente aceptables y preferibles en cualquier aplicación de alta tecnología. Entre esas ventajas, vamos a destacar:
8
1.6.1 CAPACIDAD DE PAR Según vamos repitiendo a lo largo de este cursillo, la función primera de todo acoplamiento es transmitir par. Las capacidades de transmisión de par de los acoplamientos de membranas múltiples en relación o comparadas a las de los restantes tipos de acoplamientos flexibles, están en amplia venta ja según se desprende de la Fig. 4, relación par/velocidad, donde puede apreciarse que el campo cubierto por los acoplamientos de membrana está altamente destacado por encima de los otros tipos.
1.6.2 CAPACIDAD DE ABSORCIÓN DE DESALINEAMIENTO Las posibilidades de aplicación de estos acoplamientos para desalineaciones radiales, angulares y axiales, son más que suficientes para la mayoría de las aplicaciones e, incluso en casos particulares, superan las posibilidades de otros tipos.
1.6.3 AUSENCIA DE LUBRICACIÓN Los acoplamientos de membranas múltiples no requieren lubricación alguna. De esto se sigue que no precisan mantenimiento en
Fig. 4
absoluto. En el caso de acoplamientos de dientes a altas velocidades, es de sobra conocido el alto coste y lo crítico del sistema de lubricación para hacer llegar el aceite a los órganos del acoplamiento. Si a esto se añaden los problemas del propio aceite, en cuanto a riesgo de contaminación del mismo, formación de lodos, etc. y sus consecuencias como, por ejemplo, influenciar las características de rigidez axial, hasta el punto de quedar bloqueado el acoplamiento originándose averías desastrosas en los cojinetes de empuje de la maquinaria. A causa de estos riesgos, cada vez se hacen más recomendables los acoplamientos de membranas múltiples en estas aplicaciones donde se hace indispensable una predicción segura de conservación de valores de rigidez constante a lo largo de toda la vida del acoplamiento.
1.6.4 COMPORTAMIENTO AMBIENTAL. La utilización de aceros inoxidables AISI 301 en la fabricación de láminas de membrana hace que estos acoplamientos sean aplicables óptimamente en todos los ambientes industriales, incluyendo aplicaciones marinas y de refinería. En el caso de tener que someterlos a condiciones más arduas y especiales, pueden fabricarse membranas alternativas en Monel 400 o Inconel. El resto de materiales integrantes del acoplamiento se fabrica usualmente en aceros al carbono o aleados. Estos materiales tratados con un correcto acabado de superficie son generalmente aptos para la mayoría de ambientes industriales. Igualmente, pueden utilizarse aceros inoxidables y metales diferentes para casos especiales. En suma, la posiblidad de materiales a utlizar amplía el campo de aplicación de los acoplamientos de membranas múltiples para la casi totalidad de ambientes y campos de temperaturas, desde -30ºC a +300ºC. Su versatilidad de empleo es tan extensa, que puede ser enjuiciada por el hecho de encontrarse funcionando con absoluta seguridad y normalidad en ambientes tan diversos como: 1. Volutas de escape en Turbinas de Gas. 9
2. Extremos Norte de Canadá y Rusia. 3. Plataformas petrolíferas del Mar del Norte. 4. Yacimientos petrolíferos de Oriente Medio.
1.6.5 VIDA DE SERVICIO Los acoplamientos de membranas metálicas, si están apropiadamente diseñados, seleccionados e instalados, no experimentan movimientos relativos entre sus componentes. De aquí se desprende que no existe desgaste alguno de los mismos, por lo que, teóricamente, la vida de estos acoplamientos es infinita. Existen innumerables referencias de METASTREAM con acoplamientos que aún se encuentran en servicio después de más de 20 años de haber sido instalados; no siendo desconocida igualmente la circunstancia de que el acoplamiento haya durado más que el equipo donde fué instalado originalmente, pasando a ser montado en unidades nuevas.
1.6.6 FUERZAS DE REACCION POR DESALINEAMIENTO La ventaja de los acoplamientos flexibles sobre los de tipo rígido es que transmiten e imponen fuerzas reducidas, por reacción de los desalineamientos, sobre las máquinas en que se encuentran instalados acoplándolas. Las fuerzas generadas por los acoplamientos de membranas múltiples son muy pequeñas, especialmente los esfuerzos de pandeo provocados en extremos de ejes a consecuencia de desalineamiento angular. Las fuerzas generadas por desalineamiento axial son perfectamente predecibles y muy pequeñas para desalineamientos de valor admisible. Las grandes fuerzas axiales que pueden producirse en el caso de bloqueo de juego en acoplamiento de dientes, no ocurrirán nunca en un acoplamiento de membranas múltiples.
1.6.7 CAPACIDAD DE CARGA RADIAL La rigidez axial o al cizallamiento de un paquete de membranas es muy alta. Por ello, nunca existe desplazamiento radial a través de un paquete de membranas, motivado por la acción de cualquier carga de tipo radial que pueda originarse durante el servicio. Esta característica es muy importante desde el punto de vista de mantenimiento de equilibrado.
1.6.8 MANTENIMIENTO DE EQUILIBRADO DINÁMICO La alta rigidez radial comentada de los paquetes de láminas, junto a la característica de no existir desgaste alguno de las piezas componentes, hacen que los acoplamientos de membranas múltiples presenten cualidades supremas de mantenimiento del equilibrado dinámico. Cualquier desequilibrio residual del acoplamiento, dejado durante su instalación, no cambiará mientras el acoplamiento no se desmonte. Por comparación, el equilibrado de un acoplamiento de dientes se deteriora durante su vida de operación (desgaste de sus elementos); así como la relativamente pequeña rigidez radial de los acoplamientos de elastómeros origina que el desequilibrio sea en función de la velocidad; lo que equivale a que el desequilibrio aumenta, según crece la velocidad. No se debe olvidar que las fuerzas generadas por desequilibrio, crecen en función del cuadrado de la velocidad. El GRUPO TI posee muchas referencias de aplicaciones reemplazando acoplamientos de elastómeros por Acoplamientos METASTREAM en instalaciones de alta velocidad que entrañaban problemas de vibraciones.
1.6.9 RIGIDEZ TORSIONAL La rigidez torsional de los acoplamientos de membranas múltiples es muy alta y rápidamente calculable. Se dice de estos acoplamientos que son torsionalmente rígidos. Sin embargo, es posible cambiar los valores de rigidez torsional de estos acoplamientos por modificación del diseño del espaciador o cambiando la selección de las láminas de membrana, sin alterar en lo más mínimo la capacidad de transmisión del par. Esta característica es importantísima y útil en aquellos casos en que sea necesario acondicionar un tren de transmisión, evitando rodar en frecuencias de resonancia torsional.
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Un acoplamiento rígido torsionalmente no presenta juego o huelgo ( backlash) y esto puede ser muy importante en muchas aplicaciones. Por otro lado, esta característica del acoplamiento puede dar lugar a golpes en aplicaciones de par pulsatorio (p.ej. motores diesel), ya que el acoplamiento no tiene capacidad de amortiguación para las fluctuaciones de par. Este problema puede ser solucionado, en ocasiones, seleccionando un acoplamiento sobredimensionado y acondicionado para el trabajo a efectuar.
1.6.10 INSTALACIÓN La baja rigidez axial de los acoplamientos de membranas múltiples sometidos a ligeras condiciones de desalineamiento axial, significa que el acoplamiento será comprimido muy ligeramente en relación a esfuerzos axiales (ver Fig. 8 más adelante). Esta característica es utilísima en la instalación, ya que permite comprimir la unidad de transmisión para que sea alojada en los pequeños encajes que aseguren su fijación y, consecuentemente, la seguridad de su funcionamiento.
1.7 LÍNEAS METASTREAM DE ACOPLAMIENTOS DE MEMBRANAS MÚLTIPLES Las líneas de diseño y fabricación METASTREAM para Acoplamientos totalmente metálicos de membranas múltiples están basadas en dos diferentes configuraciones de membranas: 1. La serie M, que utiliza el diseño de membrana tipo radial. Este fue el acoplamiento original METASTREAM y es el único modelo existente en el mercado. 2. Las series T y la moderna L se encuentran basadas en el diseño de membrana poligonal o de anillo. Existen en el mercado gran número de fabricantes que han basado sus acoplamientos en este tipo de membranas. Posteriormente analizaremos ciertas características de diseño, que hacen destacar sobremanera las altas cualidades tecnológicas del diseño METASTREAM. Ambos modelos, de membrana radial y poligonal, poseen todas las ventajas comunes a los acoplamientos de membrana múltiple que han sido expuestas en el apartado anterior. Según acabamos de mencionar, la exclusiva configuración METASTREAM de membrana radial; así como la atención al detalle prestada al diseño de la membrana poligonal o de anillo; junto a las continuas adaptaciones y puestas al día de acuerdo a las tendencias de la industria en sus múltiples facetas, hacen que los Acoplamientos METASTREAM posean características propias, únicas en el mercado.
1.7.1 ACOPLAMIENTOS METASTREAM DE MEMBRANA RADIAL El acoplamiento original METASTREAM, la serie M, fue diseñado de acuerdo a la mencionada forma de tipo radial. En su formato original fue extremadamente sólido y robusto, siendo ampliamente utilizado en refinerías e industrias similares y afines, donde la fiabilidad y seguridad de servicio se consideraban imprescindibles. La gran densidad de acoplamientos de este tipo instalados en estas plantas ha dado y sigue dando fe del gran prestigio y reputación de que goza la línea M. No obstante, la continua evolución de las características de los equipos de proceso, hizo que dicho tipo M en su concepción original, se hiciera pesado, atendiendo principalmente a las masas involucradas y al incremento de las velocidades de servicio. Estudiada a fondo su problemática de operación, junto con la necesaria atención al mercado en cuanto a intercambiabilidad y versatilidad, ha dado lugar a una versión revisada que no solo mantiene las características únicas de este diseño, sino que incrementa los beneficios propios del mismo. El campo de aplicación de las series M se refleja en la Fig. 5. Conviene considerar siempre que este tipo de acoplamiento es exclusivo de METASTREAM y que posee características y beneficios intrínsecos de carácter único. Estos beneficios, que se detallan a continuación, no deben ser nunca puestos aparte a la hora de seleccionar acoplamientos, especialmente en ciertas aplicaciones específicas.
11
Fig. 5
1.7.1.1 VENTAJAS DE DISEÑO M I.
La serie M se fabrica en dos modalidades: Doble Membrana y la tradicional Membrana Sencilla, La adopción de una membrana doble permite alcanzar desalineamientos angulares de hasta 1º y acomodarlos dentro de un acoplamiento muy corto de longitud.
II.
Los acoplamientos de la serie M son extremadamente robustos y poseen una gran capacidad de sobrecarga.
III.
Característica única de este acoplamiento es que en caso de rotura de la unidad de membrana por sobrepar, el acoplamiento queda libre. Es decir, las máquinas motriz y movida quedan desconectadas entre sí, sin posibilidad de que la inercia y cantidad de movimiento de una pueda influir sobre la otra, con las graves consecuencias que en algunas aplicaciones esto puede acarrear.
Por ejemplo, en el caso de Torres de Refrigeración, se puede utilizar como elemento de seguridad, instalando un acoplamiento de capacidad más pequeña en el lado motor 1. De esta manera, aseguramos que, en caso de bloqueo, este acoplamiento lado motor será el que rompa, asegurando la desconexión del sistema y evitando que el tubo distanciador salte y pueda provocar daños en la estructura y demás elementos de la Torre. IV.
V.
La rigidez axial de los acoplamientos de la serie M puede ser obviada conforme a dos versiones en fabricación: Membranas axialmente rígidas y Membranas axialmente blandas. Ambas pueden utilizarse en aplicaciones específicas, tales como: A.
En una aplicación donde los rotores de las máquinas puedan experimentar grandes desalineamientos por efectos térmicos, la instalación de un acoplamiento axialmente blando incrementa en gran valor la capacidad de absorción de dichos desalineamientos. Igual puede ocurrir en el caso de que las máquinas se encuentren instaladas sobre una estructura flexible axialmente. Existen bastantes unidades suministradas para estos tipos de aplicación.
B.
Un acoplamiento axialmente rígido cuando es sometido a un cierto desplazamiento axial, genera un empuje de gran valor, igualmente axial. Esto es de gran utilidad en aplicaciones de motores con rotor libre (cojinetes de fricción) que tengan un juego limitado entre rotor y topes.
