MONITOREO DE CONDICIÓN EN REDUCTORES DE VELOCIDAD

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INTRODUCCIÓN

Mucho han cambiado el concepto y las prácticas de mantenimiento desde aquellos días en que el personal se paseaba por la planta escuchando ruidos y tocando las máquinas. Los desarrollos tecnológicos en sensores, análisis y diagnóstico de vibraciones, capacidad de cómputo y el empleo del internet y su nube hoy nos permiten determinar la condición de la maquinaria con mucha mayor precisión que la que alcanza la percepción humana. Este artículo trata sobre la aplicación de sistemas de monitoreo de condición en la operación y mantenimiento de reductores de velocidad.

VIDA ÚTIL

Los componentes comunes para la mayoría de los reductores de velocidad son: la caja, los ejes, los engranes, los rodamientos, el lubricante, los retenes y los sellos. Si cualquiera de estos componentes falla, el reductor tendrá que ser sustituido o reparado y la máquina tendrá que dejar de operar  durante el tiempo requerido para ello. Las cargas de trabajo someten a engranes y rodamientos a esfuerzos de contacto en el punto A, entre las superficies curvas de sus componentes, además, la fuerza en voladizo, F, que el piñón, P, ejerce sobre el engrane, E, provoca un momento flexionante cuyo esfuerzo máximo se alcanza en el punto B [1]. Estos esfuerzos son cíclicos, exponiendo a rodamientos y engranes al fenómeno de fatiga, y por lo tanto, el número de ciclos que pueden realizar antes de que se presente una falla depende de la carga a la que son sometidos [1, 2 y 3].  

Considerando que la información disponible respecto a los cálculos de expectativa de vida para rodamientos es muy accesible, los usaremos para ilustrar la mecánica de este fenómeno. La forma convencional de registrar esta expectativa de vida es la denominada L₁₀, que significa que el 90% de los rodamientos que operen en las condiciones previstas sobrepasará el tiempo calculado sin mostrar daño por fatiga. El cálculo básico aceptado por organizaciones internacionales como ABMA, ISO, DIN o JIT,  fue desarrollado por Lunberg y Plamgren en 1947 [2]:

L₁₀ = (C/P)^p

En donde L₁₀ : Vida útil de diseño con 90% de confiabilidad, en millones de revoluciones

C: Capacidad de carga (dinámica)

P: Carga sobre el rodamiento

p = 3 para rodamientos de bolas o 10/3 para rodamientos de rodillos

La capacidad de carga de un rodamiento se define como la carga a la cual el 90% de un grupo de rodamientos idénticos soportará durante un millón de revoluciones sin mostrar señas de fatiga (descascaramiento). Aunque la fórmula básica para establecer la capacidad de carga está normalizada, cada fabricante puede hacer modificaciones en base a pruebas que demuestren que sus rodamientos incorporan ventajas tecnológicas que se traducen en una mayor vida útil, la realidad es que hay fabricantes, especialmente aquellos que se someten a los procesos de aprobación de industrias como la automotriz, la aeronáutica o la de ferrocarriles, que toman esta labor con mucha seriedad. Pero resulta sumamente costoso hacer estas pruebas en forma rigurosa y hay otros fabricantes que publican información poco confiable y hay quienes de plano la falsean.

Además, para tomar en cuenta los avances tecnológicos que se han incorporado a la fabricación de rodamientos, a la expectativa de vida según la fórmula L₁₀ se aplican factores para obtener una vida útil modificada, denominada L_10m [4]. Uno de estos factores refleja las mejoras en la calidad de los aceros que hoy se emplean en la fabricación de rodamientos, supuesto que no todos los fabricantes cumplen, y un segundo factor está relacionado con las características y limpieza del aceite, y con la confiabilidad que la aplicación requiere. Aunque hay una aceptación amplia sobre la forma de determinar estos factores, no todo mundo está de acuerdo [5 y 6].

Todos estos cálculos suponen que las condiciones reales de operación serán similares a las supuestas en el diseño, que los rodamientos estarán en buenas condiciones, que habrá una lubricación adecuada y que los rodamientos estarán debidamente instalados. Pero la realidad es que un número importante de rodamientos falla prematuramente precisamente porque estos supuestos no se cumplen.

Tenemos, entonces, incertidumbre respeto a la vida útil de un rodamiento en particular debido a que:

•          El cálculo de vida es probabilístico y no garantiza cuánto va a durar cada rodamiento
•          La capacidad de carga publicada por el fabricante puede no ser confiable
•          Las condiciones reales de operación no coinciden con las supuestas en el diseño
•          El lubricante es inadecuado o está contaminado
•          Los rodamientos pueden haber sido dañados previo a su instalación
•          La instalación puede haber sido deficiente
•          Los ejes o alojamientos pueden estar fuera de especificación.

PRÁCTICAS DE MANTENIMIENTO

Si no se cuenta con instrumentos más precisos que la sensibilidad del personal de la planta, y dependiendo de las consecuencias de un paro inesperado, quien opera una máquina puede optar por dejarla que trabaje hasta que falle; puede observar su comportamiento para hacer intervenciones preventivas en cuanto se perciban síntomas de una falla inminente; puede programar paros para hacer una inspección y  reemplazar o reparar aquellos componentes que muestren deterioro; o puede programar paros para reemplazar periódicamente componentes en base a los cálculos de vida útil.

Evidentemente, los dos primeros sistemas prácticamente garantizan que una falla ocurrirá y que la máquina tendrá que salir de operación en un momento no anticipado. Estos sistemas sólo pueden emplearse en máquinas que tienen poco impacto en la producción. Desafortunadamente, aunque son útiles, los paros programados para inspección y mantenimiento no garantizan que no ocurrirán fallas entre una inspección y la siguiente porque no tenemos forma de saber en qué  condición se encuentra el interior de los rodamientos y engranes. Si consideramos que la media para la vida útil (50% de probabilidad de falla o L₅₀) es aproximadamente 5 veces superior a la vida L₁₀ [7], la práctica de cambiar componentes en base al tiempo que llevan en operación implica el riesgo de quitar una pieza que está en buen estado para sustituirla por una que puede estar defectuosa, dañada o mal instalada.

VIDA ÚTIL REMANENTE

 

Si la operación se apega a los supuestos del diseño, podemos esperar que el 90% de los rodamientos sobreviva un tiempo determinado. En base a la predicción para cada componente, también podemos calcular el tiempo esperado entre fallas en el sistema y con esta información  podremos establecer un régimen de inspección y mantenimiento periódico. Pero esos cálculos no nos dicen cuándo va a fallar un componente en particular y una inspección visual no permite detectar el deterioro que puede haber en el interior de los materiales. 

