ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y EQUIPOS TORNILLOS SINFIN, MOTORREDUCTORES
Por: Cristina Ángel González Sara Yepes Arenas David Ricardo Lasprilla Holguín
Docente: Carlos Mario Echeverry Cartagena
Ingeniería de Producción
Universidad Eafit Medellín 2015
Contenido
Introducción .................................................................................................................................. 4 Objetivo General ............................................................................................................................ 4 Objetivos Específicos ..................................................................................................................... 4 Definición ...................................................................................................................................... 5 Historia .......................................................................................................................................... 5 Funcionamiento ............................................................................................................................. 6 Características ............................................................................................................................... 6 Ventajas ......................................................................................................................................... 7 Desventajas ................................................................................................................................... 7 Nomenclatura ................................................................................................................................ 8 Normas .......................................................................................................................................... 9 Formulas ........................................................................................................................................ 9 Algunos Tipos .............................................................................................................................. 10 Parámetros de Corte .................................................................................................................... 11 Montaje ....................................................................................................................................... 12 Planos .......................................................................................................................................... 13 Materiales ................................................................................................................................... 13 Mantenimiento ............................................................................................................................ 14 Fallas y daños............................................................................................................................... 14 Aplicaciones Industriales .............................................................................................................. 15 Motorreductores ......................................................................................................................... 20 Definición ................................................................................................................................ 20 Beneficios: ............................................................................................................................... 20 Consideraciones al elegir un motorreductor: motorreductor: ........................... .......................... ....................... 20 Concepto de relación de un motorreductor y un motor: .......................................................... 21 Concepto de torque en un motorreductor: .............................................................................. 21 Ejercicio: .................................................................................................................................. 22 Cálculo de la potencia necesaria en un motorreductor:....................... ........................... .......... 23 Mantenimiento: ....................................................................................................................... 23 Instalación: .............................................................................................................................. 24
Motorreductores del mercado: ................................................................................................ 25 Conclusiones: ............................................................................................................................... 26
Introducción
Hay un invento que poco se menciona cuando se habla de los que han marcado historia y sin embargo es uno de los sostenes del mundo. Nos referimos al tornillo, el cual se ha hecho tan habitual en nuestra vida diaria que pocas veces notamos su presencia. En este trabajo queremos explicar uno de los tornillos con más de 2000 años de uso, el tornillo sin fin o tornillo de Arquímedes. Hablaremos de su nomenclatura, sus fórmulas y normas. Dejando claro sus funciones y aplicaciones en la vida cotidiana, basándonos en uno en especial, los motorr eductores. Objetivo General
Definir el tipo de engranaje asignado: tornillo sin fin y que es un motorreductor. Asimismo explicando sus funciones, aplicaciones, normas, etc. Objetivos Específicos
Aprender un poco de la historia del tornillo sin fin, definición, características, funcionamiento y aplicaciones industriales.
Ejemplificar el uso de los tornillos sin fin en artículos del diario vivir.
Entender como hace parte el tornillo sin fin en un motorreductor.
Aprender la nomenclatura y las normas de los tornillos sin fin; Parámetros de corte y fórmulas; montaje, materiales, mantenimiento y fallas.
Definición
Es un tornillo que se hace girar dentro de un cilindro hueco, que cuando se activa generalmente por la acción de viento o por trabajo manual, el extremo inferior eleva cierta cantidad de material. Este se desliza en el tubo mientras una espiral gira, terminando por expulsarse hacia la parte superior del tubo.
Engranaje de tornillo sin fin: usado como mecanismo de transmisión circular compuesto por dos elementos: el tornillo sin fin, que actúa como elemento de entrada y la rueda dentada, que actúa como elemento de salida, también llamada corona. La rosca del tornillo engrana con la rueda, de manera que los ejes de transmisión de ambos quedan perpendiculares.
Historia
Algunos historiadores mencionan que ya los antiguos egipcios usaban el tornillo. El primer registro que se tiene acerca de su invención se remonta al nombre del griego Arquitas de Tarento que vivió entre los años 430 y 360 a.C. quién inventó también la polea. Arquímedes unos años después lo perfeccionó inventando el tornillo sin fin, una máquina para tr asladar agua a superficies más altas. En uno de sus escritos sobre espirales, Arquímedes dice: “Si una línea recta que permanece fija en un extremo, se le hace girar en el plano con velocidad constante, hasta hacerla volver de nuevo a la posición de la que ha partido, y junto con la recta que gira, se mueve un punto sobre la recta,
también a velocidad constante iniciando su movimiento desde el extremo fijo, el punto describe en el plano una espiral”.