La reducción de peso experimentada en la serie MHSS ha mejorado la relación potencia/peso en tanto que se han mantenido las restantes características exclusivas de la serie M. Esta mejora ha supuesto un gran atractivo en todas aquellas aplicaciones en que sea necesario considerar el efecto de cargas en voladizo.
1
NOTA: Al referirnos a un acoplamiento de capacidad más pequeña, no queremos en absoluto significar capacidad menor que la requerida por el servicio. Esto equivale a sobredimensionar ligeramente el acoplamiento lado ventilador.
12
1.7.2 ACOPLAMIENTOS METASTREAM DE MEMBRANA PO LIGONAL O DE ANILLO Este tipo de acoplamientos fue diseñado hace aproximadamente 25 años, siendo conocido en el mercado con la denominación genérica de series T y L. Existen innumerables marcas de la competencia que basaron sus membranas en la forma de anillo; pero el diseño técnico de la membrana METASTREAM permaneció único y superior, hace pocos años, en que algunos competidores copiaron con toda desvergüenza el diseño total de la membrana. Sirve de consuelo el conocido dicho de que la imitación es la forma más si ncera de alabanza. La característica exclusiva de la membrana METASTREAM poligonal es el perfil de cintura en la parte central de cada sector que forman los lados del polígono.
Fig. 6
Este diseño confiere a la membrana una distribución totalmente uniforme de esfuerzos, al tiempo que evita secciones inútiles que provocarían esfuerzos y momentos indeseables. De esa forma, dicho diseño optimiza la transmisión de par y minimiza la transmisión de fuerzas generadas por la desalineación de los ejes. La capacidad de transmisión de par correspondiente a un diámetro envolvente de estas membranas es directamente proporcional al número de lados del polígono que la forman. La segunda letra de la designación del tipo de membrana indica el número de lados de la misma. Así: Indica membrana de 4 lados TDE TSP / TSK Indica membrana de 6 lados Indica membrana de 8 lados TLP TTG Indica membrana de 10 lados TUG Indica membrana de 12 lados. La fig. 6 muestra las diferentes configuraciones de estas láminas. Conviene observar que siempre se trata de polígonos de número par de lados, para permitir la fijación alternativa de par motor y antagonista y lograr así un trabajo uniforme de cada lado o eslabón. Igualmente es preciso advertir que en la serie L de diseño específico para la industria en general, el número de lados o eslabones de cada membrana empleada está acorde con el rating o rango del par a transmitir. Posteriormente trataremos otras diferencias entre las series T y L atendiendo a otros componentes de los respectivos acoplamientos. El incremento de número de lados de la membrana conlleva, según hemos indicado, una mayor capacidad de transmisión de par; si bien reduce la flexibilidad y capacidad de absorción de desalineamientos de la unidad de acoplamiento, siempre considerando tamaños (diámetros envolventes) iguales. Sin embargo, esta capacidad de poder cambiar el número de eslabones o lados de las membranas, favorece las opciones de selección de los acoplamientos en las necesidades específicas de cualquier aplicación para atender la mejor solución a: Requerimiento de par. Limitaciones de movimiento por peso y voladizos. Requerimientos de desalineamiento. Velocidades de servicio.
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En la Fig. 7 se muestran los campos de aplicación de estos tipos de membranas de anillo. El diseño de acoplamientos de membrana poligonal tiende a tener unas mayores capacidades de transmisión de par que las de los acoplamientos de membrana radial de iguales o semejantes dimensiones. Las poligonales transmiten un par determinado a mayores velocidades que las radiales. De Fig. 7 esta forma la relación par/velocidad de un acoplamiento de membrana poligonal puede ser igual o mayor que la ofrecida por un acoplamiento de dientes o engranajes y que la ofrecida por un acoplamiento de diafragma. Todo ello sin considerar el resto de ventajas que el diseño poligonal METASTREAM presenta sobre esos otros tipos. Una diferencia final entre membranas radiales y poligonales es su característica de comportamiento en caso de rotura de las membranas. En el caso de radiales, vimos que las máquinas quedan desconectadas totalmente. Cuando en una membrana poligonal se rompen los eslabones, el movimiento se mantiene al entrar en contacto directo los elementos de fijación de las membranas (tornillos, casquillos, tuercas y arandelas). Es obvio que dicha transmisión será muy ruda ya que, entonces, el acoplamiento se comporta como uno de tipo pasador-casquillo . Esta característica tiene gran importancia si han de considerarse efectos de transmisión de inercias o han de evitarse embalamientos incontrolables. En general, todas estas características apuntadas para las series T son aplicables a cualquier diseño de tipo poligonal en general. Sin embargo, existen otras propiedades específicas y exclusivas de las series T que expondremos a continuación.
1.7.2.1 VENTAJAS ESPECÍFICAS DE LOS ACOPLAMIENTOS SERIE T a) El diseño de membrana con silueta de cintura fue exclusivo de METASTREAM durante muchos años, según quedó dicho anteriormente. Algunos competidores no han adoptado todavía este diseño, por lo que continúa siendo una gran ventaja. b) La vida o duración de una membrana poligonal depende en gran parte del método de fijación empleado para la unión de tal membrana a los aros metálicos ( anillos guarda) que la soportan. Los estudios y pruebas de laboratorio llevados a cabo por METASTREAM permiten asegurar haber alcanzado un diseño óptimo en los tornillos y arandelas de sujección. Baste solo comparar este diseño con la rigidez de sujección y entalladuras provocadas por los sistemas de muchos competidores. c) La característica de continuidad del movimiento en el caso de rotura de las membranas ha sido extraordinariamente mejorada por METASTREAM con la adopción de los collarines de sobrecarga que, aparte de reducir el espacio entre sujecciones adyacentes, produce un me jor reparto de esfuerzos y evita comunicar a las membranas una sobrecarga torsional en los aprietes. Estos collarines igualmente mejoran la transmisión de emergencia, en el caso de rotura de la unidad de membrana. d) En la operación de montaje de las unidades de membranas, las láminas se someten a un esfuerzo de pretensionado que produce una tensión uniforme e igual en todos los eslabones. De aquí resulta que el acoplamiento tenga una rigidez axial de característica no lineal, aún para pequeños movimientos axiales Fig. 8. Esta característica de no linealidad hace que el acoplamiento sea autoabsorbente en dirección axial y por tanto, no es posible mantener una resonancia axial en los acoplamientos de las series T. 14
1.7.3 ACOPLAMIENTO INDUSTRIAL TIPO LS A fin de cubrir todos los campos de mercado METASTREAM ha desarrollado la serie especialmente dedicada a la industria en general bajo la denominación genérica LS. Se trata de un tipo de acoplamiento basado en el diseño de las series T, mucho más aligerado en sus componentes. El acoplamiento LS goza de todas las características de calidad de diseño, fiabilidad, robustez, etc. de las series T, lo que las hace superiores con creces a las gamas existentes de pasador-casquillo, engranajes y elastómeros. Fig. 8 - Curva de Rigidez Axial no li neal de Membranas Poligo nales METASTREAM.
Terminamos aquí la exposición de generalidades sobre función, necesidad y características relativas a los acoplamientos y, en especial, al tipo de acoplamiento de membranas metálicas flexibles como el más superior de los existentes en el mercado por sus indiscutibles cualidades de robustez, fiabilidad, ausencia absoluta real de mantenimiento y vida ilimitada. Dentro de ellos, las series que fabrica El GRUPO TI bajo la denominación genérica METASTREAM, gozan del más alto prestigio en los mercados mundiales. Pasamos ahora, según expusimos al principio de este Curso Básico, a examinar con más detalle cada tipo de acoplamiento de los existentes en el mercado, volviendo a considerar las características de los metálicos de membrana flexible. Igualmente mencionarmemos puntos interesantes relativos a instalación, seguridad y operación de los acoplamientos. En un apartado final se considerarán principios de funcionamiento de equipos auxiliares que, instalados junto con el acoplamiento o en complemento con él, ofrecen unas ventajas o sistemas de datos de información que, aparte de su sofisticación, logran que el usuario de toda la instalación tenga en sus manos un abanico de posibilidades absoluto y casi total para optimizar rendimientos de la operación de equipos en planta, al permitirles reducir y casi eliminar costes de la misma en cuanto a averías y consiguientes paradas de las máquinas y procesos.
1. 2.1
INTRODUCCIÓN
Hemos visto en la primera parte del presente curso las causas que hacen necesario utilizar un acoplamiento entre ejes rotativos, hicimos una enumeración de los distintos tipos existentes en el mercado y marcamos las características principales que conducen a significar a los acopla-
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mientos de láminas metálicas flexibles como los superiores para la totalidad de aplicaciones usuales. Trataremos en este parte la descripción de los diferentes tipos que allí describimos, deteniéndonos con más énfasis en los de láminas METASTREAM y dando finalmente un ligero paso por los puntos de instalación, soluciones especiales y equipos auxiliares que, junto con el acoplamiento en sí, aportan unas facilidades de servicio al proceso y al equipo.
2.2
TIPOS DE ACOPLAMIENTOS
2.2.1 ACOPLAMIENTOS DE DIENTES En su concepción más universal, un acoplamiento de dientes está formado por dos medios acoplamientos idénticos, opuestos y unidos firmemente por tornillos u otro medio ( Fig. 1). Cada medio acoplamiento suministra flexibilidad por movimiento relativo de los dientes de la corona periférica externa del cubo, sobre los de la corona interna de la camisa. El dimensionado de estos dientes en su longitud puede atender a grandes desplazamientos o juegos axiales que sean precisos.
Fig. 1
El desalineamiento angular y el paralelo o radial, quedan limitados por el grado de abombamiento de sus dientes y la medida de su backlash u holgura entre dientes.
Los acoplamientos de dientes pueden transmitir pares muy grandes con un tamaño relativamente pequeño. Por ello son generalmente considerados como robustos. Esto puede ser una ventaja en aplicaciones, por ejemplo, de bombas a muy baja velocidad y propensas a cargas de choque, puntuales o de pico. En aplicaciones normales de bomba-motor el tamaño de los ejes es el principal factor que fija la selección del acoplamiento, pudiendo entonces aparecer otros acoplamientos más idóneos en tamaño, factor de servicio y precio. El acoplamiento de dientes presenta una razonable capacidad de desalineamiento en aplicaciones de extremos de ejes muy próximos y en las que no permiten el empleo de elemento distanciador (disposición que muestra la Fig. 1). En este tipo de acoplamientos puede adoptarse un espaciador y, en función de la distancia entre ambas mitades de acoplamiento o parejas de dientes, crecerá la capacidad de desalineamiento o flexibilidad del sistema. Sin embargo, hay que considerar que los esfuerzos de reacción o las cargas debidas al desalineamiento de los dientes, son proporcionales a la fricción entre los mismos y, por tanto, limitadoras de la capacidad de desalineamiento. Debe considerarse que la adopción de espaciadores en este tipo de acoplamientos y en especial a partir de ciertas longitudes, puede necesitar una solución especial para retener o evitar la pérdida de lubricante durante el funcionamiento. Igualmente, un alineamiento más perfecto, siempre deseable desde el punto de vista dinámico de un grupo, presenta inconvenientes en el caso de acoplamientos de dientes. Estos inconvenientes son, principalmente, la transmisión total de esfuerzos o cargas axiales al no impedirse por rozamiento el desplazamiento axial del piñon a lo largo de la corona. Igualmente, una perfecta alineación en acoplamientos de dientes conlleva una fácil destrucción absoluta de la película lubricante por cizallamiento Por lo señalado en transmisión de esfuerzos axiales, los acoplamientos de dientes requieren siempre la adaptación de elementos limitadores de juego axial ( LEF Limited End Float) en todas las aplicaciones de motores con cojinetes deslizantes. La mayor desventaja de los acoplamientos de dientes es la necesidad absoluta de lubricación. En todas las aplicaciones, excepto en las pequeñas transmisiones que utilizan dientes de plástico de características autolubricantes, la flexibilidad depende de la cantidad y la calidad del lubricante existente en el interior de cada medio acoplamiento. En casos de altas velocida-
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des el sistema de lubricación ha de ser atendido por circulación continua de aceite en un circuito que se encarga de refrigerar, filtrar, etc., el aceite en circulación y reduciendo, por tanto, el rutinario mantenimiento del acoplamiento en sí. Por el contrario, en el caso de lubricación por grasa, es obligatoria la renovación periódica de la misma (mínimo una vez por año o antes, dependiendo del servicio) con limpieza total y cuidadosa de los componentes. Conviene señalar la importancia de esa limpieza y eliminación de los restos de grasa usada. Por la propia constitución de las grasas y los efectos que la fuerza centrífuga, consecuencia de la velocidad de giro, tiene sobre los componentes, con fenómenos de saponificación y depósito de elementos de bajo efecto lubricante en dientes y desalojo de los realmente lubricantes por la referida fuerza centrífuga, cualquier entretenimiento de renovación de grasa sin eliminación total de la usada degenera en una rápida inutilización de la nueva. Estas operaciones, que son laboriosas, imparten un alto valor de coste al mantenimiento.
