Por Eduardo Niño de Rivera
Con
colaboración especial de
John
B. Amedola Sr.
Artec
Machine-Systems
INTRODUCCIÓN.
La norma para engranajes API
(American Petroleum Institute) 613 abarca reductores y multiplicadores de velocidad de ejes paralelos de una o
dos etapas de engranes helicoidales o de doble hélice suministrados en caja
cerrada, empleados para servicio especial en las industrias del petróleo,
química y gas, y se aplica a maquinaria en operación continua para las
que no hay un equipo de repuesto instalado. Esta norma no incluye equipos de
uso general a velocidades inferiores a 60 m/s en el círculo de paso, que están contemplados en la norma API 677;
o engranes integrados en otros equipos, como compresores, que están incluidos en las normas API 617 y 672. Cada una de
estas normas tiene su propio ámbito a aplicación y no debe emplearse en
aplicaciones que corresponden a otra.
La norma API
613 abarca prácticamente todos los detalles referentes al diseño y construcción
de las cajas de engranes y otros componentes como el sistema de lubricación,
los controles, la instrumentación y otros equipos auxiliares. La 5ª edición
(vigente) fue publicada en febrero del 2003. Actualmente, las modificaciones propuestas
para la 6ª edición están en proceso de aprobación por parte de la junta de
gobierno de API y se espera que la nueva versión sea aprobada y publicada durante
el presente año. En este artículo veremos algunos aspectos de la norma vigente
así como de las modificaciones
propuestas y sus implicaciones para diseñadores, fabricantes, compradores y
usuarios de reductores y multiplicadores de
alta velocidad.
REQUISITOS
BÁSICOS.
La norma API
613 se refiere a cajas de engranes para aplicaciones que requieren una larga vida útil en operación continua y un alto nivel de confiabilidad. Comparada con otras, esta norma es más estricta
en las reglas para realizar cálculos y fija límites más bajos para los
esfuerzos admisibles, por lo tanto, los engranajes que cumplen con ella tienen un
mayor tamaño y costo de adquisición que aquellos que solamente cumplen con normas menos
exigentes, como AGMA o, excepto para
engranes tratados al núcleo, ISO [1].
CAPACIDAD
API 613-5 VS. AGMA
La capacidad
de transmisión de potencia de los engranajes que trabajan a alta velocidad está
limitada por los esfuerzos de contacto entre los dientes, los esfuerzos
derivados del momento flexionante que produce este contacto y la posibilidad de
desgaste por roce metálico entre los dientes de los engranes. El apéndice J de
la 5ª edición de API 613 explica las diferencias que hay entre el cálculo de
esfuerzos en base a esta norma y en base a la norma AGMA2101-D06. Aunque las
formulas de cálculo son muy similares, mientras que la norma AGMA permite
factores basados en consideraciones de diseño, API impone valores fijos más
restringidos. Además, API fija valores más bajos para los esfuerzos máximos
permitidos. Como consecuencia de estas diferencias, la capacidad de transmisión
conforme a esta norma resulta menor a la de AGMA, por ejemplo, en el artículo “A
Comparison of Current AGMA, ISO and API Gear Rating Methods”, publicado en el
número de Julio del 2018 de la revista Gear Techology [1], John M. Rinaldo reporta capacidades calculadas
conforme a los criterios de la norma AGMA 6011 aproximadamente al doble de las
que obtiene usando API 613-5 para el mismo grupo de engranes.
LAS NORMAS
ISO
De acuerdo a
información proporcionada por John B. Amendola Sr, en el 2001, ISO publicó la
norma 13691 para cubrir el ámbito de aplicación de API 613. La base para el
cálculo de la capacidad de una transmisión conforme a la norma 13691 está
contemplada en la norma ISO 6336, que no tiene un apartado especial para
transmisiones de alta velocidad y realmente no ofrece buenos resultados para
engranes con velocidades superiores a 50 m/s en el diámetro de paso. Por esta
razón, es poco frecuente que se esta norma se incluya en especificaciones para
turbo-maquinaria. Sin embargo, ocasionalmente se estipulan tanto la
norma API 613 como la ISO 13691 para un mismo proyecto. Estas normas son
incompatibles entre sí respecto al cálculo de la capacidad de transmisión,
haciendo necesario manifestar excepción sobre la norma ISO en la documentación
del proyecto.
