Читать книгу Operatividad con sistemas mecánicos, hidráulicos, neumáticos y eléctricos de máquinas e instalaciones para la transformación de polímeros y su mantenimiento. QUIT0209 - Pedro Bueno Márquez - Страница 7

Cualquier máquina está constituida por un conjunto de órganos o elementos que, al unirse, son capaces de transmitir energía de diversos tipos, mediante el movimiento. Cuando estos órganos se agrupan de forma parcial, componen lo que se conoce como mecanismos, mientras que el conjunto de todos ellos asociados de una forma ordenada y con un propósito concreto formará una máquina.

Definición

Máquina Se define sistema mecánico o máquina como el conjunto o combinación de órganos dispuestos de forma que pueda producirse trabajo útil, partiendo de algún tipo de fuerza y empleando transformaciones intermedias de fuerzas, energías, trayectorias y/o velocidades.

Actividades

1. Enumere los tipos de fuerza puede accionar una máquina

Por órgano se conoce tanto a componentes y piezas individuales (tornillo, biela, rueda…) como a un conjunto de estos (palanca, polipasto…), puesto que lo que caracteriza a los órganos es su capacidad de llevar a cabo una tarea dentro del conjunto de procesos que tienen lugar en una máquina. De esta forma, un tornillo puede ser un órgano si fija dos componentes que forman parte de un mecanismo de transmisión.

Así, atendiendo a criterios funcionales, los órganos se pueden clasificar como:

1 Órganos para la sustentación de máquinas (bancadas, bastidores, bases...).

2 Órganos para la transmisión de movimiento (bielas, manivelas, ruedas, poleas...)

3 Órganos móviles (carros, mesas).

4 Órganos empleados en el accionamiento de máquinas (motores).

5 Órganos para el control de máquinas (ya sean mecánicos, eléctricos, electrónicos, neumáticos o hidráulicos).

6 Órganos auxiliares (sistemas de refrigeración, sistemas de engrase…).

Aunque los órganos también se pueden clasificar bajo otros criterios, como pueden ser:

1 Por su movilidad. Se distingue entre:

1 Fijos: bancadas, mesas…

2 Móviles: poleas, palancas...

1 Por el grado de especialización. Existen dos categorías:

1 Generales: los que pueden encontrarse en un gran número de máquinas de diferentes tipos.

2 Especiales: aquellos que se emplean para otorgar a la máquina una función u operación específica.

1 La estrategia que emplean para la transmisión del movimiento:

1 Flexibles: cadenas, correas…

2 Directos: engranajes, ruedas de fricción…

3 Rígidos: excéntrica, levas, bielas, manivelas…

1 Su funcionalidad en la transmisión de movimiento:

1 Activos: aquellos que se emplean en la transmisión de un movimiento: ejes, poleas, árboles...

2 Pasivos: los que apoyan, sostienen, fijan o unen diferentes elementos o mecanismos como tornillos, chavetas, soportes, etc.

La mayor parte de los órganos mecánicos empleados en la transmisión de movimiento (que son en los que se centra este apartado) surgen del desarrollo de máquinas simples o de la combinación de estas. Por lo que, a continuación, se presenta una tabla que asocia los diferentes órganos mecánicos con las máquinas simples de las que provienen.

ÓRGANO	MÁQUINA SIMPLE ORIGINAL
Palanca	Plano inclinado	Rueda
Palanca	*
Rueda			*
Rueda dentada	*	*	*
Polea			*
Rodillo			*
Leva		*	*
Excéntrica	*		*
Manivela	*		*
Cigüeñal	*		*
Cremallera		*	*
Sin fin		*	*
Tornillo		*	*
Tuerca		*

Relación existente entre los órganos más frecuentes y la palanca, el plano inclinado y la rueda (máquinas simples)

Seguidamente, se describirán aquellos que aparecen con más frecuencia en las máquinas empleadas en la transformación de polímeros, algunos de los cuales no aparecen en la tabla anterior.