2.2.2. ACOPLAMIENTOS DE RESORTE Los acoplamientos de resorte están formados por dos cubos o manguitos que tienen una corona ranurada convenientemente. Ambos cubos se unen o conectan por medio de un resorte en forma serpenteada que se aloja entre las ranuras citadas (Fig. 2). La capacidad de transmisión de par de un acoplamiento de resorte, depende de la resistencia o capacidad de trabajo a fatiga de ese resorte. En la mayoría de las aplicaciones de este tipo de acoplamientos de resorte, al igual que contemplábamos en el caso de acoplamientos de dientes, la selección se efectúa considerando el diámetro de los ejes a acoplar. Fig. 2
Este tipo de acoplamiento tiene una limitación de la velocidad de giro, si bien en la mayoría de las aplicaciones usuales no se alcanza tal limitación. Los desalineamientos y el juego axial son acomodados por un movimiento de deslizamiento entre el resorte y las ranuras de los cubos, además de una relativa deflección del resorte. La corta distancia entre las ranuras de los cubos, limita las capacidades de desalineación de estos acoplamientos, en comparación con otros modelos o tipos de acoplamientos totalmente metálicos. Esta desventaja debe ser considerada por cuanto supone de incremento de cargas y esfuerzos a los ejes y componentes de las máquinas acopladas. El aumento de la distancia entre extremos de ejes de las máquinas a acoplar (adopción de espaciador) no supone mejora de las capacidades de flexibilidad, ya que generalmente estos acoplamientos se instalan solamente con un elemento flexible. El acoplamiento de resortes es torsionalmente flexible, lo que puede ayudar a reducir vibraciones torsionales. Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones no requieren en absoluto esta característica. Los acoplamientos de resortes requieren lubricación por grasa y mantenimiento regular de la misma. Caben ser consideradas idénticas pautas a las indicadas en el caso de acoplamientos de dientes. Igualmente estos acoplamientos requieren la adopción de sistemas específicos para la limitación de juego axial.
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2.2.3 ACOPLAMIENTOS DE ELASTÓMEROS 2.2.3.1 A CIZALLA La versión más común de este tipo, utilizada en la transmisión motorbomba, es la conocida como forma de neumático (Fig. 3). Dicho neumático puede ser de una pieza o axialmente partido para facilitar la instalación. sin embargo, este tipo partido no ofrece ventajas sobre el enterizo en todas aquellas aplicaciones donde se especifique el empleo de espaciador.
Fig. 3
La capacidad de absorber desalineamientos no mejora por el empleo de espaciador. Existen otros tipos de elastómeros a cizalla, utilizados en transmisión de potencia, de tipo disco y que consisten en la utilización de dicho disco de goma u otro material flexible similar instalado como sandwich entre los cubos de los ejes transmisores. Los acoplamientos de elastómeros a cizalla presentan una buena flexibilidad torsional, variando, claro está, con el tipo de material utilizado. Es obvio que el medio ambiental de estos acoplamientos condiciona el material a utilizar, según por ejemplo, que el medio esté contaminado por aceites o bien por diferentes agentes químicos. La moderna tecnología química de plásticos y elastómeros ha ayudado a solucionar en gran parte estos problemas de aplicación, a la par que este desarrollo de materiales ha conseguido incrementar la capacidad de transmisión de par de los mismos. Los poliuretanos son representativos de esa cualidad, si bien su flexibilidad es limitada. El acoplamiento de tipo neumático tiene reconocida una gran capacidad de absorción de desalineamientos. Este reconocimiento ha provocado en muchas ocasiones que los responsables de mantenimiento en muchas plantas hayan degenerado en el criterio de aceptar o emplear un alineamiento poco preciso en las máquinas, confiando en la gran capacidad de absorción del elastómero. Este criterio es falso, ya que las cargas que luego resultan transmitidas a las máquinas son mayores. En particular las cargas axiales suelen provocar graves problemas en los acoplamientos de tipo neumático cuando giran a velocidades altas, lo que ha llevado a limitar el empleo de los mismos, incluso en aplicaciones de poca potencia y baja velocidad. Los acoplamientos de tipo disco mencionados son relativamente económicos y aceptables en transmisiones de pequeña potencia. Tienen una flexibiliad moderada pero, en cambio, no soportan picos de carga. Esto a veces provoca que el elemento flexible salga despedido. Igualmente, el empleo de espaciadores no mejora el comportamiento del acoplamiento frente a la desalineación. Como característica general de los acoplamientos de elastómeros a cizalla cabe señalar que los mismos desacoplan totalmente las máquinas motriz y conducida en caso de rotura.
2.2.3.2 A COMPRESIÓN Los acoplamientos de elastómeros con el elemento flexible trabajando a compresión tienen, generalmente, mayor capacidad de transmisión de par que los del tipo a cizalla. Tambien en general tienen menos flexibilidad torsional. Este grupo incluye los acoplamientos del tipo estrella o araña ( Fig. 4), bulón y casquillo (Fig. 5) y todos los de tacos de goma.
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Los tipos de bulón y casquillo, así como los de estrella, tienen un empleo muy extendido en las transmisiones de motor-bomba. Dependiendo del tipo y del diseño, la capacidad de absorción de desalineamiento puede ser limitada, y de aquí que las fuerzas resultantes impuestas a los ejes de la maquinaria puedan tener un valor alto. Se han producido diseños muy específicos para absorber vibraciones torsionales. Los ciclos arranque-parada o cualquier otra carga de tipo impacto en este tipo de acoplamientos pueden conducir a un deterioro rápido del elemento flexible si no se ha seleccionado correctamente su tamaño.
Fig. 4
La norma DIN 740 relaciona e identifica los factores de importancia particular para la selección de las diferentes versiones de estos acoplamientos. El fallo o rotura del elemento flexible no provoca en este caso la desconexión entre motor y máquina conducida sino que, por el contrario, incrementa terriblemente las cargas que se imponen a los ejes, pudiéndose provocar graves y costosas averías si tal rotura del elemento flexible no se detecta prontamente, hasta el extremo de arruinar totalmente ejes y cojinetes de ambas máquinas. Es innecesario decir las catastróficas averías que resultan en cierres mecánicos, elementos rotativos bajo estrecha tolerancia, etc. Cuando se necesita cumplir con especificaciones de la norma API 610 resulta dificultoso hacerlo con aplicaciones de elastómeros. La mayoría de este tipo de acoplamientos necesitan adaptaciones especiales para las limitaciones de juego axial.
Fig. 5
2.2.4 ACOPLAMIENTOS FLEXIBLES DE MEMBRANA 2.2.4.1 TIPO DISCO El conjunto o montaje básico de los acoplamientos de disco múltiple se muestra en la fig. 6. El par se transmite por tensión entre los eslabones o secciones alternas. Su capacidad solamente está limitada por la resistencia de esos elementos flexibles y la propia de los pernos de transmisión. Los buenos diseños utilizan acero inoxidable de alta calidad y óptimas características para construir los elementos flexibles. Su utilización se hace muy por debajo de los límites de Fig. 6 fatiga del material. De esta manera se asegura una vida o duración infinita sin requerimiento alguno de conservación o mantenimiento rutinario. Es necesario instalar dos conjuntos de elementos flexibles para acomodar o absorber todos los desalineamientos de los ejes. Las extraordinarias características de capacidad de absorber desalineaciones que presentan estos acoplamientos, hacen de ellos el tipo más que adecuado para la transmisión en bombas. Su autocentrado axial elástico los hace ideales en los casos de acoplamiento a motores con cojinetes deslizantes en los que sea necesaria la instalación de un limitador de juego axial. La forma de la membrana o disco mostrada en la fig. 7 con su diseño de perfil especial, es la de mayor flexibilidad entre los diferentes tipos de disco existentes, y por ello las cargas transmi-
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tidas a las máquinas que acoplan son extremadamente pequeñas, pudiéndose afirmar que menores que las que pueda transmitir cualquier otro tipo de acoplamiento en condiciones semejantes de comparación. El fallo o rotura de estos acoplamientos solamente puede sobrevenir por unas condiciones excesivas de desalineación. Una instalación mal efectuada o un deficiente par de apriete en los tornillos o pernos de transmisión, pueden provocar igualmente problemas, especialmente si el diseño requiere que el usuario efectúe el montaje bajo par de los tornillos que cohesionan los discos. Caso de producirse la rotura de los discos se pierde la normal flexibilidad, ya que entonces se continua la transmisión a través del conjunto de tornillos, arandelas y tuercas como si de un sistema de bulones desnudos se tratara hasta que estos también romFig. 7 pan. Durante todo ese periodo se pueden transmitir grandes cargas a los ejes de las máquinas, pudiéndose producir graves averías si dicho periodo dura bastante tiempo. En aquellas aplicaciones donde se requiera una gran fiabilidad o en aquellas que hayan de funcionar en régimen de grandes potencias y/o altas velocidades, existen versiones de diseño muy robusto con aditamentos intrínsecos de seguridad. La Fig. 8 muestra el montaje de uno de estos acoplamientos de disco que cumple todos los requerimientos de la norma API 610 y que tiene, por diseño, un alto grado inherente de equilibrado dinámico.
2.2.4.2 TIPO DIAFRAGMA Estos acoplamientos para transmisión de potencia pueden responder a dos tipos principales: El de diafragma sencillo con diseño del perfil (Fig. 9) y el de membranas planas múltiples (Fig. 10). Ambos están basados en el traba jo por deflección elástica de los diafragmas, que aportan la flexibilidad necesaria; así como el montaje de dos diafragmas con espaciador intermedio. Su diseño está efectuado en base a una vida ilimitada y sus fallos son siempre atribuibles a una deficiente alineación en las máquinas Fig. 8 que acoplan. Los acoplamientos de membranas múltiples soportan mejor estos desalineamientos ya que dicho concepto de multiplicidad asegura una rotura no del total de los elementos flexibles, pudiendo seguir la transmisión un tiempo suficiente y en caso de ser advertida esa rotura parcial, preparar el proceso o la maniobra de cambio o de parada. En el caso de diafragma sencillo, al producirse el agrietamiento por fatiga del elemento elástico, se sigue de inmediato el fallo total del mismo. Por esta causa, el empleo de membranas múltiples ha alcanzado una gran reputación y fiabilidad. Hasta hace relativamente poco tiempo se daba gran importancia a la gran flexibilidad que se obtiene utilizando en cada elemento flexible una disposición de doble membrana/diafragma. La experiencia reciente ha demostrado que este montaje es raramente necesario en transmisiones normales y no siempre justifica su sobrecoste. En este tipo de acoplamientos, cuando un diafragma rompe, quedan desconectados motor y máquina conducida; si bien en el elemento roto persiste un movimiento relativo entre sus partes componentes. Ha de prestarse consideración a la posibilidad de empleo de materiales anti-
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chispa en todas aquellas instalaciones de líquidos o ambientes inflamables o explosivos. En el caso de membranas múltiples se utilizan materiales no férreos en todos los componentes suje-
Fig. 9
tos a roces o choques en el caso de rotura. Una versión moderna e innovadora de este tipo de acoplamientos ( fig. 10 ya mencionada) incorpora un casquillo-cojinete, que igualmente evita que salga despedido el espaciador. Esta versión, como decimos moderna, es además mucho más ligera y ha demostrado ser extremadamente segura en pruebas y en procesos críticos de aplicaciones de bombas.
