UNIVERSIDAD VERA ACRUZZANA    F FACULTAD D DE INGENIERÍA MECÀ ÀNICA ELÈ ÈCTRICA C CAMPUS COATZACOA ALCOS

“SE ELECC CIÓN Y CLAS SIFICAC CIÓN DE E LOS S ACO OPLAM MIENTO OS”  

MONOGRAFÍA

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGE ENIERO O MECÁ ÁNICO E ELECT TRICIST TA

P R E S E N T A: A

RU UBICEL LIA DEE LA CRU RUZ DIA AZ

 

COATZ ZACOALC COS, VER.

NOV VIEMBRE 2010 2

A DIOS

A MIS PADRES

MIL GRACIAS POR DEJARME EXISTIR POR DARME LA FORTALEZA Y CORAJE PARA NO RENDIRME.

DIOS LOS BENDIGA GRACIAS POR CUIDARME POR ESAS NOCHES DE DESVELO QUE PASARON POR MI, MIL GRACIAS LOS AMO.

GRACIAS POR QUE SIEMPRE ME LLEVASTE DE LA MANO BENDITO SEAS SEÑOR.

A MIS TIOS FRANCIASCA DIAZ VENANCIO SATURNINO CRUZ HERNANDEZ

GRACIAS POR QUE SON TAMBIEN MIS PADRES SUPIERON GUIAR MI CAMINO SIEMPRE ESTUVIERON CONMIGO, INMENSAMENTE MIL GRACIAS LOS AMO DIOS LOS BENDIGA.

A MIS HERMANOS LOS AMO GRACIAS POR LAS PORRAS EL CAMINO FUE DURO PERO VEN QUE CON AMOR, PERSEVERANCIA Y FE, NO HAY IMPOSIBLES. GAVIOTA ME DUELE QUE NO TE PUEDA VER PERO SE FIRMEMENTE QUE ESTAS CON NOSTROS..SIEMPRE SEREMOS ONCE TE AMO GUARDA UN LUGAR OK.

A MIS ABUELOS TODO MI AMOR Y MI RESPETO PARA USTEDES GRACIAS SON UN ULTRAMEGA AMOR DIOS LOS BENDIGA.

A MIS PRIMOS

A MIS SOBRINOS

NUNCA OLVIDO LOS MOMENTOS QUE DE NIÑOS PASAMOS JUNTOS SI POR MI FUERA NOS QUEDAMOS EN ESOS MARAVILLOSOS AÑOS GRACIAS DIOS NOS MANTENGA SIEMPRE UNIDOS LOS AMO.

LUCHEN POR LO QUE QUIEREN NUNCA SE RINDAN SI ES PARA BIEN LOS FRUTOS SERAN BUENOS, DIOS LOS ILUMINE Y LOS BENDIGA.

A MI NOVIO GRACIAS POR COMPARTIR TODO LO QUE SABIAS Y TU ERES EL CLARO EJEMPLO DE QUE PARA SALIR A DELANTE HAY QUE PERSEVERAR DIOS TE BENDIGA TE AMO.

A MIS MAESTROS

A MIS AMIGOS

DIOS SIGA ILUMINANDO ESA MENTE BRILLANTE PARA QUE CONTINUNEN EN LA LUCHA POR UN MUNDO MEJOR, GRACIAS POR QUE SIEMPRE COMPARTIERON LO MUCHO QUE SABEN.

NO OLVIDO TODO LO QUE PASAMOS PARA SALIR VICTORIOSOS PERO LO QUE NUNCA OLVIDARE ES QUE SIEMPRE JUNTOS EN LAS BUENAS Y LAS MALAS GRACIAS.

INDICE

INTRODUCCION

OBJETIVO

JUSTIFICACION

CAPITULO 1

1.- Clasificación de los acoplamientos. 1.1 Definición ……………………………………………………………………... 6 1.2 Clasificación…………………………………………………………………... 9 1.3 Propiedades de los acoplamientos……………………………………….. 12

CAPITULO 2

2.- Descripción de los acoplamientos 2.1 Acoplamientos rígidos o fijo................................................................... 18 De manguito……………………………………………………….... 18 De manguito partido…..…...……………………………………..... 20 De brida o plato…………………………………………………...... 21 Con eje intermedio………...…………………………………….…. 23

2.2 Acoplamientos flexibles o móviles………………………………………….... 24 2.2.1 Rígidos a torsión……………….………………………………....…. 24 Juntas universales…………………….……………………........... 25 Junta cardan…………………………….……….…………………. 25 Juntas homocinéticas…………………………….…..……….….... 29 Junta Oldham…………………………….………….….…….….… 32 De engrane……………………………….………….…….….......... 33 De cadena………………………………….………….….………… 38 2.2.2 Acoplamientos elásticos………………………….………….………...... 41 De diafragma o lainas……………………….………….………..… 41 De rejillas………………………………………..……….……….…. 42 De fuelle helicoidal…………………………….…………………… 45 De fuelle metálico……………………………….……….……….... 46 De disco flexible………………………………….……….………... 47 De banda elástica………………………………….……….……… 48 Con forma de 8…………………………………………………….. 50 2.3 Acoplamiento hidráulico………………………………………….…….………. 51 2.3.1 Principio de Föttinger……………………………………….………….... 53 2.4 Utilización……………………………………………….……………..………… 55

CAPITULO 3

3.- Teoría de la selección de acoplamientos 3.1 Parámetros fundamentales de los acoplamientos…………..………………. 57 3.1.1 Par nominal a transmitir……………………………...………..……….... 59 3.1.2 Coeficiente de seguridad…………………………...………..………….. 60 3.1.3 Rigideces…………………………………………...……………………... 61 3.1.4 Dimensiones-espacio ocupado…………………….………………....... 61 3.1.5 Entorno-agentes externos…………………………….…………………. 62

3.2 Condiciones de los acoplamientos……………………………….…………… 62 3.3 Tolerancias y ajustes…………………………………………………………… 63 Tipos de ajustes…………………………………………………………………. 63 3.4 Métodos para seleccionar un acoplamiento…………………………….….... 64 3.4.1 Método I por torque……………….……………………………………… 64 3.4.2 Método II por potencia………………………………………………....... 66 3.4 Ejemplo……………………………………………………………….………….. 67 3.5 Ventajas y desventajas de los acoplamientos……………………….……... 80

CAPITULO 4

4.- Técnicas de alineamiento 5.1 Alineación………………………………………………………………………... 83 5.2 Causas de la desalineación………………………………………………….... 85 5.2.1 Consideraciones previas al alineamiento……………………….…..... 86 5.3 Tipos de desalineaciones……………………………………….…..……….… 87 5.3.1 ¿Cuándo alinear?............................................................................... 91 5.4 Medida de la desalineación…………………………………………………..... 91 5.5 Métodos de alineamiento…………………………………………………..….. 95 Regla y nivel…………………………………………………………………..… 96 Reloj radial y galgas………………………………….……………………..….. 97 Reloj radial y axial…………………………………………………………..…. 102 Indicadores alternos………………………………………………………..…. 105 Alineación por láser……………………………………………………..…….. 108

Conclusiones y recomendaciones Bibliografía Anexo

INTRODUCCION

Durante el diseño de máquinas, son numerosas las situaciones en las que se requiere transmitir potencia desde un eje a otro. Dependiendo de la disposición espacial de ambos, las soluciones posibles son muy variadas. Así por ejemplo, cuando los ejes geométricos son paralelos se pueden utilizar correas, cadenas y engranajes, entre otros. Cuando los ejes geométricos se cortan, la solución habitual es utilizar engranajes cónicos; mientras que cuando los ejes se cruzan en el espacio se pueden utilizar engranajes cilíndricos o cónicos, tornillos sinfín e incluso correas. Por último, existen situaciones en las que se ha de transmitir potencia entre ejes alineados enfrentados axialmente.

La primera solución que es posible imaginar ante la necesidad de transmitir potencia entre ejes alineados consiste en fabricar los dos ejes como uno solo. Sin embargo, en la práctica esta solución cuenta con grandes desventajas. Por este motivo, existe una tendencia hacia la fabricación modular de las máquinas, de forma que cada una de las partes pueda ser fabricada independientemente e incluso por industrias diferentes. Así incluso en las máquinas más simples el motor suele haber sido fabricado por un lado, por otro la transmisión y separadamente la parte de la máquina que realiza el trabajo. Y en máquinas complejas, la separación en módulos puede llegar a contar con un gran número de ellos. En otros casos la gran longitud de un eje puede requerir su fabricación en varios tramos que luego han de acoplarse.

Esta subdivisión permite la especialización en el diseño y la fabricación de cada una de las partes. Con ellos se consigue la mejora de los diferentes elementos que componen la máquina. Además también facilita el intercambio de elementos cuando es necesario, lo que facilita y economiza el mantenimiento

de la máquina. Entonces cuando se desea transmitir potencia entre dos ejes enfrentados axialmente, se requiere un cierto elemento llamado acoplamiento el cual tiene por función prolongar líneas de transmisión de ejes o conectar tramos de diferentes ejes, estén o no alineados entre sí.

Es así como en esta monografía se presentaran los conocimientos generales para lograr una selección correcta de acoplamientos, comenzando en el primer capitulo se verá la clasificación de cada uno de estos, en el segundo capitulo se describen a grandes rasgos características, funcionamiento y aplicación de los distintos acoplamientos mecánicos que existen para conectar ejes alineados o desalineados, en el tercer capitulo hablaremos de los parámetros que se deben tomar en cuenta antes de la selección de un acoplamiento de la misma manera se efectuarán algunos análisis de selección a partir de datos de los fabricantes tomando en cuenta el método por torque y el método de potencia, finalizamos con las técnicas para la correcta alineación de los acoplamientos en los equipos en funcionamiento.

OBJETIVO

El objetivo general de este trabajo es presentar los principios fundamentales para llevar a cabo la selección de un acoplamiento, así como mostrar al lector la forma de cómo aplicar tales principios en problemas prácticos con el fin de seleccionar el acoplamiento adecuado.

Tomando en cuenta que la selección apropiada de un acoplamiento permitirá que un equipo trabaje de manera más eficiente al mismo tiempo evitara altos costos de mantenimiento y tiempos muertos en la producción.

JUSTIFICACION

En la actualidad los acoplamientos son tan importantes en el diseño de máquinas que existen en el sector industrial. Es por ello que requieren de una especial atención, cuando llega el momento de seleccionar el tipo más idóneo según sea el caso, una selección incorrecta podría suponer frecuentes averías, incluso de elementos externos al acoplamiento, fatigando prematuramente a rodamientos, piñones, etc. Es aquí donde la utilidad de esta monografía es la de servir de guía a todas aquellas personas que se encuentran en la necesidad de seleccionar e instalar un acoplamiento para algún equipo llámese (bomba, turbina, motor, etc.), lo realice de la mejor manera posible.

Por lo tanto aun para aquellos que no tienen la preparación universitaria la presente monografía les será de muy útil ya que les brindara los conocimientos necesarios para que seleccionen un acoplamiento en función del tipo de aplicación.                      

CAPITULO 1

CLASIFICACIÓN DE LOS ACOPLAMIENTOS

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1.1 Definición

Existen distintas definiciones de lo que es un acoplamiento, pero la más formal es la siguiente:

Los acoplamientos son sistemas de transmisión de movimiento (potencia) entre dos ejes o árboles, cuyas misiones son asegurar la transmisión de movimiento o potencia y absorber las vibraciones en la unión entre los dos elementos.

Las vibraciones son debidas a que los ejes no son exactamente coaxiales, esto se debe a que hay desalineación más adelante hablaremos a detalle de dichas desalineaciones.