La palanca es uno de los órganos más antiguos y en su funcionamiento se han basado muchos otros órganos posteriores. Consiste en una barra rígida apoyada en un punto (punto de apoyo o fulcro) sobre el que oscila. Los conceptos en torno a los que gira el funcionamiento de la palanca (ley de la palanca) son:

1 Resistencia (R): fuerza a vencer.

2 Potencia (P): fuerza a aplicar para equilibrar a la resistencia.

3 Brazo de potencia (BP): distancia entre el fulcro y el punto donde se aplica la potencia.

4 Brazo de resistencia (BR): distancia entre el fulcro y el punto donde se aplica la resistencia.

La ley de la palanca se expresa: “la potencia por su brazo es igual a la resistencia por el suyo”, o matemáticamente:

Esta expresión, en apariencia tan abstracta, tiene un sentido práctico en la vida cotidiana. Por ejemplo: es necesario aplicar una fuerza mayor para hacer girar una puerta si la fuerza se aplica cerca del eje de giro en lugar de si se aplica cerca de la zona en la que está el pomo; es decir, la resistencia de la puerta a ser girada es mayor cuanto menor es el brazo de potencia (menor es la distancia entre el punto de giro y el punto donde se aplica la fuerza).

Aplicación práctica

Una máquina diseñada para dar forma a un polímero aplicando una fuerza de 2 kN sobre el mismo, siguiendo el principio de la palanca, presenta unas dimensiones de 5 m de longitud total, existiendo una distancia de 1 m desde el punto donde se conforma el polímero al fulcro y de 4 m desde el fulcro al punto donde se aplica la fuerza. ¿Qué fuerza será necesaria aplicar?

SOLUCIÓN

1 Resistencia (R) = 2 kN

2 Brazo de potencia (BP) = 4 m

3 Brazo de resistencia (BR) = 1 m

4 Potencia (P) = ?

En función del punto, dirección y sentido donde se apliquen resistencia y potencia y la posición del fulcro, se distinguen tres estándares de palanca, que se muestran en la siguiente imagen.

El uso de la palanca está destinado a la transmisión de un movimiento o de una fuerza, aunque en los casos en los que sea necesario invertir el sentido de la fuerza o el movimiento habrá de recurrirse a una palanca de primer grado.

Actividades

2. Reflexione sobre ejemplos de la vida cotidiana de cada uno de los tipos de palancas representados en la anterior imagen.

Una rueda es un disco en cuyo centro se ha practicado un orificio en el que se aloja un eje que provoca el movimiento de la misma. En una rueda, es el perímetro el que realmente realiza el trabajo útil, por lo que suele tener formas determinadas (acanalado, dentado…) o recibir tratamientos especiales (pinturas, gomas, lubricantes,…). Pero para que una rueda pueda operar necesita estar acompañada, al menos, de un sistema de soporte y de un eje.

Definición

Soporte Por soporte se conoce al elemento que mantiene eje y máquina unidos solidariamente.

El uso de la rueda ha estado tradicionalmente dirigido a la trasmisión del movimiento giratorio desde un eje a otro o para permitir el desplazamiento de objetos con menor consumo energético, ya que reduce los rozamientos (vehículos, carretillas…).

Existen una amplia variedad de ruedas, entre las que cabe destacar la rueda dentada, que es una rueda perimetralmente rodeada por dientes, los cuales pueden ser de muchos tipos. Se utilizan acoplando múltiples ruedas dentadas (tren de engranajes) o combinándola con una cadena para transmitir el movimiento entre dos ejes separados, pero no necesariamente paralelos. Los trenes de engranajes son muy frecuentes en máquinas para la transformación de polímeros porque permiten convertir el movimiento de un motor en potencia mecánica para el moldeado de los mismos.

Por engranaje se conoce a los órganos formados por, al menos, dos ruedas dentadas (una transmite movimiento/potencia a la otra) que se acoplan de manera que los dientes de una encajan en los huecos de la otra y viceversa. Es un sistema muy frecuente para la transmisión de movimiento en árboles de ejes paralelos, cruzados o que se cortan debido a su gran versatilidad y amplia gama de modelos.

Entre las ventajas principales de los engranajes se encuentran su alto rendimiento para la transmisión y su bajo coste de mantenimiento. Aunque, por el contrario, presentan costes de instalación elevados y un excesivo nivel de ruido.