2.3
REDUCCIÓN DE MANTENIMIENTO
La seguridad y fiabilidad en las operaciones de marcha de bombas y motores ha sido siempre un concepto muy importante para los operadores de proceso en planta y el equipo de mantenimiento. Se concede gran atención al más mínimo componente vital dentro de los sistemas de bombeo. Alargar el tiempo entre averías es importante para reducir tiempos de parada y pérdidas de producción, al tiempo que sirve para ayudar en la interminable búsqueda de reducción de costos de mano de obra. En la consideración de fallos o averías de un sistema de transmisión en un equipo, es fácil realizar simplemente un exámen del elemento que se ha averiado. Estos fallos suelen ser aceptados como “normales” si solo se atiende al desgaste por uso. A veces el componente que falló se sustituye por otro “mejor” o simplemente más caro. Otras veces se impone una vigilancia mayor o adicional a las inspecciones del equipo. Sin embargo, muchísimos de los problemas que aparecen en los equipos de bombeo proceden de vibraciones y cargas debidas a desalineamientos de los ejes de las máquinas. El simple hecho de transmitir un par a través de dos ejes en ángulo, provoca unas cargas obviamente sumables a las propias externas que genera el pandeo del elemento flexible del acoplamiento. Estas fuerzas pueden alcanzar valores significativos y, cuando se suman a las fuerzas debidas a reacciones del propio acoplamiento, pueden ser incrementadas en forma de vibraciones peligrosas para las máquinas que se encuentran acopladas. De aquí se desprende que, para incrementar la vida de las máquinas y reducir costes de mantenimiento, se necesite afinar al máximo posible el alineamiento de los ejes. Existen responsables de proceso en planta que exigen y dedican mucho tiempo al alineamiento inicial, así como a asegurar que el montaje de las tuberías no produzca cargas que cooperen a provocar desalineamientos. Este cuidado en la alineación no tiene como finalidad única aumentar la vida o duración del acoplamiento (aunque indudablemente repercute en ella). Es un principio indiscutible y cierto para lograr aumentar el índice de tiempo medio entr e averías. Cuanto mayor es el grado de alineación, menores son las fuerzas de reacción; y cuanto menores sean estas fuerzas, mayores serán las posibilidades de operación sin averías. De aquí se desprende que un acoplamiento con pequeñas fuerzas y momentos de reacción mejora, consecuentemente, el rendimiento de las máquinas. De manera análoga, las fuerzas de desequilibrado causadas por un acoplamiento de diseño pobre o mal fabricado incrementarán el nivel de vibraciones, reduciendo el rendimiento y la vida de las máquinas. Un equilibrado dinámico puede reducir esas fuerzas de desequilibrio, pero en
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las operaciones de mantenimiento es necesario verificar dicho equilibrado. La norma AGMA 515 suministra información suficiente y así, muchos acoplamientos mal considerados como equilibrados, no son realmente aptos para tal etiqueta. En el artículo “Mejora de la Seguridad y Rendimiento en Bombas y Motores” los acoplamientos han sido identificados como factores importantes en el mantenimiento, directa e indirectamente a través de los efectos que ejercen sobre otros componentes. Dicho artículo hace notar: 1. Los acoplamientos no lubricados se prefieren a los lubricados. 2. Los acoplamientos con pequeñas fuerzas de reacción debidas a desalineamiento residual entre ejes, son igualmente preferidos. 3. Los acoplamientos que tienen un buen equilibrado dinámico inherente y que mantengan esa cualidad, reducirán ruidos, vibraciones y mejorarán la duración y vida de las máquinas. Al comienzo del apartado de Ac oplamientos Flexibles de Membr ana, y refiriéndonos a las características de fiabilidad requeridas para grandes potencias y velocidades, mencionábamos el conjunto representado en la Fig. 8 como ejemplo de gran rendimiento y de cumplir con todos el requerimiento de la norma API610. Esta norma pone un gran énfasis en señalar que la fiabilidad del conjunto bomba-acoplamiento viene de: 1. Acoplamiento con espaciador. Esto permitirá desmontar el propio acoplamiento, los rodamientos, cierres mecánicos y el conjunto rotativo sin necesidad de retirar el motor de la bancada, ni la carcasa de la bomba de las tuberías de aspiración y descarga. Igualmente y en algunos diseños, según se citó al principio, los espaciadores, al incrementar la separación entre elementos flexibles, incrementan igualmente las capacidades de absorber desalineamiento y mayor flexibilidad, reduciendo por tanto las cargas sobre las máquinas. 2. Los acoplamientos de elastómeros y los de resorte no sirven para aportar estos beneficios cuando en ellos se utiliza un espaciador. 3. Es necesario hacer notar que existen igualmente otras especificaciones y normas sobre bombas que exigen, o al menos recomiendan, el uso de acoplamientos con espaciador. 4. Los c ubos o manguitos de los acoplamientos han de estar fabricados en acero. De ello se infiere que ciertos materiales fundidos, como hierro fundido y aluminio, no son recomendables. 5. El acoplamiento y la unión acoplamiento-eje deben ser dimensionados acorde a la potencia del motor c omo mínimo, e incluyendo un factor de servicio. Algunos usuarios tienen, además, extremo cuidado en verificar que se satisfacen totalmente los pares provenientes de picos de arranque y de reaceleración de los motores. 6. Los acoplamientos deben ser fabricados para cumplir l os requerimientos de equilibrado que fija la norma AGMA 515, clase 8 . Esta norma especifica la cantidad de desequilibrio potencial que aparece en la reinstalación o mantenimiento, no el desequilibrio inicial dejado por el fabricante. 7. Los acoplamientos de elementos flexibles, cuando se utilicen, deben tener instalada una defensa apropiado para retención del espaciador en caso de rotura de los elementos flexibles. Las consideraciones anteriores son fáciles de incorporar en toda nueva instalación, pero en los retrofitting de unidades antiguas pueden crearse problemas. Si el acoplamiento original tiene que ser cambiado y no incorpora espaciador, y si el motor no puede ser fácilmente desplazado, entonces será necesario adaptar un acoplamiento de diseño especial. Debido a esto han aparecido una serie de acoplamientos innovadores en los últimos tiempos, específicamente para estos casos. Suelen incluir diversos componentes con partición para simplificar su instalación y mantenimiento (por ejemplo, de tipo neumático partido y espaciadores con partición, montados en acoplamientos de disco o membrana). Estos tipos de aco-
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plamiento normalmente obedecen a un nuevo compromiso y sólo cumplen en parte los requerimientos ideales tratados anteriormente. La norma API 671 va aún más allá en las exigencias a los acoplamientos. Exige un standard mayor en el equilibrado y un control más meticuloso en los materiales y factores de diseño que afecten a la fiabilidad; si bien en la mayoría de las aplicaciones de bombas esta especificación es considerada usualmente como innecesariamente cara. Sin embargo, hace mención a uno de los métodos más ventajosos a ser aplicado en la transmisión de unidades de servicio crítico: el método de fijación hidráulica de los manguitos en los ejes. Este procedimiento ahorra tiempo y esfuerzos en las operaciones de mantenimiento cuando se trate de desmontar cubos que, con propósito de una mayor fiabilidad, se instalen en tolerancias de gran interferencia. La fijación hidráulica evita el empleo de chavetas y chaveteros, la mayor fuente de desequilibrios en el móvil de una bomba.
2.4
SEGURIDAD
Una primera regla de seguridad en los acoplamientos flexibles es la instalación de una protección o guarda adecuada. En general, las reglas y guías de Seguridad de todas las Compañías exigen que todas las partes rotativas estén cubiertas y protegidas para evitar cualquier contacto y daño a personas. No es intención de este curso entrar en profundidad en este tema. Sin embargo, la guarda protección de un acoplamiento protege al personal y al propio equipo si ese acoplamiento se desintegra. Por ello, hay tres consideraciones de seguridad general en un acoplamiento.
2.4.1 SEGURIDAD PRIMARIA Proviene básicamente del diseño y de la aplicación. El fabricante y todo el personal involucrado en la selección del acoplamiento, deben asegurarse de que este va a trabajar en condiciones aceptables y que no se desintegrará en la transmisión bajo condiciones normales de par y velocidad, incluyendo los posibles transientes. Los tornillos, tuercas, pasadores, etc., no deben aflojarse por vibraciones bajo ningún concepto. Sus materiales deben de ser sólidos y la corrosión, si existiera, no debe producir debilidad en las piezas. El apriete correcto bajo par y el blocaje de las tuercas es responsabilidad del usuario, debiendo éste procurar que existan y se cumplan las instrucciones apropiadas.
2.4.2 SEGURIDAD SECUNDARIA Aparece en la rotura de los elementos flexibles (o de las partes deslizantes). Esas roturas aparecerán en el desgaste y arañazos de la mayoría de los diseños con elastómeros o elementos lubricados, al igual que ocurrirán también roturas por inesperados y grandes desalineamientos, gripado de impulsores o mantenimiento inadecuado. Si en estas circunstancias el acoplamiento tiene un deterioro rápido y rompe en pedazos, esos pedazos suponen el mayor riesgo de seguridad. Los trozos de elastómero de algunos diseños pueden salir despedidos muy fácilmente, por lo que las guardas deben de estar concebidas para retener dichos trozos. Un buen diseño de acoplamiento debe atender a retener las partes rotas totalmente, hasta que la avería sea detectada y se detenga la máquina con toda seguridad. Esto nos lleva al tercer nivel de seguridad: Detección del fallo y prevención de daños a las máquinas acopladas.
2.4.3 DETECCIÓN DE FALLOS Un fallo, si ocurre, puede llevar a producir daños en la máquina conductora o en la conducida. si se transmiten grandes cargas a los ejes en esas circunstancias, y sin que sean advertidas por los responsables del proceso, pueden llegar a romperse cojinetes, los propios ejes, las carcasas e, incluso, tuberías y estructuras. Si a esto se suman ambientes con fluidos altamente inflamables o tóxicos, los problemas que se deriven pueden resultar desastrosos. Por eso, todo diseño de acoplamiento debería atender a su rotura en condiciones de seguridad. Pero, ¿cuales deben ser esas condiciones de seguridad? Suponiendo que una bomba estuviese monitorizada en continuo para detección de vibraciones, es claro que una rotura de cualquier tipo de acoplamiento sería advertida de inmediato. si esa 23
monitorización continua solo atendiera, por ejemplo, al régimen de consumo del motor o al caudal del fluido bombeado, presumiblemente debería preferirse un acoplamiento que separara (soltara) el motor de la bomba. Si, por el contrario, es una turbina el elemento motor de la bomba, y el fallo se produce en el dispositivo antiembalamiento de la turbina, utilizar tal tipo de acoplamiento puede resultar peligroso. Considerando que la causa más frecuente de fallo en un acoplamiento es el sobrepar, entonces un acoplamiento bien diseñado con un dispositivo limitador de par, ofrecerá una solución segura. Hay que tener en cuenta que el acoplamiento de tipo membrana diafragma ( Fig. 10) cumple esta condición (romperá en su zona de radios al presentarse el sobrepar superior al valor diseñado). Debe siempre asegurarse que este valor de rotura sea aceptable en todo lo referente al lado motor y al lado conducido, para evitar daños en sus respectivos órganos. Hay que resaltar en este diseño la adopción del casquillo-cojinete de seguridad, que permitirá a las partes rotativas rodar sin problemas, independientemente y sin necesidad de otros cojinetes. Son muy pocas las unidades que se encuentran monitorizadas para vibraciones. Por eso, este tipo de acoplamiento, que separa totalmente la máquina motora de la máquina conducida, tiene ventajas cualificadas en el criterio de la mayoría de los responsables del proceso en planta. Esto explica, sin duda, el continuo incremento de popularidad del acoplamiento de membranas diafragma múltiples en aplicaciones a servicios críticos.
