UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
Selección de los apoyos del polín motriz de una faja transportadora de caña de azúcar mediante el análisis de sus condiciones de operación en una empresa
agroindustrial de la región la libertad.
AUTOR: Br. Vigo Rafael Jorge Brajhan ASESOR: Dr. León Lescano Edward Javier
TRUJILLO – PERÚ 2022
TESIS PARA OBTENER EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO MECATRÓNICO
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTOS
Mi gratitud a las Autoridades y Docentes de la Escuela Profesional de Ingeniería Mecatrónica; por su apoyo recibido para mi formación académica y humana.
Especial reconocimiento a mi Asesor Especialista Dr. León Lescano Edwar Javier, por su guía profesional y desinteresada amistad.
A mis padres y seres queridos, por la educación, cariño y la confianza brindada durante todo este tiempo.
A Dios por protegerme durante mi camino y darme fuerzas para superar obstáculos a lo largo de toda mi vida.
A mis padres Jorge y Victoria, los principales impulsadores a lo largo de mi carrera, por su gran esfuerzo y dedicación en su día a día por darme todo lo necesario y así seguir adelante, su apoyo incondicional en todo momento, y por el sacrificio este triunfo va también para ellos.
A mis hermanos, Kevin y Dayra , por su gran sacrificio, por su comprensión ante algunas prioridades, por ser una de las razones para seguir adelante.
i
ii RESUMEN
Jorge Brajhan Vigo Rafael; León Lescano Edwar Javier. Selección de los apoyos del polín motriz de una banda transportadora de caña de azúcar mediante el análisis de sus condiciones de operación en una empresa agroindustrial de la región la libertad
. Trujillo, 2022, 106. Tesis para optar el título de Ingeniero Mecatrónico, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Trujillo.
Actualmente existe una gran necesidad por seleccionar los rodamientos adecuados dentro de una aplicación, dado que estos forman parte de los elementos más críticos de la industria, una falla imprevista de los mismos impacta en indicadores de mantenimiento como disponibilidad, rendimiento y hasta calidad de producción. Incurriendo en gastos no contemplados durante la operación.
El presente trabajo de investigación toma como caso de estudio al sistema de transmisión de potencia del polín motriz de una faja transportadora, partiendo con el levantamiento de información en campo y el análisis de las condiciones operativas bajo la cual trabajaban los elementos mecánicos de mayor criticidad, como poleas, correas de transmisión, reductor y rodamientos.
Luego se identificaron las cargas a las cuales están sometidos los apoyos del polín motriz, permitiendo con ello la estimación teórica de vida a la fatiga de dichos apoyos. Sin embargo, para tener un cálculo más ceñido a las condiciones operativas en base al método de SKF, fue necesario realizar la selección del lubricante requerido, así como identificar el nivel de contaminación presente.
Con toda esta información operativa, también se procedió a realizar un análisis estático mediante el software SimPro Quick de SKF, identificando el tipo de carga a la cual están sometidos los apoyos, zonas de contacto, deformación y deflexión del eje.
Finalmente apuntando a velar por el buen desempeño de los rodamientos del polín motriz, se propuso el uso de un sistema de monitoreo de condición, mediante el cual se obtenga data del estado de los rodamientos, permitiendo el análisis e identificación de fallas en una etapa temprana.
PALABRAS CLAVE
Sistema de transmisión de potencia, Condiciones de operación, Falla.
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. iii .ABSTRACT
Jorge Brajhan Vigo Rafael; León Lescano Edwar Javier. Selection of the supports of the driving pulley of a sugar cane conveyor belt through the analysis of its operating conditions in an agro-industrial company in the region of La Libertad.
. Trujillo, 2022, 106. Thesis for the degree of Mechatronic Engineer, Faculty of Engineering, Universidad Nacional de Trujillo.
Currently there is a great need to select the appropriate bearings in an application, since these are part of the most critical elements of the industry, an unforeseen failure of the same impacts on maintenance indicators such as availability, performance and even production quality. Incurring in expenses not contemplated during the operation.
This research work takes as a case study the power transmission system of the driving pulley of a conveyor belt, starting with the collection of information in the field and the analysis of the operating conditions under which the most critical mechanical elements, such as pulleys, transmission belts, reducer and bearings, were working.
Then, the loads to which the supports of the driving pulley are subjected were identified, thus allowing the theoretical estimation of the fatigue life of these supports. However, in order to have a more accurate calculation of the operating conditions based on the SKF method, it was necessary to select the required lubricant, as well as to identify the level of contamination present.
With all this operational information, a static analysis was also performed using SKF's SimPro Quick software, identifying the type of load to which the bearings are subjected, contact zones, deformation and deflection of the shaft.
Finally, in order to ensure the good performance of the bearings of the drive pulley, the use of a condition monitoring system was proposed to obtain data on the condition of the bearings, allowing the analysis and identification of failures at an early stage.
KEYWORDS
Power transmission system, Operating conditions, Failure.
iv INDICE
I. CAPITULO I: INTRODUCCION ... 1
1.1. SITUACIÓN PROBLEMÁTICA ... 1
1.2. JUSTIFICACIÓN ... 2
1.3. OBJETIVOS ... 4
1.4. HIPOTESIS ... 4
1.5. FUNDAMENTACION TEORICA ... 5
1.5.1 . MARCO TEÓRICO... 5
1.5.1.1 Cintas Transportadoras ... 5
1.5.1.2 Motor Eléctrico ... 8
1.5.1.3 Transmisiones por Bandas en V ... 9
1.5.1.4 Selección de Correas de Transmisión SKF ... 10
1.5.1.5 Trenes de Engranajes: ... 17
1.5.1.6 Lubricación ... 18
1.5.1.7 Rodamientos ... 24
1.5.1.8 Clasificación ISO de los Modos de Falla ... 34
1.5.2 MARCO CONCEPTUAL ... 38
1.5.3 ANTECEDENTES ... 40
2 CAPITULO II: MATERIALES Y MÉTODOS ... 43
2.1. DISEÑO DE LA INVESTIGACION ... 43
2.2. UNIDAD DE ESTUDIO... 43
2.3. VARIABLES ... 43
2.4. TRATAMIENTO DE DATOS ... 44
2.5. PROCEDIMIENTOS ... 45
2.6. CONTROL DE CALIDAD ... 73
2.7. CONSIDERACIONES ETICAS ... 73
3 CAPITULO III: RESULTADOS ... 73
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. v 3.1 Identificación de las condiciones operativas de la faja transportadora ... 73 3.2 Cálculo de Cargas en los apoyos del polín Motriz ... 74 3.3 Selección del lubricante requerido y cálculo de cantidad y frecuencia de relubricación ... 74 3.4 Cálculo de la vida nominal básica del rodamiento y cálculo de la vida según SKF. 74
3.5 Análisis estático mediante Software SimPro Quick de SKF... 75 3.6 Proponer un sistema de monitoreo de condición para los rodamientos del polín motriz. ... 76
4 CAPITULO IV: DISCUSION ... 76
● REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ... 83
vi LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Cinta transportadora de 54 pulgadas transportando mineral abrasivo (Herrera,