PUREZA DEL
MATERIAL
Las
fracturas y el descascaramiento o pitting generalmente inician bajo la
superficie de los dientes en puntos en que las impurezas en el material provocan
concentración de los esfuerzos máximos, ya sean provocados por momento flexinante o por
contacto. Otras fallas catastróficas pueden deberse a impurezas en el núcleo
del material que no fueron debidamente tratadas en el proceso de forja. Por
estas razones, la pureza del material es determinante en la vida útil y
en la confiabilidad de los engranes. La
norma API 613-5 establece que, con excepción de los puntos que esta misma norma
indica, los engranes deben cumplir con AGMA 6011 y
otras normas AGMA relacionadas. Por su lado, la versión J14 de AGMA 6011
estipula que el material debe cumplir con un grado M3 según AGMA 923. Éste,
desde luego, es un requerimiento mínimo y cualquier mejora en la pureza del
material representará una mayor vida útil y confiabilidad en los engranajes.
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| Fotografías por cortesía de Artec Machine Systems |
DAÑOS POR
ROCE METÁLICO
Para evitar
daño a causa del roce entre dos superficies que se deslizan entre sí, el
lubricante debe formar una película suficientemente gruesa para separar las
superficies evitando que haya contacto directo entre las partes más elevadas de
las irregularidades microscópicas de ambas superficies. La 5ª edición de API
613 especifica que se debe cumplir con los requisitos de la norma AGMA 6011-J14,
Anexo B pero reconoce que el proveedor puede usar otros métodos de cálculo e
indica que el riesgo de daño por roce metálico depende de factores como los
materiales de los engranes, el lubricante que se utilice, la viscosidad del
lubricante, la rugosidad de las superficies en contacto, la velocidad de
deslizamiento entre los dientes y la geometría de los dientes; y que cambios en
cualquiera o en todas estas características puede disminuir el riesgo de
desgaste por roce metálico.
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| Daño por roce metálico. Fotografía por cortesía de Artec Machine Systems |
MODIFICACIONES
PROPUESTAS PARA API 613-6
Desde hace 6
años, API formó un grupo de trabajo (Task Force) para preparar la 6ª edición de
la norma 613. Este grupo ha entregado su propuesta para aprobación por parte de SOME, la junta de gobierno de la API. John B. Amendola Sr. miembro de este grupo de
trabajo, indica que la mayoría de las modificaciones propuestas buscan mejorar
la redacción para evitar malas interpretaciones en el método de cálculo para
establecer la capacidad de la transmisión. Además, se está proponiendo una
modificación este método de cálculo para alinearlo con la norma
AGMA 6011-J14 pero aplicando un factor de disminución que generan capacidades en niveles similares
a los de la 5ª edición.
La propuesta incluye un interesante anexo que discute las diferentes causas
por las que los engranes de alta velocidad fallan, las condiciones que pueden
imponer límites a la capacidad de transmisión por debajo de los que se
establecen en base a los esfuerzos de contacto o los provocados por el momento
flexionante, y algunos posibles remedios.
MODIFICACIÓN
AL ÁNGULO DE HÉLICE Y AL PERFIL DE LOS DIENTES
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| Cortesía de Artec Machine Systems |
Independientemente
de la norma que se aplique, el cálculo de los esfuerzos supone que hay un
contacto adecuado entre los dientes de los engranes. Sin embargo, los esfuerzos
y las diferencias de temperatura que se dan en condiciones de operación a lo
largo de los dientes provocan deformaciones que modifican el patrón de contacto
respecto a un estado estático a temperatura ambiente. La norma API 613 reconoce
que cuando estas deformaciones exceden ciertos límites, es necesario modificar
el perfil de los dientes para que el contacto ideal se dé en condiciones
normales de operación. Aunque la norma requiere que esta modificación se
determine analíticamente, no dice cómo deben realizarse los cálculos
correspondientes porque cada fabricante determina sus formulas de
acuerdo de su propia experiencia e investigación.