2.5
INSTALACIÓN
2.5.1 GENERALIDADES De las características y propiedades que se han ido exponiendo en todo cuanto antecede, se pueden desprender unas líneas generales al atender a la instalación de un acoplamiento. Como primer punto, las dos máquinas a alinear deben estar situadas sobre una base o bancada lo más sólida posible y no sujeta a deformaciones. Hemos indicado que estas bancadas sufren movimientos en su asentamiento al terreno, fruto de las vibraciones de los Fig. 10 equipos y de los propios movimientos de dichos terrenos. Las pequeñas variaciones serán absorbidas perfectamente por el acoplamiento, en cumplimiento de una de sus funciones principales. No obstante, al ir creciendo los valores y, consecuentemente, las desviaciones desalineamientos al fin con el tiempo, se hace necesario revisar temporalmente el estado inicial de la instalación. Un segundo punto a tener en cuenta antes de proceder a la instalación del acoplamiento es que no existan cargas sobre las máquinas, motivadas por su conexión a tuberías o conducciones. Estos esfuerzos, por pequeños que sean, se transmiten directamente a las carcasas y sucesivamente a rodamientos, ejes, etc., provocando desalineamientos cuya peor característica es la variabilidad con el proceso, razón por la que no podrá asegurarse nunca una alineación dinámica correcta. Entrando directamente a la instalación del acoplamiento en sí y pasando por alto las elementales precauciones de revisión de ejes para detectar rebabas, golpes y torceduras que deben ser siempre subsanadas, es necesario observar el tipo de fijación mecánica a utilizar en el calado o ensamble de manguitos a los ejes. El caso más utilizado hasta ahora, sigue siendo el de chaveta y chavetero. Nunca dejaremos de insistir en la observancia cuidadosa de la normativa existente. La norma DIN 2885 fija las dimensiones y juegos de tolerancias que han de tener los ejes, chavetas y sus respectivos alojamientos. Es importante hacer notar que los manguitos no deben entrar nunca holgados en los ejes, para evitar holguras radiales y movimientos de deslizamiento. No sirve, para justificar este defecto de mala mecánica, la posterior adopción de un prisionero. Dentro de los montajes por medio de chaveta y chavetero, es interesante mencionar y detenerse ligeramente en los ejes con extremo cónico. Es exigible siempre, como práctica de buena
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mecánica, que los agujeros de manguitos se mecanicen ajustándolos directamente con su eje, y en caso de no poder disponer del mismo, con un calibre que permita ajustar el cono. Este ajuste debería ser efectuado con rectificadora para asegurarlo. Con el desarrollo de máquinas motrices y de proceso cada vez más perfeccionadas y consecuentemente más veloces, se ha hecho necesario reducir al máximo las holguras entre componentes. Por ello, el ajuste de ejes y manguitos es usual efectuarlo con grandes interferencias. Esto ha dado lugar a los llamados montajes hidráulicos que permiten asegurar una larga vida de manguitos y ejes tras montajes y desmontajes, sin que se aprecien desgastes en las tolerancias iniciales. Al tratarse de unos sistemas especiales en cuanto a equipos, materiales y dimensionado, no entra en los límites de este Curso Básico una mayor consideración de estos sistemas de fijación.
2.5.2 ALINEAMIENTO. Se ha dado especial importancia a lo largo de estas consideraciones al tema de la necesidad imperiosa de lograr una alineación lo más perfecta posible de los ejes a acoplar, para que el acoplamiento realice sus funciones a la perfección. Recordemos los tres tipos básicos de desalineamiento: axial, radial o paralelo y angular. Decíamos que el radial o paralelo estaría siempre presente, por mínimo que fuera, y que únicamente podría solucionarse descomponiéndolo en dos angulares, razón por la que se preconizaba el empleo de acoplamientos con espaciador. Recordemos los casos de sistemas de transmisión de tres o cuatro rodamientos y los conceptos de rigidez de tales sistemas. Una vez sentados estos principios, podemos afirmar que el problema de alineación de ejes, por tratarse de reducir al mínimo ese desalineamiento angular, equivale a reducir a cero el cateto menor de un triángulo rectángulo formado por la distancia entre ejes de las máquinas a acoplar como cateto mayor, siendo el cateto menor el valor máximo de desalineamiento radial y considerando necesariamente fija a una de las máquinas. Cuando ese cateto menor sea cero, solución ideal y perfecta, podremos afirmar que se ha logrado el alineamiento. Obviamente, ha de considerarse que el plano que contiene el antedicho triángulo rectángulo no es fijo; sino que gira 360º alrededor del cateto mayor o eje ideal de ambas máquinas. El problema de alineación, pues, trata de resolver “ a cateto menor igual a cero” dos rectángulos situados en planos perpendiculares en la manera descrita. La alineación de ejes puede ser efectuada por diversos métodos, desde el arcaico y prohibitivo de una reglilla apoyada entre los semi-ejes, hasta el realizado con los más sofisticados aparatos de alta tecnología. En los apartados siguientes y dentro de la línea seguida en este curso, no nos detendremos a detallar el más popular de los métodos de alineación: “Por comparadores” . En su apartado específico, remitimos a solicitar de METASTREAM detalle completo del mismo. Sí hemos querido hacer énfasis en el condicionado previo para lograr un buen alineamiento. Por simple y sabido que pudiera parecer, la inobservancia de dichas condiciones tan simples y sabidas junto a la falta de cuidado en las operaciones de alineado ayudan a arruinar la deseada marcha suave y duradera de los equipos. Con idéntico criterio y atendiendo a la tendencia actual de equipamiento en talleres y empresas de instalaciones y mantenimiento, nos detenemos en la exposición de los modernos instrumentos basados en tecnología láser y su abanico de características, ventajas y aplicaciones de utilidad; aunque caigan un tanto fuera del específico alineamiento de ejes.
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2.5.2.1 PROBLEMAS DEBIDOS AL DESALINEAMIENTO. Hay que tener en cuenta (ver Fig. 11) que casi el 50% de las vibraciones excesivas en máquinas giratorias tienen su origen en una falta de alineamiento Le sigue, como causa segunda, una lubricación inadecuada. Los ejes desalineados generan siempre una fuerza de reacción en los cojinetes de las máquinas motriz y accionada. Otra seria consecuencia (ver Fig. 12) es el desgaste prematuro de retenes de aceite lo que daña la máquina a causa de las fugas y contaminaciones del lubricante. Está bien demostrado que la puesta en práctica de un programa de alineamientos reducirá los costos de mantenimiento y traerá consigo otros beneficios.
2.5.2.2 CONDICIONES PARA UN ALINEAMIENTO ADECUADO.
Fig. 11
Antes de comenzar la labor del alineado, debe asegurarse que la máquina permancerá alineada cuando esté en operación. No sirve para nada alinear máquinas que cambien de posición nada más arrancarlas. Hay que considerar: Nuevas máquinas: Compruebe que la fundación sea adecuada y esté preparada correctamente. haga un alineamiento previo, seguido del alineamiento preciso cuando se hayan completado los trabajos de la instalación.
Antes de alinear: Estudie la forma en que la máquina opera. Compruebe la fundación, pernos de sujección, acoplamiento, vibraciones, temperaturas, condiciones de las tuberías, condiciones ambiente, etc. (Fig. 13).
Fig. 12
Fundaciones: Es imposible un alineamiento fiable sin una fundación en buen estado. Se pueden ahorrar trabajos innecesarios comprobando lo siguiente:
Las fundaciones de ambas máquinas serán rígidas, planas y uniformes. Hay que dejar que endurezcan las fundaciones de hormigón antes de instalar las máquinas. Los apoyos de las máquinas no deben descansar directamente sobre el hormigón. Se usarán placas metálicas de apoyo bien preparadas y embebidas o recibidas en la proFig. 13 pia masa de hormigón. Las superficies de los apoyos de las máquinas estarán limpias y libres de óxido. Las placas de apoyo del motor se prepararán de forma que estén algo más bajas que las de la máquina accionada. Ponga un juego inicial de láminas calibradas (galgas), de aproximadamente 2 mm. bajo cada uno de los apoyos. No olvidar que, generalmente, la máquina accionada será la considerada como fija.
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Vibración: Se medirá la vibración radial, en vertical y en horizontal, antes y después del alineado.
2.5.2.3 CAMBIOS DINÁMICOS EN EL ALINEAMIENTO Cuando está en operación la maquinaria, hay varios esfuerzos y factores que entran en juego. Dichos esfuerzos incluyen: Expansión térmica, fuerzas de transmisión de pares y fuerzas hidráulicas, por mencionar algunas. La resultante total de estos esfuerzos trae normalmente consigo el movimiento de la línea de centros de eje de su posición ”en frío” (máquina sin operar). Se conocen estas como posiciones “en caliente” del eje. Dependiendo de la aplicación, estos cambios pueden ser bastante importantes.
2.5.2.4 ALINEAMIENTO COMPARADORES
CON
Es el método tradicional que se ha venido utilizando y aún se utiliza para lograr un alineamiento preciso hasta el límite de precisión de los aparatos comparadores utilizados en las medidas. Existen diversas formas de colocación de los aparatos en las máquinas y, de acuerdo a ellas, es preciso repetir y alternar las operaciones de toma de datos. De todas formas, METASTREAM ha adoptado el denominado método periférico invertido como preciso y más rápido para corregir el desalineamiento existente.
Fig. 14
Consiste en situar dos comparadores sobre la periferia de los manguitos a alinear, estando fijados cada uno al manguito contrario de aquel sobre el que se desliza el palpador ( fig. 14). Las medidas han de tomarse en parejas y a 0-180º y 90º-270º. Con dos o tres correcciones sucesivas y dependiendo siempre de la práctica y cuidado del operario, se logra un alineamiento correcto. El método operativo y de cálculo queda fuera de los límites de este curso, según hemos indicado . A petición, METASTREAM suministra el detalle completo del método y operaciones a seguir.
2.5.2.5 EQUIPOS DE ALINEACIÓN POR RAYOS LÁSER. Desde hace bastantes años, siguiendo los avances tecnológicos (en cuanto a sistemas sencillos, baratos y fiables) han ido apareciendo diversos aparatos encaminados a facilitar y abreviar la operación de alineamiento de grupos. No debe olvidarse la complejidad que entraña el alineamiento de un tren o conjunto de más de dos máquinas. Hoy en día es muy usual encontrar una bomba o compresor que puede accionarse por un motor eléctrico y por una turbina a través de un reductor, indistintamente. Aparte del elemento de desconexión para aislar una de las máquinas motrices, tenemos ahí un grupo de cuatro máquinas si el reductor no forma parte integral de la turbina. Considerando, por ejemplo, fija la bomba, será necesario alinear ésta con el reductor por un lado y con el motor eléctrico por el extremo opuesto del eje. Posteriormente ha de alinearse el reductor con la turbina. No es preciso decir que son procesos de trabajo laboriosos, necesitan personal especializado y emplean gran cantidad de tiempo.
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Para obviar todo ello, fueron apareciendo equipos que unían la potencia y rapidez de cálculo de un pequeño ordenador a la tecnología del rayo láser. Esto conducía a una gran rapidez de ejecución, seguridad en la precisión de los cálculos y aliviaba en gran manera la necesaria utilización de mano de obra especializada, por cuanto solo es necesario que el responsable del alineamiento conozca el método operativo del aparato. Actualmlente estos equipos, al partir de la fase inicial cero, toman por sí mismos las medidas de desviación y ofrecen en pantalla los valores de corrección por desplazamiento lateral o por calzos para lograr una alineación perfecta. Subiendo el grado de sofisticación de estos equipos y ampliando el campo de utilización de los mismos, se han conseguido equipos tan completos en su versatilidad como el COMBI-LASER de FIXTURLASER, (Fig. 15) que trae incorporados los siguientes programas (Fig. 16): Alineación de ejes horizontales. Alineación de ejes verticales. Rectitud. Alineación de husillos en máquinas herramientas.
Fig. 15
Incorporando un prisma angular que desvía el rayo 90º, se pueden efectuar también mediciones de: Planitud. Perpendicularidad Paralelismo El citado sistema de alineamiento y medidas COMBI-LASER tiene una serie de ventajas sobre el método clásico de comparadores que le hacen especialmente idóneo, como son:
Fig. 16
Permite realizar un pre-alineado visual, por un procedimiento muy rápido y sencillo. La exactitud de las medidas no se resiente si los extremos del eje (o cubos de acoplamiento) no tienen una buena condición superficial (debido a suciedad, corrosión, óxido, etc.) Se puede detectar si existe en los apoyos del motor, antes de proceder al alineado, condición de “pie falso” y en cuanto cojea el apoyo en cuestión. Todos los valores aparecen en pantalla en tiempo real (desalineación horizontal / vertical), tanto paralela como angular y valores a mover o suplementar en los apoyos del accionamiento, lo que evita tener que hacer cálculos engorrosos después de cada intento de mejorar el alineado. Su rápido montaje en los extremos del eje permite relizar el chequeo de máquina en caliente (inmediatamente después de la parada), lo que supone un buen método práctico de comprobar la expansión térmica.
