TRANSPORTADORES A TORNILLO SIN FIN HELICOIDAL – TP MECANISMOS B Hoja 1 de 6 Los transportadores a tornillo sin fin son maquinas simples que se utilizan para transportar a distancia materiales sólidos amorfos en forma de polvos, triturados y en general masas importantes de material compuestas de cuerpos sólidos pequeños (P.ej. Cereales) con flujo aproximadamente continuo. También se utilizan para transportar sustancias en estado pastoso (P.ej escoria de alto horno). Dado que el desplazamiento de material se produce a través de un canal cerrado resulta particularmente útil para desplazar materiales pulverulentos o que desprenden gases. No resultan efectivos en materiales muy abrasivos o con tendencia a adherirse a las superficies. Requieren mantenimiento permanente por alto desgaste. Su principio de funcionamiento consiste en el giro continuo de un tornillo helicoidal alojado con huelgo minimo en un canal de seccion U o circular que recibe en el punto de entrada una alimentación continua y dosificada de material que se interpone en el helicoide giratorio que lo “empuja” hasta el punto de salida. Pueden desplazar material horizontalmente o bien usarse como elevadores con ángulos de inclinación del canal de transporte determinados, en general pequeñas inclinaciones. No obstante existen aplicaciones verticales que requieren de recaudos particulares de diseño. Es una maquina de construcción sencilla, modular y de longitud de translado modificable aunque no alcanza grandes longitudes comparada con otros sistemas como las cintas transportadoras. B

H F - Tapa extremo G - Cojinete o apoyo extremo H – Acople entre tramos de hélice

G F

En la figura se presenta un canal (o arteza) E de perfil en U con tapa plana E, también se utilizan canales circulares, se construyen de chapa de acero de espesor mínimo 2 mm. y en tramos acoplables de longitud estándar para componer la longitud necesaria de translado.

La hélice o tornillo helicoidal A se construye en tramos de longitud estandar acoplables mediante los cojinetes G instalados en las tapas extremas F y los “apoyos/cojinetes/soportes intermedios” C que evitan que la hélice se apoye en el fondo del canal por flexión por peso propio o esfuerzos derivados del empuje del material. Estos apoyos intermedios se instalan generalmente en coincidencia con los acoples H entre tramos de hélice.

C

TRANSPORTADORES A TORNILLO SIN FIN HELICOIDAL – TP MECANISMOS B Hoja 2 de 6 El helicoide de chapa de espesor mínimo 2 mm se fabrica en sectores estampados que después se sueldan al eje central y entre si dando continuidad al tramo de hélice. En base a experiencias con el translado de distintos materiales, se fabrican distintos tipos de hélices de pasos y diseños diferentes dependiendo de las características del material. Como reglas generales experimentales 1) Se considera que el diámetro exterior de la hélice 1a) Debe ser como mínimo 12 veces el diámetro (o mayor medida equivalente) de los gránulos para materiales de granulometría uniforme. (Ej maíz) 1b) Debe ser como mínimo 4 veces el diámetro de mayor dimensión (o mayor medida equivalente) para materiales de granulometría irregular (Ej mineral extraído sin triturar) 2) El paso t de la hélice 2a) t = 0,5 * D para materiales pesados (alta densidad y P.E.) 2b) t = D para materiales livianos (baja densidad y P.E.)

El paso igual al diámetro es aplicable a un amplio rango de materiales.

3) La velocidad de giro del tornillo helicoidal (n en r.p.m.) y consecuentemente la de avance del material esta relacionado con el peso del material, genéricamente 3a) Para materiales pesados (alta densidad y peso especifico (P.E.))
n ≈ 50 r.p.m. 3b) Para materiales livianos (baja densidad y peso especifico (P.E.))
n ≈ 150 r.p.m. Entre distintas variantes de helicoides mencionamos con carácter informativo:

a) pasos mayores que D para generar agitación o para translado a mayor velocidad en materiales de alta fluidez.

b) Paso decreciente para generar compactación del material durante el translado.

c) Helicoide con bordes aserrados (y/o doblados) para desgranar material que tiende a aterronarse