2012) ... 5
Figura 2 Cinta transportadora a través de puente colgante (Herrera, 2012) ... 6
Figura 3 Múltiples estaciones de cargado de mineral en minas de cielo abierto (Herrera, 2012) ... 6
Figura 4 Transportador inclinado u horizontal, correa de transmisión de polea. (Herrera, 2012) ... 7
Figura 5 Factor de Abrace Cw (Herrera, 2012) ... 8
Figura 6 Tipos de poleas más comúnmente usadas. (Herrera, 2012) ... 8
Figura 7 Imagen de un motor eléctrico y sus partes internas (TRANSELEC, 2022) ... 9
Figura 8 Geometría básica de una transmisión por banda (Mott, 2006) ... 9
Figura 9 Sección transversal de una banda en V, y la ranura de la polea (Mott, 2006) . 10 Figura 10 Tren de engranajes (Bugynas, 2008) ... 17
Figura 11 Formación de la película de lubricante entre dos superficies (Garavito, 2009) ... 19
Figura 12 Fricción por rodadura generada en rodamientos (SKF, 2019) ... 24
Figura 13 Componentes de rodamientos (SKF, Rodamientos, 2019) ... 24
Figura 14 Vida útil del sistema de rodamientos (SKF, Rodamientos, 2019) ... 25
Figura 15 Factor askf para rodamientos radiales de rodillos (SKF, Rodamientos, 2019) ... 28
Figura 16 Calculo de la viscosidad nominal v1 (SKF, Rodamientos, 2019) ... 31
Figura 17 Diagrama de la temperatura de viscosidad según los grados de viscosidad de la ISO (SKF, Rodamientos, 2019) ... 31
Figura 18 Condición de Lubricación (SKF, Rodamientos, 2019) ... 32
Figura 19 Intervalos de relubricación a temperatura de funcionamiento 70°C (SKF, Rodamientos, 2019). ... 33
Figura 20 Clasificación SKF adaptada de ISO 15243:2004 (SKF, Daño de rodamientos y Análisis de Falla, 2017) ... 35
Figura 21 Tensiones de compresión y cizallamiento en los caminos de rodadura. (SKF, Daño de rodamientos y Análisis de Falla, 2017) ... 36
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. vii Figura 22 Cambios en la estructura del camino de rodadura en el tiempo. (SKF, Daño de
rodamientos y Análisis de Falla, 2017) ... 36
Figura 23 Descascarillado que se inicia en la subsuperficie (SKF, Daño de rodamientos y Análisis de Falla, 2017)... 36
Figura 24 Mecanismo de fatiga iniciada en la superficie (SKF, Daño de rodamientos y Análisis de Falla, 2017)... 37
Figura 25 Avance de la fatiga iniciada en la superficie (SKF, Daño de rodamientos y Análisis de Falla, 2017)... 38
Figura 26 Análisis estático de las tensiones en la viga de la faja transportadora (Villacorta Corcuera, 2020) ... 40
Figura 27 Tambor Motriz de faja transportadora (Altamirano, 2019) ... 41
Figura 28 Máquina de ensayo utilizada para los experimentos de lubricación. (Laborit., 2015) ... 42
Figura 29 Banco de prueba de vida de rodamientos (Hernández-Dávila, 2020) ... 43
Figura 30 Procedimiento realizado en el presente trabajo. Fuente Propia ... 45
Figura 31 Faja transportadora de caña. Fuente Propia ... 46
Figura 32 Sistema de accionamiento del Polín Motriz. Fuente Propia ... 46
Figura 33 Esquema de accionamiento del polín motriz. Fuente Propia ... 48
Figura 34 Diagrama de cuerpo libre, vista lateral de polín motriz. Fuente Propia ... 55
Figura 35 Diagrama con reacciones en los apoyos del polín motriz. Fuente Propia ... 56
Figura 36 Modelo 2D de las fuerzas actuando en los apoyos del polín motriz. Fuente Propia ... 68
Figura 37 Vista frontal 3D de los apoyos del polín motriz. Fuente Propia ... 69
Figura 38 Vista lateral 3D de los apoyos del polín motriz. Fuente Propia ... 69
Figura 39 Distribución de puntos de monitoreo en polín motriz. Fuente Propia ... 70
Figura 40 Posición real de sensor para monitoreo de vibración. Fuente Propia ... 70
Figura 41 Sensor de vibración y temperatura SKF (SKF, Vibration Sensors, 2022) ... 70
Figura 42 Gabinete para monitoreo de condición IMX8. (SKF, Sistemas en línea , 2022) ... 71
Figura 43 Software @ptitude Analyst. (SKF, 2022) ... 72
Figura 44 Arquitectura de red del sistema de monitoreo SKF. (SKF, 2022) ... 72
Figura 45 Frecuencias de Falla según SKF Bearing Select. Fuente Propia ... 73
viii LISTAS DE TABLAS
Tabla 1 Factor de Modificación según ratio de velocidad (Belts, 2016) ... 11
Tabla 2 Tipo de equipo accionador (Belts, 2016)... 11
Tabla 3 Tipo de equipo conducido (Belts, 2016) ... 11
Tabla 4 Perfil de correa según velocidad y potencia (Belts, 2016) ... 12
Tabla 5 Diámetro de poleas comerciales SKF (Belts, 2016) ... 12
Tabla 6 Continuación de diámetro de poleas comerciales SKF (Belts, 2016) ... 13
Tabla 7 Diámetro de polea mayor comerciales SKF (Belts, 2016) ... 13
Tabla 8 Continuación de diámetro de polea mayor comerciales SKF (Belts, 2016) ... 14
Tabla 9 Potencia básica y adicional por correa (Belts, 2016) ... 16
Tabla 10 Corrección de potencia por arco de contacto (Belts, 2016) ... 16
Tabla 11 Factor de corrección de longitud de correa (Belts, 2016) ... 16
Tabla 12 Nociones básicas para la selección de viscosidad (Garavito, 2009) ... 21
Tabla 13 Relación de viscosidad y Grado ISO (Garavito, 2009) ... 22
Tabla 14 Clasificación NLGI de las grasas. (Garavito, 2009) ... 22
Tabla 15 Características de las grasas según su jabón base (Garavito, 2009)... 23
Tabla 16 Valores del factor de vida útil a1 (SKF, Rodamientos, 2019) ... 27
Tabla 17 Valores orientativos para el factor nc (SKF, Rodamientos, 2019) ... 28
Tabla 18 Rangos de operación de grasas (SKF, Rodamientos, 2019) ... 29
Tabla 19 Factores de los rodamientos y limites recomendados para ndm (SKF, Rodamientos, 2019) ... 30
Tabla 20 Variable independiente de la investigación. Fuente: Fuente Propia. ... 44
Tabla 21 Forma de aplicación y obtención de información en base a la técnica utilizada. Fuente: Fuente Propia. ... 44
Tabla 22 Condiciones operativas obtenidas en campo. ... 47
Tabla 23 Ponderación para selección de grasa o aceite. Fuente Propia ... 59
Tabla 24 Ponderación del espesante requerido para la grasa. Fuente Propia ... 60
Tabla 25 Ponderación de grados de consistencia NLGI. Fuente Propia ... 60
Tabla 26 Ponderación de grasas SKF. Fuente Propia ... 63
Tabla 27 Grasas SKF que cumplen con 2 criterios para la aplicación. Fuente Propia ... 63
Tabla 28 Criterios de selección para grasas SKF. Fuente Propia ... 63
Tabla 29 Resultado de los criterios de selección para grasas SKF. Fuente Propia ... 64
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 1 I. CAPITULO I: INTRODUCCIÓN
1.1. SITUACIÓN PROBLEMÁTICA 1.1.1. Realidad problemática
La actividad azucarera en la economía del país se da a notar tanto por su contribución al PBI agrícola e industrial, como por promover la generación de empleo y divisas. Según el reporte de Estudios Económicos del Banco Wiese Sudameris “La industria azucarera tiene gran importancia para el país, contribuyendo con aproximadamente 4% del PBI agrícola y ventas anuales superiores a los US$ 200 millones. Siendo el azúcar uno de los principales productos agroindustriales peruanos después del café, el algodón y el maíz amarillo duro”. (Inga, 2003)
La principal zona productora de caña de azúcar en el Perú se encuentra ubicada en la costa del país. Los departamentos que contemplan la mayor área cosechada son La Libertad (45.7%) y Lambayeque (31.7%), haciendo ambos un total de 77.4% del área cosechada a nivel nacional. Seguidos por los demás departamentos como Lima (14.9%), Ancash (7.0%) y Arequipa (0.7%) consecutivamente. (Frank, 2019).
