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Ciencias aplicadas e interdisciplinarias - Equipos y accesorios | 2018-01-24

Mayor rendimiento de equipos debido a un diseño óptimo de los antirretornos

Stieber GmbH | Los embragues de rueda libre y los antirretornos desempeñan una función fundamental en industrias pesadas como la minería y la siderurgia, pero son también importantes en la producción de alimentos y en todas las aplicaciones en las que se emplean equipos transportadores para el movimiento de materiales y productos.

Su función principal es prevenir la inversión de marcha y la aceleración incontrolada del sistema en caso de producirse un fallo en el accionamiento –p. ej., una pérdida del suministro eléctrico–. Por tanto, es importante que estos componentes sean especificados y diseñados con suma exactitud.

El doctor Torsten Kretschmer, director técnico de Stieber GmbH, explica qué supone diseñar antirretornos y señala importantes consideraciones relativas a las normativas de seguridad que se prevén para el futuro.

Los antirretornos son componentes de seguridad fundamentales para prevenir cambios incontrolados del sentido de marcha y la velocidad debidos a la acción de la gravedad. Una cinta transportadora con plena carga que esté bloqueada puede imponer enormes pares a la transmisión. No obstante, con las debidas competencias técnicas y el pleno conocimiento de las condiciones de trabajo, es posible diseñar un antirretorno que sea suficientemente compacto y económico sin dejar de proteger la transmisión de modo fiable contra las sobrecargas. Los antirretornos merecen también mayor atención respecto a los aspectos técnicos de la seguridad y la prevención de accidentes laborales.

Principios de diseño Para diseñar un antirretorno correctamente, el diseñador del equipo necesita disponer de datos precisos relativos a los pares que actúan en el transportador. Cuando haya dudas, muchos clientes y proyectistas aplican un coeficiente de seguridad mayor, aunque naturalmente es recomendable evitar el sobredimensionamiento e incurrir en costes innecesarios.

El operador de los equipos deberá pues confiar la tarea de determinar los pares que actúen en la transmisión a diseñadores con la debida experiencia, los cuales serán capaces de realizar los cálculos correspondientes con elevada precisión. Esta información ayudará a su vez al fabricante del embrague de rueda libre, en colaboración con el cliente, a adaptar con precisión los parámetros de trabajo del antirretorno en función de los pares actuantes.

En condiciones ideales, el antirretorno se diseña en paralelo con la unidad de accionamiento, ya que el motor y el reductor tienen una influencia determinante en las dimensiones y parámetros de trabajo del antirretorno.

El antirretorno puede montarse directamente en la caja del reductor acoplado al eje de transmisión de alta velocidad, o puede montarse externamente en el eje de transmisión de baja velocidad. Para facilitar el mantenimiento –desmontaje de la transmisión sin tener que desmontar la cinta transportadora–, algunos usuarios prefieren tener la transmisión montada fuera de la línea del transportador. En este caso, un antirretorno externo montado entre la línea del transportador y la transmisión constituye la mejor solución.

En este supuesto, el antirretorno debe tener una alta capacidad de par, lo que refleja el tamaño de su construcción y posiblemente su coste de compra. En cambio, cuando las ventajas relativas al mantenimiento pueden sacrificarse, normalmente se recomienda un antirretorno montado en la caja de transmisión. Dado que en este último supuesto la carga de par es menor que con el montaje externo, generalmente el antirretorno puede ser de dimensiones y de precio más reducidos.

Equilibrio de cargas y limitación del par La cantidad y configuración de los antirretornos que se empleen dependen principalmente de la propia aplicación. En transportadores con múltiples accionamientos y un número correspondiente de antirretornos sin limitador de par, debe suponerse que sólo se produce un equilibrio de cargas escaso. La causa de ello es el retraso de la actuación de los distintos antirretornos como consecuencia de las tolerancias en las paradas, las diferentes elongaciones de las cintas en las paradas, los diferentes coeficientes de rozamiento (rendimientos) de las cintas, etc.

La figura 1 ilustra esta situación. En ella se indica que el antirretorno 1 tiene que transmitir un par considerablemente mayor que el antirretorno 2 –en un caso extremo, incluso la totalidad del par de retroceso–. En la práctica, de ello se derivan coeficientes de seguridad de hasta tres veces el par de accionamiento. En esta situación, el equilibrio de cargas entre los antirretornos 1 y 2 no se produce. Por ello, la razón de ser del antirretorno 2 sólo puede ser la de reserva de seguridad, lo que a su vez significa que el propio antirretorno 2 deba diseñarse con el mismo coeficiente de seguridad que el del antirretorno 1. De este modo, no es difícil ver cómo ambos antirretornos resulten ser de dimensiones excesivamente grandes.