Sin embargo, a menos que se trate de un accidente catastrófico, las fallas en rodamientos y engranes se dan en forma paulatina, comienzan con una fisura microscópica que se va propagando por el interior del material. Cuando las fisuras llegan a la superficie, se convierte en una grieta que permite que el aceite penetre, quede atrapado y al pasar los elementos rodantes por encima de la grieta llena de aceite, impiden que este salga, incrementando la presión hasta que se desprende un pedazo en forma de  descascaramiento o pitting [1]. 

Antes de que el material se llegue a desprender, cada vez que los dientes de los engranes o que los elementos rodantes entran a la zona fisurada, provocan vibraciones imperceptibles para al oído humano pero que se pueden detectar mediante instrumentos más sensibles. El análisis del espectro de estas vibraciones, el conocimiento de los componentes de la máquina y el monitoreo de los cambios en la intensidad de la vibraciones permiten identificar con cierto grado de certeza aquellos elementos en los que las fisuras se han comenzado a formar y que, por lo tanto, tienen una alta probabilidad de fallar en un futuro próximo [8 y 9]. Este pronóstico permite programar el mantenimiento para que tenga poco impacto en la producción, evitando así que una falla inesperada provoque un paro disruptivo en la producción.

En teoría,  no hay contacto directo entre las partes de las chumaceras hidrodinámicas y, por lo tanto, no deben sufrir deterioro por fatiga o desgaste cuando son empleados en forma adecuada. Sin embargo, es común que por deficiencia en la lubricación, por operar a velocidades bajas o por arrancar la máquina sin tener la presión adecuada en el aceite, haya desgaste en los cojinetes, provocando mayor holgura entre éstos y los ejes que soportan y con ello, un incremento en la vibración de los rotores. Al igual que con los rodamientos, los sensores modernos pueden detectar estas vibraciones para permitirnos programar oportunamente el siguiente paro para mantenimiento del reductor de velocidad.

Otras fuentes de vibraciones pueden ser incrementos en la rugosidad de las superficies en contacto o incremento en la holgura interna, ambas provocadas por desgaste abrasivo.

OTROS INDICADORES

Además de las vibraciones, hay otros indicadores de la condición de una transmisión, entre los que se encuentran: la velocidad y el par al que está sometido el eje de entrada, la temperatura del lubricante en diferentes puntos del sistema, las caídas de presión a través de los filtros del lubricantes, y la cantidad y naturaleza de la contaminación de los lubricantes. Estas variables pueden incluirse en los cálculos de vida remanente para darles una mayor precisión y confiabilidad [8].

INVESTIGACIÓN, DESARROLLO Y EXPERIENCIA

Debemos tener conciencia, sin embargo, de que la predicción de la vida útil remanente para los diferentes componentes está basada en diversas teorías combinadas con investigación que permite ajustar ecuaciones teóricas con mediciones de laboratorio [8, 9 y 10] y que, por lo tanto, la capacidad predictiva de un sistema depende en gran medida de la calidad de esta investigación y del tiempo que quienes lo ofrecen llevan cotejando sus predicciones con la realidad observada en el campo. Esto significa que no se puede exagerar la importancia de someter a escrutinio minucioso la metodología, la investigación, el desarrollo y la experiencia que hay detrás de los sistemas que se contempla implementar.

MONITOREO DE CONDICIÓN

Allá en el siglo pasado, el personal de mantenimiento y operación tocaba las máquinas para sentir la temperatura y las vibraciones, usaba desarmadores como estetoscopios para escuchar los ruidos del interior de la maquina, frotaba el aceite entre los dedos, y en base a su conocimiento de las máquinas, a su experiencia y a su intuición, tomaba decisiones sobre la programación del siguiente paro para inspección y reparación.

En la medida que han mejorado los sensores, en que hemos adquirido un mayor entendimiento sobre el significado del espectro de vibraciones y de las demás variables,  y en que ha incrementado la capacidad de procesamiento de información, el monitoreo de condición se ha hecho más sofisticado y hoy nos permite predecir el advenimiento de fallas en forma imposible de lograr en base a la sensibilidad humana.

Dependiendo de la importancia de la máquina para la producción, el monitoreo puede ser en base a mediciones rutinarias* o se pueden tener sensores montados permanentemente en la máquina enviando información en tiempo real a computadoras que analizan la información y envían mensajes preventivos al personal de operación y mantenimiento. Tanto el monitoreo como el análisis de la información recabada pueden hacerse internamente o se puede contratar a proveedores externos, algunos de los cuales ofrecen monitoreo en tiempo real en un servidor externo conectado a través de la red.

* Entre más firmemente esté montado el sensor al punto que se está observando, mayor precisión habrá en la lectura de las vibraciones. En lugar de seguir directamente el movimiento de la máquina, los sensores sostenidos a mano en realidad miden la respuesta de la mano a dicho movimiento, haciendo necesario filtrar estas señales, perdiendo precisión y capacidad predictiva en la interpretación. Es por ello preferible tomar lecturas de sensores firmemente adheridos a la máquina que llevar uno en la mano para tomar lecturas en diferentes puntos.

Si se cuenta con la suficiente capacidad de análisis, mantener la información internamente permite realizar investigación y desarrollo sobre la maquinaria y su operación, ofrece mayor seguridad respecto al uso y manejo de esta información, y elimina la posibilidad de ataques cibernéticos a través de la red. Por el otro lado, contratar el servicio de especialistas permite que la organización se concentre en la parte medular del negocio, teniendo al mismo tiempo acceso al conocimiento especializado de quienes desarrollan y operan estos sistemas en una amplia gama de aplicaciones.

OTROS USOS

La información disponible en tiempo real también puede ser útil para el control y mejora de los procesos productivos. Algunos ejemplos: si a tensión y frecuencia constante observamos una variación en el par y la velocidad del motor, podremos hacer los ajustes necesarios para hacer que la máquina vuelva a la condición óptima de operación; podríamos emplear frecuencias de vibración asociadas al proceso productivo para mantenerlo bajo control; o los fabricantes o usuarios de la maquinaria de proceso pueden emplear esta información para hacer mejoras a la maquinaria y a los procesos productivos. 

ANÁLISIS DE VIBRACIONES Y SU INTERPRETACIÓN

En condiciones normales de operación, los reductores de velocidad generan vibraciones a causa de la naturaleza intermitente del contacto entre los dientes y de la entrada y salida de los elementos rodantes en la zona de carga. Los sensores nos ofrecen una lectura de las vibraciones que ocurren en puntos específicos de la caja o los rotores. Esta lectura es únicamente ruido hasta que el sistema de cómputo lo separa en las frecuencias que lo componen. En base al número de dientes de los engranes, al número de elementos rodantes de los rodamientos, a las velocidades de giro, al punto en que se registran y a su evolución a través del tiempo, el análisis de estas frecuencias permite evaluar el estado de deterioro de los diferentes elementos de la transmisión para pronosticar su vida útil remanente y emitir una alerta para programar el servicio oportuno.

