Mecánica: fundamentos de la cadena

• FUNDAMENTO DE CADENA
• ¿Qué es una cadena?
Una cadena es un componente confiable de una máquina, que transmite energía por medio de fuerzas
extensibles, y se utiliza sobre todo para la transmisión y transporte de energía en los sistemas mecánicos. La
función y las aplicaciones de la cadena son similares a la de una correa.
La cadena de rodillo de acero está formada por una serie de piezas de revolución que actúan como cojinetes,
estando situadas cada conjunto a una distancia precisa del otro mediante otras piezas planas llamadas placas.
El conjunto cojinete está formado por un pasador y un casquillo sobre el que gira el rodillo de la cadena. El
pasador y el casquillo son cementados para permitir una articulación bajo presiones elevadas, y para soportar
las presiones generadas por la carga y la acción de engrane impartida a través de los rodillos de cadenas,
generalmente las placas exteriores e interiores se someten a un proceso de templado para obtener una mayor
tenacidad.
Hay muchas clases de cadena, por ello es conveniente clasificar cada tipo de cadena por el material utilizado
en su composición o por el método de construcción de ellas.
Podemos clasificar cadenas en cinco tipos:
1. Cadena de hierro fundido.
2. Cadena de acero de molde.
3. Cadena forjada.
4. Cadena de acero.
5. Cadena plástica.
El uso y demanda para los primeros tres tipos de cadena hoy en día ha disminuido, sin embargo, se utilizan
solamente en algunas situaciones especiales. Por ejemplo, la cadena del hierro fundido es parte del equipo que
se utiliza en el tratamiento del agua; la cadena forjada se utiliza en los transportadores superiores para las
fábricas de automóviles.
Dado el extenso tipo de cadenas nos centraremos en los últimos dos nombradas anteriormente: la "cadena de
acero" especialmente el tipo llamado "cadena del rodillo," que pertenece al grupo de mayor producción
mundial, y la "cadena plástica." La mayor parte, nos referiremos a la "cadena del rodillo" simplemente como
"cadena."
NOTA: La cadena del rodillo es una cadena que tiene una placa interior, placa exterior, casquillo, pasador y
rodillo como se muestra en la figura Nº1.
Clasificaremos las cadenas según sus aplicaciones, que se pueden dividir ampliamente en seis tipos:
1. Cadena de la transmisión de energía.
2. Cadena pequeña del transportador de paso largo.
3. Cadena del transportador de precisión.
4. Cadena superior.
5. Cadena de flujo.
6. Cadena grande del transportador de paso largo.
El primero se utiliza para la transmisión de energía, los otros cinco se utiliza para el transporte. En la sección
de los usos, describiremos las aplicaciones y las características de cada tipo de cadena siguiendo la
1
clasificación antes dicha.
• Estructura básica de la transmisión de energía en la Cadena
Una configuración típica para la cadena de RS60−type se demuestra en el la figura Nº2
1.1.2 Funciones de las piezas de cadena
Placa exterior e interior
La placa es un componente que soporta la tensión que se ejerce en la cadena. Estas generalmente están
sometidas a cargas de fatiga y acompañado a veces por fuerzas de choque. Por lo tanto, la placa debe tener no
solamente gran fuerza extensible estática, sino que también debe soportar a las fuerzas dinámicas de las cargas
de choque. Además, la placa debe soportar condiciones ambientales, las que podrían provocar por ejemplo,
corrosión, abrasión, etc.
Pasador
El pasador está conforme a las fuerzas que se ejercen sobre ella y de flexiones transmitidas por la placa. Este a
su vez actúa junto al casquillo como arco de contacto de los dientes del piñón, cuando las flexiones de la
cadena se ejercen durante el contacto con el piñón. Por lo tanto, las necesidades el pasador deben soportar
toda la fuerza de transmisión, resistencia a la flexión, y también deben tener suficiente resistencia contra
fuerzas de choque.
Casquillo
El casquillo es de estructura sólida y se rectifican si son curvados, con el resultado que dan una base cilíndrica
perfecta para el rodillo. Esta característica maximiza la duración del rodillo en condiciones de alta velocidad y
da una seguridad más consistente de la placa interior sobre el casquillo.
Rodillo
El rodillo está sometido a la carga de impacto cuando esta en contacto con los dientes del piñón con la cadena.
Después del contacto, el rodillo cambia su punto del contacto y de balance. Se sostiene entre los dientes del
piñón y del casquillo, y se mueve en la cara del diente mientras que recibe una carga de compresión.
