LIMITADORES DE PAR III.- MECANISMOS QUE DESEMBRAGAN

Este es el tercero y último artículo de una serie dedicada a embragues limitadores de par. El primero trata sobre los conceptos básicos: su razón de ser, criterios de selección, nivel adecuado de protección y el lugar de la transmisión en que conviene colocarlos. El segundo trata sobre los limitadores de par a base de fricción, que siguen transmitiendo un par mientras permiten que haya deslizamiento entre el lado motriz y el conducido. Este tercer artículo trata sobre limitadores de par que desembragan desacoplando el motor del resto de la máquina.  

Los mecanismos más usados en este tipo de limitadores de par son trinquetes, levas con rodillo y bolas en muescas. En todos ellos, el desembragado ocurre cuando el par vence la fuerza que mantiene al mecanismo en su lugar. 

Puede variar el número de trinquetes por embrague. En la posición de embragado, el trinquete, que está fijo a un lado del embrague, se mantiene, mediante la fuerza del resorte, en una hendidura del otro lado del embrague. En cuanto el par vence la fuerza del resorte, el triquete sale de la hendidura y queda desembragado. Para volver a embragar, el trinquete debe volverse a alinear con la hendidura.

 Para transmitir movimiento, el rodillo se atora en una ranura de la leva. Cuando el par vence la fuerza del resorte, el rodillo sale de la ranura y rueda sobre la leva, desacoplando la transmisión. El mecanismo vuelve a embragar cunado el rodillo entra otra vez a la ranura después de un giro completo.

Mediante resortes, se mantiene a un conjunto de bolas dentro de muescas que hay en  los platos de transmisión (un es fijo y el otro puede deslizar). Cuando el par vence la fuerza del resorte, las bolas salen de sus muescas y ruedan libremente en la parte plana de los platos. El re-embragado ocurre cuando las bolas vuelven a quedar alineadas con un las muescas de ambos platos.

                                          Fotografía de Autogard (empresa del grupo Rexnord)

Una vez que el trinquete, el rodillo o las bolas salen de su lugar, la transmisión queda desacoplada hasta que el lado motriz y el conducido vuelven a alinearse para quedar en posición de transmisión, ofreciendo dos opciones básicas:

A.- Embragado automático. El trinquete, el rodillo o las bolas permanecen en contacto con los discos, tambores, o levas de transmisión y vuelven a acomodarse para transmitir movimiento en cuanto quedan alineados nuevamente. El embragado debe hacerse a velocidad baja para permitir que el mecanismo pueda acomodarse en su posición de transmisión, de lo contrario, la inercia lo haga salir de nuevo sin que haya embragado. Esta condición también pone limite a la velocidad de operación porque el mecanismo estará entrando y saliendo de su posición de transmisión mientras el motor no se haya detenido totalmente, y entre más rápido vaya, mas tardará en detenerse, provocando desgaste prematuro en el mecanismo de transmisión; y,

B.- Desembragado que requiere de una acción deliberada para volver a embragar. Esta opción permite mayores velocidades porque el mecanismo de transmisión no trata de acomodarse cada vez que se vuelve a alinear, y también brinda mayor seguridad porque la máquina solamente podrá volver a arrancar si se le da la instrucción de hacerlo.

El par generalmente se controla mediante resortes pero también hay la opción de emplear sistemas neumáticos que permiten ajustarlo sobre la marcha, pudiendo así adaptarse a las necesidades de algún proceso productivo en particular.

Fotografía de Autogard (empresa del grupo Rexnord)

Para cualquiera de estos mecanismos se tiene la opción de que el embragado se dé en una sola posición (giro completo de 360°), permitiendo mantener diferentes partes de la máquina en la misma fase, o en varias posiciones posibles con desplazamiento menor a 360°. 

Debido a que hay muchas variaciones en el diseño y la construcción para cada uno de estos mecanismos, es prácticamente imposible hacer generalizaciones para comparar unos con otros. La selección depende del trabajo a desempeñar y de factores económicos. Los criterios técnicos  a considerar son:

•        El par al que será calibrado;
•          Los requerimientos de la aplicación (velocidad, confiabilidad, frecuencia, etc.);
•          Los diámetros de los ejes sobre los que será montado;
•          El elemento de transmisión al que será acoplado (polea, rueda dentadas, acoplamiento, eje cardán, etc.); y,
•          El medio ambiente en el que estará operando

Estos embragues transmiten el movimiento del motor a la máquina en su totalidad o los desacoplan completamente, y por lo tanto, a diferencia de los limitadores de par a base de fricción, no generan calor durante el tiempo en que hay deslizamiento entre sus partes internas.

Por seguridad, conviene tener interruptores o sensores que permitan cortar automáticamente el suministro de energía a la máquina en cuanto el limitador de par haya desembragado.