Un buen sistema de monitoreo de condición detecta el deterioro de los componentes mecánicos desde su inicio y permite adquirir con la debida antelación aquellos componentes que tienen una alta probabilidad de fallar en un futuro cercano, evitando así que la máquina esté fuera de servicio mientras se consiguen las piezas de reemplazo.

 CALIBRACIÓN DE LAS ALARMAS

Además de las vibraciones generadas internamente, los reductores de velocidad están expuestos a vibraciones provenientes del motor, de la máquina conducida y en ocasiones, de otras máquinas de la planta. Para evitar paros innecesarios, al igual que en el pasado el personal de la planta aprendía a reconocer las vibraciones, ruidos, temperaturas y presiones normales de sus máquinas, los sistemas de monitoreo de condición registran los niveles de estas variables durante un periodo en operación normal y las usan como base para establecer los niveles de variación a los que se emitirán alarmas o mensajes de alerta respecto a condiciones anómalas.

CONCLUSIÓN

En base a teorías sobre la fatiga de materiales, a predicciones estadísticas, a mediciones y análisis de las vibraciones, los sistemas modernos de monitoreo de condición permiten el diagnóstico temprano de fallas incipientes y la programación oportuna de paros para mantenimiento, evitando así paros inesperados con impacto negativo en la producción. La efectividad de un sistema de monitoreo de condición está íntimamente ligada a la calidad de los instrumentos, a su capacidad predictiva  y a la experiencia de quién los maneja.

 La pregunta básica respecto a implementar un sistema de monitoreo de condición es si cuesta más tener paros inesperados o invertir en el sistema. La experiencia nos dice que cuando se trata de equipo vital para la planta, el costo por pérdida de producción para hacer una reparación que no fue programada en muy superior a la inversión que representa implementar un sistema de monitoreo de condición.

Referencias:

1.- Arthur H. Burr, Advanced Mechanical Analysis, 1967. Cornell University

2.- G. Lundberg y A Palmgren “Dynamic Capacity of Rolling Beraings” Acta Polytechnic, Mechanical Engineering Series 1947

3.- P. Frechilla Fernández, Gonzalo González Rey y R. José García Marín: Estimating Gear Fatigue Life Gear Soutions Oct 1 2007

4.-  Antonio Gabelli, Armel Doyer and Guillermo Morales-Espejel The Modified Life Rating of Rolling Bearings: A Criterion for Gearbox Design and Reliability Optimization. Power transmission Engineering March 2015

5.- Tribology & Lubrication Technology con entrevistas a Myron  McKenzie, Martin Carrens y Dan Snyder ISO 281:2007 Bearing Life Standard. And The answer is? Tribology & Lubrication Technology, July 2010

6.- Erwin V. Zaretsky. In Search of a Fatigue Limit: A Critique of ISO Standard 281:2007. Tribology &Lubrication Technology, August 2010

7.- Arvid Palmgren. Ball and Roller Bearing Engineering.Third edition. S.H. Burbank Co. Inc 1957

8.-  S. L. Chen, M. Craig, R.J.K. Wood, L. Wang, R. Callan, H.E.G. Powrie. Bearing Conditon Monitoring Using Multiple Sensors and Integrates Data Fusion Techniques, Surface Engineering and Tribology Group, University of Southampton, Southampton, SO17 1BJ, UK. GE Aviation, Digital Systems, Chandlers Ford, SO 53, 4YG, UK

9.-  Xiaohui Chen, Min Liu Gear Remaining Useful Life Predeiction Based o Grey Neural network The 14th IFToMM World Congress, Taipei, Taiwan, October 25-30, 2015 DOI Number: 10.6567/IFToMM.14TH.WC.PS6.005

10.- Ahmed Akariae Hinchi, Mohamed Tkiouat. Rolling Element Gearing Remaining Useful Life Estimation Based on a Conventional Long.Short-Term Memoty Network. Precedia Computer Science 127 (2018) 123-132

ACCIONAMIENTOS PARA MOLINOS DE MINERALES

II.- MOLINOS DE RODILLOS VERTICALES

En estos molinos, el material se tritura haciendo que un rodillo le ruede por encima. La ilustración de abajo muestra el mecanismo básico que podría trabajar de alguna de las siguientes maneras:

a.- Hacer girar el eje central B;

b.- Hacer que el rodillo, A, gire sobre su eje, permitiendo que éste gire sobre el eje central, B;

c.- Hacer girar el rodillo, A, sobre un eje fijo para que éste haga girar la mesa, C; y,

d.- Hacer girar la mesa, C; para que el rodillo, A, gire sobre un eje fijo.

Todos estos mecanismos se han usado desde tiempos ancestrales para la molienda de una amplia variedad de productos, sin embargo, debido a ciertas inquietudes respecto a la calidad del producto terminado, no fue sino hasta finales del siglo XX que esta tecnología fue generalmente aceptada por la industria del cemento. Hoy en día, después de haber demostrado que pueden producir producto con calidad y características similares, y siendo más eficientes que los molinos horizontales, los molinos verticales han adquirido popularidad para la molienda de crudo, clinker, coque y cemento [1].

Las transmisiones para molinos verticales de cemento se han desarrollado conforme a la demanda en la potencia requerida para los continuos incrementos en la capacidad de producción de los molinos. Los molinos verticales de mediados del siglo pasado tenían capacidades de producción del orden de 200 toneladas por hora (t/hr), demandando potencias de unos 400 kW y pares de alrededor de 100 kNm. Estos molinos empleaban transmisiones con una etapa de engranes cónicos y un par de etapas helicoidales. Para finales de la década de 1970 se comenzaron a fabricar molinos con requerimientos de potencia del orden de 1,000 kW, haciendo necesario el desarrollo de reductores de velocidad que permitieran compartir la carga entre varios engranes.  Para ello se diseñaron reductores con una etapa de engranes cónicos y una etapa planetaria. A finales del siglo pasado, los molinos verticales habían rebasado los 2.5 MW con pares  del orden de 1,000 kNm, haciendo necesario incorporar una segunda etapa planetaria. Los molinos actuales superan las 700 t/hr, con demandas de 6 MW y pares de 3,000 kNm y han requerido de soluciones innovadoras en los trenes de transmisión [2, 3 y 4].