Figura 1: Incremento del par en un equipo con múltiples accionamientos.

Par (kNm)
Torsión (°) Antirretorno 1
Antirretorno 2
Par de la aplicación
Par nominal de antirretorno 1

 

La figura 2 ilustra los resultados de las mediciones del par en dos antirretornos de serie, sin limitador de par, montados en un eje.

Los resultados indican que hay un par 20% mayor en uno de los dos antirretornos, lo que conlleva las consecuencias correspondientes en el diseño.

Figura 2: Par en dos antirretornos sin limitador de par.

Par en antirretornos durante parada de emergencia con carga
Par (lb·pie)
Tiempo (s)
Antirretorno lado norte
Antirretorno lado sur

El equilibrio de cargas puede mejorarse mediante antirretornos con limitador de par, de modo que los antirretornos puedan ser más pequeños sin pérdida de seguridad. A continuación se describen dos configuraciones de diseño de ejemplos reales correspondientes al eje de baja velocidad y al eje de alta velocidad.

 

Cálculo para el eje de baja velocidad

Aplicación: cinta transportadora terrestre con antirretornos, sin limitador de par, montados en el eje de baja velocidad.

Especificación del cliente: el antirretorno debe resistir el par de carga producido como consecuencia de una puesta en marcha fallida.

Capacidad de carga del antirretorno ≥ (3200 kW × 1,5 × 9550) / (55/min) = 833,5 kNm

El cálculo de los antirretornos con limitador de par en el eje de baja velocidad es completamente diferente. En este caso, el antirretorno se ajusta de modo que pueda transmitir sin peligro el par de retroceso de la cinta transportadora cargada (coeficiente de seguridad 1,3).

Par de deslizamiento del antirretorno ≥ 53 kNm ×1,3 =68,9 kNm

En caso de puesta en marcha fallida, se produce el deslizamiento del antirretorno hasta que se haya eliminado la tensión de la cinta.

 

Cálculo para el eje de alta velocidad

Aplicación: Transportador inclinado con antirretornos, sin limitador de par, montados en el eje de alta velocidad.

Potencia de accionamiento 950 kW
Coeficiente de seguridad (especificado por el cliente) 1,5 Velocidad del eje de alta velocidad 500 rev/min
Par de retroceso en el eje de alta velocidad 15 kNm

Capacidad de carga del antirretorno ≥ (950 kW ×1,5 ×9550) / (500/min) = 27,2 kNm

En este caso, el cliente seleccionó un antirretorno de serie con una capacidad de par máxima de 72 kNm, el cual sufrió daños durante una puesta en marcha fallida con una cinta transportadora sobrecargada. Aquí, incluso un coeficiente de seguridad mayor o la instalación de un antirretorno de mayor capacidad no hubiera servido de remedio, sencillamente porque la transmisión no está diseñada para esto y un antirretorno con la capacidad de par adecuada no podría instalarse en la transmisión debido a su tamaño.

En cambio, un antirretorno con limitador de par, con un par de deslizamiento debidamente ajustado y capaz de trabajar a alta velocidad en deslizamiento, es lo más conveniente en este caso.

Antirretornos, con limitador de par, montados en el eje de alta velocidad: el antirretorno se ajusta de modo que pueda transmitir sin peligro el par de retroceso de la cinta transportadora cargada (coeficiente de seguridad 1,3).

Par de deslizamiento del antirretorno ≥ 15 kNm ×1,3 = 19,59 kNm En caso de puesta en marcha fallida, se produce el deslizamiento del antirretorno hasta que se haya eliminado la tensión de la cinta.

Como puede deducirse de estos ejemplos, los antirretornos con limitador de par son perfectamente capaces de resistir el par de retroceso y pueden seleccionarse en tamaños mucho más reducidos que un antirretorno convencional, todo ello sin sufrir daños en caso de puesta en marcha fallida. Stieber recomienda, siempre que sea permisible, un coeficiente de seguridad de 1,3 para el par de retroceso.

Cálculo de antirretornos con equilibrio de cargas

Además del par de retroceso, el diseño depende significativamente del rendimiento del sistema transportador y del par de deslizamiento dinámico del par que se ajuste.