La función principal de un acoplamiento es la de transmitir potencia (normalmente asociada al movimiento de rotación) entre los ejes que acopla, permitiendo el diseño modular de las máquinas. Pero además, el acoplamiento puede tener asignadas otras funciones también de gran importancia. Las más habituales son permitir desalineaciones y pequeños desplazamientos axiales, servir de fusible mecánico ante sobrecargas, amortiguar vibraciones en la transmisión, etc. No todos los acoplamientos han de desempeñar las mismas funciones y, por ello no todos cuentan con las mismas propiedades.

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Aunque la función principal es la de transmisión de potencia, en determinadas aplicaciones, alguna de las que generalmente son funciones secundarias puede resultar imprescindible, pasando así a ser la causa de la colocación del acoplamiento o condicionando su tipo.

Así por ejemplo, puede ser fundamental utilizar un acoplamiento para aislar eléctricamente una parte de la máquina de otra, cuando se trabaja con atmósferas potencialmente explosivas.

Aunque existen muchos modelos diferentes de acoplamiento en general suelen tener tres componentes: un elemento que se une fijo al árbol de entrada, otro que se une fijo al árbol de salida, y algún elemento o conjunto de piezas que conecta los dos elementos anteriores permitiendo mayor o menor movilidad entre ellos según el modelo. Pero la mayoría de ellos cuenta con un número mayor de piezas, pudiendo llegar a ser este un número elevado en el caso de los acoplamientos más complejos.

Figura 1.1 Partes básicas de un acoplamiento

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Cada una de las dos partes del acoplamiento que se fijan a los ejes que se desea acoplar recibe el nombre de cubo, plato, maza o brida (figura 1.1).En los acoplamientos más sencillos, las mazas se montan directamente sobre ejes, fijada radialmente por presión (ajuste prieto) o mediante una chaveta. Axialmente las mazas pueden ir montadas con juego o con ajuste a prensión, permitiendo o no el movimiento axial relativo entre eje y maza. En acoplamientos más complejos o cuando se desea un posicionamiento preciso de la maza sobre el eje (en el sentido de concentricidad), la maza no se monta directamente sobre el eje, sino que se utilizan elementos intermedios tales como bujes o casquillos que proporcionan autocentrado.

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1.2 Clasificación Los acoplamientos se clasifican en función de la posición del eje geométrico de los árboles que se han de conectar. Los principales tipos de acoplamientos son: rígidos, flexibles e hidráulicos pero estos a su vez tienen subgrupos que en la (figura 1.2) se puede observar esta clasificación.

Figura 1.2 Clasificación de los acoplamientos

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Esta clasificación nos permitirá conocer la gran variedad de acoplamientos que existen y si a ello agregamos material de construcción, distintos tamaños y una infinidad de aplicaciones, comprenderemos la gran importancia que tienen estos elementos.

Antes de adentrarnos en mayores detalles veamos algunas de las características generales de los diferentes tipos de acoplamientos.

Los acoplamientos rígidos se diseñan para unir dos ejes en forma apretada de manera que no sea posible que se genere movimiento relativo entre ellos. Este diseño es deseable para ciertos tipos de equipos en los cuales se requiere una alineación precisa de dos ejes, en tales casos el acople debe diseñarse de tal forma que sea capaz de transmitir el torque en los ejes.

Los acoplamientos rígidos deben emplearse solo cuando la alineación de los dos ejes puede mantenerse con mucha precisión, no solo en el momento en que se instalan, sino también durante la operación de las máquinas. Si surge desalineación angular, radial o axial significativa, aquellas tensiones que son difíciles de predecir y pueden conducir a una falla temprana del eje debida a fatiga pueden ser inducidas sobre los demás elementos del equipo en funcionamiento, por ejemplo los cojinetes. Dificultades como las anteriores son susceptibles de evitarse utilizando acoplamientos flexibles.

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Los acoplamientos flexibles el propósito fundamental de estos es transmitir el par de torsión requerido desde el eje impulsor al impulsado y compensar el desalineamiento angular, paralelo o una combinación de ambos, la flexibilidad es tal que, cuando ocurre una desalineación, las piezas del cople se mueven sin ninguna o una mínima resistencia . En consecuencia no se desarrollan tensiones significativas por flexión en el eje, tal vez los acoplamientos flexibles son las partes peor tratadas de cualquier maquinaria, tanto por lo que respecta al tiempo de selección como al de instalación.

En el mercado se dispone de numerosos tipos de coples, como se analizara más adelante. Cada uno esta diseñado para transmitir un torque especifico hasta cierto límite. El catálogo del fabricante enumera la información de diseño de la cual podrá elegir el cople más apropiado, al final de este trabajo usted puede

encontrar

algunos

de

lo

tantos

fabricantes

de

diseños

de

acoplamientos.

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1.3 Propiedades de los acoplamientos

En cuanto a propiedades, a continuación se exponen las más importantes. Su importancia relativa depende de la aplicación y del objetivo de la colocación del acoplamiento.

Flexibilidad angular ante desplazamientos; aunque todos los acoplamientos son flexibles en mayor o menor medida (ya que la rigidez infinita no existe en la práctica), se consideran acoplamientos flexibles exclusivamente a aquellos que han sido diseñaos expresamente para poseer flexibilidad y que por tanto, ésta es sensiblemente mayor que la de los denominados rígidos. La flexibilidad angular representa la permisibilidad del acoplamiento ante la inclinación relativa de los ejes, mientras que la flexibilidad ante el desplazamiento o paralela representa la permisibilidad del acoplamiento ante la separación paralela de los ejes. En la actualidad se pueden encontrar acoplamientos desde muy rígidos hasta muy flexibles, existiendo una relación más o menos directa entre la rigidez del acoplamiento y el par máximo que puede transmitir.

Flexibilidad a torsión; este tipo de flexibilidad representa la capacidad del acoplamiento para torsionarse, es decir para que, cuando dos ejes mecánicos están acoplados, sea posible que uno gire un cierto ángulo (alrededor de su eje geométrico) sin que el otro se mueva. Los acoplamientos calificados de flexibles a torsión son acoplamientos diseñados explícitamente para permitir cierta rotación de desfase entre los ejes que acoplan.

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La flexibilidad a torsión esta íntimamente relacionada con la amortiguación de vibraciones torsionales. Así, cuando por el tipo de trabajo que realiza, una parte de la máquina esta sometida a vibraciones torsionales, dichas vibraciones pueden llegar amortiguadas a otra parte de la máquina si, entre ambas partes, se coloca un acoplamiento torsionalmente flexible. Pero no siempre se puede utilizar acoplamientos con flexibilidad a torsión, ya que este tipo de flexibilidad implica ausencia de sincronismo en el movimiento. Efectivamente, al torsionarse el acoplamiento, permite que la posición angular de los ejes que de desfasada un cierto ángulo (que dependerá del par instantáneo transmitido).

Aunque en los acoplamientos existe una relación directa entre la rigidez a torsión del acoplamiento y el par máximo que puede transmitir, esta relación cuenta con numerosas excepciones. Esto es debido a que los fabricantes de acoplamientos han diseñado tipos especiales (muy habituales ya en aplicaciones industriales) que posee una cierta flexibilidad a torsión, siendo al mismo tiempo capaces de transmitir pares elevados.

Posibilidad de movimiento axial y flexibilidad axial; los acoplamientos se pueden fijar axialmente sobre los ejes mediante un ajuste con juego (ajuste holgado). Cuando existe juego entre la maza y el eje, existe posibilidad de movimiento axial relativo entre ambos aunque el acoplamiento sea completamente rígido. En este caso se dice que el acoplamiento posee posibilidad de movimiento axial.

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La flexibilidad axial y la posibilidad de movimiento axial son aspectos habitualmente importantes en maquinaria debido a que las distancias entre finales de ejes pueden cambiar por dilataciones térmicas. Cuando se prevee que este fenómeno puede ocurrir, es importante seleccionar un acoplamiento con capacidad para asumir este desplazamiento axial.

Amortiguamiento de vibraciones; como se ha comentado, esta propiedad esta íntimamente relacionada con las propiedades de flexibilidad. Quiere esto decir que los acoplamientos flexibles son inherentemente amortiguadores de vibraciones en el sentido de que existe flexibilidad. De entre los diferentes tipos, la más importante, sin duda, es la flexibilidad a torsión.

Los acoplamientos flexibles pueden amortiguar las vibraciones de forma similar a como lo hace un resorte aplicado en una masa vibrante. El acoplamiento almacena energía elástica en los momentos en los que la energía de vibración se incrementa, liberándola cuando la energía de vibración se reduce. Así actúa como un depósito de energía que suaviza su flujo. Sin embargo como cualquier sistema elástico, los acoplamientos flexibles poseen frecuencias naturales de vibración de forma que, si son excitados en algunas de esas frecuencias, entran en resonancia y actúan como multiplicadores de la vibración, en lugar de hacerlo como amortiguadores. Por este motivo, se ha detener especial cuidado en la selección de acoplamientos flexibles en función del tipo de aplicación y de la vibración existente.

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Limitación de par; un acoplamiento es limitador de par cuando existe un par máximo que puede transmitir, deforma que si se intenta transmitir un par superior a éste, el acoplamiento se rompe quedando desacopladas las partes que unían. Esta función es de extrema importancia en muchas aplicaciones reales, ya que el acoplamiento se comporta como un fusible mecánico que protege otras partes (mucho más valiosas) ante sobrecargas y fallos en el funcionamiento del la máquina.

En la práctica, la mayoría de los acoplamientos son limitadores de par, debido a que suelen ser el elemento menos resistente de la transmisión y, por lo tanto, el primero que se rompe ante una sobrecarga. Sin embargo, se dice que un acoplamiento es limitador de par cuando ha sido explícitamente diseñado para romperse de una forma determinada (y controlada) al superar el par un cierto límite máximo conocido, (habitualmente proporcionado por el fabricante).

Aislamiento térmico; en algunos casos especiales, se utilizan acoplamientos para aislar térmicamente un par de la máquina frente a otra. Estos acoplamientos aparte de soportar temperaturas elevadas, cuentan con al menos un elemento térmico que posee u coeficiente de conductividad muy bajo, proporcionando el aislamiento.

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Aislamiento eléctrico; de la misma forma que el caso anterior, en ocasiones los acoplamientos son utilizados para aislar eléctricamente diferentes partes de una misma máquina. En muchas ocasiones el motivo no es que una parte esté electrificada, sino que el acoplamiento impida el paso de corriente a una de las partes ante un fallo (por ejemplo por cortocircuito) que electrifica a la otra parte. Los acoplamientos que constituyen un aislamiento eléctrico poseen al menos un elemento intermedio que no es conductor de electricidad.

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CAPITULO 2

DESCRIPCIÓN DE LOS ACOPLAMIENTOS

         

De acuerdo a la clasificación realizada en la sesión 1.2 a continuación se describe más ampliamente cada uno de los acoplamientos ahí mencionados.

2.1 Acoplamientos rígidos o fijos Este tipo de acoplamiento no permite desalineaciones, se distinguen 4 tipos;

De manguito. De manguito partido. De brida o de plato. Con eje intermedio.

De manguito Dentro de esta categoría se encuentran acoplamientos que se basan en una camisa rígida o manguito. Se trata de una pieza cilíndrica hueca que se acopla exteriormente a los dos  ejes. El modelo más simple consiste en un manguito que es fijado a los ejes mediante tornillos prisioneros (figura 2.1). Este acoplamiento es de los más simples que se pueden encontrar y, debido a que la fijación es producida por tornillos prisioneros, cuenta con una muy limitada capacidad de transmisión de par.

Estos tipos de acoplamientos suelen usarse para ejes muy largos que no se pueden hacer de una pieza. Presentan el inconveniente de tener que separar los ejes para sustituirlos, lo cual puede resultar complicado en algunos casos, además no admiten desalineaciones.