PRIMERA GENERACIÓN – CÓNICOS y HELICOIDALES

Los primeros molinos verticales, que requerían potencia entre 50 y 1000 kW, eran accionados mediante reductores de velocidad con una primera etapa de engranes cónicos y otras dos etapas de engranes helicoidales. A medida que incrementó la potencia requerida por el molino, el engrane helicoidal de baja velocidad fue creciendo hasta que su manufactura se volvió poco práctica y muy costosa. Al llegar a los 1,000 kW se hizo evidente que sería necesario desarrollar un concepto nuevo. [3]

SEGUNDA GENERACIÓN – CÓNICOS CON UNA ETAPA PLANETARIA

Con el objeto de reducir el peso de los reductores y de resolver problemas de capacidad en los engranajes, se diseñaron reductores de velocidad con una etapa de engranes cónicos, A, y una etapa planetaria, B, con la corona fija y la mesa giratoria, C, unida al portador de engranes. El tamaño y la forma cilíndrica de un reductor con este diseño, brindan un mejor soporte al cojinete axial de la mesa giratoria del molino. Este diseño dio buen resultado hasta que a finales del siglo XX el requerimiento de potencia llegó a unos 2.5 MW. La limitación ahora aparecía en el engrane cónico. [2 y 3]

TERCERA GENERACIÓN - CÓNICOS CON DOS ETAPAS PLANETARIAS.

Al incrementar la demanda de potencia en los molinos, la  industria adoptó como diseño básico estándar para los engranajes de reductores de velocidad: una etapa de engranes cónicos con dos etapas planetarias. Dentro de este diseño básico han prevalecido dos configuraciones en los engranes planetarios: 

En la primera configuración, la mesa giratoria, A, está unida al portador de engranes, B, de la primera etapa planetaria y a la corona, C, de la segunda. La corona, D, de la primera etapa puede girar y está acoplada al piñón, E, de la segunda etapa planetaria. En este arreglo, los elementos B y C comparten el par transmitido; [3]

La segunda configuración tiene fijas las coronas de las dos etapas planetarias, B y C. En color azul claro se muestra el  portador de engranes de la primera etapa planetaria acoplado directamente al piñón central de la segunda etapa planetaria. La mesa giratoria, D, está unida al portador de engranes de la segunda etapa planetaria y está soportada por cojinetes axiales, E, lubricados mediante aceite a presión. La pared cilíndrica de la caja de engranes, F, forma la columna que soporta las cargas de la molienda. [2]

Para la misma capacidad, la primera versión ofrece un reductor de velocidad de menor tamaño y costo que la segunda pero impone una mayor demanda sobre los engranes cónicos. A cambio del mayor costo y dimensiones de la segunda versión, ésta es más robusta y ofrece mayor confiabilidad para el engrane cónico.

CUARTA GENERACIÓN (ACTUAL)

El diseño anterior alcanzó su límite alrededor de los 5 MW, en que, una vez más,  la limitante fue el conjunto de engranes cónicos. Para la siguiente generación aparecieron conceptos diferentes, todos ellos con accionamientos múltiples para evitar sobrecargar los engranes cónicos. La incorporación de varios motores permite que en caso de una falla, los molinos de esta generación puedan trabajar a capacidad reducida con un motor (y en algunas versiones dos) fuera de servicio. Esto significa que si se tiene una falla en una planta con dos molinos de un solo accionamiento, una falla del motor o su transmisión reduce la capacidad de la planta en un 50%. En cambio, ante una falla, la capacidad de producción de un molino de motores múltiples solamente se reduce en la fracción de la potencia total que representa el accionamiento que ha fallado. Otra ventaja que caracteriza a estos diseños es la facilidad de acceso a los elementos de transmisión, que ahora están en el exterior del molino, desde donde pueden retirarse y sustituirse rápidamente para que el molino vuelva a operar en un tiempo mínimo.

Consideraremos básicamente tres diseños que han alcanzado cierta aceptación en el mercado: el primero tiene un accionamiento directo para cada rodillo; el segundo tiene una corona periférica con varios piñones, cada uno con su accionamiento propio; y el tercero tiene dos pasos de reducción de velocidad, en el primero hay un engrane central accionado por seis u ocho piñones, cada uno con su propio motor, y el segundo paso es un conjunto planetario con entrada en el piñón central, corona fija y salida por el portador de engranes. El tiempo que esta generación de accionamientos lleva en operación no ha sido suficiente para alcanzar un consenso sobre la cualidades y limitaciones de cada uno de estos pero podemos analizarlos en base a fundamentos teóricos y al sentido común.

ACCIONAMIENTO DIRECTO A LOS RODILLOS.

En este diseño, cada rodillo, E, tiene su propio accionamiento que consta de un motor eléctrico, A, y un reductor de engranes cónicos y planetarios, B. El eje del rodillo está soportado por una chumacera, C, y un castillo, D. Este castillo tiene un cilindro hidráulico para imprimir la carga sobre el rodillo. Los rodillos hacen girar la mesa, que es la única conexión mecánica entre los motores. Comparado con otros sistemas en que la conexión mecánica entre los motores se da en base a engranajes, este mecanismo permite cierto grado de deslizamiento entre el rodillo y la mesa giratoria y, por lo tanto, tolera mayor diferencia entre las velocidades de los motores, permitiendo el uso de sistemas de control de velocidad más sencillos. La principal desventaja de este diseño es que los motores y sus transmisiones requieren de una robusta estructura de soporte a la altura de los rodillos y de la cimentación correspondiente. [5]

CORONA PERIFÉRICA CON PIÑONES.

Este diseño emplea una corona horizontal, C, con dientes rectos para mover la mesa giratoria, D. El accionamiento se hace mediante dos o más motores, A.  Los motores pueden estar colocados en posición horizontal, acoplados al reductor de velocidad, B, que tiene una etapa de engranes cónicos, una o varias etapas de engranes helicoidales y un piñón de dientes rectos accionando la corona, C. [6]

En otro arreglo, los motores, A, se colocan en posición vertical y el movimiento se transmite a través varias etapas de reducción, B, C y D, a los piñones, E. Por cada motor, hay dos piñones compartiendo el par de transmisión. Un arreglo típico incluye tres motores con un total de seis piñones colocados alrededor de la corona. [C]

 Las cargas de la molienda se transmiten directamente a la cimentación del molino sin pasar por las paredes del reductor de velocidad, dándole mayor rigidez.

Su principal inconveniente es que las transmisiones y motores requieren de una superficie considerable en la base. Otro inconveniente es que las cargas a las que están sometidos los piñones, se transmiten directamente del reductor de velocidad al piso, incrementando los requerimientos de cimentación del molino.

ENGRANE CENTRAL CON VARIOS PIÑONES.

Este diseño usa seis u ocho motores asíncronos, A, enfriados por agua y colocados en posición vertical, cada uno acoplado directamente a un piñón. El engrane central, B, es accionado por este conjunto de piñones. El eje del engrane central está acoplado al piñón central, C, de un sistema de engranes planetarios, D. La corona, E, está fija y la mesa giratoria esta unida al portador de engranes planetarios, F. Las cargas de la molienda se transmiten a la base a través de la caja de la transmisión, H, cuya forma cilíndrica ofrece un buen soporte para este propósito. Su eficiencia es bastante alta, todas las cargas generadas en los dientes de los engranes quedan contenidas dentro del reductor sin transmitirse a la base, y resulta fácil cortar el suministro de energía o extraer uno o dos motores para que el molino continúe operando a carga reducida. [7 y 8]

CONCLUSIÓN.