Para muestra de un ejemplo un ingenio azucarero del grupo Gloria en base a un estudio realizado por el diario Gestión nos indica que tiene la capacidad de procesar 6,000 tn de caña de azúcar al día y extraer un promedio de 600 tn de azúcar rubia que actualmente está siendo destinado para cubrir la cuota de exportación a los Estados Unidos, para Perú de 43,000 toneladas métricas de este año. (Gestion, 2017)
La fábrica produce su propio sistema de energía con la combustión de bagazo en una caldera que produce hasta 100 toneladas de vapor por hora y 20 megavatios de energía eléctrica, suficiente para operar toda la planta. (Gestion, 2017)
Dentro del proceso productivo en las industrias azucareras es común encontrar el uso de trasportadores de caña (fajas transportadoras) para poder movilizar todo el tonelaje de caña proveniente de los campos de sembrío, desde el área de preparación de caña hacia la zona de extracción. Las cuales constan de un polín motriz de accionamiento encargado
2 de transmitir la potencia necesaria para poner en movimiento la faja transportadora. En el polín motriz encontramos elementos mecánicos tales como rodamientos, correas de transmisión, poleas de transmisión y reductores, cuya selección inadecuada acarrea problemas como desgaste prematuro, perdida de potencia en la transmisión, paradas de planta no planificadas, pérdida de producción. Esto hace que sean considerados críticos dentro del proceso, por ende, resulta importante garantizar un adecuado funcionamiento y mantener una alta disponibilidad.
La selección de los elementos anteriormente mencionados e involucrados en el polín motriz trabajan bajo condiciones operativas importantes, como lo viene siendo la carga, la velocidad, temperatura y el nivel de contaminación debido a que están expuestos a la intemperie, donde la humedad, el material de proceso y polvo terminan siendo un factor relevante en la vida útil de estos elementos mecánicos.
1.1.2. Enunciado del problema
¿Es posible seleccionar los apoyos del polín motriz de una faja transportadora de caña de azúcar mediante el análisis de su sistema de transmisión de potencia y condiciones de operación?
1.2. JUSTIFICACIÓN
En base a un estudio realizado por el Ministerio de Desarrollo Agrario y Riego (Riego, 2021) indica que la producción total de azúcar a sido oscilante en el tiempo, habiéndose registrado el volumen más elevado de 1.2 millones de toneladas en el año 2014, tocando piso en el año 2017 con 1.0 millón de toneladas debido a la caída de la producción de caña de azúcar por problemas climáticos.
Por otra parte, los problemas sociales a inicios del 2020 sumada a las medidas de la emergencia sanitaria por COVID 19 agudizaron los problemas. Debido a estos problemas se detuvo la molienda de azúcar, además de verse afectadas las ventas nacionales y de exportación.
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 3 En línea con la breve reseña descrita, en el marco técnico es posible sumar al proceso azucarero mediante el análisis de sus procesos críticos que tienen un mayor impacto en la producción de azúcar. Puesto que resulta importante contar con la materia prima proveniente de las cosechas de caña de azúcar, sin embargo, de la mano a ella también es muy importante contar con un proceso azucarero confiable que garantice una constante producción de azúcar.
En este marco las fajas transportadoras de caña forman parte de estas aplicaciones críticas dentro de lo que corresponde al proceso azucarero, esto debido a que es la etapa que se encarga de alimentar con caña preparada a los difusores o molinos que forman parte del área de extracción. Por ende, resulta importante que este equipo trabaje con un alto nivel de confiabilidad que asegure el suministro de materia prima preparada.
Es importante saber que un rodamiento no solo puede fallar por condiciones de carga a la cual es sometida, sino también existen factores adicionales que impactan directamente en su vida útil, como lo es una lubricación adecuada, definida por el lubricante correcto, cantidad correcta, frecuencia de Relubricación correcta y el lugar correcto en el cual se aplica el lubricante. Sumado a este factor esta la contaminación que en combinación con la lubricación pueden llegar a generar un agente abrasivo capaz de desgastar los componentes a tal punto de deteriorarlos. Las partículas más grandes generan hendiduras en las superficies de rodadura de los rodamientos, lo que provoca fallas.
En campo es común encontrar esta aplicación, sometida a condiciones de contaminación severas, propias del material que transporta, contaminación que ingresa por los intersticios entre la chumacera y el eje, llegando hasta el rodamiento, afectando a la lubricación, provocando así que el rodamiento trabaje en condiciones precarias lo cual en definitiva repercute en una disminución de su vida útil.
La falla en estos rodamientos provoca paradas de planta no planificadas, que se ven reflejadas en horas perdidas de reparación y cambio de componentes, que a su vez se traduce en pérdidas de producción debido al no procesamiento de materia prima. Por ello resulta imprescindible una selección correcta de los apoyos que asegure una operación confiable.
4 Así mismo este trabajo servirá para que estudiantes y docentes de la materia de diseño de elementos de máquinas puedan tener un panorama mucho más claro del análisis real que involucra la selección de los apoyos en una aplicación crítica y bastante común en el norte del país como lo es las fajas transportadoras de caña.
1.3. OBJETIVOS
1.3.1. Objetivo general
Analizar el sistema de transmisión de potencia y condiciones de operación de la faja transportadora de caña de azúcar para la selección de los apoyos del polín motriz.
1.3.2. Objetivos específicos
• Identificar las condiciones operativas de la faja transportadora.
• Calcular las cargas en los apoyos del polín motriz.
• Seleccionar el lubricante requerido, calcular la cantidad y frecuencia de relubricación.
• Calcular la vida nominal básica del rodamiento y cálculo de la vida según SKF.
• Realizar un análisis estático mediante Software SimPro Quick de SKF
• Proponer un sistema de monitoreo de condición para los rodamientos del polín motriz.
1.4.HIPÓTESIS
Mediante el análisis del sistema de transmisión de potencia y condiciones de operación del polín motriz de la faja transportadora de caña de azúcar, es posible optimizar el sistema de transmisión de potencia por fajas en V, mejorar la selección de los rodamientos de apoyo del polín motriz; y seleccionar el lubricante adecuado.
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 5 1.5. FUNDAMENTACION TEÓRICA
1.5.1 . MARCO TEÓRICO 1.5.1.1 Cintas Transportadoras
Las cintas transportadoras son equipos que permiten trasladar material de forma continua, siendo utilizados para la realización de numerosos procesos que comprenden el manejo de material a granel. El tamaño del material que puede ser trasportado es limitado solamente por el ancho de la cinta, los materiales pueden ser desde polvos muy finos hasta los más grandes como piedra carbón, mineral de hierro, etc., tal como muestra la Figura 1.
Figura 1 Cinta transportadora de 54 pulgadas transportando mineral abrasivo (Herrera, 2012)
Dentro de las características principales de las cintas transportadoras, encontramos las siguientes:
Amplio rango de capacidades
Los transportadores de cinta operan de manera continua, evitando pérdidas por cargado o descargado. Estas son capaces de manejar tonelajes de material de proceso, que saldría más costoso si se realiza por otros medios.
6 Adaptabilidad al camino de recorrido
Los transportadores de cinta brindan la forma mas corta para transportar el material desde la zona de carga a la zona de descarga, asi mismo estos tienen estructuras que evitan que el polvo escape al medio ambiente.