Funcionamiento
Por cada vuelta del tornillo, el engranaje gira un solo diente, es decir, para que la rueda de una vuelta completa, es necesario que el tornillo gire tantas veces como dientes tiene el engranaje. Relación entre la rueda dentada y el tornillo: n: número de vueltas. e: número de entradas del tornillo. Z: número de dientes de la rueda conducida.
Características
-No es reversible debido que siempre la transmisión del movimiento la realiza el tornillo sin fin (rueda conductora) a la rueda helicoidal (rueda conducida), nunca al revés. -Permite gran reducción de velocidad. Esto se debe a que siempre va a ser menor el número de entradas del tornillo que el número de dientes de la rueda, entonces la relación de transmisión siempre será menor. - Presentan bajo rozamiento y marcha silenciosa: esto sucede debido a que los filetes deslizan en contacto permanente con los dientes de la rueda. -En condiciones extremas de carga la caja de engranajes se puede calentar, debido a que el deslizamiento es mayor. Esto puede ocasionar dificultades.
-Por presentar un empuje axial elevado, exige la utilización de cojinetes adecuados para soportar dichos esfuerzos. -El tornillo sin fin tiene la desventaja de que no es reversible y de consumir en rozamiento una parte importante de la potencia.
Ventajas • • • • • •
Son compactos. Fácil instalación. Soportes y apoyos simples. Resisten altas temperaturas. Fácil hermeticidad. Versátiles.
Desventajas • • • • •
No tiene grandes tamaños. Materiales no frágiles o delicados. Mayores requerimientos de potencia. Contaminación del material. Volumen de material bajo.
Nomenclatura
El perfil del filete correspondiente a su sección normal tiene forma trapecial y coincidirá con el de la herramienta de corte utilizada para tallar la rosca.
Beta= ángulo de la hélice, formado por la tangente al filete con un plano perpendicular al eje del tornillo. Ph= paso de la hélice, distancia entre dos hilos pertenecientes a un mismo filete. Px= paso axial, distancia entre dos hilos consecutivos. Pn= paso normal, distancia entre dos hilos consecutivos medida en un plano normal al filete. A este paso le corresponde un módulo m, que es considerado en los efectos de cálculo. Pn= 3,141 6 x m. n= número de filetes tallados. dp= diámetro primitivo, de este depende la resistencia del sinfín. Se calcula 15 x m, aproximadamente. h’= altura de la cabeza= m. h’’= altura del pie del hilo= 1,25 x m. h= altura del hilo o profundidad de la rosca= h’ + h’’= 2,25m
de= diámetro exterior= dp + 2m. di= diámetro interior= dp - 2,5m. e= espesor del diámetro primitivo= Pn / 2 = 1,57m
Normas
Los tornillo sinfín pueden fabricarse en sistema Métrico e Imperial y con centros de engranaje desde 1 1/8" (28 mm) hasta 48" (1.219mm). Diámetros de eje de tornillo sinfín hasta 18" (457 mm) Teniendo en cuenta el grado de precisión de elaboración existen normas según el país y sistema de calidad que se requiere.
La representación de los tornillos sin fin, según la norma UNE-1044, es la de la figura siguiente.
Formulas Relación de transmisión: Es una relación entre las velocidades de rotación de dos engranajes
conectados entre sí. Se debe a la diferencia de diámetros de las dos ruedas, lo que implica diferencia entre las velocidades de rotación de ambos ejes.
w1= velocidad angular de entrada. w2= velocidad angular de salida.
Z1= número de dientes del engranaje de entrada. Z2= número de dientes del engranaje de salida. Esto quiere decir, que la velocidad angular es inversamente proporcional al número de dientes del engranaje al que transmite la velocidad. Si por ejemplo una rueda tiene 60 dientes, el tornillo debe dar 60 vueltas para que el engranaje complete una sola vuelta. Potencia: = + +
PH= es la potencia necesaria para el desplazamiento horizontal del material. PN= es la potencia para el accionamiento del tornillo en vacío. PSt= es la potencia requerida para un tornillo sin fin inclinado. Algunos Tipos
-Tornillo sin fin basculante: tornillo sin fin que se desprende del acoplamiento cuando la pieza de la maquinaria que lo lleva choca con un tope -Tornillo sin fin de entradas múltiples. -Tornillo sin fin de una sola entrada.