Como respuesta al incremento en la capacidad de producción, el diseño de reductores de velocidad para el accionamiento de los molinos verticales de rodillos ha sufrido una profunda transformación a los largo de los últimos 70 años. Desde sus sencillos inicios de engranes cónicos y helicoidales, han pasado por varias generaciones de diseño que a través de innovación han superado los límites de potencia que imponía cada generación anterior. Sin embargo, todavía se fabrican molinos con capacidades relativamente bajas, en los que conviene emplear reductores de velocidad con una etapa de engranes cónicos y una o dos etapas de engranes planetarios. Hoy en día se siguen refinando los diseños de estos equipos de menor capacidad para ofrecer productos con mejor estructura de soporte, más eficientes, más confiables y más accesibles al mantenimiento. Al seleccionar el reductor de velocidad para una aplicación específica, vale la pena estudiar cuál reductor se adapta mejor a las necesidades del usuario.

OTRAS CONSIDERACIONES

En la selección del fabricante también debe tenerse en cuenta:

• -          Los cojinetes axiales que soportan la mesa giratoria y su importante impacto en la confiabilidad del equipo y en la temperatura, limpieza y vida útil del aceite de lubricación.
• -          La rigidez estructural de la caja que soporta las cargas generadas por la molienda.  
• -          El arreglo de rodamientos y cojinetes,  su eficiencia y la frecuencia de  reemplazo de rodamientos.
• -          La facilidad de acceso para la inspección, el mantenimiento y el reemplazo de los componentes, y su repercusión en los tiempos de paro y en los costos de mantenimiento.
• -          La disponibilidad de refacciones.
• -          La calidad del servicio que ofrece el proveedor.

REFERENCIAS:

1.- Th. Fahrland y K. H. Zisk: Cements Ground in Vertical Roller Mills Fulfil the Requirements of the Market. Loesche, GmbH  

2.- P. Boiger: Development of the 4th Generation Vertical Roller Mill Drives. 58th IEEE-IAS/PAC Cement Industry Technical Conference, 15-19 May 2016, Dallas/USA

3.- R. Raeber, U. Weller y R Amato: A New Gearbox Gereration for Vertical Roller Mills. Maag, AG

4.- M Baechler, N Khoury y J. Weston: Drive Systems for Vertical Roller Mills. IEEE, 2016

5.- T. Schmitz: Qadropol QMC-RD. Worlds First Vertical Roller Mill with Driven Rollers. VDZ Congress 2013

6.- Inovative Flender Vertical Mill Drives. Siemes AG

7.- Cope Drive Systems for Loesche VRM. Renk, AG

8.- M. Keybner y T. Fahrland Dive Selection for Loesche Vertial Roller Mills. Loesche GmbH

ACCIONAMIENTOS PARA MOLINOS DE MINERALES

I.- MOLINOS HORIZONTALES

INTRODUCCIÓN

 La trituración consiste básicamente en reducir el tamaño de los pedazos o partículas del material a triturar. Existe una amplia variedad de mecanismos empleados en la trituración de diferentes materiales y dependiendo del resultado que se desee obtener, la molienda de minerales y materiales similares como cal, cemento o coque, puede darse en una o varias etapas, que pueden incluir otros procesos intermedios. Este artículo trata sobre distintos tipos de reductores de velocidad comúnmente usados para accionar molinos horizontales para minerales y materiales similares.

Los molinos horizontales consisten en un cilindro hueco, parcialmente relleno con un medio triturador y el material a triturar. Al hacer girar el cilindro, el material se tritura en base al rodaje, golpeteo y desgaste producido por un movimiento de revolvedora en el interior del cilindro.

Los elementos de transmisión para estos molinos están expuestos a variaciones abruptas de la carga y a un medio ambiente hostil que puede incluir temperaturas extremas, humedad, lodo o polvo. La confiabilidad del equipo depende en gran medida de la experiencia del fabricante y de cómo ésta se traduce en productos mejor diseñados y fabricados. Dependiendo de la forma en que se desarrolle el proyecto, los fabricantes de reductores de velocidad y de los demás componentes de la transmisión pueden trabajar directamente con el usuario final o a través del fabricante del molino pero en todo caso deben estar involucrados desde el principio del proyecto para garantizar que la transmisión sea adecuada para cada aplicación en particular.

MEDIO TRITURADOR PARA MOLINOS HORIZONTALES

Llamamos medio triturador a elementos de material duro que mediante golpes, rodaje o desgaste, reducen el tamaño de los pedazos o partículas del mineral a triturar. Los medios más comúnmente utilizados en la molienda de minerales son barras y bolas de hierro. En  las etapas primarias del proceso de minerales se pueden emplear molinos  autógenos, en las que el mineral se tritura sin necesidad de un medio adicional, o molinos semiautógenos (semi-autogenous grinding o SAG), en que, además de la trituración autógena se incluyen bolas para contribuir en el proceso.

Las barras tienden a permanecer en la parte inferior del molino para rodar sobre el mineral, representando una carga relativamente pareja para la transmisión. En los otros tipos de molinos, el material y las bolas tienden a adherirse a las paredes del molino, elevándose hasta que ya no pueden sostenerse y caen sobre el mineral para triturarlo a base de golpes, como se puede apreciar en este video de YouTube  [1].

Los molinos de bolas, autógenos y semiautógenos son una aplicación más demandante para la máquina, y en especial para la transmisión, porque están sujetas a dos condiciones adversas, la primera es que tienen que sostener una gran masa excéntrica fuera de la línea vertical de sus soportes y la segunda es que el golpeteo de las bolas y el mineral se refleja a la transmisión, creando fluctuaciones abruptas en la carga [2]. Además, al cortar el suministro de energía a la transmisión, la carga, que busca el punto más bajo en un movimiento amortiguado de columpio, invierte varias veces el sentido de la carga sobre el reductor de velocidad, hasta que se detiene totalmente [3].

ACCIONAMIENTOS:

Los molinos horizontales para minerales son aplicaciones de baja velocidad y alto par. Hay básicamente tres formas de accionamiento: central, corona periférica y accionamiento directo.

ACCIONAMIENTO CENTRAL:

Consiste en engranajes alojados dentro de una caja cerrada con el eje de salida acoplado directamente al eje central del molino. Este tipo de trasmisión es ampliamente usado en la industria del cemento porque no le afectan ni la expansión térmica ni otras deformaciones del molino. Otras ventajas importantes de este arreglo son: que los engranes están protegidos contra un medio ambiente adverso; que son transmisiones relativamente compactas, ahorrando espacio y peso en la estructura de soporte para todo el molino; que su instalación y alineación son relativamente sencillas; y que producen menos ruido y vibraciones que las transmisiones a base de corona periférica [4].