Figura 2 Cinta transportadora a través de puente colgante (Herrera, 2012)
Capacidades de carga, descarga y apilamiento
Resultan siendo equipos muy flexibles para recibir material de varios lugares, y entregarlo a distintas áreas donde se requiera.
Figura 3 Múltiples estaciones de cargado de mineral en minas de cielo abierto (Herrera, 2012)
Transportación a grandes distancias
Este medio de transporte de material a granel es el preferido sobre todo en casos de largas distancias, debido a los beneficios económicos que trae, producto de los bajos costos de
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 7 operación por energía y trabajo. Frente a otros sistemas de transporte que hacen uso de combustible. (Herrera, 2012)
Tensión en la cinta, potencia e ingeniería del accionamiento
La potencia requerida para el accionamiento de un transportador de cinta se obtiene de la tensión efectiva Te (libras) que se requiera en la polea de accionamiento de tal forma que el transportador se mantenga cargado a la velocidad de diseño V (en fpm).
HP = Te ∗ V 33000
(I)
Para transmitir la potencia debe existir una diferencia de tensión en la cinta, a medida que entra y sale de la polea de accionamiento. A continuación, se muestra el arreglo de accionamiento de una polea simple.
Figura 4 Transportador inclinado u horizontal, correa de transmisión de polea. (Herrera, 2012)
Donde la tensión más grande es T1, debido a que la potencia de transmite de la polea a la cinta, se debe cumplir que:
Te = T1 − T2 (II)
Factor de Abrace Cw
Usado para hallar la tensión efectiva Te, dependiendo de la polea de accionamiento.
Mediante la siguiente formula se evalúa la relación de accionamiento de la polea.
8 Cw =𝑇2
𝑇𝑒
(III)
El valor Cw puede ser obtenido de la siguiente Figura:
Figura 5 Factor de Abrace Cw (Herrera, 2012)
Poleas en transportadores
Las poleas comúnmente usadas son las estandarizadas de acero Las cuales son hechas en un amplio rango de tamaños. También se presentan poleas de tipo aletas auto limpiantes usadas en los casos donde el material tiene a adherirse. A continuación, en la Figura 6 se muestra las poleas más comúnmente usadas.
Figura 6 Tipos de poleas más comúnmente usadas. (Herrera, 2012)
1.5.1.2 Motor Eléctrico
La principal función de un motor eléctrico es transformar energía eléctrica en energía mecánica, es decir, producen movimiento rotacional al convertir la energía eléctrica en
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 9 trabajo. Esto se da por medio de la creación de campos magnéticos al interior del motor, que hacen girar la parte conocida como rotor.
El rotor se encuentra bobinado, y su campo magnético es opuesto al de la parte estática del motor, conocida como estator. Esto hace que el rotor comience a girar.
Así, la mayoría de los motores eléctricos funcionan con corriente alterna (AC). La alternación constante de las polaridades causa que el motor continúe girando.
Figura 7 Imagen de un motor eléctrico y sus partes internas (TRANSELEC, 2022)
1.5.1.3 Transmisiones por Bandas en V
Una banda en V es un elemento flexible de transmisión de potencia, que se asienta en un conjunto de poleas tal como se muestra en el arreglo de la Figura 8.
Un caso común es utilizar la transmisión por banda para reducir la velocidad, que puede ser proveniente del eje del equipo impulsor como un motor eléctrico, en la cual la polea de mayor diámetro se monta en la máquina impulsada. (Mott, 2006)
Figura 8 Geometría básica de una transmisión por banda (Mott, 2006)
10 La relación de velocidades entre dos poleas es la siguiente:
w1 w2=D2
D1
(IV)
El tipo de banda más usado en aplicaciones industriales, son las bandas en V, cuya forma hace que esta se adhiera a la ranura de la polea, incrementando la fricción y permitiendo la transmisión de grandes pares torsionales. (Ver Figura 9)
Figura 9 Sección transversal de una banda en V, y la ranura de la polea (Mott, 2006)
1.5.1.4 Selección de Correas de Transmisión SKF
Para seleccionar correas en base a la literatura SKF, será importante contar con la siguiente información inicial:
• Aplicación
• Potencia y velocidad del equipo motriz
• Velocidad del equipo conducido
• Horas de servicio
• Tipo de Arranque
• Distancia entre centros
Se define el factor de servicio C2 de la aplicación mediante las siguientes Tablas:
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Tabla 1 Factor de Modificación según ratio de velocidad (Belts, 2016)
Tabla 2 Tipo de equipo accionador (Belts, 2016)
Tabla 3 Tipo de equipo conducido (Belts, 2016)
Luego se calcula la potencia de diseño mediante la siguiente fórmula:
Pd = Pr ∗ C2 (V)
Donde:
Pd = Potencia de Diseño.
Pr = Potencia del elemento motriz.
C2 = Factor de Servicio.
12 En seguida se selecciona la sección de la banda, en base a la velocidad y potencia de diseño, nos ubicamos en la Tabla 4, identificando la sección que se seleccionará.
Tabla 4 Perfil de correa según velocidad y potencia (Belts, 2016)
Hallando el ratio de velocidad, mediane la relación de velocidad entre el eje rápido y lento tal como se muestra a continuación:
Ir = r/ min (𝑓𝑎𝑠𝑡𝑒𝑟 𝑠ℎ𝑎𝑓𝑡) r/ min (𝑠𝑙𝑜𝑤𝑒𝑟 𝑠ℎ𝑎𝑓𝑡)
(VI)
Luego nos dirigimos a las Tablas 5 y 6 para tomar en cuenta los diámetros de fabricación comercial por SKF, así como también el diámetro mínimo que puede ser utilizado en el eje rápido, según cada perfil de correa.
Tabla 5 Diámetro de poleas comerciales SKF (Belts, 2016)
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Tabla 6 Continuación de diámetro de poleas comerciales SKF (Belts, 2016)
Para obtener los diámetros de polea mayor (D) en base a ratios predefinidos se podrá consultar las siguientes Tablas:
Tabla 7 Diámetro de polea mayor comerciales SKF (Belts, 2016)
14
Tabla 8 Continuación de diámetro de polea mayor comerciales SKF (Belts, 2016)
Se calcula y verifica que la distancia entre centros se encuentre dentro de las siguientes recomendaciones, mediante las siguientes formulas:
CCp min = 0.7 ∗ (D + 𝑑) (VII)
CCp max = 2 ∗ (D + 𝑑) (VIII)
Donde:
D: diámetro de polea mayor d: diámetro de polea menor
Así mismo se procede a calcular la longitud de la correa mediante:
Ld = 2CCp + 1.57 ∗ (D + d) +(D − d)2 4CCp
(IX)
Donde:
Ld: longitud de la correa [mm].
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 15 CCp: distancia entre centros preliminar [mm].
D: diámetro polea mayor [mm].
d: diámetro polea menor [mm].
*Una vez calculada la longitud de la correa Ld , esta debe seleccionarse al valor más próximo de correas de diseño comercial.
Obteniendo la distancia entre centros real basada en la longitud de la correa de diseño comercial:
CC =𝑎 + √𝑎2− 32(D − d)2 16
(X)
Donde:
a = 4L – 6.28*(D+d)
L: Longitud de correa seleccionada [mm].
D: diámetro de polea mayor [mm].
d: diámetro de polea menor [mm].
Luego se consulta la Tabla 9 de potencia para el tipo de correa para obtener los valores de potencia nominal. La potencia básica total de la correa se compone según la siguiente Ecuación:
Pb = Pbb + Ap (XI)
Donde:
Pb: potencia nominal de correa.
Pbb: potencia básica de correa según Tabla 9.
Ap: Potencia adicional por correa según Tabla 9.