OTROS MECANISMOS

Aunque estrictamente hablando no sean embragues, las ruedas dentadas y los acoplamientos adaptados para incorporar pernos de corte representan una protección basada en poner límite al par que se puede transmitir, y por ende, pueden considerarse como mecanismos limitadores de par. Estos dispositivos emplean un perno que se rompe al ser sometido a una determinada fuerza en corte y que al estar colocado a un radio de giro específico, representa un par de ruptura en el que la transmisión quedará totalmente desacoplada. Este sistema tiene algunos inconvenientes: el primero es que es necesario tener en el almacén pernos calibrados; además, toma tiempo reemplazar un perno roto para volver a arrancar la máquina; y, si el perno está expuesto a esfuerzos superiores a su límite de fatiga, puede romperse sin haber alcanzado el par de protección. Cuando esto sucede es común que el personal de Producción o de Mantenimiento llegue a la conclusión de que la calibración es demasiado baja, y decida usar un perno más robusto, eliminando la protección que ofrecía el perno original. Lo mismo puede suceder cuando no se tiene disponible un perno calibrado y hay presión para volver a arrancar la máquina a la brevedad posible.

Otro mecanismo que tampoco es un embrague pero tiene la finalidad de proteger al equipo contra un frenado abrupto de la máquina es el brazo de reacción que se colapsa o se extiende ante una fuerza superior al nivel de protección establecido. Este mecanismo puede emplearse en motor-reductores montados directamente sobre el eje de la máquina. La principal limitación es que la transmisión no se desacopla, de manera que los componentes de la máquina y la transmisión tienen que absorber la torsión que provoca el motor-reductor una vez que el brazo de reacción se ha colapsado o extendido.

Un sistema más son los bujes que se expanden mediante aceite a presión, bloqueando el contacto entre un eje y un  elemento de transmisión, como una polea, rueda dentada, acoplamiento o eje cardán. El  buje tiene un dispositivo que corta el tapón en cuanto hay deslizamiento entre el eje y el elemento de transmisión, y permite la salida de aceite. Al eliminarse la presión en el interior del buje, este se contrae y permite que el eje y el elemento de transmisión deslicen con un mínimo de fricción.

El próximo artículo tratará sobre acoplamientos hidráulicos.

Limitadores de Par II.- A Base de Fricción

El principio básico de estos limitadores de par es que la fuerza de fricción que se opone al deslizamiento entre dos superficies en contacto es proporcional a la fuerza perpendicular que las une. Su construcción incluye cuando menos un elemento de material de fricción que hace contacto mediante una fuera controlada con uno o más elementos de transmisión. Normalmente los elementos de fricción y de transmisión tienen forma de disco y la fuerza que los une se controla mediante resortes, campos magnéticos o presión de aire.

Los embragues limitadores de par o limitadores de toque a base de fricción se fabrican en una amplia gama de dimensiones, que pueden empezar en ejes de  unos 3 mm (0.1181”) de diámetro con calibraciones menores a 0.1 Nm (0.9 lb-in) y llegan a tener ejes mayores a 200 mm (7.875”) con calibraciones superiores a 90,000 Nm (66,000 lb-ft). También se fabrican con diferentes niveles de sofisticación, que van desde muy simples hasta bastante sofisticados.

La selección de estos limitadores debe contemplar:

·         El par al que será calibrado;

·         Los diámetros de los ejes sobre los que será montado;

·         El calor que tendrá que absorber y disipar en operación;

·         El elemento de transmisión al que será acoplado; y,

·         El medio ambiente en el que estará operando

MODELO BÁSICO

Quizá el sistema más sencillo sea el que muestra la ilustración, el par se calibra mediante la tuerca de ajuste con la que se incrementa o disminuye la presión sobre los discos de fricción. Las paredes de la rueda dentada deben estar rectificadas en el área de contacto con los discos de fricción y el barreno debe estar dentro de las tolerancias especificadas para deslizar sobre el buje de bronce.  Puede ser una solución sencilla y barata para aplicaciones simples y en ambientes limpios.  Su capacidad de disipación de calor es limitada, ofrece poca flexibilidad respecto a los elementos de transmisión, puede ser necesario volverlo a calibrar a medida que los discos de fricción se desgastan y le afectan las condiciones ambientales adversas, especialmente la corrosión y el desgaste abrasivo.

Como siguiente nivel de sofisticación, algunos fabricantes ofrecen limitadores de par que al mismo diseño básico le incorporan recubrimientos y materiales resistentes a la corrosión, o adaptaciones para diferentes necesidades de trabajo, como acoplamientos elásticos, rodamientos de agujas en lugar del buje de bronce o anchos diversos para transmisión mediante cadenas múltiples, poleas o engranes.