Además, la superficie interna del rodillo constituye una pieza del cojinete junto con la superficie externa del
buje cuando el rodillo rota en el carril. Por lo tanto, debe ser resistente al desgaste y todavía tener fuerza
contra choque, fatiga, y la compresión.
1.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE CADENAS PARA LA TRANSMISION DE
ENERGIA Y TRANSPORTADORES
• Aplicaciones de cadenas de transmisión de energía
Las máquinas de transmisión de energía en gran parte utilizan cadenas, engranajes o correas. La tabla 1.1
proporciona una comparación de ellas.
2
Generalmente, la cadena es una pieza que resulta económica para las máquinas de transmisión de energía que
operan a velocidades bajas y de grandes cargas. Sin embargo, es también posible utilizar la cadena en
condiciones de alta velocidad como en la transmisión del eje de levas del motor del automóvil. Esto se logra
ideando un método apropiado de operación y lubricación.
Básicamente, existen límites de esfuerzo de fatiga tanto en los engranajes como en las cadenas, pero no así en
las correas. Además, si un diente de un engranaje falla o se rompe, el engranaje se detendrá en el siguiente
paso o diente. Por lo tanto la secuencia correcta para un buen funcionamiento y confiabilidad es engranaje >
cadena > correa.
En la mayoría de los casos:
(1) Aumento en el ruido del engranaje indica que el fin de la vida útil está próxima.
Se reconocerá que la cadena está casi en el final de su vida útil producto del aumento en el desgaste o
(2)
por un aumento en las vibraciones.
Es difícil detectar la vida útil del dentado de la correa sin detener la máquina e inspeccionar la correa
(3)
cuidadosamente.
Es posible disminuir el ruido que produce el engranaje haciendo un ajuste exacto de los engranajes o
adaptando un tipo de engranaje helicoidal doble, ambas de estas formas resultan demasiado costosas, además
en los engranajes helicoidales se producen cargas de empuje no deseadas.
El uso de la cadena es más conveniente en la transmisión de energía permanente por un periodo largo de
funcionamiento con la variación limitada del esfuerzo de torsión.
Mientras mayor es la distancia del centro del eje, mayor será el uso practico de las cadenas y correas, no tanto
así como el de los engranajes.
Tabla 1.1. Tabla de comparación
Tipo
Cadena Del
Rodillo
Correa Del
Diente
V Correa
Engranaje De
Estímulo
Sincronización
Eficacia De la
Transmisión
Antichoque
Ruido/vibración
Condición
Circundante
Ahorro Del Espacio
(Velocidad/Arriba
Carga Bajas)
Evite El
Evite El Calor,
Evite El Agua,
Evite El
Calor, Aceite, Aceite, Agua,
Agua, Polvo
Polvo
Agua, Polvo Polvo
Menos
durabilidad
Una Polea Más
Polea Pesada
debido a
ancha
menos
contrato
Lubricación
3
Requerido
Ningún
Lubricante
Ningún
Lubricante
Bueno
Justo
Pobre
Requerido
Flexibilidad De la
Disposición
Exceso de carga sobre
el cojinete
Excelente
Generalmente, bajo las mismas condiciones de la transmisión, el costo de las correas dentadas y las poleas es
mucho más altos que el costo de cadenas y piñones.
Características de las transmisiones de cadena:
1. La reducción y aumento de la velocidad puede ser acomodada fácilmente.
2. La cadena se puede acomodar a grandes distancias de eje−centro (menos de 4 m), y son más versátiles.
3. Es posible utilizar la cadena con los ejes múltiples o puede ser operada a ambos lados de la cadena.
La estandardización de cadenas bajo la American National Standards Institute (ANSI), la organización
4. internacional de la estandardización (ISO), y estándares industriales japoneses (JIS) permite la facilidad
de la selección de las cadenas.
5. Es fácil cortar y ensamblar las cadenas.
El diámetro del piñón para un sistema de cadena puede ser más pequeño que una polea de una correa,
6.
mientras que en ambas se transmite el mismo esfuerzo de torsión.
Los piñones están conforme a menor desgaste que los engranajes porque los piñones distribuyen la carga
7.
de esfuerzo a través de sus dientes.
• DINÁMICA DE CADENA
2.1 FENÓMENOS CARACTERÍSTICOS EN CADENA DEL TRANSPORTADOR
Hasta ahora solo se ha referido sobre materias que se aplican específicamente a las cadenas de transmisión de
energía. Sin embargo, existen diversos problemas que ocurren al usar cadenas transportadoras.