16
Tabla 9 Potencia básica y adicional por correa (Belts, 2016)
Se hallan los factores de corrección de longitud y ángulo de contacto de la correa C1 y C3, mediante la Tabla 10 y Tabla 11.
Tabla 10 Corrección de potencia por arco de contacto (Belts, 2016)
Tabla 11 Factor de corrección de longitud de correa (Belts, 2016)
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 17 Cálculo la potencia nominal de la correa mediante:
Pr = Pb ∗ 𝐶1 ∗ 𝐶3 (XII)
Cálculo del número de correas:
Para ello se tendrá que dividir la potencia de accionamiento entre la potencia entregada por cada correa.
N =𝑃𝑑 𝑃𝑟
(XIII)
1.5.1.5 Trenes de Engranajes:
Considerando un piñón 2 que impulsa a un engrane 3. (Ver Figura 10). La velocidad del engrane impulsado dependerá de la relación entre, sus revoluciones de cada engrane en RPM (n) el número de dientes (N) y del diámetro de paso (d):
n3 =N2
N3n2 = 𝑑2
d3n2 (XIV)
Figura 10 Tren de engranajes (Bugynas, 2008)
En el tren de engranes de la Figura 9, se compone de 5 engranes, donde el valor del tren “e” se define como:
𝑒 = 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑚𝑜𝑡𝑖𝑐𝑒𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑎𝑑𝑜𝑠
(XV)
18 Pudiéndose calcular la velocidad del último engrane del tren (nL) en función del factor 𝑒 y la velocidad del primero nF.
𝑛𝐿 = 𝑒 ∗ 𝑛𝐹 (XVI)
1.5.1.6 Lubricación
Se denomina lubricación al principio de soportar una carga sobre una película de lubricante. La acción de aplicar el lubricante se conoce como lubricar.
Dentro de las aplicaciones industriales, se necesita lubricar únicamente 3 elementos y estos son:
• Cojinetes: Que pueden ser lisos o antifricción.
• Engranajes: Los cuales pueden ser de distintos tipos, sin fin rectos helicoidales, etc.
• Cilindros: Que forman parte de motores, compresores, bombas.
Tipos de Lubricación
La lubricación de un elemento de maquina puede estar clasificado en 2 grupos, según el tipo de película que forme: lubricación a película delgada o Fluida.
Lubricación Fluida
Para este tipo de lubricación se es necesario una alimentación continua de lubricante, para poder mantener separadas las superficies y evitar contacto metálico entre ellas. Lo cual se puede dar de dos formas: cuña de aceite o a presión.
Cuña de Aceite – Lubricación Hidrodinámica
Antes de iniciarse el movimiento, el bloque se encuentra en contacto directo con la superficie de soporte, en estas condiciones iniciales la fricción es considerable, puesto que no existe una película de lubricante entre las partes en movimiento. Sin embargo, tan pronto como el bloque empieza a deslizarse, empieza a encontrar suministro de aceite, momento en el cual la viscosidad toma un rol importante. (Garavito, 2009)
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 19 A medida que el bloque se levanta de la superficie de deslizamiento, se va acumulando una mayor cantidad de aceite debajo de él, hasta alcanzarse un equilibrio en cuanto al espesor. En este momento, el aceite que estaba debajo del bloque es expulsado por efectos de la presión del peso. Sin embargo, es la viscosidad del aceite la que evita la perdida excesiva debido a la acción aplastante de la carga.
Esta situación permite que se forme una película en forma de cuña, donde el flujo convergente bajo el bloque desarrolla una Presión Hidrodinámica que soporta al bloque.
Figura 11 Formación de la película de lubricante entre dos superficies (Garavito, 2009)
A presión – Lubricación Hidrostática.
Debido a que hay casos en los cuales el movimiento relativo entre las superficies de contacto es tan lento que no existe la posibilidad de formación de la cuña de aceite, es necesario suministrar aceite a presión mediante una bomba, de tal forma que se mantenga la película fluida y evitar contacto metálico.
Lubricación a Película Delgada
En este tipo de lubricación la película formada sobre la superficie tiene un espesor muy delgado, entre 0.2um a 0.5 um, lo cual es suficiente para las superficies que cubre. En este tipo de lubricación existe rozamiento y como consecuencia desgaste, pero su uso es muy extendido debido a condiciones operativas como carga, velocidad, etc.
Grasa o Aceite
Ambos lubricantes pueden lubricar de manera satisfactoria un cojinete, la elección entre estos depende de manera particular de las condiciones en las que va a operar el cojinete.
De manera general, es preferible el aceite cuando la temperatura es elevada o las velocidades son extremadamente altas.
20 Frente a peligros de contaminación, la grasa es la opción más lógica por su efecto de sellado. Así mismo cuando los cojinetes se lubrican de manera poco frecuentes, o cuando se requiere que el lubricante permanezca en su lugar y no se pierda.
Factores que afectan la selección de la viscosidad del lubricante.
Los factores velocidad, carga y temperatura son las variables que deben balancearse al momento de seleccionar la viscosidad de un lubricante.
Velocidad
La velocidad tiende a generar la cuña de aceite que separa las superficies, así mismo existe la fricción fluida que es mayor en cuanto mayor sea la viscosidad.
Siempre que exista velocidad relativa elevada, habrá mayor facilidad de formarse la película de aceite y por lo tanto un aceite ligero será suficiente, esto permitirá una menor perdida de potencia por fricción fluida.
En el caso contrario, cuando la velocidad es muy baja, la deficiencia en la formación de la película de aceite tendrá que ser recompensada mediante un aceite muy viscoso, de esta forma frente a un cuerpo pesado, la misma viscosidad dificultará ser exprimida protegiendo las superficies.
Carga
Cuando se tiene una carga pesada que tiende a juntar las superficies en movimiento, utilizar un lubricante viscoso soportara mejor el efecto de exprimido que ejerce la carga pesada.
Al contario si se trata de una carga muy liviana, será necesario un aceite de baja viscosidad que permita el libre movimiento disminuyendo perdidas de potencia por fricción.
Temperatura
Al seleccionarse un lubricante debe considerarse la temperatura de operación o ambiente del lugar en el que va a operar, si el ambiente es caliente, deberá usarse un aceite muy
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 21 viscoso, caso contrario en ambientes fríos deberá usar lubricantes con muy baja viscosidad.
En la Tabla 12 se mencionan normas básicas para la selección de la viscosidad.
Tabla 12 Nociones básicas para la selección de viscosidad (Garavito, 2009)
Contaminantes que afectan el comportamiento del lubricante.
Por lo general los contaminantes se encuentran en el medio ambiente o son introducidos al sistema de varias formas, cuyos efectos son sumamente dañinos.
Dentro de los más comunes tenemos: polvo, agua y solventes.
Para el caso del agua, este genera emulsiones que junto a la suciedad existente forman depósitos lodosos que interfieren con la lubricación. Además de ocasionar herrumbre y corrosión. (Garavito, 2009)
Clasificación ISO para Lubricantes Industriales
Esta se basa en una clasificación de la viscosidad medida a 40°C en centistokes.
Todo aceite debe contar seguido de su denominación comercial, el valor correspondiente al grado ISO, el cual se basa es un valor promedio entre el valor mínimo y máximo de la Tabla 13.
22
Tabla 13 Relación de viscosidad y Grado ISO (Garavito, 2009)
Grasas Lubricantes
Una grasa consiste en una dispersión coloidal formado por un agente espesante en un líquido lubricante.Estas pueden clasificarse según la naturaleza de su agente espesante o según su consistencia.
Según su agente espesante
• Grasas de bentonita.
• Grasas de silice coloidal.
• Grasas de sodio,calcio,litio,aluminio,bario o estroncio,cinc,plomo y potasio.