Parámetros de Corte
Para posibilitar el correcto engrane entre el tornillo sinfín y la rueda, sus parámetros y detalles constructivos deben poseer para cada uno determinadas características, como además éstos deben guardar ciertas relaciones entre ambos, las cuales se indican a continuación
Montaje
En el montaje de una transmisión de tornillo sin fin deben realizarse los siguientes trabajos de control: 1. Engranajes helicoidales con corona deben controlarse en cuanto a errores de marcha circular y frontal. 2. El ángulo entre ejes prescrito debe controlarse en los árboles montados. Eso es necesario cuando uno de los árboles se gula en cojinetes de brida (cuerpo de cojinete abridado a la carcasa mediante tornillos). En perforaciones de cojinete, el ángulo entre ejes se garantiza en la fabricación. 3. La distancia entre los árboles debe coincidir con los datos en el plano (importante en cojinetes de brida). 4. Control del ataque del tornillo sin fin en el engranaje helicoidal. 5. Control del calentamiento permitido de la transmisión durante la marcha en la plataforma de prueba. Entre los trabajos mencionados, el control del ataque del tornillo sin fin en el engranaje helicoidal es una peculiaridad de la transmisión de tornillo sin fin. En una transmisión de tornillo sin fin, el funcionamiento depende de la posición de la rueda helicoidal respecto al, tornillo sin fin y del juego de torsión de los flancos. Dicha posición se puede ver fácilmente en las áreas portantes. Para ello se deben ejecutar los siguientes trábalos: 1. Cubrir los flancos del tornillo sin fin con tinta. 2. Girar lentamente el tornillo sin fin. 3. Evaluar las áreas portantes en los flancos del engranaje helicoidal (usar para ello la Figura 4.81.).
Áreas portantes en un engranaje helicoidal a) Desviación del tornillo sin fin hacia la izquierda b) desviación del tornillo sin fin hacia la derecha c) áreas portantes correctas
Planos
http://www.sitenordeste.com/mecanica/tornillo-sinfin.htm Materiales
Se fabrican en una gran variedad de materiales, tanto metálicos como no metálicos. El tomillo sinfín está muy esforzado y requiere un acero endurecido. Se recurre a aceros al bajo carbono, como el AISI 1020, 1117, 8620 o4320, endurecidos por cementación a HRC 58-62. Porque, los materiales preferidos para ruedas de engranes de tornillo sinfín son los bronces, especialmente de estaño y de níquel-estaño (que pueden ser o no fundidos en coquilla, un proceso que produce endurecimiento superficial), pero también se emplean frecuentemente otros bronces, por ejemplo, el de plomo (para alta velocidad) y los de aluminio y silicio (para engranajes de baja velocidad y carga pesada). Para reducir los costes, especialmente en ruedas grandes, se utiliza una llanta o corona de bronce fijada aun núcleo central de hierro fundido o acero moldeado. Para aplicaciones de alta potencia se recurre al bronce fosforado o al estaño, y al bronce al manganeso en tomillo sinfín pequeño de velocidad menor. A veces, para aplicaciones de carga ligera y baja velocidad, se emplea hierro fundido, acero dúctil y plásticos.
Mantenimiento
El punto de peligro en los sistemas de arrastre de los tornillos sin fin se puede proteger de las siguientes formas: Mediante tubos lo suficientemente largos para que no se pueda alcanzar los puntos peligrosos con el brazo estirado, o con las manos o dedos en el caso de diámetros más pequeños. (Fig. 2)
Mediante
rejillas
protectoras
que
impidan
el
paso
en
las
aberturas.
(Fig.
3)
Interrumpir el tornillo sin fin en la zona de la abertura, de modo que no haya borde de ataque. (Fig. 4)
Disminuyendo el diámetro del tornillo sin fin en la zona de la abertura. (Fig. 5)
Fallas y daños
Los riesgos derivados de su utilización son principalmente cortes y contactos con elementos móviles o atrapamientos con la hélice.
Aplicaciones Industriales
1. Tamiz transportador sin fin: usado para la separación de grandes cantidades de sólidos presentes en aguas residuales, estos sólidos son depositados en la zona de tamizado y por medio de una hélice son transportados hacia la parte superior, gracias al movimiento rotacional del sin fin.
2. Transportador sin fin: usado para el transporte de material mediante una espiral. Puede trabajar en diferentes ángulos. Está diseñado para transportar cualquier tipo de material como residuos orgánicos en el tratamiento de aguas, sólidos en infinidad de industrias. Se diseña teniendo en cuenta el tipo de material a transportar, la inclinación, caudal a transportar, velocidad de traslación de los materiales, entre otras.