OTRAS OPCIONES:

 Los limitadores de par a base de discos múltiples permiten transmitir pares más elevados en un espacio radial reducido y se adaptan a ambientes secos o inmersos en aceite. Algunos modelos requieren un soporte adicional para centrar el anillo exterior de transmisión.

Algunos limitadores de par, ya sean de un solo disco o de discos múltiples, incluyen cojinetes o adaptadores para montarles un elemento de transmisión, como una polea o un acoplamiento elástico.

Los sistemas de resortes más sofisticados no pierden la calibración por desgaste en los discos de fricción.

También hay modelos que emplean controles eléctricos o neumáticos  para cambiar el par de protección sobre la marcha,  brindando así una protección que se adecúa a necesidades que pueden variar durante algunos procesos productivos.

TURBINAS EÓLICAS PARA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA, UNA APLICACIÓN INTERESANTE

Estudios recientes sugieren que las variaciones abruptas, tanto en la carga sobre el generador como en la dirección y velocidad del viento, provocan cambios repentinos en el par al que están sometidos los componentes de la transmisión. En casos extremos, las ráfagas de viento llegan a provocar una inversión casi instantánea en el sentido de transmisión del par  y se generan vibraciones transitorias que pueden reducir drásticamente la vida útil de los rodamientos¹. Para mitigar los efectos nocivos de esta condición de trabajo, AreoTorque Corporation ha desarrollado un limitador de par que se puede calibrar a un nivel para transmitir en el sentido normal de operación y a un nivel bastante inferior para transmitir en el sentido opuesto. Dicha empresa reporta que las mediciones recabadas y la experiencia en el campo indican que en comparación con los sistemas que tienen la misma calibración en ambos sentidos de giro, la calibración asimétrica incrementa considerablemente la vida útil de los rodamientos y de otros componentes del tren de transmisión.

Referencia:

1.- How Turbulent Winds Abuse Wind Turbine Drivetrains. Doug Herr y David Heidenreich. Revista Windpower, abril 2015

Próximo artículo: Limitadores de Par que Desembragan

Embragues Limitadores de Par. I.- Introducción

Éste será el primer artículo de una serie dedicada a los embragues limitadores de par o limitadores de torque. Este artículo trata sobre la función básica de un limitador de par, los criterios para decidir entre uno que desliza y uno que desembraga, el par de calibración y el lugar de la transmisión en que conviene colocarlos. En artículos futuros profundizaremos sobre diferentes mecanismos que se ofrecen en el mercado y sobre aplicaciones especiales.

DEFINICIÓN.

Un limitador de par es un embrague que no puede transmitir un par superior a un máximo previamente establecido. Podemos pensar en un limitador de par como un supresor de picos o un fusible mecánico que protege a los componentes de una máquina contra cargas excesivas.

EN QUÉ CONDICIONES DEBEN USARSE.

Lo primero que se debe preguntar al diseñar un tren de transmisión es si requiere la protección de un limitador de par o si será suficiente con la protección eléctrica o electrónica del sistema. La protección eléctrica o electrónica funciona a base de sensores de temperatura, corriente, voltaje, velocidad y/o par, que cortan el suministro de energía al motor cuando detectan que la carga en el motor ha rebasado un límite establecido. Estos sistemas son efectivos cuando el incremento en la carga es relativamente pequeño o se da lentamente, pero cuando la máquina sufre un choque, el daño no viene del par generado por el motor sino de las brutales aceleraciones a las que se somete a las partes que están en movimiento.

Cuando una máquina se atora abruptamente, el par necesario para frenar el rotor del motor en forma casi instantánea puede ser varias veces superior su par máximo de arranque, pero al deslizar o desembragar, un limitador de par permite que, aunque el resto de la máquina se haya detenido abruptamente, el motor continúe girando sin causarle daño a la máquina.

La protección que ofrece un limitador de par será más efectiva entre mayor sea el porcentaje de la energía cinética total de la máquina que queda en su lado motriz y que, por ende, no queda sujeta a un frenado instantáneo durante un choque. Si tomamos el momento de inercia de todos los componentes de la máquina reflejados al limitador de par, habrá mayor efectividad en la protección entre mayor sea la proporción del momento de inercia total que se coloque del lado motriz del limitador de par. Esta proporción depende en gran medida del diseño y tipo de máquina, pero también depende del punto de la transmisión en que se coloque el limitador de par, especialmente si la reducción total de velocidad es relativamente alta o si hay componentes con un momento de inercia importante, como volantes, tambores de freno, poleas, etc.

TIPOS DE LIMITADORES DE PAR

Aunque hay una variedad bastante amplia de limitadores de par en el mercado, como primer nivel de análisis podemos separarlos en dos grandes categorías:

A.- Los que continúan transmitiendo un par limitado mientras deslizan permitiendo que el lado conducido se detenga o gire a menor velocidad que el lado motriz; y,

B.- Los que desembragan totalmente.