Según su consistencia
Esta se basa en grados NLGI establecidos por la National Lubricating Grease Institute of América, basados en la medida de la consistencia, obtenida por ensayos de penetración que tiene un cono normalizado sobre la grasa, expresada en decimas de milímetros. Como se muestra en la Tabla 14.
Tabla 14 Clasificación NLGI de las grasas. (Garavito, 2009)
En la Tabla 15 se muestran las características de las grasas dependiendo del tipo de jabón base.
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Tabla 15 Características de las grasas según su jabón base (Garavito, 2009)
Selección de una grasa
Para poder seleccionar de manera adecuada una grasa, primero se debe determinar el tipo de grasa y luego su consistencia.
A continuación, se muestran algunos factores que determinan el tipo de grasa.
Temperatura de Operación
Menor de: 10°C Grasa de litio 60°C Todas las grasas 120°C Sodio y Litio 160°C Litio
Atmósfera
Seca: Todas las grasas
Húmeda: Calcio, Aluminio y Litio
Naturaleza de la parte a engrasar
Cojinetes Lisos Sodio, litio, Calcio Cojinetes Abiertos Sodio
Cojinetes antifricción (bolas y rodillos) Litio, sodio
Engranajes Litio, Aluminio
Articulaciones Aluminio Litio
Factores que determinan la consistencia de la grasa:
Velocidad: La grasa debe ser mas blanda a medida que se tiene velocidades altas.
Carga: La consistencia de una carga debe ser mayor en presencia de altas cargas.
24 Con aditivos EP, podrían usarse grasas más blandas.
Método de Engrase: Grasas blandas de consistencia 1 a 2, tendrán que ser usadas en sistemas centralizados de engrase. (Garavito, 2009).
1.5.1.7 Rodamientos
Los rodamientos se utilizan para soportar y guiar, con mínima fricción (fricción por rodadura) elementos giratorios de las máquinas, tal como se muestra en la Figura 12. Los rodamientos admiten velocidades de giro elevadas al tiempo que reducen el calor, el ruido, el desgaste y consumo de energía.
Figura 12 Fricción por rodadura generada en rodamientos (SKF, 2019)
Un rodamiento típico está formado por los componentes que se muestran en la Figura 13.
• Un aro exterior
• Un aro interior
• Una Jaula
• Bolas o rodillos como elementos rodantes
Figura 13 Componentes de rodamientos (SKF, Rodamientos, 2019)
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 25 Selección del tamaño en función de la vida nominal
Para la selección del tamaño de un rodamiento debe considerarse que sea lo necesariamente fuerte para ofrecer la vida útil esperada en las condiciones de funcionamiento requeridas.
Para este análisis puede considerarse al rodamiento como un sistema de componentes:
elementos rodantes, caminos de rodadura, sellos (si hubiese), jaula y lubricante (Figura 14). Donde el rendimiento de cada componente suma con el rendimiento y la vida útil del rodamiento.
Figura 14 Vida útil del sistema de rodamientos (SKF, Rodamientos, 2019)
Los factores que influyen en mayor medida en el rendimiento y la vida útil del rodamiento estarán basados en las condiciones de operación de la aplicación.
Para calcular la vida útil esperada del rodamiento, puede utilizar la vida nominal básica, L10, o la vida nominal SKF, L10m.
Utilice el cálculo de vida nominal básica para los casos en los que se cuenta con experiencia de funcionamiento y se sabe que la contaminación y lubricación no tienen un efecto considerable; de lo contrario, SKF recomienda utilizar la vida nominal SKF. (SKF, Rodamientos, 2019)
Vida Nominal Básica
Se puede utilizar la vida nominal básica L10 solo si se considera la carga y velocidad.
Que según la normativa ISO 281 obedece a la siguiente ecuación:
𝐿10 = (𝐶
𝑃)𝑝 (XVII)
26 Es preferible calcular la vida útil expresada en horas de funcionamiento, si la aplicación cuenta con velocidad constante.
Por medio de la siguiente ecuación:
𝐿10ℎ = (106
60𝑛) 𝐿10 (XVIII)
Donde
L10 = vida nominal básica [millones de revoluciones].
L10h = vida nominal básica [horas de funcionamiento].
C = capacidad de carga dinámica básica [kN].
P = carga dinámica equivalente del rodamiento [kN].
n = velocidad de giro [r. p. m.].
p = exponente de la ecuación de la vida:
3 para los rodamientos de bolas 10/3 para los rodamientos de rodillos
Dependiendo de la carga que soporte el rodamiento, la carga dinámica equivalente vendrá dada por la siguiente expresión:
Para Fa/ Fr ≤ e
𝑃 = 𝐹𝑟 + 𝑌1 𝐹𝑎 (XIX)
donde
P = carga dinámica equivalente del rodamiento [kN].
Fr = carga radial real que soporta el rodamiento [kN].
Fa = carga axial real que soporta el rodamiento [kN].
X = factor de carga radial.
Y = factor de carga axial.
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 27 Así mismo es importante tomar en cuenta la carga mínima requerida para cada rodamiento, por regla general en rodamientos de rodillos la carga mínima requerida viene dada por la siguiente Ecuación.
𝑃𝑚𝑖𝑛 = 0.02 𝐶 (XX)
Vida Nominal SKF
La vida útil de un rodamiento no solo depende del tamaño del rodamiento y de la carga que soporte, sino también de distintas condiciones del entorno, incluidos la contaminación, lubricación el montaje adecuado. Tal como se muestra en la siguiente Ecuación:
𝐿𝑛𝑚 = 𝑎1 ∗ 𝑎𝑆𝐾𝐹 ∗ (𝐶
𝑃)𝑝 (XXI)
Para los valores del factor de ajuste a1 será necesario obtenerlo de la Tabla 16
Tabla 16 Valores del factor de vida útil a1 (SKF, Rodamientos, 2019)
En el caso del factor askf se tendrá que usar la Figura 15:
28
Figura 15 Factor askf para rodamientos radiales de rodillos (SKF, Rodamientos, 2019)
Siendo el valor nc según la Tabla 17
Tabla 17 Valores orientativos para el factor nc (SKF, Rodamientos, 2019)
Si la velocidad de la aplicación es constante, esta se puede expresar en horas de funcionamiento según:
𝐿𝑛𝑚ℎ = ( 10 60𝑛
6
)𝐿𝑛𝑚 (XXII)
Donde:
Lnm : vida nominal SKF [millones de revoluciones].
Lnmh = vida nominal SKF [horas de funcionamiento].
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 29 L10: vida nominal básica [millones de revoluciones].
a1: factor de ajuste de la vida útil para mayor confiabilidad.
askf : factor de modificación de la vida útil.
C: capacidad de carga dinámica básica [kN].
P: carga dinámica equivalente del rodamiento [kN].
n: velocidad de giro [r. p. m.].
p: exponente de la ecuación de la vida
= 3 para los rodamientos de bolas
= 10/3 para los rodamientos de rodillos
Lubricación de Rodamientos
La primera consideración al momento de seleccionar una grasa es definir sus parámetros de operación principales, carga, temperatura y factor de velocidad mediante la Tabla 18.
Tabla 18 Rangos de operación de grasas (SKF, Rodamientos, 2019)
Así mismo se debe verificar que la lubricación pueda llevarse a cabo de manera correcta.
Para lo cual debe verificarse el límite de; factor de velocidad ndm (velocidad en RPM x diámetro medio del rodamiento en mm) para la lubricación por grasa, que viene determinada por la Tabla 19:
30
Tabla 19 Factores de los rodamientos y limites recomendados para ndm (SKF, Rodamientos, 2019)
Cuando un rodamiento ha llegado a su temperatura y velocidad de funcionamiento, la condición de lubricación del rodamiento se define por el factor kappa según la siguiente Ecuación:
𝑘 = 𝑣 𝑣1
(XXIII)
Donde:
K: Condición de lubricación del rodamiento.