3. Transportador compactador sin fin: usado para la compactación, deshidratación y transporte de materiales húmedos. La espiral sin fin proporciona el transporte y la presión necesaria para comprimir los materiales a tratar. Se usan en el sector agrícola y ganadero, depuración de aguas residuales, sector papelero, plantas de secado e incinerado de distintas materias, etc.
4. Compactador Hidráulico: compacta solidos procedentes de otras fases como puede ser una filtración, cribado, decantación, etc. En instalaciones industriales, agrícolas, depuración de aguas, etc. Compacta, deshidrata, transporta y eleva el material introducido en la tolva de carga.
5. Lavador de Arenas Sinfín: el agua a tratar es introducida a través de la boca de entrada y se estabiliza en la tolva de decantación donde los cuerpos solidos se depositan en el fondo. Estos solidos son transportados por la espiral sin fin hacia la boca de descarga donde se evacuan a un contenedor.
6. Bombas de tornillo sin fin: usadas para la extracción de canales de agua con caudal muy variable. Son la solución más económica para la evacuación de aguas, mezcla de residuos con agua, aguas de alcantarillado o aguas pluviales. Son prácticamente libres de mantenimiento debido a su sencillo diseño y una inversión altamente rentable, al tener en cuenta la relación precio-rendimiento, incluyendo los bajos costos de servicio.
7. Clavija de una guitarra: la cuerda es recogida con precisión por el eje de transmisión de una pequeña rueda dentada que es conducida por un tornillo que gira gracias a la acción de la clavija.
Motorreductores Definición
Son aparatos apropiados para el accionamiento de toda clase de máquinas y de uso industrial que busquen reducir su velocidad en una forma segura y eficiente. Rara vez las máquinas funcionan de acuerdo con las velocidades originales de los motores (1800, 1600 o 3600 rpm) con ayuda del motorreductor disminuyen estas velocidades y logran un eficiente funcionamiento de las máquinas, agregándoles potencia y fuerza. El motorreductor tiene un motor acoplado directamente, el reductor no. Se usan normalmente acoplando al mecanismo reductor un motor eléctrico, cerrado y refrigerado por un autoventilador.
Beneficios
Alta regularidad en cuanto a potencia y torque transmitido Mayor eficiencia en la transmisión de la potencia suministrada por el motor. Elemento seguro en todos los aspectos, muy protegido. Menores ruidos y calentamientos. Poco espacio para el mecanismo. Poco tiempo de instalación y mantenimiento.
Consideraciones al elegir un motorreductor
- Tipo de máquina motriz (motor eléctrico, a gasolina, etc.) - Tipos de acoplamiento entre máquina motriz y reductor. - Carga: uniforme, discontinua, con choque, etc. - Duración de servicio: horas/día. - Humedad. - Temperatura.
Concepto de relación de un motorreductor y un motor
‘A’ tiene un diámetro de 5cm, entonces su perímetro es igual a 5 x 3,1416 = 15,71 cm. ‘B’ tiene un diámetro de 15cm, entonces su perímetro es igual a 15 x 3,1416 = 47,13. Cuando la rueda ‘A’ gira, hará que a su vez gire ‘B’ pero sucederá que por cada 3 vueltas de ‘A’, ‘B’
dará una vuelta completa, (15/5)=3. La relación entonces de reducción de este motorreductor es 3:1. Si a esto añadimos más ruedas, cada vez lograremos una velocidad menor. O si por ejemplo quisiéramos que la rueda ‘A’ tuviera que girar cientos de veces para que ‘B’ diera una vuelta,
tendríamos que formar varios trenes de reducción, entendiendo como un tren de reducción a un par de ruedas. Esto lograría aumentar el torque en la última rueda del motorreductor. Con este sistema de reducción no simplemente disminuimos la velocidad de ‘B’ a un giro más lento que es útil para la mayoría de aplicaciones, sino que al mismo tiempo estaremos aumentando el torque en la última rueda del motorreductor, la cual generalmente está ensamblada a la ‘flecha de salida’ del motorreductor. Concepto de torque en un motorreductor
El torque es una fuerza de giro expresada en kilogramos-metro.