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Se pueden hacer alineados para unas distancias entre extremos de eje de hasta 10 metros, lo cual es muy útil en ciertos casos en que el método de comparadores no es factible, tales como: Ventiladores de aire en Torres de Refrigeración. Acoplamiento con eje cardan, por ejemplo en Bombas contra incendios accionadas por motor diesel.
2.5.2.6 COMBI- LASER, ALINEADO “EN CALIENTE”. (EXPANSIÓN TÉRMICA) Si ef ectuamos el alineado “en frío”, con la máquina parada, al ponerse en funcionamiento a umentará la temperatura, por lo que el eje cambiará su posición, a causa de la expansión térmica. En casi todos los casos los manuales del fabricante no indican nada sobre la corrección a introducir “en frío”, para que la máquina alcance su alineado óptimo “en caliente”. Una buena aproximación es aplicar la fórmula: EXPANSIÓN TÉRMICA (mm) = H(m) x 0,01 (mm/mºC) x T(ºC) donde H = Altura, en metros, desde los apoyos al eje geométrico de la máquina.
T = Incremento, en grados centigrados, sobre la temperatura ambiente, cuando se estabiliza la temperatura de funcionamiento de la máquina.
Supongamos los siguientes valores para el grupo representado ( Fig. 17): Altura del eje motor = HM = 0,60 m. Altura del eje bomba = HB = 0,8 m. Incrementos de Temperatura: Consideramos para la bomba T = 50ºC en todo el eje (A 1 y A2). Igualmente para el motor T = 50ºC en A3. En el lado ventilador, suponemos 10ºC menos, por lo que T = 40º C en A4. Por tanto, si hacemos “en frío” el alineado, los ejes subirán a la altura de los apoyos cuando el grupo funcione “en caliente”. Bomba A 1 = A 2 = 0,8 m x 0,01 mm/m º C x 50º C = 0,4 mm. Motor A3 = 0,6 m x 0,01 mm/m ºC x 50º C = 0,3 mm. A4 = 0,6 m x 0,01 mm/m ºC x 40º C = 0,24 mm.
Una buena práctica será hacer el alineado “en frío” lo más perfecto posible y después bajar los apoyos, lo que hemos previsto (según los cálculos anteriores) que irán a subir “en caliente”. Hemos visto que habría que bajar la bomba 0,4 mm. en ambos apoyos ( A1 y A2) pero como es la máquina fija, que no altera su posición durante los trabajos de alineado, deberemos bajar el motor en la diferencia, es decir:
Fig. 17
BAJAR APOYO DELANTERO MOTOR, A3 A - A1A2 = 0,3 - 0,4 mm. = BAJAR - 0,1 mm. (¡SUBIR + 0,1 mm!)
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BAJAR APOYO TRASERO MOTOR, A4: A - A1A2 = 0,24 - 0,4 = BAJAR -0,16 mm. (¡SUBIR + 0,16 mm!)
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En resumen, si en este caso hacemos un buen alineado con el grupo parado “en frío” y
después suplementamos los apoyos delanteros y traseros del motor con galgas de 0,1 mm. y 0,16 mm. respectivamente, nos habremos asegurado de que el grupo motobomba conserve un buen alineado durante el funcionamiento “en caliente”
Existen casos mucho más complejos, como por ejemplo:
Turbinas de vapor.
Bombas que manejan fluidos de alta temperatura (alimentación calderas)
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Servicios criogénicos de muy bajas temperaturas (gases licuados de petróleo).
Para estos casos se ha desarrollado software para comunicación de ordenador, que permite al sistema COMBI-LASER, aprovechando alguna parada de la máquina, montar rápidamente el sistema en los extremos de ejes y, desde prácticamente la temperatura de funcionamiento, el sistema va recopilando datos de la posición de los ejes, a intervalos prefijados de tiempo, hasta que los ejes hayan alcanzado la temperatura ambiente. Se obtiene así una gráfica inversa a la de la posición que los ejes irían teniendo, desde el arranque hasta que se estabilice la temperatura de funcionamiento consiguiéndose así una medida dinámic a de la variación d e posición de los ejes a causa de la expansión t érmica.
2.5.2.7 OTROS EQUIPOS PARA ALINEACIÓN Y MEDIDAS GEOMÉTRICAS POR RAYOS LÁSER. Nos encontramos en la industria con muchos casos en los cuales es tremendamente complejo hacer unas alineaciones, u otro tipo de medidas, que nos merezcan total confianza, ya que concurren factores tales como: Gran precisión requerida, grandes distancias entre los extremos del objeto a medir, diferentes temperaturas del objeto a medir (lo que implica diferentes dilataciones), etc. Si se requiere satisfacer al buen funcionamiento y la calidad (en las máquinas de producción y en los productos finales), los métodos tradicionales de efectuar medidas (regla, cuerda de piano, nivel de burbuja, plomada, etc.) no son ya adecuados. Se hacen necesarias, por tanto, herramientas que realicen las mediciones de forma sencilla, rápida y con gran exactitud. Una solución moderna es el láser, cuyo uso para medidas, alineaciones y posicionado implica técnicas que son conocidas desde hace años. No obstante, hasta fechas recientes, las medidas se han hecho deslizando una regla o galga a lo largo del rayo láser y leyendo los resultados a ojo. Este procedimiento no trajo consigo ninguna mejora en exactitud, por lo que no alcanzó ninguna popularidad. Sólo recientemente, gracias al rápido desarrollo de dos técnicas láser de semiconductor y fotodetector sensible a la posición se ha hecho posible desarrollar un sistema de medida que reúna las ventajas de:
Gran precisión Muy fiable. Muy fácil de usar Gran versatilidad.
El GRUPO TI, además del sistema COMBI-LÁSER ya descrito, dispone de los dos sistemas que exponemos a continuación: 2.5.2.7.1 SISTEMA “VSP LÁSER” Ha sido diseñado específicamente para las Centrales Hidroeléctricas de Producción de Energía, en las cuales la maquinaria más importante es el grupo formado por la turbina hidráulica y el generador eléctrico, que usualmente son verticales, con ejes de gran longitud y diámetro unidos por acoplamiento rígido. La correcta alineación de los ejes verticales es una parte crucial en la producción de energía. Fig. 18
El sistema VSP LÁSER (Fig. 18) consiste en un transmisor láser, un detector sensible a la posición y una unidad de pantalla, junto con las fijaciones desarrolladas especialmente para esta aplicación.
Se suministra la unidad de pantalla con los programas: 30
Medida de la verticalidad. Rectitud / Planitud. Impresión / Comunicación con ordenador.
Se pueden realizar las medidas a lo largo de una distancia de hasta 50 metros. Al ser las fijaciones magnéticas, no existen límites en cuanto al diámetro del eje. El VSP LASER usa un rayo láser como línea de referencia y los valores medidos nos los da el detector, el cual “lee” la posición relativa del rayo láser respecto al eje geométrico. Los beneficios obtenidos de este sistema son:
Desmontaje mínimo de maquinaria. Al no afectar las vibraciones al rayo láser, solo hay que parar el grupo a medir (con el método convencional de plomada se hace necesario parar, también, los grupos adyacentes). Gran precisión ( 0,005 mm/m.) Gran ahorro de tiempo (se tarda, aproximadamente, la cuarta parte del tiempo necesario con métodos convencionales).
2.5.2.7.2
SISTEMA “DIGI-LASER”
Fig. 19
DIGILASER es un sistema de medición basado en la tecnología láser, único por su combinación de versatilidad, exactitud y sencillez (Fig. 19). Usado en cualquier área de la industria para tareas de alineación, calibración, posicionado y mantenimiento.
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El equipo básico comprende los siguientes elementos: Una fuente de láser que emite el rayo visible (longitud de onda = 670 nm y potencia máxima 1 mW). Dicho rayo láser se sitúa a lo largo del objeto a medir. El transmisor láser que va equipado con un cabezal giratorio con prisma incorporado. El rayo sale en una dirección y, en cualquier momento, se puede desviar 90º y girar su dirección (se crea así una línea de referencia y un plano de referencia, perpendicular a dicha línea). También incorpora dos niveles de burbuja de gran precisión. El detector, con célula fotosensible a la posición se fija al objeto a medir y permite leer la posición en relación al centro del rayo en los dos ejes X / Y simultáneamente, con precisión de 1 micra. En tanto el rayo incida en el detector, no importa si su diámetro es de 1 ó de 5 mm. Desplazando el detector a lo largo del rayo se obtienen medidas de otros puntos con igual exactitud. Se pueden obtener medidas a lo largo de distancias de hasta 100 metros, sin dificultad alguna. La unidad de pantalla digital, alimentada por pilas, que nos da las lecturas en los dos ejes X / Y con precisión de 10 micras. Como alternativa a la unidad de pantalla, se puede conectar DIGI-LASER al sistema ADCOM de ordenador con interface, permitiendo mejorar la precisión de las lecturas a 1 micra. Se dispone, además, de un gran abanico de posibilidades, en cuanto a tratamiento de las mediciones, en gráficos y en valores numéricos. DIGILASER se utiliza para:
Medidas de rectitud, planitud, nivelado, verticalidad y perpendicularidad en: Bancadas de máquinas, mesas de trabajo, guías, soportes, máquinas herramientas, etc.
Mediciones y ajustes de asientos de cojinetes.
Alineación de husillos y otras partes de máquinas.
Ajustes de paralelismo en trenes de rodillos.
Centrado y posicionado de piezas para mecanismos de precisión.
Con el sistema ADCOM (ordenador) se pueden ejecutar mediciones durante periodos ilimitados de tiempo. Por ejemplo, mediciones de oscilación, cabeceo y expansión térmica.
Algunas áreas de aplicación de DIGI LASER son:
Fabricantes de grandes máquinas, como: Compresores.
Grandes motores de explosión (p.ej. motores diesel de propulsión de barcos)
Grandes turbinas hidráulicas, de vapor y de gas.
Industria aeronáutica.
Fabricantes de ascensores (alineación de guías de ascensores de gran velocidad).
Máquinas herramientas.
Alineación de ejes de propulsión de barcos.
Siderometalurgia (trenes de laminación).
Papeleras (tren de rodillos)
Maquinaria de Artes Gráficas.
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2.5.3 LÁMINAS CALIBRADAS El GRUPO TI, en su esfuerzo por ofrecer un servicio integral en todo lo relacionado con transmisión de potencia, ha incorporado a su gama de productos las láminas calibradas para implementar bajo los apoyos del motor (Fig. 20). En muchas ocasiones el usuario recorta manualmente sus chapas para calzar. Con el acopio de las Láminas Calibradas METASTREAM se obtienen las siguientes ventajas: Se evitan las pérdidas de tiempo (= a pérdida de dinero) que supone el ir recortando cada chapa que se necesite. Se emplea acero inoxidable, con lo cual Fig. 20 la altura del motor se mantendrá inalterable, al no variar el espesor de las láminas, incluso en los ambientes más corrosivos. Se dispone siempre de los espesores que se precisen, por lo que se conseguirá una alineación perfecta en todos los casos. Los bordes de las láminas vienen redondeados, lo que evita el riesgo de heridas por corte, tanto a la hora de recortar las chapas como al suplementar los apoyos del motor. Las láminas llevan en su extremo un agujero, lo que permite retirarlas con un gancho de extracción, evitando nuevamente el riesgo de accidentes al no tener que introducir los dedos bajo los apoyos del motor. Las láminas calibradas están disponibles en:
Espesores de 0,05 - 0,01 - 0,25 - 0,50 - 1 y 2 mm. Tamaños de 50 x 50, 75 x 75, 100 x 100, 125 x 125 y 200 x 200 mm. Juegos de un solo espesor, cajas de un tamaño de juegos de distintos espesor o bien maletín con todos los espesor para tres tamaños distintos. También se dispone de bloques de láminas pegadas con espesor total de 1 mm (8 x 0,1 + 4 x 0,05 mm). Retirando las que sobren se obtiene el espesor deseado.