V= viscosidad real de funcionamiento [mm2/s].
V1= viscosidad nominal [mm2/s].
La viscosidad nominal se obtiene según la siguiente Figura 16.
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Figura 16 Calculo de la viscosidad nominal v1 (SKF, Rodamientos, 2019)
Mientras que la viscosidad real de funcionamiento se puede obtener a partir del grado de viscosidad ISO del aceite base. Según SKF nos muestra la Figura 17:
Figura 17 Diagrama de la temperatura de viscosidad según los grados de viscosidad de la ISO (SKF, Rodamientos, 2019)
Mientras mayor sea el valor Kappa, mejor será la condición de lubricación del rodamiento, así como la vida esperada. La mayoría de las aplicaciones con rodamientos están diseñadas para una condición kappa de 1 a 4.
En la Figura 18 se muestra la condición de lubricación según el valor kappa.
32
Figura 18 Condición de Lubricación (SKF, Rodamientos, 2019)
Lubricación Inicial y Relubricación
Los rodamientos lubricados correctamente, trabajan de manera confiable. El lubricante es necesario para disminuir la fricción, proteger las superficies contra la corrosión, disminuir el desgaste.
Usualmente el volumen libre al interior de los rodamientos se llena completamente durante el montaje y el volumen libre en los soportes de pie se llenan con lubricante de forma parcial. Para los rodamientos con una jaula metálica, el volumen libre en el rodamiento es aproximadamente:
𝑉 =𝜋
4 𝐵(𝐷2− 𝑑2) ∗ 10−3− 𝑀 7.8 ∗ 10−3
(XXIV)
Donde:
V = volumen libre en el rodamiento [cm3].
(para la grasa estándar, la masa en gramos multiplicada por 0,9; para la grasa fluorada, la masa en gramos multiplicada por aproximadamente 2).
B = ancho del rodamiento [mm].
D = diámetro exterior [mm].
d = diámetro del agujero [mm].
M = masa del rodamiento [kg].
Para el caso de la cantidad de grasa para la Relubricación de rodamientos, se tendrá que considerar lo siguiente:
• En el caso de relubricación desde la parte lateral del rodamiento el llenado inicial debe ser 40% del volumen libre en el soporte con una cantidad de reposición:
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 33
Gp = 0,005*D*B (XXV)
• En caso de relubricación a través de los orificios situados en el centro del aro exterior, el llenado inicial tendrá que ser 20% del volumen libre en el soporte, con una cantidad de reposición
Gp = 0,002 D B (XXVI)
Donde:
Gp = cantidad de grasa para Relubricación [gr].
D = diámetro exterior del rodamiento [mm].
B = ancho total del rodamiento [mm].
SKF recomienda llenar del 70 a 100% de grasa el espacio libre en los soportes en aplicaciones de muy baja velocidad y donde es relevante la protección frente a contaminantes.
En el caso del cálculo de relubricación del rodamiento, será necesario utilizar el diagrama de la Figura 19, para luego aplicar los valores de corrección correspondientes a las condiciones de operación mediante la siguiente fórmula: (Ver ANEXO 1).
Tfc = tf ∗ FCT ∗ FOE ∗ FV ∗ FGAE ∗ FC ∗ FT ∗ FRC (XXVII)
Figura 19 Intervalos de relubricación a temperatura de funcionamiento 70°C (SKF, Rodamientos, 2019).
34 1.5.1.8 Clasificación ISO de los Modos de Falla
Hoy en día existen muchos fabricantes de rodamientos y abundantes publicaciones sobre daños y fallas en rodamientos, cada una con distinta terminología.
La organización ISO formo un grupo de trabajo para definir la clasificación y terminología de uso común para daños en rodamientos. Estableciendo las siguientes pautas:
• Una Causa de Falla muestra una determinada característica.
• Es posible asociar determinado mecanismo de falla con determinado modo de falla.
• Del daño observado se puede tratar de identificar la causa raíz de la falla.
Para efectos de este trabajo nos basaremos en la clasificación SKF, diferente ligeramente de la norma ISO 15243:2004, en la que 2 sub modos (deformación por sobre carga e indentaciones por manipulación) se combinan en deformación por sobre carga.
Basándose en 3 criterios principales:
• Cubre todos los daños y cambios de aspecto en el rodamiento que ocurran durante su vida útil.
• Se enfoca en cambios característicos de aspecto que pueden ser atribuidas a causas específicas.
• Evalúa las características visibles, obtenidas mediante un análisis no destructivo.
A continuación, se muestra la clasificación SKF adaptada de ISO 15243:2004
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Figura 20 Clasificación SKF adaptada de ISO 15243:2004 (SKF, Daño de rodamientos y Análisis de Falla, 2017)
A continuación, se mencionan algunos modos de falla que se relacionan al tema abordado en la presente investigación:
Modo de Falla: Fatiga
Iniciada en la Subsuperficie
En un rodamiento giratorio, ocurren cambios de tensión cíclicos debajo de las superficies de contacto en los caminos de rodadura y elementos rodantes.
Conforme el aro gira un punto específico del camino de rodadura entra en zona de carga, hasta alcanzar una carga máxima (tensión) antes de salir de la zona de carga.
Estas tensiones originadas en la zona de carga corresponden a tensiones de compresión y cizallamiento como se muestra en la Figura 21.
36
Figura 21 Tensiones de compresión y cizallamiento en los caminos de rodadura. (SKF, Daño de rodamientos y Análisis de Falla, 2017)
Estas tensiones las cuales hacen que el material cambie de estructura granular orientada al azar a planos de fractura, dan pie al desarrollo de microgrietas, por lo general de 0.1mm a 0.5mm en una profundidad. Para finalmente la grieta propagarse a la superficie y producirse el descascarillado.
Figura 22 Cambios en la estructura del camino de rodadura en el tiempo. (SKF, Daño de rodamientos y Análisis de Falla, 2017)
Se dice que el rodamiento se daña tan pronto como ocurre el descascarillado (Figura 23).
Lo cual no significa que el rodamiento no pueda seguir en servicio. El descascarillado aumenta progresivamente y origina los niveles de ruido y vibración en el equipo. El equipo se debe detener y reparar antes de que ocurra una falla relevante para la aplicación.
Figura 23 Descascarillado que se inicia en la subsuperficie (SKF, Daño de rodamientos y Análisis de Falla, 2017)
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 37 Fatiga Iniciada en la Superficie
La fatiga iniciada en la superficie, por lo general se atribuye a una lubricación inadecuada, debido al daño de las asperezas de la superficie en contacto rodante.
La causa de la lubricación inadecuada puede deberse a distintos factores. Si la superficie está dañada, por ejemplo, por el rolado de los contaminantes sólidos que logran ingresar al rodamiento, la película de lubricante se reduce y la lubricación resulta inadecuada. Esto también puede darse si la cantidad o el tipo de lubricante no es adecuada para la aplicación y las superficies de contacto no están correctamente separadas.
Figura 24 Mecanismo de fatiga iniciada en la superficie (SKF, Daño de rodamientos y Análisis de Falla, 2017)
Otra de las causas de fatiga iniciada en la superficie que muchas veces se pasa por alto es el uso de aditivos EP (extrema presión). Los aditivos EP pueden volverse agresivos, especialmente a temperaturas elevadas, y acelerar el micro descascarillado.