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Figura 2.1. Acoplamiento de camisa rígida

Existen, no obstante, otros sistemas alternativos de fijación como es la brida partida atornillada. Otro modelo consiste en un manguito con ranura longitudinal y extremos cónicos, que aprisiona a los ejes por el efecto de dos bridas con agujeros cónicos precargadas por tornillos longitudinales (figura 2.2). La ranura longitudinal disminuye drásticamente la rigidez radial del manguito, de forma que la presión ejercida por las bridas al apretar los pernos cierra el manguito sobre los ejes generando a su vez una presión sobre éste que permite transmitir el par por fricción.

Figura 2.2 Acoplamiento de manguito ahusado

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Finalmente, para aplicaciones en las que se requiere transmitir pares elevados, existen acoplamientos de manguitos especiales, formados por un manguito delgado interior ubicados sobre los ejes y una camisa exterior de mayor espesor y mayor rigidez. Ambos se montan a modo de dos manguitos uno dentro de otro, teniendo la superficie de contacto una pequeña conicidad. La gran presión que se genera entre ambos elementos ocasiona que el manguito interior presione enormemente los ejes, generando una fuerza de rozamiento capaz de transmitir pares elevados.

En cualquiera de los modelos existentes, este acoplamiento posee una rigidez considerable, por lo que requiere una buena alineación de los ejes. Al transmitir el par por fricción, el lubricante es un enemigo de este acoplamiento.

De manguito partido Este es un acoplamiento

que está hecho en 2 piezas divididas

longitudinalmente, esto permite que el acoplamiento pueda ser instalado y retirado sin necesidad de separar las máquinas que acopla (figura 2.3). Por este motivo, los acoplamientos de manguito partido son habitualmente seleccionados cuando la facilidad en el montaje y desmontaje es un aspecto fundamental. La transmisión de par entre los ejes y el acoplamiento se realiza mediante chavetas o ajustes a presión.

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Figura 2.3 Acoplamiento de manguito partido

Los acoplamientos de manguito partido suelen encontrarse fabricados de acero y tamaños variados, empleándose habitualmente en aplicaciones de baja velocidad que requieren transmitir pares pequeños o moderados.

De brida o plato Es la forma más sencilla de acoplar dos ejes. Consiste en la utilización de dos bridas (figura 2.4), cada una de ellas ubicada sobre un eje, que se atornillan entre sí formando un único cuerpo. El resultado es un acoplamiento muy rígido en todos los sentidos, que requiere una buena alineación de los ejes. En este acoplamientos los pernos se deben precargar de forma elevada, de manera que la transmisión del par a través de la unión se realice por fricción entre las superficies, sin llegar a estar los pernos sometidos a cizallamiento.

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El acoplamiento puede ser fijado al eje mediante chavetas o bujes, siendo el primer caso el más común. Se utiliza por ejemplo para unir una turbina y su alternador, conexión que exige una perfecta alineación. Está disponible en diferentes materiales entre los que se cuentan la fundición de hierro y distintos tipos de acero. En cuanto al mantenimiento, este acoplamiento no requiere lubricación (dado que no existen partes internas con movimiento relativo) soporta bien las atmósferas agresivas y generalmente requiere la separación de las máquinas para su montaje o desmontaje.

 

Figura 2.4 Acoplamiento de brida

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Con eje intermedio Este es un acoplamiento que puede considerarse una extensión del acoplamiento de bridas, ya que las bridas no se conectan directamente una a otra, sino mediante un eje intermedio o espaciador (figura 2.5). Es útil para conectar ejes que están separados una cierta distancia, aunque suele diseñarse con menor rigidez, de forma que el acoplamiento pueda absorber pequeñas desalineaciones. Además el eje intermedio permite desmontar el acoplamiento sin mover las maquinas o con un mínimo de movimiento.

Figura 2.5 Acoplamiento con eje intermedio

Suele encontrarse en el mercado fabricado de acero de alta calidad, capaz de resistir las tensiones elevadas que en el generan las desalineaciones, y es empleado para la transmisión de potencias elevadas en equipos tales como turbinas de gas o vapor.

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2.2 Acoplamientos flexibles o móviles Este tipo de acoplamiento admite desalineaciones, se clasifica en dos grandes grupos;

Rígidos a torsión. Acoplamientos elásticos.

2.2.1 Rígidos a torsión No amortiguan vibraciones a torsión, dentro de este grupo encontramos otros subgrupos;

Juntas Universales. Junta Cardan. Junta Homocinética. Junta Oldham. De engrane. De cadena.

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Juntas universales

Este tipo de juntas permite una desalineación angular sustancial. Las juntas universales operan a ángulos de hasta 45° a muy bajas velocidades. A velocidades más altas, por arriba de 10 rpm aproximadamente, el ángulo máximo que se sugiere es de 30°. Por arriba de 600 rpm es común un ángulo de 20° como máximo. Es necesario consultar la información que proporciona el fabricante, las condiciones reales de servicio afectan el ángulo que puede tolerarse.

Existen varios tipos de juntas, dentro de las cuales las más sobresalientes son; la denominada junta Cardan o Hooke’s joints, la junta Rzeppa también conocidas como juntas homocinéticas y la junta Oldham.

Junta Cardan La palabra cardan proviene del nombre de su inventor italiano, Jerónimo Cardan. El cardan es una junta articulada, que puede dirigirse a cualquier lugar del espacio. Se suele decir comúnmente, que el cardan es el árbol que transmite la potencia en un automóvil desde la caja de velocidades hasta la entrada al diferencial.

La forma más simple de una junta cardan consiste en dos piezas unidas por una doble articulación, cuyos ejes se cortan a 90°, de forma que ambas piezas puedan adoptar, una con respecto a la otra, cualquier ángulo en el espacio, figura 2.6 a) y b).

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La junta cardan permiten elevados desalineamientos, tanto angulares como radiales. De hecho, se suelen usar para transmitir movimiento entre ejes paralelos. El problema que presentan es que hay oscilación en la velocidad de salida. Para evitarlo se recurre al sistema con “doble junta Cardan o junta universal estándar” que más adelante se vera a detalle.

   

a) Junta cardan se señala el punto de engrase

 

b) Despiece de una junta cardan

   

Figura 2.6 Junta cardan

Dada su construcción tienen la particularidad de que "cuando los ejes giran desalineados quedan sometidos a variaciones de velocidad angular y, por tanto, a esfuerzos alternos que aumentan la fatiga de los materiales de los que están construidos", así como una transmisión del movimiento no lineal sino pulsatoria en la siguiente (figura 2.7) se puede observar.  

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  Figura 2.7 Consecuencias de la transmisión con Juntas universales cardan

En la figura anterior se puede observar que cuanto mayor es el ángulo, más se aprecia la variación de la velocidad de transmisión del árbol. Para evitar este efecto e aquí donde recurrimos a la doble junta cardan.                                                    

La junta universal estándar o doble junta cardan consta de un eje intermedio (figura 2.8). Para asegurar que se mantenga la velocidad, el ángulo Α debe ser el mismo en las dos articulaciones y los ejes de las dos articulaciones deben ser paralelos (figura 2.9). En este caso, los cambios instantáneos de la velocidad angular de uno de los cardanes y trasmitidos al cuerpo común, son compensados en sentido contrario por el otro, de manera que las velocidades angulares instantáneas de los árboles de entrada y salida son iguales en todo momento.

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Figura 2.8 Partes de una doble Junta Cardan

Figura 2.9 Doble Junta cardan

Este acoplamiento simple, robusto y durable se usa en ocasiones para la trasmisión de la potencia en los puentes motrices de palieres desnudos en los automóviles, pero tienen el inconveniente de que su longitud es relativamente grande y cuando el espacio es muy reducido no son utilizables.

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También otro inconveniente de este tipo de unión es que no permiten movimiento axial relativo entre los árboles transmisor y trasmitido, por lo que si esta condición es necesaria en el trabajo, hay que dotar al sistema con algún acoplamiento desplazable intermedio que permita el cambio de longitud.

Juntas homocinéticas La palabra homocinetica proviene del griego, “homo” que significa igual y “cinetica” movimiento; por lo que homocinetica/o, apunta a un movimiento igual, uniforme o estable, lo cual en la junta cardan no es así.

La junta del tipo Rzeppa o más conocida por "junta homocinética de bolas" (figura 2.10) es la más utilizada hoy en día, consta de seis bolas que se alojan en una jaula especial o caja de bolas (7). A su vez, las bolas son solidarias del árbol conductor y del conducido (8 y 3) respectivamente; este acoplamiento se produce debido a que las bolas también se alojan en unas gargantas toricas, que están espaciadas uniformemente a lo largo de dos piezas interior y exterior. La pieza exterior (3), en forma de campana, esta unida al árbol conducido, en el lado rueda. La pieza interior (8) es el núcleo del eje conductor, eje que, a su vez, se une a la junta homocinética que sale de la caja de cambios. La disposición de las bolas y las gargantas hace que sean dos bolas las que transmiten el par, mientras que las otras cuatro aseguran el plano bisector. Tras una pequeña rotación, otras dos bolas son las que pasan a transmitir el par, mientras que las dos bolas que acaban de trabajar pasan al lado bisector.

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Figura 2.10 Despiece de una Junta Rzeppa

Figura 2.11 Junta Rzeppa

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Con esta construcción los árboles pueden adquirir una posición angular tal y como se muestra en la (figura 2.11) mientras la trasmisión es de igual velocidad, es decir homocinética. Este diseño puede soportar grandes ángulos de inclinación, tales como los necesarios en las ruedas directrices de los vehículos y son de dimensiones reducidas, además permiten cierta cantidad de movimiento axial entre los árboles, por lo que encuentran gran aplicación en este campo.

a)

b) Figura 2.12 Diferentes vistas de una Junta homocinética

En la figura 2.12 a) se muestra una vista real seccionada de una de estas uniones para apreciar el interior, y en la figura 2.12 b), otra con más detalle observe el estriado interior de uno de los cuerpos para introducir uno de los árboles, y el exterior en el otro para acoplar la carga. Su principal inconveniente es que deben estar aislados del exterior, para evitar la pérdida del necesario lubricante y la entrada a la unión de materias abrasivas o agua desde el exterior. Estas materias extrañas aumentan notablemente el desgaste de bolas y pistas produciendo holguras inadmisibles en poco tiempo.

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Junta Oldham La junta Oldham también denomina de platillos en cruz o quijadas, consta de tres elementos, dos solidarios uno a cada eje y un tercero que sirve de unión entre las anteriores como se puede ver en la (figura 2.13). Se usa para unir dos árboles paralelos de muy reducida distancia axial. El acoplamiento de Oldham admite desalineaciones radiales elevadas y desalineaciones angulares pequeñas. Su rigidez torsional es elevada, al no incorporar elementos flexibles. Debido a su configuración no debe emplearse para ejes en voladizo.

Figura 2.13 Junta Oldham

32   

De engrane Este acoplamiento cuenta con cuatro elementos fundamentales que son dos mazas y una camisa partidas en dos piezas (figura 2.14), todas ellas metálicas. La maza se monta sobre el eje axialmente y suele fijarse mediante una chaveta permitiendo el movimiento axial. Al cerrar el acoplamiento atornillando las dos partes de la camisa, las mazas no quedan axialmente apretadas en su interior, sino que existe cierto hueco entre ellas que es necesario para permitir las desalineaciones angulares. Además, tanto en la maza como el la camisa el dentado es diferente al de los engranajes convencionales. En este caso, los dientes son más delgados y el hueco entre dientes es de mayor espesor. De esta forma se consigue crear una holgura entre los dientes que permitirá el movimiento angular de la maza respecto a la camisa.

El diseño confiere a este acoplamiento gran capacidad de transmisión de par, a la vez que una buena flexibilidad angular y posibilidad de movimiento axial. También posee cierta flexibilidad paralela ya que cada maza puede desalinearse angularmente con respecto a la camisa, lo que le proporciona una cierta movilidad similar a la de una junta universal. Sin embargo cuenta con una escasa flexibilidad a torsión (por lo que el sincronismo de la transmisión está asegurado), aunque como en otros casos, la holgura y la lubricación proporcionan cierta capacidad de amortiguamiento de vibraciones torsionales.