Ejemplo 1

Partiendo del supuesto que:

  • el antirretorno 1 soporta 65% del par de accionamiento a plena carga (Ppc) y el antirretorno 2 soporta 35% de Ppc,
  • el par de arranque está ajustado a 60% de Ppc 
  • el par de deslizamiento dinámico es menor que el par de deslizamiento estático (µdin = 0,8 µest), se produce la situación siguiente:

 

SEE DIAGRAM 1

  • Par de accionamiento a plena carga (Ppc) 
  • Deslizamiento de antirretorno 1 a 48% de Ppc 
  • Disipación de energía en antirretorno 1 debido a deslizamiento 
  • Antirretorno 2 a 52% de Ppc – x -> no hay deslizamiento 
  • Sistema de cinta transportadora a 100% de Ppc – x

El rendimiento del sistema de cinta transportadora (x) tiene básicamente un efecto positivo, es decir, que independientemente de su valor específico, no se producirá el deslizamiento de la cinta.

El ejemplo muestra claramente que el equilibrio de cargas entre dos antirretornos en un eje común puede optimizarse mediante limitadores de par y que los componentes pueden ser más pequeños. Sin embargo, para ello es necesario un cálculo minucioso basado en datos precisos de la aplicación, como se verá en el ejemplo siguiente.

Ejemplo 2

Se parte de un supuesto similar al ejemplo 1, pero con la única diferencia de que el par de arranque está ajustado a 55% de Ppc, En función de x (rendimiento del sistema de cinta transportadora), pueden presentarse dos situaciones:

SEE DIAGRAM 2

Par de accionamiento a plena carga (Ppc)
Deslizamiento de antirretorno 1 a 44% de Ppc
Disipación de energía en antirretorno 1 debido a deslizamiento
Antirretorno 2 a 56% de Ppc – x
Sistema de cinta transportadora a 100% de Ppc – x
Deslizamiento de antirretorno 2 a 44% de Ppc
Disipación de energía debido a la caída de la carga
Sistema de cinta transportadora a 88% de Ppc, disipación de 12% de la carga

Como ya se ha indicado, el rendimiento del sistema de cinta transportadora (x) tiene un efecto positivo en el cálculo del antirretorno. Cuanto más precisamente se conozcan el rendimiento x y las condiciones de trabajo, más preciso será el cálculo del antirretorno. Es también posible seleccionar un antirretorno más pequeño. Salvo indicación particular, Stieber recomienda un coeficiente de seguridad de 1,3 para el par de retroceso de la cinta transportadora cargada.

Naturalmente, cada aplicación impone sus exigencias particulares, y el cálculo para el diseño de los antirretornos debe ser comprobado minuciosamente por expertos con la debida experiencia en este campo. Dada la correspondiente competencia técnica, es posible especificar soluciones que, siendo económicas, ofrezcan seguridad y fiabilidad.

Desenganche controlado

Los motores eléctricos no se calculan normalmente para arrancar cintas transportadoras a plena carga. De ser así, tendrían que estar muy sobredimensionados y tendrían por ello un rendimiento deficiente en las condiciones de trabajo normales. El paso siguiente después de la actuación del antirretorno es por tanto el desenganche controlado de la cinta transportadora. Cuánto dura esto depende principalmente del tipo de antirretorno instalado. Lo más idóneo es un antirretorno con desenganche mecánico o hidráulico, lo que permite un desenganche controlado de la cinta transportadora. En los sistemas con más de un antirretorno, un desenganche simultáneo y gradual mediante un sistema hidráulico centralizado es especialmente eficaz y conveniente. Esto permite operar el transportador en marcha atrás de modo controlado para descargarlo con rapidez.

Un ejemplo práctico es el de un transportador de carbón empleado en un muelle de carga. Cuando la cinta, dotada de un antirretorno convencional, se para debido a una interrupción de la alimentación eléctrica, debe descargarse la cinta antes de volver a ponerla en marcha. Esta tarea podría durar toda una jornada e incurrir unos costes cuantiosos debido a la paralización imprevista del muelle, entre otros conceptos. En cambio, un antirretorno con una función de desenganche posibilita el desenganche del transportador en unos minutos, de modo que se pueda continuar la carga del buque según las previsiones.

Hasta ahora, la mayoría de los antirretornos sólo permitían invertir la marcha, como mucho, de un modo muy limitado, y desde luego no a alta velocidad. Sin embargo, Stieber ofrece ahora productos que no presentan ya estos inconvenientes. Con ellos, los operadores de transportadores pueden reducir al mínimo los tiempos de parada para la descarga que sigue así una pérdida de accionamiento.

A diferencia de los antirretornos convencionales que tienen cojinetes de deslizamiento, los antirretornos Stieber RDBK y RDBR incorporan rodamientos de rodillos patentados. Gracias a ello pueden girar en marcha atrás durante mucho más tiempo y sobre todo a altas velocidades.