En general, la fatiga iniciada en la superficie es la consecuencia de las asperezas de la superficie que entran en contacto directo, en condiciones de lubricación mixta o de capa límite. (SKF, 2017)
38
Figura 25 Avance de la fatiga iniciada en la superficie (SKF, Daño de rodamientos y Análisis de Falla, 2017)
1.5.2 MARCO CONCEPTUAL
A continuación, se explican los términos más relevantes que se utilizan en la presente investigación.
Polín Motriz
El termino polín motriz se refiere al equipo encargado de impulsar una cinta transportadora. Normalmente se montan en cojinetes de apoyo externo y son accionados mediante un motor eléctrico con etapas de reducción posteriores ya sean reductores o transmisión por correas en V. Estas poleas pueden tener caras planas o coronadas y en la mayoría de los casos tienen un revestimiento que reduce el deslizamiento de la cinta transportadora.
Factor kappa
El factor Kappa es una relación entre la viscosidad real de funcionamiento (la cual es determinada a partir del grado de viscosidad según ISO del aceite base de la grasa y la temperatura de funcionamiento del rodamiento) y la viscosidad mínima requerida (la cual es determinada en función del diámetro medio del rodamiento y la velocidad de giro).
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 39 Mientras mayor sea el valor Kappa (κ), mejor será la condición de lubricación del rodamiento y mayor su vida nominal esperada. Sin embargo, debe evaluarse el posible aumento de fricción debido a la mayor viscosidad del aceite. (SKF, Rodamientos, 2019)
Viscosidad cinemática
Es una medida de la resistencia de un fluido a fluir bajo fuerzas gravitacionales. Se establece al medir el tiempo (segundos) requerido para que un volumen fijo de fluido fluya por gravedad una distancia a través de un capilar dentro de un viscosímetro calibrado a una temperatura controlada.
Este valor está en función de unidades estándar como milímetros cuadrados por segundo o centistokes cSt.(América, 2022)
Capacidad de carga dinámica básica
Parámetro utilizado en rodamientos que giran bajo carga para calcular su vida nominal.
Se define como: la carga del rodamiento que dará lugar a una vida útil nominal básica según la normativa ISO 281 de 1 000 000 de revoluciones. Se considera que la carga es de magnitud y dirección constante, y que es radial, para los rodamientos radiales, y para los rodamientos axiales se trata de una carga axial, actuando de forma centrada.
Estos valores se determinan según norma ISO 281, y se aplican a los rodamientos fabricados de acero al cromo, sometidos a tratamiento térmico. (SKF, Rodamientos, 2019)
Factor de velocidad
Es un término que se utiliza para definir la relación entre la velocidad de giro de un rodamiento y su tamaño. Existen dos métodos para calcular este factor. el más usado se conoce como valor nxdm; que usa el diámetro medio del rodamiento, que es la media aritmética de su diámetro interior y exterior, con la velocidad de rotación.
El factor de velocidad se utiliza para determinar propiedades del lubricante, tales como viscosidad del aceite y el grado de consistencia NLGI para la aplicación, utilizados en la selección de lubricantes. (América, 2022)
40 1.5.3 ANTECEDENTES
En la investigación “Diseño de una faja transportadora de 150 m para 60 t/h de Bagazo de Caña de Azúcar.” realizada por (Villacorta Corcuera, 2020), tuvo por objetivo diseñar y seleccionar los componentes mecánicos de una faja transportadora, para transporte de bagazo de caña de azúcar a una capacidad de 60 t/h en la empresa Agrolmos S.A.A. Este trabajo se basó en la metodología de diseño de fajas transportadoras por la “Asociación de fabricantes de equipos de transporte” (CEMA) además del uso del programa de ingeniería “SolidWorks” como una herramienta de ayuda para análisis estático de la estructura del transportador.
Como parte de este trabajo también se realizó el cálculo de los rodamientos necesarios para que soporten al eje de transmisión de los polines pertenecientes a la faja transportadora, este cálculo fue realizado en base a las cargas que soportarían los rodamientos, y a las instrucciones referidas en el catálogo general de SKF.
Figura 26 Análisis estático de las tensiones en la viga de la faja transportadora (Villacorta Corcuera, 2020)
Por otra parte, tenemos la investigación de (Altamirano, 2019) titulada “Análisis y cálculo de una banda plana para transporte de caña desfibrada en el ingenio Casa Grande S.A.A.”
Este trabajo surge debido a que en el ingenio se tercerizo un cambio de conductores tipo cadena de arrastre por conductores del tipo banda plana las cuales trabajan a 2.09m/s a diferencia de los 0.5m/s de las cadenas de arrastre.
Dado que este cambio fue tercerizado, en su momento el ingenio no disponía de los cálculos que respalden dicho diseño, por lo que esta tesis se enfoca en mostrar todos los cálculos relacionados al sistema de accionamiento de la banda transportadora.
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 41 En su informe menciona que las fajas montadas ofrecen buena confiabilidad frente a las cadenas de arrastre en vista que en dicho momento su gerencia exigía máxima capacidad de molienda. Así mismo se hace mención a mejoras en cuanto a costos de mantenimiento, disminución del consumo de energía.
Figura 27 Tambor Motriz de faja transportadora (Altamirano, 2019)
(Laborit., 2015) en su tesis “Influencia de la lubricación en la longevidad del rodamiento rígido de bolas 208 bajo condiciones de trabajo variables” Para ello se hizo uso de los métodos de cálculos planteadas en la metodología SKF mediante simulación y experimentación , la cual se basó en una máquina de ensayo que permitió evaluar el comportamiento de la temperatura en un lubricante determinado bajo diversas condiciones de trabajo (carga, velocidad de rotación, nivel de lubricante) , siendo sus daos de entrada para esta experimentación la velocidad y la carga, obteniendo si influencia en la variable de salida la temperatura del lubricante.
Dentro de los resultados obtenidos mediante la experimentación, al mantener constante la velocidad de rotación e incrementar la carga, se evidencia un ascenso en la temperatura, de la misma forma cuando se incrementa la velocidad de rotación, la temperatura aumenta. Así mismo logró comprobar en su experimento que a medida que aumenta el índice de viscosidad del aceite, es menor el grado de viscosidad requerido, mostrando un comportamiento más estable aquellos aceites con mayor índice de viscosidad.
42
Figura 28 Máquina de ensayo utilizada para los experimentos de lubricación. (Laborit., 2015)
Así mismo con el trabajo realizado por (Hernández-Dávila, 2020) “Aumento de la vida útil del rodamiento para un tupi de banco mediante análisis tribológico” la cual tuvo como objetivo determinar la eficacia en la selección del lubricante en ambientes contaminados con aserrín propio de una carpintería , realizando una comparación entre la vida de 10 rodamientos SKF 6206 con grasa multipropósito y otra grasa SKF LGMT 2 la cual fue seleccionada mediante análisis respectivo.
Para ello se hizo uso de un banco de pruebas en la cual la energía mecánica se suministraba mediante un motor trifásico jaula de ardilla cuyo eje conductor de acero inoxidable austenítico AISI 316L se encuentra acoplado a otro eje de similares características, en el cual se encuentra montada una polea con una relación de transmisión de 1 a 2 a la polea conducida acoplada a un tercer eje, la transmisión de movimiento entre poleas se lo realiza gracias a una banda de tipo correa en V.
Tomando en cuenta el armónico de frecuencia de deterioro de la pista exterior BPFO ya que indican es el primero en incrementarse cuando un rodamiento empieza a fallar. Se obtuvo que el tiempo de vida de los rodamientos lubricados con grasa LGMT 2 fue superior al tiempo de vida de los rodamientos lubricados con grasa multipropósito, corroborando la correcta selección del lubricante, además de comprobar el incremento de la vida en rodamientos al usar grasas que se ajustan al funcionamiento de los mismos.