Las muescas que presentan las ruedas dentadas (también conocidas como dientes) pueden ser rectas, oblicuas, en flecha, en espiral, helicoidal o de otro tipo, en función del uso al que se destine el engranaje.

Esquema de funcionamiento para un sistema de transmisión por engranajes (izquierda) y vista interior de un equipo con transmisión por engranajes (derecha)

Las cadenas son órganos para la transmisión de potencia y movimiento entre árboles o ejes paralelos empleados para conseguir relaciones de transmisión exactas y constantes gracias a un acoplamiento de forma entre los eslabones de una cadena y los dientes de un piñón.

Su uso es frecuente cuando la distancia entre los árboles o ejes implicados en la transmisión se encuentran tan separados que el uso de engranajes es inviable.

Su funcionamiento y relación de transmisión entre piñones es similar, como se podrá observar más adelante, al de los sistemas de transmisión mediante correas.

Cadena

El uso de cadenas está especialmente indicado para la transmisión de altas potencias a bajas velocidades y para alcanzar valores de rendimiento elevados.

Las cadenas se fabrican principalmente en acero al carbono o aleaciones de acero de alta calidad y en dimensiones normalizadas.

Sabía que...

Los tipos de cadena de uso más extendido son las cadenas de eslabones, las cadenas de rodillos y las cadenas de bloque.

Por correas se conoce a los órganos empleados para la transmisión de movimiento entre dos poleas o ruedas que giran en ejes, que no necesariamente han de ser paralelos, y cuya superficie puede ser plana o dentada.

Una de estas poleas forzará el movimiento en la otra, ya que ambas se encontrarán vinculadas por la correa encargada de transmitirlo. La transmisión de fuerza y movimiento emplea el rozamiento entre polea y correa de la misma forma que en los sistemas de cadena se empleaba el acoplamiento de forma entre los piñones y la cadena. Su coste es reducido y tienen un alto rendimiento.

Pueden encontrarse correas de muy diversos materiales: caucho, cuero, acero desnudo, acero recubierto de papel o corcho, etc.

Actividades

3. ¿Conoce algún instrumento, máquina o electrodoméstico que emplee las correas como elementos de transmisión? Nómbrelos.

4. Cite instrumentos, máquinas o electrodomésticos que empleen como elemento de transmisión cadenas.

Los tipos de correa más usuales son las correas trapezoidales y las correas dentadas. Las primeras presentan una sección en forma de trapecio isósceles, cuya base mayor es la que se apoya sobre unas ranuras practicadas sobre la polea; mientras que, las correas dentadas son correas de superficie ondulada, que permiten realizar la transmisión de movimiento aprovechando la mayor tracción que proporcionan las ondulaciones de la correa y las poleas. Estas se emplean para anular por completo los deslizamientos.

Ejemplo de correa dentada (izquierda) y de correa trapezoidal (derecha)

Las poleas son órganos que han de ser empleados en conjunto con correas o cuerdas. Permiten transmitir el movimiento entre árboles o ejes, ya sean paralelos o no (compresores, sierras, taladros...), y/o modificar la dirección de una fuerza (polea fija, polea móvil o polipasto), generalmente, para la elevación de cargas.

Podría decirse que son ruedas con una oquedad perimetral que permite alojar las cuerdas o correas transmisoras del movimiento, aunque en ocasiones, presentan el aspecto de ruedas con forma de cono truncado o de cilindro escalonado en varios diámetros. Siempre van por pares, según la función de cada una de ellas, y se distingue entre conductora y conducida.

En los sistemas de polea y correa o piñón y cadena, se estable una relación matemática entre las velocidades de las poleas y sus radios que cumple la fórmula:

Donde:

1 i es el parámetro que se conoce como relación de transmisión.

2 n1 es el número de revoluciones por minuto de la polea motora.

3 n2 es el número de revoluciones por minuto de la polea conducida.

4 R1 es el radio de giro de la polea motora o conductora.

5 R2 es el radio de giro de la polea conducida.

Si i es mayor que la unidad, la rueda motora gira más rápido que la conducida; mientras que, si es menor que la unidad, la rueda motora gira más lenta que la conducida.