Debido a la existencia de movimiento interior, este acoplamiento requiere una lubricación adecuada. Para ello, cuenta con dos orificios de suministro (figura 2.14) que se cierran tras el llenado y con dos abrazaderas destinadas a sellar la cámara interior. 33   

Figura 2.14 Acoplamiento de engranaje de dientes rectos

Con el fin de incrementar la flexibilidad del acoplamiento de engranaje, su diseño se ha evolucionado hacia acoplamientos de dientes abombados (figura 2.15), de los que en la actualidad existen diversos tipos. En estos acoplamientos, los dientes se han modificado dando forma curva tanto a los flancos como a la superficie superior del diente en las mazas, mientras que se conserva el dentado recto en la camisa. El efecto que se obtiene es doble: por un lado, una mayor capacidad de desalineación angular entre cada maza y la camisa, por otro, una menor concentración de las tensiones de contacto entre los dientes cuando existe desalineación angular.

34   

Figura 2.15 Acoplamiento de engranaje de dientes abombados

En efecto, en la (figura 2.16) se observa cómo ante una desalineacion angular, cuando el dentado es recto, el contacto entre la maza y la camisa se produce en la arista del diente. Este contacto es muy problemático y ocasiona tensiones elevadas (concentracion) a la vez que es un deterioro acelerado de las piezas debido a un rozamiento extremo por rotura de la película de lubricante ocasionado por el filo de la arista. Cuando el diente es abombado, la capacidad de desalineacion angular crece, a la vez que el contacto no se produce en la arista extrema del diente,sino en un area del flanco donde se forma una película de lubricante y las tensiones se reparten con menor concentración. Como resultado, este acoplamiento posee una mejor resistencia al desgaste y al fallo por fatiga.

35   

Figura 2.16 Comparación del comportamiento de los acoplamientos de engranaje (recto y abombado) ante desalineaciones angulares

Estos acoplamientos constituyen el diseño más universal; pueden fabricarse casi para cualquier aplicación desde unos cuantos caballos de potencia hasta miles de ellos. Por otra parte requieren lubricación periódica (cada seis meses) debido a que el lubricante es sometido a grandes fuerzas centrífugas, son rígidos respecto a la tracción y son más caros que otros tipos de acoplamientos.

36   

Una variación de este tipo de acoplamiento bastante abundante en los catálogos comerciales, es el siguiente;

Figura 2.17 Acoplamiento de engranaje para potencias pequeñas

Es éste un acoplamiento también muy utilizado en transmisión de potencias relativamente pequeñas. Consta de dos mazas que acaban en ruedas dentadas, las cuales se alojan sobre huecos de dentado interior que existen en el cuerpo central o camisa (figura 2.17). Para potencias pequeñas, la camisa suele ser de un material no metálico, como nylon o similar. La pequeña holgura existente entre las mazas y la camisa posibilita la existencia de un movimiento relativo de inclinación y axial.

37   

De cadena Este acoplamiento, es similar al anterior, sobresalen por su sencillez. Consta de dos bridas o mazas independientes, unidas a los ejes mediante prisioneros y de una cadena doble, que engrana sobre unos dientes. Si en el caso anterior el elemento transmisor era una camisa dentada, en este caso es una cadena doble en la que los pasadores son únicos y abarcan todo el ancho de la cadena (figura 2.18). Así pues, la potencia pasa de un eje a otro a través de las mazas y la cadena, poseyendo especial relevancia los pasadores de la misma.

Figura 2.18 Acoplamiento de cadena

Por lo general se utiliza a baja velocidades, excepto cuando se les agrega una cubierta especial, metálica o de plástico, para contener el lubricante de lo contrario sería expulsado por la acción de las fuerzas centrífugas, al mismo tiempo esta cubierta lo protege ante los agentes externos (ambientales), (figura 2.19). Este tipo se utiliza en aplicaciones acopladas cerradas.

38   

Figura 2.19 Acoplamiento de cadena con cubierta

Existen distintos tipos de acoplamientos de cadena en los que la diferencia fundamental es el tipo de cadena que emplean. En la figura anterior se emplea una cadena de rodillos clásica, pero también existen acoplamientos que utilizan cadenas silenciosas o incluso cadenas de plástico (figura 2.20).

Figura 2.20 Acoplamiento con cadena de plástico

39   

El acoplamiento de cadena presenta flexibilidad angular y paralela importantes, proporcionadas por las holguras existentes entre las mazas y la cadena, además de la holgura interna de los elementos de esta última. Más aún, posee una considerable capacidad de transmisión de par, sin perder flexibilidad a torsión y poca posibilidad de movimiento axial.

Los acoplamientos de cadena metálica requieren lubricación para una larga vida útil, dada la existencia de partes internas con movimiento relativo. Este lubricante, que se introduce en las holguras, proporciona al acoplamiento cierta capacidad de amortiguamiento de vibraciones torsionales, aunque menor que la de otros acoplamientos con mayor elasticidad.

40   

2.2.2 Acoplamientos elásticos Absorben vibraciones a torsión, la transmisión del par no es instantánea. Dentro de esta podemos encontrar la siguiente clasificación:

Acoplamiento de diafragma o lainas. Acoplamiento de rejillas. Acoplamiento fuelle helicoidal. Acoplamiento de fuelle metálico. Acoplamiento de disco flexible. Acoplamiento de banda elástica. Acoplamiento con forma de 8.

De diafragma o lainas Este tipo de acoplamiento se caracteriza por presentar los platos provistos de pernos de arrastre, cuyo movimiento se produce a través de una conexión elástica (figura 2.21). El torque es transmitido a partir de las mazas mediante elementos laminados flexibles hasta el separador. En este tipo de acoplamiento la desalineación axial crea tensiones importantes en las laminas, para obtener una vida prolongada de las laminas se recomiendan que estás estén tan paralelas como sea posible a la superficie de la brida en funcionamiento.

41   

Figura 2.21 Acoplamiento de Diafragma

De rejillas También llamado acoplamiento de resorte serpentiforme o (steelflex). Este acoplamiento se compone de dos mazas con final ranurado y una rejilla flexible (confeccionada a partir de una pletina delgada de acero) (figura 2.22). El conjunto viene cerrado por una camisa partida (transversalmente o longitudinalmente) con anillos flexibles para sellar la cavidad interior.

Aunque este acoplamiento cuenta con unas buenas propiedades de flexibilidad angular y ante desplazamiento (pues cada maza puede desalinearse angularmente con respecto a la rejilla), la principal característica es su flexibilidad a torsión.

En la actualidad, se puede encontrar este acoplamiento con diferentes tipos de ranuras (rectas, en cuña o curvadas), afectando a esto la flexibilidad torsional del acoplamiento.

42   

Figura 2.22 Acoplamiento de rejilla con ranuras en cuña

43   

La forma de las ranuras de las mazas y la flexibilidad de la rejilla proporcionan a las mazas la posibilidad de desalinearse torsionalmente (figura 2.23), tanto en un sentido como en el otro. Así, el acoplamiento cuenta con una gran capacidad para amortiguar vibraciones torsionales (reduciendo la vibración hasta un 30%), sin perder por ello gran capacidad de transmisión de par. También cuenta con posibilidad de movimiento axial gracias a la holgura axial existente dentro del acoplamiento entre las mazas.

Puesto que durante el funcionamiento existirá movimiento relativo entre las superficies de las distintas piezas, el acoplamiento requiere lubricación. En estas condiciones el acoplamiento presenta una larga vida útil.

Figura 2.23 Situaciones de paro y marcha de un acoplamiento de rejilla

44   

De fuelle helicoidal Este acoplamiento posee un cuerpo central cortado con una ranura helicoidal (figura 2.24) que le confiere una flexibilidad importante ante desalineaciones angulares y no tan elevadas ante el resto de movimientos. Su unión a los ejes se realiza generalmente por fricción, mediante tornillos unidos al cuerpo central. Posee cierta flexibilidad a torsión, por lo que el acoplamiento puede actuar como amortiguador de vibraciones torsionales, aún que se sacrifica el perfecto sincronismo de los ejes. Si bien no permite la transmisión de elevados pares, son muy utilizados en electrodomésticos, aunque tienen riesgos de rotura por fatiga.

El cuerpo central es flexible a tracción/compresión, por lo que el acoplamiento puede normalmente montarse sin necesidad de separar las máquinas.

Figura 2.24 Acoplamiento de fuelle helicoidal

 

45   

De fuelle metálico Existe otro acoplamiento parecido al anterior, llamado acoplamiento de fuelle o muelle metálico (figura 2.25). Este acoplamiento se fabrica con una delgada lámina de metal soldando juntas una serie de arandelas metálicas cóncavas formando así un tubo de fuelle, en el que el cuerpo central es similar aún resorte de compresión y se unen a los dos ejes mediante tornillos u opresores.

Estos

acoplamientos

ofrecen

una

gran

rigidez

a

la

torsión

pero

comparativamente con otros diseños tienen un par limitado, sin embargo garantizan un juego nulo o muy pequeño.

Figura 2.25 Acoplamiento de fuelle metálico

46   

De disco flexible Este tipo de acoplamiento esta formado por dos bridas unidas por pernos, pero separadas por un miembro elástico (disco) de material elastómero o bien metálico (acero inoxidable), como se aprecia en la (figura 2.26). Permiten cierta desalineación axial, angular y paralela, con algo de elasticidad torsional, pero con poco o ningún juego.

Figura 2.26 Acoplamiento de disco flexible

47   

De banda elástica Este acoplamiento esta formado por dos bridas unidas por una banda de caucho (figura 2.27), la cual permite absorber vibraciones, desalineamientos y choques, brindando a todos los elementos (sellos, retenes, engranajes) un aumento en su vida útil. Por su forma constructiva sin cortes la banda elástica, garantiza su balanceo y le da seguridad al usuario.

Figura 2.27 Acoplamiento de banda elástica

Un ejemplo de este, es el acoplamiento Omega Estándar (del fabricante Rexnord) (figura 2.28). El cual está diseñado para aplicaciones donde la distancia entre los ejes del equipo conectado es relativamente pequeña, el diseño exclusivo de elemento flexible/bi-partido de poliuretano y el uso de tornillos radiales puede reducir el servicio de mantenimiento simplificando el montaje/desmontaje y eliminando la necesidad de lubricación y realineamiento a causa del acoplamiento.

48   

Figura 2.28 Acoplamiento Omega Estándar

El acoplamiento Omega es ideal para uso en aplicaciones industriales como bombas, compresores de tornillo, ventiladores, mezcladoras, trituradoras y otros equipos rotativos. En la (figura 2.29) se muestra el montaje y desmontaje del acoplamiento Omega.

49   

Figura 2.29 Montaje y Desmontaje del Acoplamiento Omega Estándar

Con forma de 8 Este acoplamiento cuenta con dos bridas que, por un lado suelen unirse a los respectivos ejes mediante tornillos prisioneros, y por el otro van unidos a un cuerpo central flexible tal como se muestra en la (figura 2.30). La geometría está especialmente diseñada para que el acoplamiento posea gran flexibilidad ante desalineaciones angulares y ante desplazamientos axiales, aunque suelen ser de menor flexibilidad paralela y a torsion.

50   

Este es un acoplamiento para transmitir potencias muy pequeñas que es ampliamente utilizado en instumentación y también en pequeñas máquinas. el material y la geometría del cuerpo central confieren a este acoplamiento no solo una elevada flexibilidad, sino tambien capacidad para amortiguar vibraciones.

Figura 2.30 Acoplamiento con forma de 8

2. 3 Acoplamiento hidráulico Un acoplador hidráulico (también llamado acoplamiento hidráulico, cople hidráulico o turboacoplador), (figura 2.31) es un elemento de transmisión de potencia que basa su funcionamiento en el Principio de Föttinger escrito por Hermann Föttinger (1877-1945), el cual se describe más adelante.