Arreglo de engranes para una transmisión
central con engranes fijos. La primera etapa,
a la izquierda, con un piñón y dos engranes,
y la segunda etapa con dos piñones y un
engrane.

Los accionamientos centrales para molinos de bajas potencias pueden emplear motores y reductores de velocidad industriales estándar pero cuando la potencia requerida está dentro de un rango de 1 a 10 MW, se hace necesario incrementar la densidad de potencia (potencia transmitida por unidad de masa del reductor) mediante arreglos que permiten que la carga sea compartida entre varios engranes. Los engranes pueden ser fijos (imagen de la izquierda), o pueden ser arreglos planetarios (imagen de abajo). 

Las transmisiones de engranes planetarios para accionamiento central han pasado por varias etapas de desarrollo que en un lapso menor a 50 años, en base a mejores diseños y materiales y al empleo de cojinetes hidrodinámicos, se ha reducido el peso a menos de la mitad del original y al mismo tiempo se ha incrementando el factor de servicio AGMA de 2 a 2.5 [3].

ENGRANE O CORONA PERIFÉRICA:

Un engrane o corona en la periferia del molino accionado por uno o varios piñones, es una solución sencilla y barata de accionar molinos con requerimiento de potencia hasta unos 20 MW. Sin embargo, su diseño, fabricación y montaje son altamente especializados, por lo que se recomienda, como para cualquier otro elemento de transmisión, seleccionar cuidadosamente al proveedor y trabajar con él desde el principio del proyecto. En molinos que trabajan en frío, la corona normalmente se fija mediante tornillos a una brida soldada a la superficie cilíndrica exterior del molino. En hornos o molinos que trabajan a alta temperatura,  la corona está a una temperatura inferior a la del molino y el montaje es mediante resortes que absorben la diferencia en la expansión térmica entre estos dos elementos.

Arreglo de dos piñones en transmisión expuesta

(el dibujo no muestra las transmisiones auxiliares

que podrían estar acopladas al lado opuesto

a la transmisión principal de cada piñón)

Los dientes de la corona y los piñones pueden ser rectos, helicoidales o de doble hélice. Las coronas comúnmente serán de dos secciones hasta un diámetro de unos 7.5 m, de ahí en adelante se fabrican de tres o más segmentos. Las técnicas modernas permiten la fabricación de coronas en 6 segmentos o más, que  pueden rebasar los 14 m de diámetro. Entre mayor sea el diámetro y el número de segmentos, más dificultad presentará la instalación de la corona y se hace necesario reducir al mínimo la excentricidad en su giro para lograr una contacto adecuado entre los dientes de los engranes [5 y 6].

Arreglo de engranes en una transmisión cerrada en tres etapas: la

 primera consiste en el piñón de alta velocidad,1, y un engrane,2; en la

segunda etapa hay dos piñones, 3 (uno a cada lado del engrane, 2) y

dos engranes,4; y en la última etapa hay dos piñones,5 (azules),  y la

corona periférica, 6 (mostrada como un segmento color verde)

En la mayoría de las aplicaciones, las coronas y sus piñones están expuestas pero también pueden estar cerradas para protección contra un medio ambiente hostil. La capacidad de transmisión de la corona se puede incrementar haciendo que más de un piñón comparta la carga. Las transmisiones expuestas normalmente tienen un motor para cada piñón y las transmisiones cerradas se prestan mejor a arreglos con dos piñones por cada motor (ilustración de la izquierda). 

Corona con dos accionamientos cerrados, cada uno con dos piñones.
La doble extensión del eje de entrada permite acopar una extensión al
Motor principal y la otra, al accionamiento auxiliar.

ACCIONAMIENTO DIRECTO

Conocidos también como GMD (Gearless Mill Drive), consisten en un motor eléctrico que envuelve al molino y lo emplea como rotor. Aunque por sus dimensiones y peso representa una solución costosa y difícil de fabricar, transportar e instalar, el accionamiento directo elimina la transmisión auxiliar así como los acoplamientos, cajas de engranes y cojinetes de la transmisión principal, permitiendo una mayor eficiencia y control del molino. Este sistema puede alcanzar potencias superiores a las que en la actualidad son prácticas para transmisiones a base de coronas periféricas. Las GMD, por lo tanto, tienen mayor aplicación en molinos autógenos y semiautógenos en el rango de 16 a 28 MW, alcanzando diámetros cercanos a los 13 m [7, 8 y 9].

ACCIONAMIENTO AUXILIAR

Dependiendo del tipo de motor principal que emplee el molino, algunos requieren de un accionamiento auxiliar para los movimientos de baja velocidad y posicionamiento para su mantenimiento.

1.- Motor auxiliar con freno de contravuelta

2.- Acoplamiento hidráulico

3.- Freno estático de fricción

4.- Reductor de velocidad auxiliar

5.- Acoplamiento tipo mordaza

6.- Motor Principal

7.- Acoplamiento elástico

8.- Reductor de engranes planetarios

9.- Brida para acoplamiento al molino

10.- Sistema de lubricación.

El motor auxiliar,1, tiene un freno de contravuelta integrado que impide el giro en sentido invertido. El acoplamiento hidráulico, 2, puede actuar, entonces, como freno dinámico cuando el molino gira en sentide invertido cuando se columpia al cortar el suministro de energía al motor auxiliar. Durante el proceso de paro, el reductor principal requiere de lubricación que se le puede hacer llegar suministrando energía eléctrica a los motores de las bombas de lubricación o mediante un sistema auxiliar de lubricación a base de gravedad. El acoplamiento de mordaza, 5, permite usar el motor auxiliar para el arranque y desembraga automáticamente cundo el motor principal rebasa la velocidad del accionamiento auxiliar. El embragado o desembragado manual de este acoplamiento sólo puede hacerse con el molino totalmente parado.

La velocidad típica de operación para molinos horizontales de bolas es de unas 14 a 18 rpm con poca variación del par requerido respecto a la velocidad a la que gira el molino. Si para propósitos de mantenimiento se requiere una velocidad de giro de 1.5 rpm aproximadamente, la relación de velocidad para la transmisión auxiliar acoplada a la extensión posterior del eje del motor será del orden de 10:1 y la potencia requerida para el motor auxiliar será del orden de una décima parte de la potencia del motor principal.

CONCLUSIÓN

Los molinos horizontales para minerales y materiales similares son una aplicación demandante para los elementos de transmisión, conviene, por ello, trabajar con fabricantes con la experiencia y los conocimientos necesarios para ofrecer productos que garanticen una operación eficiente, confiable y rentable.