2.1.1 Coeficiente de fricción
La tensión de la cadena de transmisión es calculada dividiendo la energía transmitida (indicada en kilowatts o
caballos de fuerza) por la velocidad de cadena y multiplicándose por un coeficiente adecuado. Pero para
velocidades constantes tales como el transportador horizontal, la tensión es seleccionada por factores
mostrados a continuación:
1.
El coeficiente de fricción entre la cadena y el carril cuando los objetos transportados se ponen en la
cadena(ver figura Nº4)
4
2.
El coeficiente de la fricción entre los objetos transportados y el carril cuando los objetos transportados se
llevan a cabo en el carril y son empujados por la cadena.
NOTA: Hay dos tipos de tensión: el primero ocurre cuando los objetos transportados se están moviendo a una
velocidad constante, y el segundo se debe a los efectos de la inercia que ocurre al encender y detener la
máquina.
La tensión (t) en un transportador horizontal, como se muestra en la figura Nº5, es calculada básicamente por
esta fórmula:
T = M 1 x g x f 1 x 1,1 + M 1 x g x f 2 + M 2 x g x f 3
Donde:
T = tensión total en la cadena.
M 1 = peso de la cadena.
M 2 = peso de los objetos transportados.
f 1 = coeficiente de la fricción cuando la cadena está volviendo.
f 2 = coeficiente de la fricción cuando la cadena está transportando objetos.
f 3 = coeficiente de la fricción cuando los objetos transportados se están moviendo
g = constante gravitacional
1,1 = pérdidas del piñón debido a los cambios direccionales de la cadena
NOTA: En esta fórmula, un coeficiente de la fricción es multiplicado por cada término en la ecuación. Por lo
tanto, si el coeficiente de la fricción es alto, se requiere aumentar la tensión y que la cadena sea más grande.
También, la energía necesaria del motor, que se calcula como coeficiente de la velocidad x de la tensión x,
aumenta. Un motor de mayor potencia es necesario cuando el coeficiente de la fricción es alto.
Reduciendo el coeficiente de fricción, podemos reducir la tensión. Esto permite que podamos elegir una
cadena y motor más económicos, disminuyendo los costos iniciales y energía eléctrica para el equipo
transportador.
El coeficiente de fricción de la cadena diferencia a cada tipo de esta, por el material y por el tipo de rodillo. El
coeficiente de fricción para diversos tipos de cadena y de carriles de guía superiores se muestra en la tabla 2.1.
El coeficiente de fricción cuando la cadena es grande y el rodillo rota en los carriles (material del carril: acero)
se demuestra en la tabla 2.2.
Tabla 2.1. Coeficientes de la fricción
Material de la placa Superior
Acero inoxidable o acero
Acero inoxidable o acero
Plástico Dirigido
Plástico Dirigido
Plástico Dirigido (Baja Fricción)
Plástico Dirigido (Baja Fricción)
Material del Carril
Acero inoxidable o acero
UHMW
Acero inoxidable o acero
UHMW
Acero inoxidable o acero
UHMW
Coeficiente de Fricción
No lubricado
Lubricado
0,35
0,20
0,25
0,15
0,25
0,15
0,25
0,12
0,17
0,12
0,18
0,12
Tabla 2.2. Coeficientes de la fricción para diversos tipos de rodillos
5
Tipo De cadena
Cadena de paso largo doble
Tipo de Rodillo
Acero
Coeficiente De Fricción
No lubricado Lubricado
0,12
0,08
Plástico
0,08
Dirigido
Cadena grande del Transportador
Acero
de paso largo
Plástico
Dirigido
Rodillo De
Cojinete
0.13~0.15
0,08
0,08
0,03
La tecnología puede ayudarle a reducir el coeficiente de la fricción. Algunas de las cadenas más recientes (por
ejemplo, cadena superior de baja fricción, cadena dirigida del plástico, y cadena de rodillo de cojinete) pueden
alcanzar coeficientes de fricciones bajos sin ser lubricados. Otros tipos de cadenas tendrían que ser lubricadas
para alcanzar estos coeficientes. En algunos casos, estas cadenas de ultima generación alcanzan
dramáticamente coeficientes de fricciones más bajos. Eso significa que usted puede ahorrar tiempo, dinero, y
energía facilitando el mantenimiento de ellas.