Los acoplamientos hidráulicos o con fluidos, constan de dos ruedas con alabes; el miembro conductor o impulsor (bomba) y el conducido o rodete (turbina). No hay conexión mecánica entre los dos árboles, siendo transmitida la potencia de uno a otro por la energía cinética del fluido actuante. El impulsor B esta unido al volante A y gira a la velocidad del motor. A medida que ésta aumenta, el fluido que está dentro del impulsor se mueve hacia la periferia de éste, debido a la 51   

fuerza centrífuga. La forma circular del impulsor dirige el fluido hacia el rotor C (turbina), que absorbe su energía cinética de éste como un momento de torsión (torque o par) que se entrega por medio del árbol D y la transforma en energía mecánica. La presión positiva tras el fluido hace que la corriente de este continúe hasta el cubo del rodete y retorne al impulsor. El espacio toroidal, en el impulsor y el rotor, esta dividido en compartimientos por una serie de álabes radiales planos.

Figura 2.31 Acoplamiento hidráulico

El par impulsor es igual al impulsado en todo el intervalo de las relaciones de velocidades de entrada a la salida y por con siguiente, la máquina motriz puede hacerse funcionar a la velocidad de mejor rendimiento, sin considerar la que haya de tener el árbol conducido. Otras ventajas son que el motor primario no puede ahogarse por la aplicación de la carga y que no hay transmisión de cargas de choque ni de vibraciones torsionales entre los árboles conectados. Debe tenerse en cuenta que las pérdidas de potencia inherentes a la transmisión hidráulica serán transformadas en calentamiento del fluido de transmisión, por lo que debe calcularse si el acoplador hidráulico es capaz de disipar ese calentamiento a través de su superficie o si es necesario un sistema de refrigeración para el mismo. 52   

2.3.1 Principio de föttinger

De acuerdo con este principio, una determinada potencia puede ser transmitida de un eje rotante (eje de entrada o eje motor) a otro eje (eje de salida) a través de dos ruedas alabeadas y un fluido de transmisión. Una de las ruedas alabeadas (rueda primaria o rueda bomba) gira solidariamente al eje motor o a la máquina que genera la potencia a transmitir. La otra rueda (rueda secundaria o rueda turbina) está mecánicamente unida a la máquina que va a ser accionada. Ambas ruedas alabeadas se colocan cara a cara, con una separación mínima entre ellas pero sin contacto mecánico entre ambas y envueltas en un compartimiento cerrado que contiene una determinada cantidad de fluido de transmisión (por ejemplo, aceite hidráulico). En cuanto la rueda bomba, accionada por el eje motor, empieza a girar, la energía mecánica de rotación se transforma en energía cinética del fluido de transmisión, que es impulsado por los álabes de dicha rueda bomba. El fluido impulsa a su vez a la rueda secundaria, transformándose su energía cinética de nuevo en energía mecánica, pero ya en el eje de salida.

Lo que el principio de Föttinger dice es que el par se mantiene constante en ambos ejes, de forma que las pérdidas de velocidad equivalen a pérdidas de potencia. En las siguientes figuras se puede observar:

53   

Aceleración del motor (tensión completa frente a tensión reducida):

Parada: ■ El fluido de operación está situado en la sección inferior del acoplamiento hidráulico. ■ Los niveles de fluido en la cámara de retardo y el circuito de trabajo son idénticos.

Aceleración de la maquina propulsada: ■ Una vez que se ha superado la “velocidad de conmutación”, se cierran las válvulas de fuerza centrífuga. ■ El fluido de operación circula de la cámara de retardo al circuito de trabajo a través de las boquillas. ■ El par que se puede transmitir aumenta hasta el par de arranque y se acelera la maquina propulsada.

■ Hasta una “velocidad de conmutación” determinada, las válvulas de fuerza centrífuga entre el circuito de trabajo y la cámara de retardo están abiertas. ■ El fluido de operación circula a través de las válvulas del circuito de trabajo a la cámara de retardo. ■ Con ello el acoplamiento transmite un par más bajo y el motor de impulsión acelera con una carga reducida.

Operación nominal: ■ Casi todo el fluido de operación se encuentra en el circuito de trabajo. ■ El acoplamiento ha alcanzado su máxima capacidad de transmisión (deslizamiento nominal 2 – 3%).

Figura 2.32 Acoplamiento hidráulico controlado por válvulas

54   

2.4 Utilización

Como ya se ha visto a grandes rasgos los distintos acoplamientos que existen y sus aplicaciones

en las diferentes ramas de la industria en la

siguiente tabla se muestra la desalineación tolerada de algunos acoplamientos:

Tabla 1. Características de algunos acoplamientos

Con lo anterior podemos concluir que: Los acoplamientos rígidos sirven para bajas velocidades, bajas potencias y para ejes muy bien alineados. En cambio los acoplamientos flexibles están diseñados para corregir el desalineamiento entre los ejes, y absorber choques. Los acoplamientos hidráulicos absorben choques, permiten disminuir al mínimo el par de arranque así como regular la velocidad y la potencia entre los dos ejes.

55   

   

CAPITULO 3

     

TEORIA DE LA SELECCIÓN DE ACOPLAMIENTOS  

3.1 Parámetros fundamentales de los acoplamientos En el siguiente esquema resume el proceso para la determinación de un acoplamiento:

Diagrama 1. Proceso para la determinación de un acoplamiento

57   

Por lo tanto los  parámetros técnicos fundamentales que deben tenerse en cuenta para la selección de un acoplamiento son los siguientes:

9 Par nominal a transmitir. 9 Coeficiente de seguridad - Par nominal del acoplamiento. 9 Rigidez - Desalineaciones - Diferencias. 9 Velocidad de giro máxima admisible. 9 Momento

de

inercia

del

acoplamiento

(especialmente

en

accionamientos para movimientos rápidos) 9 Dimensiones - Espacio ocupado. 9 Entorno - Temperatura - Agentes externos.

58   

3.1.1 Par nominal a transmitir El par nominal es el factor principal de dimensionamiento de los acoplamientos de los ejes y de las máquinas directamente conectadas a ellos. El par nominal a transmitir es función de la potencia nominal a transmitir y de la velocidad de rotación. En las siguientes ecuaciones se expresa esto;

(in-lbf) ………………(1)

o

(N-m) ………………(2)

Donde: T= par nominal. P= potencia nominal en Hp o Kw. n= número de rpm (velocidad).

La potencia nominal a transmitir es la que tiene la máquina impulsora expresada en kilowatios (kw) o caballos de potencia (hp). La velocidad de rotación expresada en revoluciones por minuto (rpm) es la que tiene la máquina motriz y debe ser inferior a la velocidad máxima del acoplamiento.

59   

3.1.2 Coeficiente de seguridad El factor de servicio o coeficiente de seguridad es; factor que corrige niveles normalizados, para máquinas que se encuentran a condiciones especiales de operación.

En la determinación del factor de servicio, hay que tener en cuenta

las

irregularidades del par debidas a los diferentes tipos de máquinas motrices y receptoras, las frecuencias de arranque, el número de horas de funcionamiento por día, todo ello se puede encontrar en los catálogos del fabricante. Entonces tenemos que;

Par nominal del acoplamiento= Par nominal a transmitir x coeficiente de seguridad.

Tac    T   x   fs   ……………(3) 

Hay que evitar un coeficiente de seguridad excesivo porque podría seleccionarse un acoplamiento sobredimensionado y demasiado rígido según sea cada caso.

60   

3.1.3 Rigideces Un acoplamiento tiene siempre, en graduación diferente según el tipo, estructura y dimensionamiento, posibilidades de deformación según cuatro modos: axial, radial, cónico y torsional, para cada uno de los cuales se define una rigidez. Estas rigideces condicionan las reacciones del acoplamiento cuando se le impone las diferentes deformaciones posibles. Resulta evidente que un acoplamiento admite tanto mejor los efectos de alineaciones cuanto mayor sea su flexibilidad (por lo tanto, más pequeña su rigidez). Con acoplamientos elásticos, las "alineaciones" no son operaciones arduas, de alta precisión, como en el caso de acoplamientos rígidos.

3.1.4 Dimensiones - Espacio ocupado Al elegir el acoplamiento hay que tener en cuenta: • Las dimensiones (diámetro y longitud) de los extremos de los ejes. • El espacio disponible (diámetro y longitud) para el acoplamiento entre las máquinas.

61   

3.1.5 Entorno - Agentes externos Se debe tomar en cuenta el medio ambiente en el cual trabajara el equipo, de modo tal que sabremos de qué manera puede este repercutir en nuestro sistema de operación. El caucho natural, elegido en razón de sus buenas cualidades dinámicas soporta muy bien el entorno de trabajo de la mayor parte de las máquinas, no resulta afectado por vertidos accidentales de aceite o de gasolina, soporta con facilidad temperaturas de hasta 70°C. Una temperatura permanente más elevada conduciría a una disminución progresiva de las cualidades del caucho y por tanto, sería necesario considerar mezclas especiales.

3.2 Condiciones de los acoplamientos

El cople ideal debe cumplir las siguientes condiciones: ¾

Resistencia: deben ser capaces de transmitir el momento de torsión del eje sin que se produzca su rotura.

¾

Absorción de desalineaciones: el acoplamiento debe ser capaz de transmitir el movimiento de rotación aunque exista una pequeña desalineación entre los árboles conectados, dependiendo la magnitud máxima de desalineación aceptable del modelo de acoplamiento.

¾

Absorber la vibración: debe amortiguar las cargas de impacto.

¾

Tener pocos accesorios y fácil instalación.

¾

De fácil mantenimiento y reparación.

¾

No necesitar lubricación o de fácil lubricación.

¾

Bajo costo.

62   

3.3 Tolerancias y ajustes Se entiende por tolerancia el error o inexactitud, de más o de menos, que se permite en las condiciones reales de la pieza respecto a las anotadas en las cotas del plano de construcción. La tolerancia es un factor muy importante, ya que es determinante en el momento de acoplar diferentes piezas en la construcción o en el montaje de objetos y mecanismos. Se entiende por ajuste el hecho de dar a dos o más piezas las dimensiones definitivas para que, una vez montadas, permitan una perfecta unión. La operación de ajuste entre dos piezas depende de la diferencia entre las respectivas dimensiones. En las piezas montadas, una de ellas, llamada macho (eje) se introduce parcialmente o totalmente en la otra, llamada hembra (agujero). Puede presentarse dos situaciones: a) Si la diferencia de medidas entre las piezas es positiva, es decir, cuando la hembra es más grande que el macho, se dice que el ajuste es con juego. b) Cuando la diferencia es negativa, es decir, el macho es mayor que la hembra, se trata de un ajuste fijo o con presión.

Tipos de ajustes Según sea la tolerancia los ajustes se pueden clasificar en: 1) Ajuste con juego; el diámetro del agujero es siempre más grande que el eje y permite que éste gire dentro del agujero. 2) Ajuste con presión; las piezas, una vez montadas, quedan fijas, es decir no presentan movimiento una respecto de la otra. 63   

3) Ajuste indeterminado; se llama indeterminado cuando las dimensiones que presentan el eje y el agujero, de acuerdo con las respectivas tolerancias, no permiten determinar con antelación si las piezas quedaran fijas o móviles una vez montadas.

3.4 Métodos para seleccionar un acoplamiento

Cualquiera de los siguientes métodos puede ser usado para seleccionar acoplamientos para la mayoría de aplicaciones, sin embargo se le debe dar consideración especial a la selección del acoplamiento para aplicaciones que involucren diseños particulares o condiciones distintas a las usadas en ciclos de trabajo y carga normal.