En la mayoría de los casos la selección entre uno de estos dos tipos dependerá de consideraciones prácticas o económicas, pero una selección equivocada podría tener consecuencias catastróficas en algunas aplicaciones. Consideremos los siguientes ejemplos: un limitador de par que al desembragar permitiera la caída libre de un elevador; o un limitador de par que al deslizar siguiera empujando un mecanismo que estuviera dañando el producto en proceso o a una persona.

EN QUÉ PUNTO DEBE COLOCARSE.

Como  henos visto, la protección que un limitador de par ofrece será más efectiva entre mayor sea el porcentaje de la energía cinética total de la máquina que queda en su lado motriz. Esto normalmente sucede si se coloca tan cerca, mecánicamente, como sea posible del punto donde se da el impacto. Sin embargo, lo más común es que la velocidad de la máquina sea inferior a la del motor y entre más baja sea la velocidad del punto en que se coloca el limitador de par, mayor será el par que tendrá que transmitir durante la operación y, por tanto, también lo serán su tamaño y su costo.

En una transmisión sencilla no habrá mucho de donde escoger, si tenemos un motor-reductor acoplado directamente a la máquina, el único lugar en que lo podríamos colocar sería entre el reductor y la máquina. Pero en una transmisión más compleja, con motor, poleas, reductor de velocidad y cadenas, como muestra la ilustración, habrá muchos lugares para escoger. La efectividad, el tamaño y el costo irán aumentando de la posición A a la D, a medida que incrementa el par que tiene que transmitir. En el análisis final debemos comparar los momentos de inercia, reflejados a una misma velocidad, de las partes en movimiento (el motor,  los componentes de la transmisión y los de la máquina) para determinar cuáles de ellos deberán seguir en movimiento después del impacto. En muchos casos se pueden seguir las recomendaciones de la literatura técnica del limitador de par que se quiere instalar, pero en casos inusuales es preferible consultar con el fabricante del limitador de par porque hay otros factores, como la elasticidad y juego interno de los componentes, que influyen en al forma en que un impacto de transfiere de una parte a otra de la máquina y porque varía la sensibilidad de los diferentes mecanismos con  que se limita el par a transmitir.
 Limitadores de par  

 En máquinas que tienen derivaciones de la transmisión para accionar diferentes mecanismos, es importante colocar un limitador de par en cada derivación para evitar que un choque en una sección de la maquina se transfiera a todas las demás.

CRITERIOS PARA LA CALIBRACIÓN

Durante el arranque, el motor tiene que pasar por el par máximo de su curva característica. Un limitador de par que desembraga deberá poder soportar el par máximo, de lo contrario la máquina se detendrá en el arranque. Si se desea tener una protección inferior al par máximo de arranque, se pueden emplear modelos controlados eléctrica o neumáticamente, que se ajustan a un par elevado durante el arranque y a un par más bajo en operación.

Un embrague que transmite un par mientras desliza puede calibrarse a un par inferior al máximo del motor. El embrague transmitirá el par al que está calibrado mientras desliza durante el periodo de aceleración y dejará de deslizar cuando la máquina haya alcanzado su par y velocidad de operación. El limitador de par deberá tener suficiente capacidad para absorber y disipar el calor que se genera durante el periodo de deslizamiento. Para una máquina que arranca desde posición estática, el calor generado será:

La expresión de la derecha nos dice que el calor generado durante el periodo de deslizamiento es igual a la energía cinética que adquieren los elementos giratorios que están en el lado conducido del embrague más la energía que emplea la máquina durante ese periodo. 

Y para el caso en que el motor sigue girando mientras la máquina está detenida:

E_c: Energía en forma de calor [J o lb-ft]

N_l: Velocidad giratoria de operación del limitador de par [rpm]
J_r: Momento de inercia de los elementos giratorios reflejado al limitador de par [kg-m² o lb-ft²]

T_l: Par que transmite el embrague en deslizamiento [Nm o lb-ft]

T_r: Par requerido por la máquina, en el limitador de par [Nm o lb-ft]

t: tiempo durante el que desliza [s]

No siempre se cuenta con la información necesaria para determinar analíticamente el par al que se debe calibrar un limitador de par. En este caso de selecciona un modelo que pueda soportar el par máximo del motor y se ajusta a un par muy bajo, se arranca la máquina y el embrague seguramente deslizará o desembragará durante el arranque; se detiene la máquina, se ajusta el embrague a un par un poco más elevado y se repite el ejercicio hasta que se alcanza un par en que ya no desliza ni desembraga. Por lo general esta calibración será suficiente para transmitir el par máximo que se dará en operación y ofrecerá una protección adecuada para la máquina.

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El próximo artículo tratará sobre limitadores de para a base de fricción.