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.
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 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.
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.
|
(2)
|
Se reconocerá que la cadena está
casi en el final de su vida útil producto del aumento en el desgaste o por un
aumento en las vibraciones.
|
(3)
|
Es difícil detectar la vida útil
del dentado de la correa sin detener la máquina e inspeccionar la correa
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
|
Evite El Agua, Polvo
|
Evite El Calor, Aceite, Agua, Polvo
|
Evite El Calor, Aceite, Agua, Polvo
|
Evite El Agua, Polvo
|
Ahorro Del Espacio
(Velocidad/Arriba Carga Bajas) |
Polea Pesada |
Una Polea Más ancha |
Menos durabilidad debido a menos contrato |
|
Lubricación
|
Requerido |
Ningún Lubricante |
Ningún Lubricante |
Requerido |
Flexibilidad De la Disposición
|
||||
Exceso de carga sobre el cojinete
|
||||
Excelente |
Bueno |
Justo |
Pobre |
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.
|
4.
|
La estandardización de cadenas bajo
la American National Standards Institute (ANSI), la organización
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.
|
6.
|
El diámetro del piñón para un
sistema de cadena puede ser más pequeño que una polea de una correa, mientras
que en ambas se transmite el mismo esfuerzo de torsión.
|
7.
|
Los piñones están conforme a menor
desgaste que los engranajes porque los piñones distribuyen la carga 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)
|
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
Coeficiente de
Fricción
|
|||
Material de la
placa Superior
|
Material del
Carril
|
No lubricado
|
Lubricado
|
Acero inoxidable o acero
|
Acero inoxidable o acero
|
0,35
|
0,20
|
Acero inoxidable o acero
|
UHMW
|
0,25
|
0,15
|
Plástico Dirigido
|
Acero inoxidable o acero
|
0,25
|
0,15
|
Plástico Dirigido
|
UHMW
|
0,25
|
0,12
|
Plástico Dirigido (Baja Fricción)
|
Acero inoxidable o acero
|
0,17
|
0,12
|
Plástico Dirigido (Baja Fricción)
|
UHMW
|
0,18
|
0,12
|
Tabla 2.2.
Coeficientes de la fricción para diversos tipos de rodillos
Coeficiente De
Fricción
|
||||
Tipo De cadena
|
Tipo de Rodillo
|
No lubricado
|
Lubricado
|
|
Cadena de paso largo doble
|
Acero
|
0,12
|
0,08
|
|
Plástico Dirigido
|
0,08
|
—
|
||
Cadena grande del Transportador de
paso largo
|
Acero
|
0.13~0.15
|
0,08
|
|
Plástico Dirigido
|
0,08
|
—
|
||
Rodillo De Cojinete
|
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
velocidades.
Tabla 3.1.
Capacidades de la transmisión con lubricantes a alta temperatura
Temperatura De Funcionamiento
|
Cálculo 1
|
Hasta 150°C
|
Máximo
|
150°C a 200°C
|
Máximo x 3/4
|
200°C a 250°C
|
Máximo x el 1/2
|
250°C excesivo
|
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
|
Cadena estándar
de Rodillo (RS80) 1
|
Tipo de Kt 1
|
menos de -60°C
|
Fuera de uso
|
Fuera de uso
|
-60°C a -50°C
|
Fuera de uso
|
Máximo x el 1/2
|
-50°C a -40°C
|
Fuera de uso
|
Máximo x 2/3
|
-40°C a -30°C
|
Máximo x 1/4
|
Máximo
|
-30°C a -20°C
|
Máximo x 1/3
|
Máximo
|
-20°C a -10°C
|
Máximo x el 1/2
|
Máximo
|
-10°C a +60°C
|
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.
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
Figura Nº3. Vista
detallada de una cadena.
Figura Nº5. Tensión
en un transportador horizontal
Figura Nº4. Roce
entre cadena y carril
Figura Nº6. Cadena
de última generación
Figura Nº9. Cadena
serie ANSI
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