3.4.1 Método 1: Por torque 1. Seleccione el tipo de acoplamiento (ver catálogos de los distintos fabricantes) 2. Calcule el par de torsión transmitido (par nominal), el cual se obtiene por cualquiera de las siguientes fórmulas :

; (in- lbf) o

; (N‐m)

64   

3. Calcule el par nominal del acoplamiento o potencia de diseño, de la siguiente manera: Par nominal del acoplamiento= par nominal transmitido x el factor de servicio

Tac = T x fs El factor de servicio presenta una forma de clasificar equipos y aplicaciones con diferentes características de carga. Entendiéndose por aplicaciones a (tiempo de funcionamiento, tipos de máquinas, las frecuencias de arranques, etc.) El factor de servicio se aplica a la carga normal (generalmente de torque o par continuo) que se espera que el acoplamiento reciba de la máquina. Dicho de otra manera es el factor que corrige niveles normalizados, para máquinas que se encuentran a condiciones especiales de operación. Este se obtiene de la tabla de los fabricantes. 4. Seleccione el tamaño de acoplamiento con una capacidad de torque igual o mayor a la capacidad determinada en el paso 3. 5. Revise otras condiciones limitantes: •

Clasificación de velocidad máxima.

•

Capacidad de barreno máximo.

•

Separación de eje, diámetro exterior del acoplamiento.

•

Condiciones ambientales.

65   

3.4.2 Método 2: Por potencia 1. Seleccione el tipo de acoplamiento (ver catálogos de los distintos fabricantes). 2. Calcule la potencia por cada 100 RPM, utilizando la fórmula siguiente:

100

 

100

3. Multiplique el valor obtenido en el paso anterior por el factor de servicio este último se obtiene de las tablas de los fabricantes.

4. Seleccione el tamaño de acoplamiento con una clasificación

que

sea igual o mayor a la capacidad determinada en el paso 3. 5. Revise otras condiciones limitantes: •

Clasificación de velocidad máxima.

•

Capacidad de barreno máximo.

•

Separación de eje, diámetro exterior del acoplamiento.

•

Condiciones ambientales.

66   

3.5 Ejemplo En una planta de fertilizantes, se tiene un ventilador de tiro inducido, el cual está acoplado directamente con un motor de 350 HP a 1200 rpm figura (3.1). Los diámetros de los ejes son: 75mm para el motor y 85 mm para el ventilador. El ventilador opera 24 horas al día y está a la intemperie. Seleccionar un acoplamiento que satisfaga esta necesidad.

Figura 3.1 Motor y ventilador de 350 Hp a 1200 rpm en una planta de fertilizantes

67   

Sol: Puede considerarse que se seleccionará acoplamientos que no tengan mayores dificultades con la humedad, el sol, los gases etc. Si elegimos un acoplamiento de lainas Thomas® se tendrá:

63030 HP rpm 63030(350) T= 1200 T = 18384 pu lg − lb f T=

T es el par de torsión en pu lg − lb f

Para ventiladores (centrífugo de tiro inducido) de acuerdo al manual de acoplamientos de lainas Thomas® se sugiere que sea 1.5 el factor de servicio ver tabla (1), por lo que; Tac = T x fs

Tac = 18384(1.5) = 27576 pu lg − lb f

68   

*Tabla 1. Factores de servicio del fabricante Thomas®

La tabla de capacidad máxima de torque (2) nos da el tipo de acoplamiento a usar de acuerdo a la capacidad de transmisión. Por lo tanto tenemos que el acoplamiento a usar es el tamaño 401, modelo DBZ, debido a lo cerca de la capacidad de transmisión requerida (27,576 lb-in).

*Para ver tabla completa consulte al final anexos

69   

Tabla 2. Datos generales del los acoplamientos en este caso nos enfocaremos al DBZ fabricante Thomas®

Lo anterior fue calculado utilizando el método 1 “por torque”. A continuación se calculará utilizando el método 2 “por potencia”.

Hp HP(100) (350)(100) = = = 29.17 100rpm rpm 1200

Multiplique el valor obtenido en el paso anterior por el factor de servicio que en este caso es 1.5 según tabla (1)

Tac = T x fs

Tac = 29.17(1.5) = 43.75 70   

Una vez calculado el torque máximo del acoplamiento (43.75), se procede a seleccionar el tamaño del mismo con una clasificacion HP/100 RPM y que sea igual o mayor al torque máximo obtenido anteriormente. En la tabla (2) lo podemos encontrar.

Tabla 2 Datos generales del los acoplamientos en este caso nos enfocaremos al DBZ fabricante Thomas®

De acuerdo a la tabla anterior se usa el tamaño 401, modelo DBZ, debido a lo cerca de la capacidad requerida (43.75 HP/100 RPM). En la tabla (3) se puede ver que cumple perfectamente con las limitantes en cuanto al diámetro de barrero y la velocidad máxima (rpm), esta última la encontramos en la tabla (2).

71   

Tabla 3. Dimensiones generales fabricante Thomas®

Como se puede observar que utilizando cualquiera de los dos métodos nos arroja el mismo resultado, así pues, queda del lector aplicar el método que más le convenga, aunque en el sistema imperial el método más usado es el HP/100 RPM (por potencia). El acoplamiento a usar es tamaño 401, modelo DBZ figura (3.2).

72   

Figura 3.2 Acoplamiento DBZ, tamaño 401

Ahora si se elije un acoplamiento Omega® Estándar el cual lo calcularemos utilizando el método “por potencia” se tendrá lo siguiente:

Hp HP(100) (350)(100) = = = 29.17 100rpm rpm 1200

Para ventiladores de tiro inducido de acuerdo al manual de acoplamientos de REXNORD Omega® tabla (4) se sugiere que sea 1.5 el factor de servicio, por lo que;

Tc = T x fs Tac = 29.17(1.5) = 43.75

73   

Tabla 4. Factores de servicio Omega®

Con el valor obtenido anteriormente, se procede a seleccionar el tamaño del acoplamiento con una clasificacion HP/100 RPM y que sea igual o mayor al torque máximo calculado en el paso anterior. En la tabla que acontinuación se muestra (5) lo podemos encontrar.

74   

Tabla 5.Dimensiones generales Omega® Estándar

De acuerdo a la tabla se usa el Omega Estándar número E80, debido a lo cerca de la capacidad requerida (43.75 HP/100 RPM). Así también se puede observar que cumple perfectamente con el barreno máximo a utilizar, en la figura (3.3) se muestra el acoplamiento a utilizar.

75   

Figura 3.3 Acoplamiento Omega® Estándar

Por último se calculara un acoplamiento más utilizando el manual del fabricante Rigiflex, y el mismo método anteriormente descrito:

Hp HP(100) (350)(100) = = = 29.17 100rpm rpm 1200

76   

Para ventiladores de tiro inducido de acuerdo al manual de acoplamientos de Rigiflex tabla (6) se sugiere que sea 2 el factor de servicio, por lo que;

Tc = T x fs Tac = 29.17(2) = 58.34

Tabla 6. Factores de servicio para coples Rigiflex

A continuación en la tabla (7) se muestra, el tamaño del acoplamiento a utilizar con una clasificacion HP/100 RPM y que sea igual o mayor al torque máximo calculado en el paso anterior que en este caso es (58.34).

77   

Tabla 7.Dimensiones generales para coples Rigiflex

De acuerdo a la tabla anterior el tamaño del acoplamiento a usar es el 25G, en la siguiente figura (3.4) se muestra este tipo de acoplamiento.

Figura 3.4 Acoplamiento Rigiflex tipo G20

78   

Tipo de acoplamiento

Fabricante

Comercial

Costo

Lainas DBZ

Rex® Thomas

Si

alto

Omega

Rexnord

Si

bajo

Brida G 20

Rigiflex

Si

alto

Observaciones El acoplamiento estándar DBZ consta de dos cubos invertidos dentro del paquete de disco y se usa cuando el espacio entre fecha y flecha es mínimo. El uso de tornillos radiales puede reducir el servicio de mantto simplificando el montaje/desmontaje y eliminando la necesidad de lubricación y realineamiento a causa del acoplamiento. Permiten absorber tanto desalineaciones paralelas como angulares o una combinación de ambos, así como la flotación axial.

Tabla 8. Comparaciones entre acoplamientos Omega, brida y lainas.

Como ya se vio anteriormente nuestro acoplamiento a elegir tiene que cumplir con las condiciones obligatorias como son; potencia a transmitir, diámetro de barreno y velocidad de rotación, los acoplamientos antes seleccionados cumplen perfectamente con este requisito a hora bien, algo muy importante que no se puede pasar por alto son las limitantes o condiciones en que trabajara el sistema (condiciones deseables), en cuyo caso nos dice que el equipo trabajara a la intemperie esto quiere decir que se tiene que seleccionar acoplamientos que no tengan dificultades con la humedad, el sol y los gases.

Así pues se puede concluir que de estos tres acoplamientos el que cumple con las condiciones obligatorias y deseables es el acoplamiento de lainas DBZ.

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3.6 Ventajas y desventajas de los acoplamientos Ventajas ¾ Los acoplamientos de elastómero: 1. Logran menor esfuerzo ante una gran desalineación, reducen las cargas de momento reducido en el rodamiento debidas al acoplamiento. 2. Reducen las cargas debidas a los acoplamientos desequilibrados y de alta confiabilidad. 3. Los acoplamientos de elastómero y elementos doblemente flexibles para bombas, están diseñados para ofrecer un menor costo de vida útil del sistema, y no sólo de los acoplamientos. 4. Son capaces de absorber vibraciones que pudieran afectar a las máquinas.  

¾ Los acoplamientos flexibles: 1. Con elementos metálicos pueden trabajar incluso después que han fallado uno o más discos. 2. En los equipos rotatorios, el par torque se transmite normalmente de los ejes a los cubos del acoplamiento a través de chavetas, de fricción o de una combinación de ambos. 3. Permiten la separación de la máquina motriz y la conducida o receptora rápidamente. 4. Absorben cambios de torque que pueden afectar a sistemas más rígidos. 5. Permiten alineamientos en forma fácil y rápida. 6. Transmiten movimiento cíclico circular, permitiendo un desfase entre la máquina motriz y la receptora. 7. Permiten generar dos movimientos independientes o recíprocos, uno rectilíneo y otro circular en la misma instancia.

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Desventajas 1. Los acoplamientos rígidos para ejes como los de engranes y de cadena, requieren una constante verificación de su sistema de lubricación, debido al movimiento deslizante. 2. Los acoplamientos con discos múltiples requieren para el reemplazo de un disco, cambiar el sistema como un todo, ya que no pueden reemplazarse solo los discos quebrados. 3. Los acoplamientos rígidos casi no aceptan posibilidad de error en el espaciamiento axial de las máquinas 4. En los acoplamientos de engranes bajo fuerzas centrífugas la grasa tiende a separarse en aceite y jabón. 5. Los acoplamientos de alta velocidad se lubrican continuamente a través de un flujo de aceite permanente que ocasiona intrínsecamente un problema de acumulación de sedimentos. 6. Los acoplamientos del tipo elastómeros son afectados por los agentes contaminantes del medio en el que se encuentran, provocando un envejecimiento prematuro. 7. Cuando los acoplamientos rotan a alta velocidad en cajas de protección estancas, cortan el aire y este corte produce una generación de calor significativa. 8. Los del tipo metálico son afectados por oxidaciones, razón por la cual no son recomendables en instalaciones expuestas a la adversidad del clima. 9. Debido al tamaño de los acoplamientos, éstos requieren de mayor espacio para su ubicación. 10. Los acoplamientos con elastómeros en su interior (mixtos), no son inspeccionables visualmente, ya que están cubiertos por un cuerpo metálico que no permite la libre visualización del núcleo. 11. Eventualmente pudiese existir un cierto desaprovechamiento de energía al utilizar núcleos con elastómeros, ya que éstos son capaces de absorber dicho rendimiento motriz, durante el proceso de transmisión de potencia. 81   

CAPITULO 4

TECNICAS DE ALINEAMIENTO                      

5.1 Alineación La alineación de los equipos es fundamental si queremos incrementar la fiabilidad de las instalaciones por ello es muy importante saber las causas que provocan la desalineación y sobretodo como puede ser corregida dicha falla, e ahí cuando preguntamos ¿Cuándo alinear? ¿Cómo alinear?... La alineación es el proceso mediante el cual la línea de centros del eje de un elemento de maquinaria, por ejemplo un motor, se hace coincidir con la prolongación de la línea de centros del eje de otra máquina acoplada a ella, por ejemplo, una bomba. Dicho de otra manera es una condición en la cual los dos ejes son perfectamente colineales figura (4.1) y operan como un único eje solido cuando están acoplados, esta alineación se da solo cuando los ejes coinciden en las proyecciones de ambos planos (horizontal y vertical).