OTROS
COMPONENTES
La intención
de esta norma es garantizar que el equipo cumplirá con las necesidades de
operación y con la vida útil requerida. En base a la experiencia acumulada
durante muchos años, la norma toma en cuenta todos los aspectos relevantes
respecto a la fabricación, pruebas, embalaje,
transporte, instalación y puesta en marcha del reductor o multiplicador
de velocidad. La norma también establece requisitos y ofrece sugerencias
respecto a los demás componentes que conforman la transmisión, como la caja,
las chumaceras, el lubricante, el sistema de lubricación, los acoplamientos,
los embragues y la instrumentación.
INTERCAMBIO
DE INFORMACIÓN ENTRE CLIENTE Y PROVEEDOR
CONSECUENCIAS DE ESPECIFICAR API 613 CUANDO NO SE REQUIERE
La discusión
anterior puede llevarnos a la conclusión errónea de que al exigir que una
transmisión cumpla con la norma API 613 o al especificar factores de servicio
superiores a los necesarios, estaremos
asegurando una mayor confiabilidad para la transmisión. Tratándose de
engranajes de alta velocidad, una especificación superior a la requerida para
su buen funcionamiento y una vida útil adecuada, implica que los engranes serán
más anchos o de mayor diámetro. Los engranes más anchos no sólo son más sensibles
a la desalineación, también provocan un mayor incremento en la temperatura del
aceite, que ahora tiene que hacer un recorrido más largo en contacto con la
superficie caliente de los dientes antes de ser expulsado para incorporarse al aceite en circulación. Los engranes de mayor diámetro tendrán velocidades más altas de
deslizamiento entre las superficies de los dientes en contacto, condición que también
provoca un incremento en la temperatura y en el riesgo de daño por roce
metálico entre los dientes. Además, al ser sometidos a temperaturas elevadas
durante periodos prolongados se corre el riesgo de que los dientes sufran
cambios dimensionales permanentes [2]. Más que un mayor tamaño, los factores
que importan son una distribución pareja de la carga, disminuir las velocidades
de deslizamiento y una buena lubricación [3].
CONCLUSIÓN.
La norma API
613 se aplica a transmisiones para alta velocidad en máquinas en operación
continua para los que no hay un equipo de reemplazo instalado; exige un mínimo de 5 años de operación ininterrumpida; se
aplica a engranes helicoidales o de doble hélice suministrados en caja
independiente; establece criterios de diseño más restringidos y por los tanto,
exige transmisiones de mayor tamaño y costo que los equipos que solamente
cumplen con normas orientadas a uso general, como AGMA o ISO. Esta norma
contempla prácticamente todos los detalles necesarios para que la transmisión
tenga un desempeño adecuado y para que todas las partes involucradas en la especificación,
adquisición, venta, diseño, fabricación, transporte, instalación, puesta en
marcha y operación conozcan claramente los alcances y responsabilidades que a
cada uno le competen. Aplicada correctamente, la norma promueve un desempeño
satisfactorio y un alto grado de confiabilidad pero deben reconocerse sus
limitaciones y la importancia de la experiencia, investigación y desarrollo de
los fabricantes de la transmisión.
De ser aprobadas, las modificaciones propuestas
para la 6ª edición deben clarificar algunos conceptos, dar mayor certidumbre
respecto al cálculo de la capacidad y ofrecer mayor información respecto a
diferentes condiciones que imponen limites a la capacidad real de transmisión
para los engranajes de alta velocidad
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