Pruebas de funcionamiento y reglamentaciones

El ensayo de antirretornos en funcionamiento no está actualmente prescrito, en parte debido al coste y las pérdidas de producción que ello conllevaría. Por otra parte, los antirretornos cumplen una función clave relativa a la seguridad, y la aplicación de un programa de mantenimiento y de ensayos que garantizase el funcionamiento fiable de estos componentes en una situación de emergencia parece estar más que justificada.

Con sus innumerables explotaciones mineras, Australia es pionera en cuestiones de normativas de seguridad para sistemas transportadores de gran capacidad. La norma australiana relativa a la seguridad de cintas transportadoras para materiales a granel AS/NZS 4024.3611:2015 describe los requisitos para estos equipos de amplio uso en la minería. Por ejemplo, su Sección 2.2.3.2 trata en detalle el diseño de redundancia y el fallo de componentes:

“2.2.3.2 Mecanismos de protección contra aceleraciones incontroladas.

Los sistemas transportadores que pueden acelerarse de modo incontrolado por la gravedad deben estar equipados de uno o varios mecanismos que prevengan estas aceleraciones. Donde se tenga una correa o una cadena de transmisión, un acoplamiento hidráulico o un componente similar que conecte el motor al eje de transmisión, se ha de instalar un mecanismo de protección contra las aceleraciones incontroladas en caso de rotura de alguno de los componentes de la transmisión. Los transportadores de cadena necesitarán más de uno de estos mecanismos.

Cuando el fallo de un dispositivo de protección contra aceleraciones presentara riesgos de lesiones personales, las aceleraciones incontroladas deben prevenirse mediante dos mecanismos de actuación automática, de tal modo que cada uno de estos mecanismos pueda soportar la totalidad de la carga por sí solo. El estado de funcionamiento y el desgaste de estos mecanismos debe ser objeto de controles de inspección. Cada mecanismo de protección contra aceleraciones debe estar diseñado de modo que pueda parar y retener al menos 150% de la carga máxima del transportador.

NOTA: Estos mecanismos incluyen, entre otros, frenos y antirretornos.”

Dada la mayor atención prestada a los aspectos de la seguridad y riesgos laborales, no puede descartarse que las reglamentaciones relativas a la seguridad en determinados sectores o jurisdicciones sean actualizadas a los efectos de prescribir que se efectúe con regularidad la comprobación de los mecanismos de seguridad en las condiciones de trabajo. Por ejemplo, podría darse el caso de que el operador tuviera que causar una situación de emergencia con un transportador a plena carga con el fin de comprobar el buen funcionamiento de los antirretornos o dispositivos similares.

Incluso con el resultado positivo de una de estas pruebas, habiendo parado previamente el transportador cargado, el operador tendrá aún que enfrentarse al problema de tener que descargarlo antes de reiniciar la producción El operador que tenga antirretornos que permitan una marcha atrás controlada en estas situaciones podrá realizar este proceso de desenganche en cuestión de minutos. Dados los costes de las paradas de producción, cada vez más operadores se deciden en favor de estos componentes.

Acerca de Stieber GmbH

Stieber, fundada en Múnich en 1937, es actualmente una empresa mediana con una plantilla de 140 empleados distribuidos en sus centros de Heidelberg y de Garching en las proximidades de Múnich.

Stieber tiene una trayectoria jalonada por numerosos avances innovadores a lo largo de toda su historia, con innovaciones que la han hecho empresa de vanguardia en el mercado europeo. Esta competencia ha sido demostrada, por ejemplo, con el desarrollo y la construcción del mayor antirretorno del mundo.

Stieber, una empresa del grupo Altra Industrial Motion Corp., es, junto con las otras empresas del grupo Formsprag y Marland de EE. UU., un líder mundial en el mercado de los antirretornos y las ruedas libres.

Además de su programa de productos de serie, Stieber puede diseñar y fabricar productos especiales en función de las necesidades del cliente o de las exigencias de la aplicación. La empresa tiene experiencia en el suministro de unidades con muy diversas capacidades de par, desde menos de 1 Nm, hasta 1 700 000 Nm. Este último caso representa la mayor unidad jamás producida en el mundo.

El uso de las imágenes distribuidas con la presente nota de prensa está autorizado exclusivamente cuando acompañan dicha nota de prensa, reservándose en todo caso los derechos de autor. Se ruega a los interesados en obtener la debida autorización para otros usos de las imágenes que se dirijan a DMA Europa.

Web: www.dmaeuropa.com


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