Figura 4.1 Alineación perfecta

83   

¾

El alineamiento es una técnica que busca la calidad en el montaje de las máquinas rotativas. Sus fines son: 9 Lograr un buen posicionamiento entre ejes. 9 La eliminación de esfuerzos no deseados. 9 La descarga de los órganos de apoyo de los equipos. 9 La duración del servicio. 9 Ahorro económico por disminución de roturas, deterioros y stocks de almacenamiento. 9 Mayor disponibilidad de servicio

¾

La falta de alineamiento ocasiona excesivas fuerzas axial y radial en los cojinetes, lo cual conlleva: 9 Recalentamiento y desgaste prematuro de los cojinetes. 9 Sobrecargas en el motor. 9 Desgaste prematuro en las empaquetaduras o sellos mecánicos del eje. 9 Posibilidad de rotura del eje debido a fatiga. 9 Chillidos y ruidos extraños. 9 Vibraciones, las cuales son a su vez causa del desalineamiento, creando un círculo vicioso que termina por arruinar el equipo.

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5.2 Causas de la desalineación Las causas más habituales que contribuyen a la desalineación entre dos máquinas acopladas son las siguientes: ™ Diseño de equipos con materiales de baja rigidez que se deforman en

funcionamiento con facilidad cuando transmiten su potencia entre ellos o sobre el resto del sistema. ™ Construcción de los elementos mecánicos fuera de tolerancias adecuadas. ™ Pie cojo, también llamado en ingles soft foot. Se presenta cuando algunos

de los apoyos de la máquina no se encuentran en el mismo plano de los otros. Se puede deber a defectos de la cimentación de la base, deformaciones térmicas, mal acabado o maquinado ™ Distorsión debido a fuerzas en tuberías. ™ Distorsión en soportes flexibles debido al torque. ™ La posición relativa de los componentes se altera después del montaje. ™ Montaje

sobre cimentaciones defectuosas o insuficientes, donde los

empujes de la potencia transmitida puedan hacer que los ejes sufran variaciones espaciales en una dirección determinada. ™ Bancadas con falta de rigidez, fisuradas, flojas, mal dimensionadas, con

aprietes inadecuados, con asientos no uniformes alabeadas etc. ™ Dilataciones de origen térmico, por desigualdades en los trabajos de ambas

partes del equipo acoplado, o por calentamientos diferentes en los elementos rodantes (rodamientos) etc.

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5.2.1 Consideraciones previas al alineamiento 1.

Definir el conjunto de máquina

2.

Instalar pernos de ajuste de posición

3.

Disponer de calzos o shims

4.

Realizar la nivelación de la máquina

5.

Revisar patas cojas o soft food

6.

Revisar excentricidades

7.

Comprobar desplazamiento axial

8.

Comprobar tensión de tuberías

9.

Considerar crecimiento térmico

10.

Prever el recorrido de la máquina

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5.3 Tipos de desalineaciones La desalineación es un defecto mecánico que se define como la falta de coincidencia espacial de los ejes geométricos correspondientes a dos árboles (ejes) de transmisión acoplados. Dicho de otra manera es la condición en que dos máquinas rotativas acopladas operan con sus ejes no colineales.

Dada una máquina con dos partes (conductora y conducida) conectadas mediante un acoplamiento, la alineación de los ejes es un procedimiento que consiste en la recolocación de las partes con el objetivo de que coincidan en el espacio los ejes geométricos de ambas partes. En la práctica, el procedimiento de alineación de ejes se realiza moviendo solo una de las partes (parte móvil) mientras que se mantiene fija la posición de la otra parte (parte fija).

Como se ha visto, el problema de desalineación de ejes aparece ante la necesidad de transmitir una potencia desde un elemento mecánico hasta otro. Cuando el par a transmitir y la velocidad de rotación son pequeños (transmisiones de potencias pequeñas), el problema suele carecer de importancia ya que no influye sensiblemente en la vida útil de los componentes de la máquina. Sin embargo, al transmitir potencias mayores, la alineación de ejes es crítica para la vida de los componentes y de la propia máquina.

87   

La desalineación es una fuente de vibración fácilmente corregible, y causa más del 30% de los problemas de vibración que se detectan en la industria. Es importante alinear los equipos al instalarlos, comprobar la alineación cada cierto tiempo (anualmente, por ejemplo) y realizarla siempre que se intervenga en el equipo. Hay que tener en cuenta que existen ciertas tolerancias al desalineamiento, y que no es necesario que este sea absolutamente perfecto. Cada máquina y cada fabricante suelen aportar la tolerancia en el alineamiento. También es importante tener en cuenta que el hecho de disponer de acoplamientos flexibles no elimina la necesidad de alinear los equipos la mayoría de los fabricantes recomienda alinear estos acoplamientos con el mismo cuidado y exactitud que si fueran acoplamientos rígidos

Un eje como cuerpo rígido posee seis grados de libertad, con respecto a un segundo eje. Sin embargo por razones de simetría, tan solo quedarán cuatro que generan una posible desalineación. Estos tipos de desalineación pueden ser axiales, angulares, paralelos o radiales y combinada (angular-radial), como se muestra en la (figura 4.2).

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a) Desalineación axial 

b) Desalineación angular 

c) Desalineación paralela 

d) Desalineación angular‐radial 

Figura 4.2 Tipos de desalineaciones

La desalineación axial es la variación en la distancia entre los ejes de la maquinaria en relación a la longitud neutral del acoplamiento figura (4.2a). La desalineación angular es la máxima magnitud de ángulo entre los ejes acoplados, dicho de otra manera es la dimensión X menos Y como se ilustra en la figura (4.2b). La desalineación paralela es la distancia P máxima entre las líneas centrales de los ejes como se observa en la figura (4.2c)

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En la realidad lo más común es que los desalineamientos mostrados en la figura (4.2) se presenten combinados, ocurriendo un nuevo tipo de desalineamiento llamado angular-radial (figura 4.2d) tanto en el plano vertical como horizontal de la máquina.

En el momento que los equipos trabajan bajo éstas condiciones se producen vibraciones que pueden llegar a ser nefastas para la vida útil de la maquinaria, ya que se generan cargas adicionales en rodamientos, sellos, ejes y acoplamientos, pudiendo producir a corto plazo fallas como fugas de aceite, en descansos y sellos, soltura de pernos basales y de pernos del acoplamiento e incluso llegar a la rotura de ejes.

En consecuencia, es necesario determinar el grado de desalineamiento mientras las máquinas estén operando, por lo que para esto se utilizan técnicas que nos permiten diagnosticar el nivel y tipo de desalineamiento como son la medición y análisis de las vibraciones. Estas mediciones se encuentran normadas, y un exitoso análisis depende directamente de una buena toma de valores.

90   

5.3.1 ¿Cuándo Alinear? Será preciso realizar la alineación en los siguientes casos: ¾

Tras el montaje de equipos nuevos.

¾

Tras la reparación de equipos existentes.

¾

Cuando las medidas de vibración indiquen esta necesidad.

¾

Periódicamente en equipos críticos.

   

5.4 Medida de la desalineación. La medida de la desalineación proporciona la información necesaria para determinar los desplazamientos de la parte móvil que llevarán a una alineación óptima. El procedimiento de medida y las consideraciones a tener en cuenta son distintos según se utilicen para medir relojes comparadores o dispositivos láser.

Medidas con comparadores. En los métodos de alineación basados en la medida con comparadores, un comparador esta fijo a una de las partes (por ejemplo la parte móvil) y la palpa la otra parte (por ejemplo, la parte fija). La toma de datos se realiza en cuatro posiciones, las dos posiciones horizontales (una en el lado positivo del eje horizontal y otra en el lado negativo) y las dos posiciones verticales (una en el lado positivo del eje vertical y otra en el lado negativo). Así por cada comparador se tiene cuatro medidas: horizontal positiva (HP), horizontal negativa (HN), vertical positiva (VP) y vertical negativa (VN). Es costumbre poner a cero el comparador en la medida superior (lado positivo del eje vertical), con lo que esta medida siempre será cero (VP= 0).

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Una vez leído los datos, estos se suelen anotar en un gráfico como el mostrado en la (figura 4.3). En este grafico, el círculo representa el plato sobre el que mide el comparador con los ejes mostrados en la (figura 4.4). Dentro del círculo se anota el nombre del comparador, el cual depende del método utilizado y en las cuatro posiciones exteriores al círculo se anotaran las medidas (en mm).

Figura 4.3 Medida y anotación de la desalineación

Existe una regla matemática denominada regla de la cruz que relaciona las cuatro medidas de cada comparador, esta regla indica que la suma con signo de las medidas verticales a de ser igual a la suma con signo de las medidas horizontales. En la (figura 4.3) se observa que la suma de medidas verticales es 0.82, mientras que la suma de medidas horizontales es también 0.82, por lo que hay concordancia.

92   

Figura 4.4 Posición del analizador

Si la regla no se cumple es por que hay algún factor que esta alterando la medida y será necesario indagar para ver cual es la causa del error. Las causas más comunes son las siguientes:

•

Deformación en soportes de relojes comparadores: en ocasiones, cuando los soportes de los relojes comparadores no tienen rigidez suficiente, el comparador registra la deformación de su soporte, añadiéndola como un error a la desviación medida.

•

Perdida de contacto entre el palpador del comparador y la superficie palpada. Es un defecto común que durante el giro de los ejes para tomar las cuatro medidas exista alguna posición en la que el palpador del comparador pierde el contacto con la superficie. Los motivos más habituales son que el comparador este atascado o que el comparador llegue al tope de final de carrera.

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•

Eje deformado o combado. También aparece discrepancia en la suma de medidas horizontales y verticales cuando hay un defecto geométrico. Este problema es más difícil de compensar, por lo que lo más recomendable es sustituir el elemento que introduce el error.

•

Holguras y roces al girar los ejes. Si existen estas holguras provocan errores de medida que afectan al resultado. Por ello, es importante eliminar las holguras antes de continuar con el procedimiento de alineación.

Medida con dispositivo láser: Cuando se utilizan estos dispositivos, el procedimiento de media de la desalineación depende del analizador y del programa informático que se utiliza. Los programas más sencillos también se basan en cuatro medidas (dos horizontales y dos verticales), de forma similar cuando se utilizan los relojes comparadores. La diferencia estriba en que los dispositivos láser están equipados con inclinómetros que proporcionan información exacta de la posición de los ejes para la medida.

Existen programas de alineación más elaborados que pueden adquirir información durante todo el recorrido de rotación de los ejes. Incluso cuando la capacidad de giro de los ejes es limitada, estos programas permiten obtener información válida y suficiente haciendo posible realizar la alineación. Además, estos suelen realizar un análisis estadístico de los datos permitiendo verificar la calidad de la información muestreada y permitiendo descartar datos no válidos (fuera del ajuste estadístico).

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5.5 Métodos de alineamiento En la práctica, el desplazamiento necesario en la parte móvil de la máquina para lograr la alineación se suele descomponer en desplazamiento horizontal y desplazamiento vertical, dando origen a dos planos de alineación: horizontal y vertical como ya se ha visto.

Existen diferentes métodos para la alineación de equipos rotativos algunos de ellos son los siguientes: Regla y nivel Reloj radial y galgas. Cara y borde (reloj radial y axial). Indicadores alternados (relojes radiales en ambos ejes). Sistema de rayo láser.