TRANSPORTADORES A TORNILLO SIN FIN HELICOIDAL – TP MECANISMOS B Hoja 3 de 6 El diámetro interno de la helicoide corresponde al del eje motor de la hélice que resulta el limitante por esfuerzo de torsión de la longitud (distancia) total de translado. La masa total de material contenida entre el canal y el helicoide depende (para un grado de llenado determinado) de la longitud del transportador y es la que determina el par torsor necesario para empujarla. Por lo anterior la capacidad de transmitir torsión junto con la velocidad de son los determinantes de la potencia admisible en el helicoide que debe ser mayor o igual a la potencia requerida por las condiciones de la operación de transporte a realizar (material, caudal, distancia, altura). A LOS FINES DE T.P. SE ASUME QUE EL EJE SOPORTA LA POTENCIA REQUERIDA (En la practica, salvo que se proyecte el helicoide completo, al proyectar una instalación se consiguen en plaza helicoides y los demás componentes del transportador de fabricación estándar que se eligen en función de las características de la operación (material, caudal, distancia, altura)). CALCULO DE POTENCIA REQUERIDA PARA EL TRANSLADO 1) SECCION EFECTIVA DE EMPUJE DE MATERIAL: (Se) Para el funcionamiento sin desgaste de los cojinetes, tanto en los extremos como en los soportes intermedios, es necesario que no se depositen en sus superficies de contacto el material que se transporta. En general se trata que el “nivel” sea bastante menor que el diámetro del tornillo (que no este en contacto con el eje del tornillo) y esto resulta mas importante cuanto mas abrasivos y mayor tendencia (mas pesado) a formar depósitos tenga el material. Experimentalmente se adopta un coeficiente λ dependiente del material menor que 1 para determinar la sección efectiva conveniente Se (mt2) = λ * (π * D2/4) en la que D (mt) es el diámetro externo del tornillo 2) VELOCIDAD DE TRANSLADO DEL MATERIAL: (Vt) Vt (mt/seg) = t * n / 60

en la que y

t (mt) = paso de la hélice n (r.p.m.) = revoluciones por minuto del tornillo

3) CAUDAL EN PESO DE MATERIAL TRANSLADADO: (Qp) El caudal se ve afectado por la inclinación del canal en caso de que además de translado horizontal se eleve el nivel de la carga. Este efecto por aumento de fricción y fundamentalmente por la tendencia del material a retroceder (bajar) resbalando sobre las paredes de la hélice se mide afectando el caudal con un factor experimental k < 1 en función del ángulo de inclinación del canal β β (°) k

0 1

5 0,9

10 0,8

15 0,7

20 0,65

30 0,6

Qp (Tn/h) = 3600 (seg/h) * Se (mt2) * Vt (m/seg) * P.E. (Tn/m3) * k 4) POTENCIA NECESARIA EN EL EJE DEL TORNILLO HELICOIDAL: Nt (Kw) La potencia consumida se ve incrementada por las perdidas originadas por fricción entre el borde de la hélice, el material y el canal y la fricción en los cojinetes, este incremento se agrega con el coeficiente experimental Co que depende del material Nt (Kw) = Co * Qp (Tn/h) * L (mt) / 360 + Qp (Tn/h) * h (mt) /360 En la que

L (mt) longitud del canal entre boca de carga y boca de descarga Hh (mt) diferencia de nivel (altura de elevación) entre boca de carga y boca de descarga

TRANSPORTADORES A TORNILLO SIN FIN HELICOIDAL – TP MECANISMOS B Hoja 4 de 6 La potencia Nt es la potencia “en el útil” de la maquina a la velocidad de giro recomendada para el material a transportar. Esta potencia puede aportarse mediante varias alternativas motrices 1)Acoplar al eje del tornillo un motor hidráulico montado en la tapa de extremo correspondiente al extremo de toma de potencia del eje del tornillo (la tapa será convenientemente reforzada estructuralmente). Esta alternativa tiene la ventaja de poder; con el tipo de motor y bomba hidráulica adecuados (caudal y presión variables); variar la cupla y velocidad de giro para poder obtener el optimo rendimiento del equipo pudiendo variarse el material transladado dentro de ciertos limites impuestos por la geometría de la hélice. Tiene la desventaja de sufrir desgastes por abrasión en ambientes desfavorables. Ejemplo: Se utiliza para alimentación de polímetros en gránulos que simultáneamente es precalentado en el sistema de alimentación de material de inyectoras de plástico. No haremos aquí consideraciones de rendimiento o factores de servicio. 2)Acoplar una transmisión mecánica que conecte y ajuste la velocidad de giro y cupla (potencia) de un motor eléctrico (en general asincrónico trifásico) a la velocidad y cupla requerida en el útil (Nt y n conocidas), en este caso la variación de velocidad se reduce a la posibilidad de instalar un regulador de frecuencia en el control del motor eléctrico o a cambiar con facilidad un componente de la cadena mecánica de transmisión (poleas-correas o piñones-cadenas). Ejemplos