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EQUIPOS AUXILIARES
Como complemento a cualquier instalación de transmisión de potencia, pueden derivarse necesidades de atención a diversos requerimientos. Hemos visto a lo largo de este curso la gran riqueza de características que ofrecen los acoplamientos, en especial los metálicos de membrana flexible que forman la gama METASTREAM del GRUPO TI. Para poder obtener los resultados derivados de esas características en aquellas instalaciones que lo requieran, existen infinidad de equipos y aparatos auxiliares diseñados a tal efecto.
2.6.1 LIMITACIÓN DE PAR Como característica general de todo acoplamiento flexible hemos visto su rigidez torsional en mayor o menor grado. De aquí se desprende que todo par aplicado se transmite en su valor total, en un tiempo mínimo variable en función de la resiliencia del elemento transmisor. Si dicho par puede, por cualquier causa, adquirir valores peligrosos para los elementos de máquina, por ejemplo: un bloqueo de los rodamientos de una de las dos máquinas conectadas, provocará una inercia por frenado que puede dañar seriamente ejes, rotores, carcasas, etc. y cuando menos la rotura del propio acoplamiento. Esta u otras causas precisan de algún dispositivo que evite esas costosas averías y el tiempo de paro consiguiente. Con un efecto común de interrupción de la transmisión de par y características diferentes en cada caso, existen dos soluciones al efecto.
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2.6.1.1 FUSIBLE MECÁNICO Sistema empleado desde hace muchos años, consiste en un pasador de sección conocida y calculada, instalado convenientemente entre las partes componentes del acoplamiento (Fig. 21). Su correcto funcionamiento implica la adopción de algún sistema de rodadura que permita el giro libre de los componentes durante el período de inercia de movimiento subFig. 21 siguiente a la rotura. Tiene un funcionamiento correcto, siempre que no se exija precisión del par de rotura. Esa es la principal desventaja, ya que es sabido que el coeficiente de rotura a cizalla de todo material metálico varía en función del tiempo y, sobre todo, a consecuencia de esfuerzos y solicitaciones mecánicas a su sección. Evidentemente, cada arranque, parada y cualquier variación de velocidad angular en el régimen de las máquinas conectadas, actúa modificando la estructura de la sección del pasador, motivando con ello un campo de variabilidad muy amplio respecto de los valores calculados originalmente. Su empleo queda, pues, limitado a instalaciones generalmente pesadas y robustas, de una velocidad media baja y en las que se permita una gran variación entre el máximo par de servicio y el que pueda producir roturas o averías. No debe olvidarse que la rotura del fusible provoca el paro de producción consiguiente y su reposición es bastante laboriosa. Para aliviar esa operación de laboriosidad, al igual que decíamos que debían adoptarse rodaduras para permitir el giro, deben adaptarse camisas o casquillos que enfunden al pasador en sí y que permitan su extracción rápida y reposición del nuevo pasador con su casquillo. Es imprescindible una selección cuidadosa del material a utilizar en los pasadores, conociendo exactamente, mediante probeta fiable, el valor de coeficiente de rotura a cizalla; y evitar siempre materiales como acero y, en general, todos los ferrosos, ya que son los más sensibles a esa variación apuntada de valores de rotura. Es conveniente adoptar un solo fusible nunca pasar de dos para lograr el mejor reparto de trabajo en la sección de rotura, asegurando de esta manera los cálculos efectuados.
2.6.1.2 DISPOSITIVO SAFESET Con el objeto de asegurar con precisión el valor de sobrepar, uno de los más excelentes dispositivos en el mercado es SAFESET, que comercializa FLEXIBOX (Fig. 22). Consiste básicamente en un casquillo de doble pared, que se fija hidráulicamente entre el eje y el manguito de uno de los lados de la transmisión. Su elemento vital es un tornillo con cabeza calibrada a rotura, que forma el verdadero fusible de la instalación. El funcionamiento y características del aparato pueden verse en la literatura específica que suministra METASTREAM.
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Solo resaltaremos aquí la gran versatilidad de aplicaciones que presenta, tales como mínimo tiempo de paro al accionar el mecanismo, ya que solo se trata de reponer un tornillo y reajustar la presión de aceite de su apriete hidráulico; la precisión del valor de calibrado puede ser tan exacta como la sensibilidad del manómetro de ajuste y el cuidado puesto en la operación; el tiempo de accionamiento es del orden de milisegundos desde la aparición del sobrepar y la desconexión del movimiento; es un mecanismo de muy ligero volumen y peso, por lo cual no aumenta en absoluto la inercia del sistema, ni provoca cargas radiales en extremo de eje en voladizo.
2.6.2 REGULACIÓN DE PAR Al igual que hemos expuesto en el punto anterior 2.6.1, referente a la limitación de par, y hemos visto en que formas puede interrumpirse totalmente la transmisión del mismo, existen ocasiones en que es necesaria una aplicación gradual del par, especialmente en arranques, o bien una absorción suave de puntas y gradientes que afecten a la uniformidad de dicho par. A tal efecto existen igualmente dispositivos específicos que responden a tal fin.
2.6.2.1 EMBRAGUES FRICCIÓN Fig. 22
DE
Este antiguo dispositivo adopta innumerables formas, aunque su idea constitutiva responde siempre a formar un conjunto de dos piezas que divide a la transmisión y que, por frotamiento de una pieza contra otra la fuerza de frotamiento puede ser regulable o no permite una cierta linealidad en la transmisión del par. Los elementos deslizantes que producen esa fricción pueden ser de diversa naturaleza. Han sido muy utilizados los de tipo ferodo en forma de discos, conos, segmentos, etc. Dado que el desgaste hace que esos elementos tengan una vida relativamente corta, haciendo necesario un mantenimiento preventivo y sus paradas de producción consiguientes, se han utilizado elementos metálicos, sumergidos o no en aceite, que han logrado alargar dicha vida útil en gran manera; pero siempre queda el factor desgaste y vida fungible de sus componentes.
2.6.2.2 ACOPLAMIENTOS HIDRÁULICOS Los acoplamientos hidráulicos son máquinas usadas en transmisión de potencia entre el motor eléctrico y la máquina accionada. Se usa aceite para transmitir dicha potencia, del eje de entrada al de salida, no existiendo entre ambos ningún contacto mecánico.
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El principio básico de funcionamiento (ver Fig. 23) es como sigue: Hay dos elementos de transmisión de potencia: El impulsor y el rodete, ambos con álabes radiales. Al girar el impulsor actúa como bomba centrífuga, obligando al aceite a recorrer un vórtice giratorio en forma de muelle toroidal (es el llamado circuito de trabajo) el flujo del vórtice de aceite empuja sobre los álabes del rodete (el cual actúa como turbina hidráulica) haciéndolo girar. 2.6.2.2.1 ACOPLAMIENTOS HIDRÁULICOS DE LLENADO FIJO Fig. 23
Si el conjunto de impulsor y rodete lo introducimos en una carcasa estanca, que va unida al impulsor, tenemos el concepto básico del Acoplamiento Hidráulico de Llenado Fijo (ver Fig. 24) Como líder en el campo de la transmisión de potencia FLEXIBOX cuenta con el acoplamiento SIME. 2.6.2.2.1.1 FUNCIONAMIENTO
Cuando el acoplamiento hidráulico no gira, el aceite se encuentra en el fondo de la carcasa y el impulsor centrifuga el aceite hacia el exterior pasando progresivamente de la cámara de retardo hacia el circuito de trabajo, asegurando así una acumulaFig. 24 ción suave del par, que proporcionará una aceleración lenta al rodete, es decir, al eje de salida. Una vez que todo el aceite ha pasado al circuito de trabajo quiere esto decir que el eje de salida ha alcanzado su velocidad de régimen, que será la del motor menos un pequeño deslizamiento que se produce entre impulsor y rodete (normalmente entre 2% y 5%). Fig. 25.
Fig. 25
2.6.2.2.1.2 EFECTO EN EL MOTOR ELÉCTRICO En la Fig. 26 hay dos curvas. En la de la izquierda vemos las condiciones de arranque del motor y la entrada en funcionamiento del acoplamiento hidráulico. Se muestran en abscisas el par (T) y la intensidad (I) y en ordenadas la velocidad (M). Para el par se muestran las curvas de par motor y de resistente del eje de entrada. Obsérvese que, hasta que la curva de par resistente del eje de entrada no alcanza el punto C (de calado) no empieza a girar el eje de salida, por lo que hasta ese punto (80% o 90% de la velocidad de régimen) el motor arranca prácticamente en vacío, consiguiendo el motor un arranque muy rápido (aproximadamente en 2 segundos) y reduciéndose casi al instante la alta intensidad de arranque.
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2.6.2.2.1.3 EFECTO EN LA MÁQUINA ACCIONADA La curva de la derecha muestra las condiciones de arranque del eje de salida del acoplamiento hidráulico. Se representan en ordenadas los valores de par motriz de salida del acoplamiento hidráulico T(S), de par nominal de la máquina accionada, T(N), de la velocidad del eje de salida y máquina accionada, n(S) y de la velocidad n(M), e intensidad del motor I(M). En abscisas se representa el tiempo. La máquina accionada arranca cuando el par transmitido T(S) Fig. 26 excede del par nominal de la máquina. El deslizamiento en el acoplamiento hidráulico se va reduciendo según la velocidad de la máquina n(S) se va acercando a la velocidad de régimen. La curva T(S) muestra claramente la suave introducción del par, que se va aplicando a la máquina accionada, durante el arranque. Al ser el par T(S) menor que el máximo par del motor T(M), el acoplamiento hidráulico realiza una efectiva gradación del par aplicado a la máquina accionada. Como consecuencia, se emplean los acoplamientos hidráulicos de llenado fij o cuando se quieren conseguir una o varias de las siguientes funciones : 1. Limitación del par de arranque: La limitación del par de arranque durante la aceleración es importante en aplicaciones tales como: Cintas Transportadoras, Ventiladores y Machacadores de Sólidos. 2. Arranque de máquinas de gran inercia: El acoplamiento hidráulico permite al motor arrancar casi en vacío. Se puede seleccionar, por tanto, el motor para las condiciones de régimen, en vez de para las de arranque, reduciendo así el coste. Util, por ejemplo, en arranque de ventiladores o molinos de bolas. 3. Amortiguación de sacudidas y vibraciones, y protección contra sobrecargas El aceite en el acoplamiento hidráulico reduce las vibraciones y se usa para protección contra sobrecargas, en caso de bloqueo de la máquina accionada. 2.6.2.2.1.4
VENTAJAS DE LOS ACOPLAMIENTOS HIDRÁULICOS DE LLENADO FIJO.
Se pueden dimensionar el motor y la máquina accionada para las condiciones de trabajo, en vez de para las de arranque. Arranque del motor en vacío. Larga vida de los componentes mecánicos. Reduce los tiempos de parada No hay necesidad de controles complicados.
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2.6.2.1.2 ACOPLAMIENTOS HIDRÁULICOS DE LLENADO VARIABLE Sigue aplicando el apartado 2.6.2.2 completo, para comprender el principio básico de funcionamiento. Si al conjunto de impulsión, además de añadirle una carcasa que va unida al impulsor (como era el caso del apartado 2.6.2.2.1, llenado fijo) le incorporamos también (ver Fig. 27) un tubo móvil de achique (6) y una carcasa de reserva (4) tenemos el concepto básico del Acoplamiento Hidráulico de Llenado Variable. Como líder en el campo de la transmisión de potencia, El GRUPO TI cuenta con el Acoplamiento Hidráulico de Llenado Variable FLUIDRIVE. Fig. 27 2.6.2.1.2.1 FUNCIONAMIENTO
Se distinguen en el acoplamiento básico (Fig. 28) tres partes fundamentales: En rojo: El primario o circuito de entrada, formado por el impulsor, la carcasa de trabajo y la carcasa de reserva. En azul: El secundario o circuito de salida, formado por el rodete y el eje de salida. A
En blanco: El conjunto de achique, formado por el tubo de achique, la palanca de accionamiento y el soporte. Con el motor estacionario, todo el aceite (amarillo) reposa en el fondo de la carcasa de reserva. Cuando se para el motor, el aceite cae por gravedad al fondo de la carcasa, estando el circuito de trabajo (impulsor + rodete) vacío y, por tanto, al conectar de nuevo el motor, este arranca prácticamente en vacío.