 Los accionamientos centrales pueden transmitir hasta 10 MW y son una buena solución para molinos de bolas que trabajan a alta temperatura y en ambientes contaminados; las coronas periféreicas con piñón son una solución relativamente barata que requiere cuidado en la fabricación, transporte e instalación, y representan una buena solución para transmitir entre 10 y 20 MW de potencia; y el accionamiento directo es una solución eficiente y es la mejor opción para potencias en el rango de 16 a 28 MW.

REFERENCIAS:

1.- Grinding Mill Design & Ball Mill Manucacturer. 911 Metallurginst

2.- Ball Mill Critical Speed & Working Condition. 911 Metallugy Corpration. YouTube

3.- High torque Planetary Gears PBLZ for Central Mill Drivea, Renk AG

4.- W Acle. Central Drice or Girth Gear Drive for Ball Mills. MAAG Zurich 

5.- Steve Lovell. Girth Gears- More than just Metals and Teeth Gear Technology, May, 2017

6.- Joe Brown. Ring Gear Drives Huge Grinding Mill. Power Transmission Design, March 01, 2000

7.- Maarten van de Vijfeijken. Mills and GMD's. International Mining, October 2010  

8.- Helmut Liepolt. Mining for Productivity and Profit. Siemens Customer Magazine

9.- R. Kalra, J. Jiangang, I. Druce, M. Rauscher. Updates on Geared vs. Gearless Drive Solutions for Grinding Mills. SME Annual Meeting February 24-27, 2013. Denver, Co. USA

REDUCTORES Y MULTIPLICADORES PARA TURBOMAQUINARIA

INTRODUCCIÓN

La turbomaquinaria requiere de la transmisión de grandes cantidades de potencia mecánica a altas velocidades, condiciones que provocan deformaciones, vibraciones y elevación de temperatura en los componentes de la transmisión. Además, es común que este tipo de maquinaria se emplee en aplicaciones demandantes en cuanto a seguridad y confiabilidad, como en la extracción y bombeo de hidrocarburos, la compresión de gases y la generación de energía.  A primera vista los engranajes para estas aplicaciones parecen similares a los que se emplean en otros tipos de maquinaria, sin embargo, las condiciones de trabajo imponen criterios especiales para su diseño, fabricación, selección, soporte y en el arreglo de la transmisión. Este artículo echa un vistazo a algunas formas de cumplir con los requerimientos para transmisiones de engranes en aplicaciones de turbomaquinaria

TRANSMISIÓN DE GRANDES CANTIDADES DE POTENCIA A ALTAS VELOCIDADES:

El rango de potencia entre 500 kW y 500 MW, y velocidades entre  3,000 y 60,000 rpm exige engranajes debidamente clasificados para soportar  los elevados esfuerzos de contacto entre los dientes, las cargas axiales que generan los engranes helicoidales y el calor que se genera en los cojinetes y engranes.

ESFUERZOS  DE CONTACTO

Como hemos visto en artículos anteriores, tratándose de movimiento giratorio la potencia está dada por el producto del par multiplicado por la velocidad de giro, por lo tanto, el par está dado por la relación:

T: Par (N-m)

P: Potencia (W)

w: Velocidad angular (s^-1)

El par se transmite a través de las fuerzas de contacto entre los dientes de los engranes:

  

a: ángulo de presión

b: ángulo de hélice

R: Diámetro de paso dividido entre 2 (m)

F_t: Fuerza Tangencial (N)

F_s: Fuerza de separación (N)

F_a: Fuerza Axial (N)

Para una fuerza dada, los esfuerzos disminuirán en la medida que se incremente la superficie de contacto, y ésta depende de los siguientes factores de diseño:

·         El ancho del diente

·         Los radios de curvatura de las superficies en contacto

·         Las deformaciones provocadas por estos mismos esfuerzos (dureza del material)

·         El número de dientes en contacto

·         La rugosidad de las superficies en contacto

SOPORTES AXIALES

En los engranes rectos, el ángulo de hélice es cero y por lo tanto no se generan cargas axiales. Las cargas axiales resultantes también se eliminan en los engranes con doble hélice que generan cargas iguales y axiales opuestas.

Los rotores del motor, de la caja de engranes y de la máquina conducida pueden o no llevar sus propios soportes de carga axial. Si cada rotor tiene sus propios soportes axiales, los acoplamientos entre rotores deben permitir el movimiento lateral relativo entre los ejes para que no haya transmisión de cargas axiales entre un componente y otro. Mediante acoplamientos que limiten el movimiento lateral entre ejes, los rotores que no tienen sus propios soportes axiales pueden utilizar los del rotor al que están acoplados para mantenerse en su lugar. Esto significa que tanto la colocación de los cojinetes axiales para todo el tren de transmisión como el tipo de acoplamiento entre rotores son parte integral del proceso de diseño y selección del tren de transmisión.

Esta representación esquemática muestra únicamente las fuerzas
axiales que actúan sobre el piñón, que son iguales y opuestas.

A principios del siglo pasado, Brown Boveri desarrolló un anillo o collarín para sustituir los cojinetes axiales de los ejes de alta velocidad con piñones helicoidales. El collarín neutraliza las cargas axiales en cada eje, de manera que solamente se requieren cojinetes axiales en el eje de baja velocidad para mantener a ambos rotores en su posición adecuada. Este diseño aprovecha el hecho de que la velocidad de deslizamiento entre las superficies en contacto del collarín es mucho menor en el diámetro de paso de los engranes que en los cojinetes axiales. El collarín, entonces, requiere menos lubricante y genera menos calor que un cojinete axial. El collarín, además, es más barato y ofrece menor movimiento axial que los engranes de doble hélice. Hoy en día, varios fabricantes de engranajes para alta velocidad usan este dispositivo que ha demostrado su efectividad a los largo de los años.

SOPORTES RADIALES

Además de soportar el peso de los componentes, los cojinetes deben soportar también las cargas provocadas por las fuerzas tangenciales, de separación y axiales, descritas arriba. Estas cargas normalmente son varias veces superiores al peso de los componentes giratorios. Como consecuencia, un cambio en las condiciones de operación implica una variación en la respuesta dinámica del sistema (vibraciones), y por lo tanto, las especificaciones para los cojinetes, ya sean hidrodinámicos o lubricados a presión, se establecen en base a las condiciones de operación de una aplicación específica. Por ejemplo, un tren de engranes que gira a alta velocidad sin carga tenderá a ser más errático que durante la operación normal.