Motor Eléctrico

Acople

Reductor

Cadena (Admite ajuste de velocidad mecánico simple cambiando piñón o corona de cadena)

----------------------------------------------------------------Acople motor-reductor Reductor de engranajes cilíndricos

Motor Eléctrico

Acople reductor- tornillo (no permite ajuste mecánico de velocidad
el reductor debe tener la relación de transmisión exacta)

TRANSPORTADORES A TORNILLO SIN FIN HELICOIDAL – TP MECANISMOS B Hoja 5 de 6 Mecanismo de accionamiento de alimentador helicoidal motoreductor con eje de salida a 90º de eje motor

1 – Caldera ; 2 – Quemador; 3 – Helicoide de alimentación de combustible 4 – Silo; 5 – Combustible sólido amorfo (biomasa) (no admite ajuste mecánico de la velocidad) -------------------------------------------------------------En cualquier transmisión mecánica deben tenerse en cuenta tres factores que afectan de diferente manera en la potencia necesaria y en el dimensionamiento de los componentes de la transmisión mecánica: Rendimiento total de la transmisión mecánica (ηt) es el factor que pondera las perdidas por fricción de todo tipo que se producen en la transmisión, cada componente mecánico tiene un rendimiento η conocido (rodamientos y cojinetes de deslizamiento ≈ 0,99/0,995; engranajes sinfín-corona ≈ 0,7/0,85; etc) evaluados experimentalmente y el rendimiento total es el producto de los rendimientos de cada elemento de la cadena de transmisión mecánica ηt = Π ηi de los i componentes de la cadena incluyendo accesorios (cojinetes, lubricantes) Puesto que representa una energía efectivamente perdida para dispones en el util de la energía calculada Nt en el útil el motor deberá aportar una potencia mayor Nmot = Nt / ηt será la potencia de chapa del motor Factor de servicio (F.S.) Las condiciones de operación y ambientales particulares de cada operación no son tenidas en cuenta en los cálculos genéricos de resistencia mecánica de los componentes de transmisión. Ejemplo: Igual potencia “de chapa” de motor se aplica a un reductor conectado a una bomba centrifuga en ambiente limpio y a un molino de bolas que tritura piedras de tamaño diverso y desconocido en el ambiente pulverulento de una empresa cementera. El reductor utilizado en el molino a bolas quedara fuera de servicio mucho antes que el de la bomba porque sufrirá repetidas sobrecargas imprevisibles (tamaño de piedras) y la abrasión del ambiente afectara sus partes. TODO ESTO AUNQUE LOS CALCULOS DE FISICA MECANICA INDIQUEN IGUAL CONSUMO DE POTENCIA. En base a datos experimentales y su utilización estadística se han establecido los llamados “Factores de Servicio” que permiten ajustar las condiciones reales de operación con las condiciones para las que los cálculos son validos llamadas condiciones normales de operación. En el ejemplo anterior (si bien los motores son iguales) el reductor del molino de bolas deberá ser mayor para soportar las condiciones mas severas de su trabajo, es decir sus componentes deberán dimensionarse para una “potencia de diseño o selección” mayor que la potencia del motor. (o la potencia que resulte del calculo de física mecánica). La condición considerada normal (FS: Factor de servicio = 1) es aquella en que el equipo funciona en forma continua 8 horas diarias y sufre como máximo una sobrecarga del 150% de la cupla prevista una vez por hora solamente. En estas condiciones se estima una vida de aprox. 20000 hs. .Para ajustar la potencia de selección o diseño a la condición real se la multiplica por el F.S Es decir que la potencia de selección o diseño Nsd = Nmot * F.S. = Nt * F.S. / ηt En el ejemplo anterior el reductor de la bomba centrifuga trabaja en condiciones normales su F.S. = 1
Nsd = Nmot , pero el reductor del molino a bolas requiere un F.S. ≈ 1,75 por sus severas condiciones de