B
Croquis A: El tubo de achique está retraído hacia el eje. Al empezar a girar la carcasa de reserva el aceite forma, por fuerza centrífuga, un anillo pegado al exterior de la carcasa. Al deslizar hacia el exterior el tubo, su extremo penetra en el anillo giratorio de aceite y cierta cantidad es recogida e introducida en el circuito de traba jo, según se muestra en: Croquis B: Con el circuito de trabajo parcialmente lleno, el eje de salida es accionado a velocidad reducida, restringiéndose la capacidad de transmisión de par.
C Fig. 28
Croquis C: Con el tubo de achique totalmente extendido, todo el aceite pasa al circuito de trabajo, llevando, por tanto, el eje de salida a su velocidad máxima. Durante todo el tiempo que el acoplamiento hidráulico está funcionando, el aceite escapa del circuito de trabajo hacia la carcasa de reserva, a través de pequeños orificios de fuga, siendo devuelto al circuito de trabajo por medio del tubo de achique. 38
Resumiendo: La posición radial del tubo de achique determina el espesor del anillo de aceite en la carcasa de reserva y, por tanto, el volumen de líquido en el circuito de trabajo. 2.6.2.2.2.2. EFECTO EN EL MOTOR ELÉCTRICO Y EN LA MÁQUINA ACCIONADA Todo lo dicho en el apartado 2.6.2.3.1. para Acoplamientos de Llenado Fijo sigue siendo aquí válido para los Acoplamientos Hidráulicos de Llenado Variable, teniendo estos las siguientes características adicionales:
La curva T(S) del par motriz de salida del acoplamiento hidráulico puede cambiarse, variando simplemente la velocidad de inmersión del tubo de achique.
Se puede regular por tanto la limitación de par y el tiempo de arranque de la máquina accionada.
Se puede mantener, de manera continua, un alto deslizamiento (gran diferencia de velocidad) entre la entrada y la salida del acoplamiento hidráulico.
Por tanto se emplean los acoplamientos hidráulicos de llenado variable cuando se quieren conseguir una o varias de las siguientes funcio nes: Al igual que los de llenado fijo: 1. Limitación de par de arranque 2. Arranque de máquinas de gran inercia 3. Amortiguación de vibraciones y sacudidas y además las funciones adicionales. 4. Control de velocidad: Como consecuencia del llenado variable, se pueden usar para variar la velocidad de la máquina accionada, cuando el accionamiento gira a velocidad constante. La velocidad puede bajar hasta el 20% de la máxima, en el caso de máquinas centrífugas. Ejemplos de aplicación son: Ventiladores de horno y Bombas de alimentación de calderas. 5. Arranque y parada de la máquina accionada con el motor funcionando continuamente: El acoplamiento hidráulico de llenado variable puede actuar como un embrague, de forma que el motor puede mantenerse funcionando con la máquina accionada estacionaria. 2.6.2.2.2.3 RIABLE.
VENTAJAS DE LOS ACOPLAMIENTOS HIDRÁULICOS DE LLENADO VA-
Además de las citadas para el llenado fijo, enumeramos:
Puede actuar como reductor de velocidad, de alto rendimiento (Bombas y Ventiladores)
Fácil equilibrio de aceleración y carga final con accionamiento múltiple (Cintas Transportadoras).
Ideal para arranque secuencial en aplicaciones con varios accionamientos (Cintas Transportadoras).
Actúa como embrague, permitiendo a los motores funcionar en continuo (caso de Cinta Transportadora parada). También en Bombas y Ventiladores, para permitir el arranque en vacío del motor.
Adaptabilidad a señal remota o control automático. La velocidad se controla por una sencilla palanca externa, lo que hace fácilmente adaptable para su empleo con la mayor parte de los actuadores: Eléctrico, Neumático o Hidráulico.
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APÉNDICE
Como final a este Curso Básico, apuntamos a continuación, en forma de Apéndi ce, las soluciones especiales que puede ser necesario adoptar debido a la complejidad o exigencias de todo tipo: mecánico, eléctrico, dinámico, etc., de cualquier instalación.
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Según hemos ido considerando a lo largo de ambas partes del presente Curso de Transmisión de Potencia, aparecen requisiciones de mayor o menor complejidad que condicionan las soluciones a aportar por el elemento básico del sistema: El Acoplamiento. A continuación, y como final, enumeramos algunas de ellas con ligerísimas aplicaciones de uso, toda vez que, repetimos, el carácter de básico del Curso no permite entrar en tecnicismos. Baste conocer la existencia y posibilidad de aplicación para que, por parte de los especialistas, en este caso del GRUPO TI, aporte y aconseje la solución técnica y económica ideal que el caso requiera.
2.7.1 SOLUCIONES ESPECIALES 2.7.1.1 AISLAMIENTO ELÉCTRICO En ciertas aplicaciones de motores eléctricos y aún de generadores, existe el riesgo de que se produzca generación de potenciales eléctricos, motivados por un desequilibrio magnético, por fallo del aislamiento eléctrico, etc., o por corrientes parásitas que, a su paso a través de los rodamientos de grupo, por ejemplo, provocarían su rápida ruina y averías consiguientes, aparte de otros riesgos graves. De aquí se desprende la necesidad imperiosa, contemplada incluso en normativa, de establecer una verdadera barrera aislante en la línea de ejes, siendo por tanto el acoplamiento el elemento idóneo para incorporar esa antedicha barrera aislante.
2.7.1.2 APLICACIONES VERTICALES Fácilmente se desprende que en unidades grandes o de relativo tamaño dispuestas en forma vertical, los sistemas de rodamientos se complican grandemente al ser las componentes axiales muy afectadas por el factor peso. El acoplamiento de láminas como elemento flotante entre los componentes del grupo, afecta su propio peso (a veces de valor considerable) en este caso como componente de desalineación axial. Es necesario evitar esto a toda costa en el trabajo de las láminas que, recordemos, sólo deben absorber desalineamientos residuales. Por este motivo, existen numerosas soluciones para evitar este problema, estudiándose cada caso en concreto.
2.7.1.3 LIMITACIÓN DE JUEGO AXIAL El caso anterior pudiera ser una particularidad del presente, si bien este se toma generalmente en aplicaciones específicas donde las propias máquinas generan unas solicitaciones de tipo axial en la totalidad de la operación o en una parte de la misma. Ejemplo típico de esta circunstancia lo constituye la aplicación de motores de eje libre con cojinetes deslizantes, los cuales durante el arranque, asistido o propio, presentan una inestabilidad axial del rotor hasta que éste, al alcanzar su centro magnético, queda fijo. Una de las características de las membranas metálicas que forman los acoplamientos METASTREAM, consiste en la no l inealinidad de relación proporcional entre el esfuerzo axial comunicado y su deflección o desplazamiento producido (ver 1.7.2.1. punto d y Fig. 8). Esta cualidad única de METASTREAM sirve para solucionar por sí sola la mayoría de los casos semejantes del ejemplo expuesto, y así queda recogido y advertido a priori en la norma API 610. No obstante, pueden presentarse casos en que la magnitud de la fuerza axial solicitante aconseje adoptar elementos que fijen el desplazamiento máximo en uno o ambos sentidos del eje. Esto se logra por medio de tirantes y/o topes ubicados convenientemente en los componentes del acoplamiento.
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2.7.1.4 DISEÑOS COPLANARES Igualmente hemos expuesto a lo largo de este Curso la importancia a conceder a las cargas en voladizo de los componentes de máquinas. En el mundo de las altas potencias y, sobre todo, de altas velocidades que las máquinas están alcanzando, la consideración de este factor adquiere una importancia de enorme dimensión. Para considerar dicha importancia, atendamos por ejemplo solo a dos conceptos: inercia y equilibrados. Cualquier incremento de peso no necesario, se traduce de inmediato en una absorción de energía que ha de comunicarse al móvil para que éste, a su vez, la transforme en energía de movimiento. Esto ha de evitarse si la inercia presenta problemas o inconvenientes. Igualmente, si existen problemas de vibraciones en el proceso, los fenomenos de desquilibrio radial y axial, considerados junto a complicaciones de resonancia, pueden ser fatídicos. Ambos casos, por su proporcionalidad a la masa y a las potencias de velocidad, deben ser en principio evitados por anulación de peso innecesario. Con la velocidad no podemos hacer nada, por cuanto es inherente al régimen de trabajo. Con estas premisas in mente y en aplicaciones sumamente especiales, ha de considerarse en el diseño la obligatoriedad de reducir al máximo las masas de los componentes; así como la distancia al eje de giro. Atendiendo a esto, las bridas de manguitos y espaciadores han sido un objetivo ideal de eliminación. Considerando además que, en este tipo de unidades la utilización de materiales ultraligeros, como el titanio, es prohibitiva por su coste, se han logrado diseños que introducen los elementos de anclaje de las membranas en un solo plano o nivel y alternando efectivamente los puntos motrices con los de arrastre (Fig. 29). Esta ingeniosísima solución adoptada por METASTREAM, aunque costosa en su mecanización, evita pesos de hasta el 50% correspondiente a bridas y
Fig. 29
manguitos.
2.7.1.5 ACOPLAMIENTOS PARA TORRES DE REFRIGERACION. Hemos dejado la aplicación de acoplamientos de membranas flexibles en los ejes de transmisión para ventiladores de Torres de Refrigeración de manera expresa como colofón al presente cursillo y a esta sección de soluciones y aplicaciones especiales. Por la problemática encerrada en cuanto a: Condiciones A mbientales Condicionado Mecánico de la Instalación Ubicación de las Unidades Condiciones dific ultosas de Mantenimiento y muchas otras que podrían sumarse a estas citadas, esta aplicación en Torres de Refrigeración ha adquirido el título de denominación específica en el campo de los acoplamientos. No debe olvidarse que mucha de la problemática enumerada es aplicable a otras instalaciones industriales, tales como trenes de laminación siderometalúrgica, líneas de producción papelera y textil, aplicaciones navales, etc.. Por todo ello, es posible que la denominación general podría ser “ Acoplamientos con Espaciadores de Gran Longitud”. Efectuemos un paseo a lo largo de la problemática apuntada anteriormente para comprender
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mejor sus complejidades (Fig. 30): 1 Condiciones Ambientales: Se trata de instalaciones totalmente a la intemperie con influencia acumulable de las condiciones de temperatura, humedad y líquidos y vapores corrosivos las más de las veces. 2 Condicionado Mecánico de la Instalación: Estas transmisiones se encuentran normalmente generalizadas a:
1500 rpm (Motor Eléctrico- Reductor).
Reenvío en ángulo a 90º (Reductor).
Longitudes de espaciador de 1,5 m hasta 6 m. o más
Riesgo de rotura o desprendimiento de pala(s) de ventilador con subsiguientes desequilibrio y vibraciones.
Malas condiciones de lubricación y consiguiente incidencia nefasta en rodamientos.
Fig. 30
3 Ubicación de las unidades: Son instalaciones situadas a media y gran altura sobre el suelo, con dificultades de acceso rápido y necesidad de montar grúas o polipastos para las labores de instalación y mantenimiento. 4 Dificultosas condiciones de Mantenimiento: Derivadas de todo lo anterior, es normal encontrar cierto abandono en las usuales labores y rutas de mantenimiento. Todo lo expuesto refleja la complejidad de estas instalaciones. Atendiendo al eje de transmisión en sí, son sobradamente conocidos los trastornos y averías que se ocasionan como consecuencia de:
Desprendimientos o roturas de palas.
Resonancias y criticidades de velocidad en el propio eje.
Necesidad de emplear soportes y rodamientos intermedios en longitudes superiores a partir de tres metros.
Enorme peso de dichos ejes con necesidad de aparejos y mano de obra auxiliar.
Todos estos factores que inciden en el valor de coste de la instalación, operación y mantenimiento, se incrementan al considerar calidades y características de los tubos de acero a utilizar en la fabricación de ejes; (las condiciones de concentricidad de diámetros exterior e interior, así como la linealidad del tubo han de ser sometidas a tolerancias muy estrictas). Durante muchos años la única solución asequible para estas aplicaciones fué la construcción con tubos de acero. El desarrollo técnico alcanzado en la industria de resinas polimerizables y sus aplicaciones junto a fibras de vidrio y carbono en estratificados de altísima calidad y gran resistencia, ha llevado a investigar y a buscar soluciones en este campo. METRASTREAM creó, como pionera en la utilización de esos composites, una transmisión para todas estas Fig. 31
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