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Regla y nivel Es uno de los métodos aproximados de alineación aún utilizados hoy en día, para corregir la desalineación paralela, puede ser rápido pero induce a todos los errores posibles (figura 4.5). El proceso de alineamiento es como sigue: ♦ Los ejes, con los platos calados, se aproximan hasta la medida que se especifique. ♦ Con una regla de acero y un nivel, se sitúan en las generatrices laterales que podemos denominar Este y Oeste, y se irá corrigiendo hasta que los consideremos alineados. ♦ Se comprueba el paralelismo de los platos midiendo en cuatro puntos a 90°. ♦ Si en el plano Norte-Sur no tenemos el nivel a cero, quiere decir que el mecanismo está “caído” o “levantado”, por lo que habrá que colocar forros (calzos) donde se necesite para que los dos platos queden paralelos.

Figura 4.5 Método de alineación regla y nivel

96   

Reloj radial y galgas 1. En primer lugar se busca corregir la desalineación angular con la ayuda de las galgas figura (4.6a) (en acoplamientos próximos) o micrómetro (en acoplamientos con separador) figura (4.6b). El objetivo es que los dos platos del acoplamiento estén en el mismo plano. También se pretende, con las dieciséis medidas, compensar los errores de medida debidos a huelgo axial; sino con cuatro medidas bastaría. Los pasos a seguir son los siguientes:

a)

b) Figura 4.6 Galgas(a) y micrómetro (b)

97   

Figura 4.7 Medición con galgas

Š Se mide con las galgas la distancia entre los platos del acoplamiento en las posiciones que hemos denominado “izquierda”, “derecha”, “arriba” y “abajo”. Como se observa en la figura anterior; Š Se mueven conjuntamente los dos árboles 90º, repitiendo las 4 medidas del paso anterior. Se opera igual para 180º y 270º. Š Los valores así obtenidos se colocan en una tabla como la siguiente y se calculan los promedios.

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Š Se conseguirá el alineamiento si: Izquierda = Derecha = Arriba = Abajo Š Puede suceder que el plano del plato no sea perpendicular al eje, lo que puede generar otro tipo de error llamado “error de plano”. Este error se detecta una vez hecha la corrección al tomar de nuevo la serie de medidas indicadas en el punto 3. Si la media de las cuatro columnas coincide (confirmando que el desalineamiento angular se ha corregido), pero no coinciden los valores de las columnas para cada medida, hay error de plano. Š En la práctica se corrigen primero los errores angulares en el plano vertical y luego en el plano horizontal (figura 4.8). Es decir, primero corregimos verticalmente un ángulo α para que arriba = abajo, y después corregimos horizontalmente un ángulo β para que derecha = izquierda.

a)

b)

Figura 4.8 Planos vertical (a) y horizontal (b)

2. Una vez corregida la desalineación angular se busca corregir la desalineación radial utilizando un reloj comparador. Primeramente se instala un montaje como el de la (figura 4.9) que permita medir la posición relativa del eje B respecto al A:

99   

Figura 4.9 Reloj comparador

Š Los platos se giran conjuntamente y se lee el marcador en las posiciones izquierda, derecha, arriba y abajo. Las medidas indicarán una posición correcta de B respecto de A si se cumple:

izquierda = derecha = arriba = abajo Š Es conveniente repetir para medir la posición relativa del eje A respecto a B. En la figura (4.10) siguiente se indica lo que se mide cuando se utiliza un reloj comprador. Se tiene un árbol B desalineado hacia abajo una distancia H respecto del árbol A. La base del reloj está sobre el eje B; por tanto éste es el referente que se toma para la medida.

La diferencia entre las medidas en ambas posiciones, es la diferencia de lectura del reloj. Así: (R-H) – (R+H) = -2H

100   

Es decir, si en la posición 1 el reloj se pone a cero, en la posición 2 el reloj marcará –2H, lo que significa que se lee el doble de la desalineación existente entre ambos árboles. De esta manera se logra corregir la desalineación radial.

Figura 4.10 Medidas del reloj comparador

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Método radial-axial Este método conocido también como cara y borde es uno de los primeros que se idearon para la alineación de ejes. En el se utilizan dos relojes comparadores para la medida de la desalineación. Ambos relojes están fijados a una de las partes que sirve como referencia (generalmente la parte móvil) y miden palpando la otra parte en sentidos radial y axial (figura 4.11).

Figura 4.11 Típico montaje del método radial-axial

El comparador radial es colocado sobre la cara lateral (cilíndrica) del acoplamiento y permite cuantificar la desalineación paralela. Por otro lado, el comparador axial puede ser colocado en las caras frontales externa o interna del acoplamiento en la (figura 4.11) se muestra apoyo sobre la cara externa y permite determinar el grado de desalineamiento angular. La medida se realiza de forma independiente en los dos planos de alineación (horizontal y vertical).

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Para cada uno de los planos, por separado, se tendrá que realizar un procedimiento de alineación como el que se describe a continuación. La figura (4.12) representa la situación de los comparadores en las dos medidas que se toman en uno de los planos de alineación. Las medidas del comparador radial (R) reciben el nombre de RP para la medida en el lado positivo del plano y RN para la medida en el lado negativo. De la misma forma, el comparador axial (X) proporciona dos medidas, una en el lado (XP)

y otra en el lado

negativo (XN). Las dimensiones A, B, C, E y G son magnitudes sin signo, mientras

que

las

medidas

de

los

comparadores,

el

ángulo

y

los

desplazamientos DAC (Desplazamiento del Apoyo Cercano al acoplamiento) y DAL (Desplazamiento del Apoyo Lejano al acoplamiento) son magnitudes con signo.

Figura 4.12 Relaciones geométricas en el método radial-axial

103   

Cada una de las dos medidas de cada comparador tendrá que tomarse con su signo correspondiente, ya que el signo determinara si la máquina debe ser desplazada en un sentido u otro. La medida de cada comparador entre las dos posiciones (positiva y negativa) se obtiene por diferencia. Sin embargo el resultado del comparador axial cambia de signo según dicho comparador esté colocado en la cara interna o externa. Para se introduce una constante Kx cuyo valor es 1 si el comparador esta en la cara externa caso de la figura (4.12) y -1 si

esta

R = RP – RN

X = Kx (XP – XN)

colocado

en

la

cara

interna.

(comparador radial) Kx = 1 si el comparador axial esta en la cara externa. Kx = -1 si el comparador axial esta en la cara interna.

Así, se puede observar que los valores R y X son positivos en el ejemplo de la (figura 4.12), llegando a este punto ya se dispone de la medida de la desalineación. A partir de estas medidas, se puede determinar los desplazamientos necesarios en la parte móvil para conseguir la alineación perfecta.

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Indicadores alternos o relojes comparadores La desalineación en este método se determina gráficamente definiendo las posiciones relativas de las líneas de ejes. Los pasos a seguir son los siguientes: 1. Marcar sobre la superficie de uno de los acoplamientos un punto de referencia y otros 3 más a 90º, 180º y 270º, respectivamente. 2. Montar dos relojes comparadores, uno con su palpador apoyado en el exterior de un plato y su soporte asegurado en el eje de la otra máquina, ocupando la posición de 0º, y el otro colocado en la dirección contraria y en la posición de 180º (figura 4.13) que continuación se muestra.

Figura 4.13 Montaje para el alineamiento con dos relojes comparadores

3. Anotar las lecturas que se obtienen en ambos relojes comparadores en las posiciones de 0º, 90º, 180º y 270º respectivamente.

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4. Se procede a la determinación de la desalineación en el plano vertical (figura 4.14). Sobre el papel milimétrico, se traza el árbol EI de la máquina estacionaria en una posición arbitraria, situando respecto a él la posición de los platos PI y PII y de sus apoyos.

Figura 4.14 Desalineación en el plano vertical

5. Con las lecturas en las posiciones 0º y 180º del reloj RII conocemos la distancia dII (posición relativa del eje EII respecto del eje EI en el plano de medida PI), de forma que podemos situar el punto II. 6. Con las lecturas en las posiciones 0º y 180º del reloj RI conocemos la distancia dI, (posición relativa del eje EI respecto del eje EII en el plano de medida PII), de forma que podemos situar el punto I. Uniendo los puntos I y

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II definimos la proyección sobre el plano vertical del eje EII. De esta forma obtenemos la posición relativa del eje EII respecto al EI. Si situamos ahora sobre EII sus apoyos podremos ver gráficamente las distancias CI y CII, que representan las correcciones en los apoyos de EII necesarias para un correcto alineamiento. 7. De forma análoga, pero considerando las lecturas de las posiciones 90º y 270º, se procede al alineado en el plano horizontal.

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Alineación por láser Los sistemas de alineación por láser están basados en los mismos principios que el método de los comparadores alternados. Sin embargo, en lugar de utilizar elementos mecánicos tales como (galgas o relojes comparadores) para tomar las medidas, se utilizan dispositivos láser (figura 4.15) que son mucho más precisos. Estos dispositivos cuentan con un emisor de luz láser y un sensor de luz capaz de determinar con gran precisión la posición en la que incide el haz de otro dispositivo.

Figura 4.15 Dispositivo láser para alineación de ejes

Así el montaje habitual cuenta con dos dispositivos cada uno de los cuales montados en cada cara del acoplamiento (figura 4.16), enfrentados de forma que el haz de luz emitido por cada uno incide sobre el sensor del otro. Los dispositivos cuentan además con un inclinometro que mide con precisión la orientación del mismo con respecto a la vertical.

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Figura 4.16 Dispositivo láser con analizador

La información leída por los dispositivos láser es transmitida a un analizador portátil (generalmente mediante conexión por cable o por infrarrojos) como se muestra en la figura anterior, el cual se encarga de procesarla y en base a las medidas de la maquina (que el usuario debe proporcionar al analizador) determina no solamente el tipo y grado de desalineación de los ejes, sino los desplazamientos necesarios en la parte móvil para su correcto acoplamiento.

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Hoy en día es extremadamente exigente que las empresas cuenten con ingenieros calificados en un correcto mantenimiento ya sea predictivo, preventivo o correctivo es por eso que, contar con ingenieros capaces de realizar una buena selección y montaje de acoplamientos en sus diversos usos en la industria evitara altos costos de mantenimiento y tiempos muertos en la producción. De aquí que el estudio principal de este trabajo es mostrar los métodos para la correcta selección de un acoplamiento al mismo tiempo proporcionar al lector los conocimientos necesarios para realizar el montaje de de los mismos.

Por consiguiente exhorto a los estudiantes de la carrera de ingeniería mecánica eléctrica a revisar este documento que les será de suma útil ya que les brinda la información básica para tener una idea más amplia de los distintos tipos de acoplamientos que existen así como su aplicación. Para la materia de diseño mecánico este documental les será de mucha utilidad y así mismo reforzar los conocimientos adquiridos, estará del lector elegir el método de selección que más le convenga (por potencia y por torque) en lo personal utilizo el de potencia aunque quedo demostrado que cualquiera de los dos métodos que se utilice da el mismo resultado.

Por último es muy importante recordar que el mejor acoplamiento para una aplicación en especial no esta regido por la oferta de equipos en el mercado ni la opción más económica, sino aquel acoplamiento que cumpla con todas las necesidades y condiciones que el sistema amerita.

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BIBLIOGRAFIA    

1.- Eugene A. Avallone, Theodore Baumeister III. MARKS Manual del ingeniero mecanico. Editorial. McGRAW-HILL. Tomo I. 9a edicion. 2.- Norton, Robert L. Diseño de maquinas Editorial. Prentice Hall, México, 1999. 3.- Joseph Edward shigley. Charles R. Mischke. Diseño en ingenieria mecanica. Editorial. McGRAW-HILL. 5a edicion. México 1990 .                                

111   

ANEXOS  

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        113   

 

      114