Al mezclar el torque con el tiempo de ejecución, este se convierte en potencia. El motor trae consigo una determinada potencia en HP (caballos de fuerza) y una velocidad a la cual gira en RPM (revoluciones por minuto), estas dos características hacen un torque para permitir que se gire o no determinada carga, en cuanto más alto el torque, mayor la carga que se podrá girar. La potencia del motorreductor determinara que tan rápido o no podemos hacerlo.
Como podrá verse, cuanto más baja sea la velocidad final de giro del motorreductor, más alto será el torque aunque la potencia siga siendo la misma. Ejercicio
Calcular el torque de que pueda proporcionar un motorreductor de 5 HP, con relación de reducción de 59:1. El motor es de 4 polos con una velocidad nominal de 1750 rpm. ¿Cuál será la velocidad de salida del reductor? Cuál será el torque? Análisis: Como el motor es de 1750 rpm de salida y el reductor tiene relación de reducción de 59: la velocidad de salida será: 1750/59= 29,66 rpm. Reemplazando en la fórmula de toque: (5 x 716) / 29,66 = 120,7 kg-m Esto quiere decir que el motorreductor tendría una fuerza torsional o par, para darle la vuelta a un peso de 120,7 kg. Gracias a la potencia de 5 HP, es capaz de seguir girando sin importar el torque opositor.
Cálculo de la potencia necesaria en un motorreductor
Debido a la dificultad de encontrar las condiciones ideales para que una unidad de reducción haga su trabajo, es necesario para encontrar la potencia requerida por la máquina tener en cuenta el factor de servicio, el cual tiene en cuenta las características específicas del trabajo a realizar, el resultado es llamado potencia de selección, el cual se emplea para determinar el tamaño del reductor en las tablas de selección. Potencia de selección (Pn) = Potencia requerida (Pr) x Fs Pn= HP de salida Pn dada por Pn= HP de entrada x n, n= eficiencia del reductor.
Mantenimiento
Están generalmente lubricados por la grasa alojada en la carcasa principal. Es necesario revisar el nivel de aceite antes de ponerlo en marcha. La carcasa tendrá visibles tapones de llenado, nivel y drenaje del lubricante, los cuales deben estar bien sellados. El orificio de ventilación debe estar limpio y se deben seguir las recomendaciones del fabricante acerca del lubricante. La carga de trabajo debe ser puesta en marcha progresivamente. Se debe cambiar el aceite la primera vez después de 200 horas de trabajo, pudiendo incluso lavarlo en este momento. Los cambios posteriores se hacen entre las 1500 y 2000 horas de trabajo. En caso de tener reductores de repuesto, mantenerlos llenos de lubricante para prevenir oxidación de los elementos internos. Es importante vaciar el material sobrante antes de ser puesto en servicio. Estas son solo recomendaciones generales, es importante atender las recomendaciones específicas de cada fabricante.
Instalación
Se deben montar sobre bases firmes para eliminar vibraciones y des alineamientos en los ejes. Si la transmisión de la unidad a la máquina es por acople directo entre ejes, es indispensable garantizar una perfecta alineación y centrado. Si la transmisión se hace por cadenas o correas, la tensión dada a estos elementos debe ser recomendada por el fabricante, previas una alineación entre los piñones o poleas.
Motorreductores del mercado
Conclusiones
Es necesario hacer los cálculos pertinentes para la selección del tornillo sin fin a usar. Los reductores de engranajes son junto con las transmisiones por correas, de las más empleadas en la práctica industrial. Los valores de sus parámetros característicos (capacidad de carga, velocidad nominal, rendimiento, etc...) están recogidos en los catálogos de los fabricantes de reductores. La aplicación de los tornillos sin fin es tan amplia que es casi interminable, se puede aplicar casi que a cualquier proyecto de ingeniería ya que la aplicación de este es muy importante en el diseño de máquinas. Gracias a Arquímedes y su teoría de espirales, se evidencia lo que es hoy en día uno de los mayores inventos de la historia, que tiene como principal uso transformar movimientos de rotación en otros movimientos de rotación. El movimiento helicoidal es el resultado de la combinación de un movimiento de rotación en torno a un eje dado con un movimiento de traslación a lo largo de ese mismo eje. Para que una rueda dentada de una vuelta completa, es necesario que el tornillo gire tantas veces como dientes tiene el engranaje. El tronillo sin fin es un excelente reductor de velocidad debido a que posee una relación de transmisión muy baja. Para la elección de un motorreductor hay que tener en cuenta las características de la operación: torque, potencia, velocidad y relación de reducción.
Bibliografía
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