• CADENAS Y AMBIENTES
La mayoría de la cadena se fabrican de metal (generalmente de acero) o de plástico dirigido, que pueden ser
afectadas por las condiciones ambientales donde ellas se utilizan. Por ejemplo, la temperatura o la cantidad de
polvo en el aire puede afectar a la cadena. Cuando seleccionamos una cadena para su uso, debemos considerar
el ambiente en el cual estas van a operar.
En este capítulo, explicaremos los problemas que pueden generarse al utilizar una cadena bajo ciertas
condiciones, y cómo ocuparse de ellas.
3.1 CADENAS DE ACERO
3.1.1 Usos de las cadenas de acero a altas temperaturas
Cuando las cadenas son sometidas a un tratamiento térmico se fusionan a temperaturas más elevadas de sus
límites de templado, pueden ocurrir los siguiente problemas:
Aumento en el desgaste debido a la disminución de la dureza.
Lubricación incorrecta debido a la deterioración o a la carbonización del lubricante.
Empalmes rígidos y desgaste creciente debido a la formación de la capa de óxido.
Disminución en la fuerza.
Para prevenir la deterioración del lubricante a altas temperaturas, se utiliza lubricantes especiales. La tabla 3.1
muestra la capacidad de transmisión de las cadenas de rodillo en la transmisión de energía con el lubricante de
alta temperatura.
Cuando las cadenas se utilizan a temperaturas sobre 250°C, hay que tomar especial atención a la composición
y al tratamiento térmico de la cadena. El tipo más común de cadena a temperaturas altas es la especificación
de los SS, que se hace del acero inoxidable 304, y tiene una temperatura de trabajo máxima de 650°C a bajas
6
velocidades.
Tabla 3.1. Capacidades de la transmisión con lubricantes a alta temperatura
Temperatura De Funcionamiento
Hasta 150°C
150°C a 200°C
200°C a 250°C
250°C excesivo
Cálculo 1
Máximo
Máximo x 3/4
Máximo x el 1/2
Fuera de uso
1 máximo = carga máxima permitida según lo mostrado en el catálogo de fabricación
3.1.2 Uso de las cadenas de acero a bajas temperaturas
Cuando usted utiliza cadenas a bajas temperaturas, pueden ocurrir los siguientes problemas:
Disminución de la resistencia al choque debido a la fragilidad producto de las bajas temperaturas.
Solidificación del lubricante.
Empalmes rigidos causados por el rocío o hielo.
La tabla 3.2 muestra la capacidad de transmisión de energía de las cadenas impulsoras a bajas temperaturas.
Tabla 3.2 Capacidades de la transmisión de cadenas a bajas temperaturas
Temperatura de Funcionamiento
menos de −60°C
−60°C a −50°C
−50°C a −40°C
−40°C a −30°C
−30°C a −20°C
−20°C a −10°C
−10°C a +60°C
Cadena estándar de Rodillo (RS80) 1
Fuera de uso
Fuera de uso
Fuera de uso
Máximo x 1/4
Máximo x 1/3
Máximo x el 1/2
Máximo
Tipo de Kt 1
Fuera de uso
Máximo x el 1/2
Máximo x 2/3
Máximo
Máximo
Máximo
Máximo
1 máximo = carga máxima permitida según lo demostrado en el catálogo de la fabricación
Dos tipos de cadena son especialmente útiles a temperaturas más bajas. La
cadena de especificación KT es especialmente sometida a tratamiento térmico para soportar ambientes muy
fríos. La cadena de la especificación SS, que se hace del acero inoxidable 304, se puede también utilizar a
bajas temperaturas. La fragilidad a baja temperatura no ocurre en acero inoxidable austenítico.
• Usos de cadenas en la industria
• Usos en la aviación
El avión Sea Harrier usa cadenas para controlar el ángulo de las toberas de empuje del motor.
Los controles de valvulas, elevadores de alas y timón de cola del avion BAE 146 usan cadenas.
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• Usos en diferentes campos
Los equipos de perforación de pozos de petroleo incorporan cadenas serie ANSI, décuple de 38.10 [mm] de
paso.
Al igual que en perforaciones terrestres se utilizan cadenas para equipos de perforación en plataformas
marinas.
Figura Nº1. composición de una cadena
Figura Nº2. Componentes básicos de una cadena de transmisión de energía
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Figura Nº3. Vista detallada de una cadena.
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Figura Nº5. Tensión en un transportador horizontal
Figura Nº4. Roce entre cadena y carril
Figura Nº6. Cadena de última generación
Figura Nº7. Sea harrier
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Figura Nº8. Avión BAE 146
Figura Nº9. Cadena serie ANSI
Figura Nº10. Cadena de equipos de perforación
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