GENERACIÓN DE CALOR

Al transmitir movimiento con un 98.5% de eficiencia se genera  calor a razón del 1.5% de la potencia transmitida. Una transmisión de 10 MW estaría generando 150 kW (150 kJ cada segundo) de calor, suficiente energía para elevar la temperatura de un engrane de acero (calor específico 0.49 kJ/(K-kg)) de 100 kg, en 3°C cada segundo. Sin embargo el calor también se está disipando, de manera que al llegar a una temperatura de equilibrio, el lubricante y el aire eliminan el calor a la misma velocidad a la que se genera. Esta temperatura de equilibrio dependerá de la eficiencia del reductor y de la eficacia del sistema de enfriamiento, dos consideraciones muy importantes en el diseño y selección de reductores y multiplicadores para alta velocidad.

A velocidades tangenciales superiores a unos 120 m/s en los dientes de los engranes, además de las perdidas por el deslizamiento entre las superficies en contacto, hay pérdidas ocasionadas por las turbulencias que los engranes provocan en el aire que los rodea y porque el contacto entre los dientes comprime y bombea axialmente la mezcla de aire y aceite. Mediante una tecnología que permite mantener los engranes en un vacío de 80 a 85% y con cojinetes de mayor eficiencia, Renk-MAAG ha desarrollado su reductor HET Gear ©(High Eficiency Turbo Gear)para aplicaciones de generación de energía, accionamiento de compresores, recuperación de energía, ciclo combinado y cogeneración. Esta tecnología permite reducir las pérdidas de potencia hasta a la mitad respecto a otros reductores de alta velocidad.

Consideremos el accionamiento de un compresor de 15 MW con una eficiencia de 98.5%. La pérdida sería 225 kW. Si esta se reduce a la mitad (eficiencia de 99.25%) tendríamos un ahorro de 112 kW. A un costo promedio de 0.06 USD por kW-h, el ahorro sería de 53,700 USD por año (112 kW x 8000 h/año x 0.06 USD/kW-h). Cantidad que ciertamente vale la pena considerar al seleccionar los reductores de velocidad, especialmente en aplicaciones de mayores potencias y velocidades.

DEFORMACIONES EN LOS DIENTES

Durante la operación, los rotores se ven sometidos a tres tipos de deformaciones mecanicas y térmicas, que a su vez provocan deformaciones en el perfil de los dientes:

·         La deflexión de los ejes y engranes debido al momento flexionante provocado por las fuerzas de contacto;

·         La torsión en el eje y el engrane al transmitir el par de trabajo; y,

·         La deformación causada por las diferencias de temperatura dentro del engrane

Para compensar estas deformaciones, es necesario modificar el perfil del diente en forma tal que en condiciones de operación se obtenga un contacto óptimo. Estas modificaciones no permiten usar las superficies de trabajo como referencia de contacto estático sin carga (verificación mediante tinta azul de Prusia). Una práctica común para contrarrestar esta limitación es hacer esta prueba únicamente en las superficies de los dientes que no estarán en contacto durante la operación y que por lo tanto, no se han modificado.

Las modificaciones al perfil de las superficies de contacto y al ángulo de hélice se definen base a la investigación, desarrollo y experiencia de los fabricantes  y por lo tanto, desempeñan un papel determinante en la capacidad, la vida útil y la confiabilidad de un tren de engranes. Es por ello de suma importancia evaluar adecuadamente la historia y los conocimientos del fabricante al seleccionar proveedores de reductores y multiplicadores de velocidad para turbomaquinaria.

ARREGLOS DEL TREN DE ENGRANES

Las transmisiones más comúnmente usadas para turbomaquinaria son de ejes paralelos o de engranes planetarios. Las de ejes paralelos pueden tener engranes helicoidales o de doble hélice mientras en que la planetarias también se pueden incorporar engranes rectos cuyo mantenimiento es más sencillo y tienen menor costo de fabricación. Un refinado sistema de soporte permite que el piñón central encuentre el centro del círculo de paso verdadero para el contacto entre el piñón y los conjunto de engranes planetarios permitiendo la flotación del piñón central para colocarse en posición adecuada para una buena distribución de las cargas.  No se puede exagerar la importancia de una buena calidad de fabricación para lograr el funcionamiento adecuando de este mecanismo.

Mediante un engrane central y varios piñones de alta velocidad se pueden tener salidas múltiples para accionar diferentes etapas de compresores con varios ejes. El modelo Multicom© de Renk-MAAG ofrece hasta 10 etapas de compresión con velocidades que pueden alcanzar las 63,000 rpm.

Como hemos visto, en los engranajes planetarios, la carga se reparte entre varios engranes, permitiendo transmisiones de menor tamaño y peso que se traduce en ahorros en la construcción de la planta y resultan especialmente atractivos para transmisiones marinas, plataformas marinas e instalaciones FPSO (floating, production, storage and offloading), en las que hay poco espacio disponible.

El arreglo preferido para velocidades inferiores s 2000 rpm es con un piñón central como elemento de entrada, una corona fija y la salida mediantes el portador de engranes planetarios. Este patrón puede repetirse para varias etapas sucesivas de reducción. Aunque este arreglo también se usa en reductores y multiplicadores para turbomaquinaria, también se usa el mismo arreglo pero con el portador de engranes planetarios fijo y la salida a través de la corona. Las siguientes gráficas muestran arreglos comúnmente empleados para reductores y multiplicadores de dos etapas.

 

SYSTEMAS DE MONITOREO

Por las arduas condiciones de trabajo y lo crítico de su función, es común que estas transmisiones se suministren de fábrica con sensores de velocidad, vibraciones, temperatura y presión de aceite, así como equipos completos de monitoreo y diagnóstico de condición que permiten la detección temprana de fallas inminentes. Hoy en día, estos sistemas forman parte esencial de la operación y mantenimiento de las plantas modernas de generación de energía.

CONCLUSIÓN

A diferencia de las aplicaciones más comunes que tienen un proceso simple de selección de productos de un catálogo, el diseño, selección, instalación y puesta en marcha de reductores y multiplicadores de velocidad para turbomaquinaria requiere de un análisis cuidadoso de las condiciones de operación y del impacto financiero de la eficiencia y la confiabilidad. La experiencia y reputación del fabricante deben ser una consideración de primer nivel en la decisión de adquisición de estos equipos.

 REFERENCIAS

© Marca registrada de Renk-MAAG GmbH

The Brown Boveri Review Vol XIII Feb. 1926  https://library.e.abb.com/public/fef62f8998304b4f8bcb75b78f03d624/bbc_mitteilungen_1926_e_02.pdf?x-sign=SSOarekkJ9MPe0kC7JHwdzsQRnX+vLZGmiOtIE1wI4XisgTFo5BkKvxzoLD954nf

Gear Thrust Collars and solid couplings instead of thrust bearings and toothed type couplings.

https://www.artec-machine.com/wp-content/docs/gear_thrust_collars.pdf

Gear Technology, artículos varios https://www.geartechnology.com/subjects/high_speed_gear_design_marine_industrial/