TRANSPORTADORES A TORNILLO SIN FIN HELICOIDAL – TP MECANISMOS B Hoja 6 de 6 trabajo (el método de determinación del F.S. es propio de cada norma, el mas conocido para transmisiones mecánicas es el A.G.M.A.) de manera tal que en el supuesto de comprar un reductor estándar para cada aplicación el del molino de bolas debería elegirse del mismo catalogo para una potencia Nsd(molino bolas) = 1,75 * Nmot = 1,75 * Nsd(bomba centrifuga). (Asumimos para comparar iguales ηt) Este procedimiento es de uso habitual en la aplicación de elementos estándar que “se compran” de catalogo y debe aplicarse con mayor precaución para proyectos de dimensionamiento particulares (en los que pueden preverse por calculo alguna de las condiciones incluidas en el F.S.) SE ENFATIZA QUE LA POTENCIA RESULTANTE DE LA APLICACIÓN DEL FACTOR DE SERVICIO NO ES UNA POTENCIA MOTRIZ O NECESARIA EN EL UTIL. SIRVE AL SOLO FIN DE SOBREDIMENSIONAR (O SUBDIMENSIONAR) COMPONENTES DE TRANSMISION QUE ESTEN SOMETIDOS A CONDICIONES DE TRABAJO DISTINTAS DE LAS NORMALES. Coeficiente de seguridad o de duda: (Cd) Los cálculos de dimensionamiento se llevan a cabo con modelos matemáticos que son mas o menos precisos y se utilizan materiales cuyas características reflejadas en números estadísticos de valores esperados que tienen su propia incertidumbre asociada. Para evitar el riesgo implícito en las inexactitudes de calculo y datos se aplica un factor no racional que depende de la experiencia de los proyectistas involucrados, el Cd. Suele utilizarse un numero mayor que la unidad y multiplicar por el la solicitación sobre el componente a dimensionar con lo que se genera una sobrecarga ficticia para dimensionar o bien dividir el valor de la característica de resistencia del material (tensión limite) por el Cd con lo que se reduce artificialmente la capacidad de resistir del material. A LOS FINES DEL TRABAJO PRACTICO se utilizara una cadena de transmisión mecánica formada por un motor eléctrico asincrónico de ns = 3000 r.p.m., 1ra etapa de reducción por correa, 2da etapa reductor de ejes paralelos, 3ra etapa reductor planetario epi-hipo cicloidal. Si bien no se esperan sobrecargas repetidas en un transportador a tornillo sin fin en general el ambiente no es favorable y se adoptara un F.S. = 1,5 y un Cd = 1,2 SE RESOLVERAN LOS TRABAJOS PRACTICOS INDICADOS POR LA CATEDRA CON LOS VALORES QUE SURJAN DE LA EVALUACION DE LAS CARACTERISTICAS DE LA OPERACIÓN (material, desplazamiento horizontal, altura de elevación, caudal). Para todos los casos se considerara t (paso) = D (diámetro externo tornillo) que es el caso estándar y se calculara D. CARACTERISTICAS DE MATERIALES PARA DIMENSIONAR UN TRANSPORTADOR HELICOIDAL Material (Peso especifico en Tn / mt3) Arcilla (1,7); cemento (1,2); arena (1,5); yeso (1,25) Antracita(1,2); Polímetro granulado(1); Centeno(0,8); Carbón pellet(1) Carbón polvo (0,6); Heno (0,17); Leña trozos (0,4) Harina trigo (0,17); Aserrín (0,2); Leña astillas (0,3)

Características pesado – abrasivo pesado-poco abrasivo Liviano-poco abrasiv Liviano-no abrasivo

Referencias Bibliograficas

MAQUINAS Y EQUIPOS INDUSTRIALES – GUSMEROLI, DARDO U. UTN-FRR-2009 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

λ 0,12 0,25 0,32 0,4

Co 4 2,5 1,6 1,2