Aplicación práctica

La máquina para torneado de plástico que está instalada en la zona de acabado de la planta de transformación de polímeros para la que trabaja opera basándose en un sistema de correa y poleas. Recientemente, se ha detectado una anomalía en el motor que mueve la polea conductora (de 0,05 m de diámetro) y debe ser sustituido. Para ello, está considerando emplear un motor de dimensiones adecuadas que se ha localizado almacenado en su embalaje original y sin estrenar, que permite alcanzar hasta 700 rpm. La polea que tornea las piezas debe girar, al menos, a 3000 rpm para vencer la resistencia del material a ser torneada; y la polea a la que se encuentra acoplada es de 0,02 m de diámetro. ¿Podría entonces emplearse el motor que se encuentra sin uso en el almacén?

SOLUCIÓN

Para poder emplear el motor mencionado debe cumplirse que:

Sustituyendo los valores de la ecuación, se observa:

De donde:

Por tanto, se confirma que el motor sería adecuado para la sustitución.

Bajo el término eje se incluye a los órganos estáticos que sustentan a uno o más órganos móviles que giran sobre él. En realidad, un eje no es más que una barra, en general cilíndrica, cuya función es la de guiar a otros órganos, habitualmente ruedas, en un movimiento giratorio. En función del modelo, la rueda girará solidariamente al eje o de forma libre sobre este. En los casos en los que rueda y eje giren solidariamente y sea el eje el que transmita el movimiento a la rueda, y no al revés, se tratará de un tipo concreto de eje que se denomina “árbol”.

De forma general se llama árbol al órgano que, al girar sobre su eje de revolución, transmite ese movimiento a poleas, ruedas dentadas y otros elementos de transmisión. Los ejes de los árboles suelen ser horizontales y se apoyan sobre cojinetes o rodamientos. En función del tipo de aplicación, pueden encontrarse diversas clases de árbol:

1 Liso: de apariencia totalmente cilíndrica.

2 Escalonado: similar a los árboles lisos pero con varios diámetros diferentes. Son los más comunes.

3 Ranurado: de pequeña longitud y presenta acanaladuras que aumentan la capacidad de transmisión, ya que se emplean para el acoplamiento de los elementos.

4 Hueco: como su propio nombre indica, no se trata de piezas macizas.

5 Acodado: árbol con forma especial, que no presenta formas de líneas rectas, siguiendo el eje de revolución, sino que su aspecto es similar al de un cigüeñal.Sabía que...: los árboles acodados son especialmente frecuentes en las aplicaciones en las que se pretende convertir un movimiento alternativo en un movimiento giratorio y viceversa, como puede ocurrir cuando se realiza una extrusión de plástico empleando sistemas de pistones.

Actividades

5. Haga una búsqueda de imágenes de cada uno de los tipos de árboles anteriormente mencionados y relaciónelas con las figuras de la siguiente imagen.

Una chaveta es una pieza en forma de prisma de sección cuadrada o rectangular que se emplea para unir otras dos piezas de sección circular, de manera que giren solidariamente; es decir, sin deslizamientos entre las piezas que une.

La chaveta puede realizar su función gracias a que se practica una perforación con la forma de la sección de la chaveta (denominada chivetero), que está compartida entre las dos piezas para que se produzca la tracción simultánea del bloque que componen las dos piezas y la chaveta. La instalación de chavetas es muy frecuente en sistemas de transmisión en los que los ejes de rotación de la pieza conductora y de la pieza conducida son coincidentes, como, por ejemplo, ocurre cuando los motores eléctricos se acoplan a poleas o engranajes.

Importante

A la chaveta y al chivetero se les exige que presenten un gran ajuste entre ellos para evitar desgastes y rotura por cizallamiento.

Los cojinetes y rodamientos son órganos que se emplean para servir de punto de apoyo a árboles y ejes y como elemento de unión entre estos y el elemento de soporte, ayudándolos en su movimiento de rotación (reduciendo fricciones, pérdidas de energía y desgaste mecánico) y evitando los deslizamientos. En ocasiones, los cojinetes y rodamientos van junto con los bastidores de las piezas que giran sobre sí mismas, aunque lo más normal es que vayan montadas sobre los elemento de apoyo.

Las levas son órganos empleados para producir un movimiento alternativo, ya sea lineal o giratorio, a partir de uno giratorio. Son discos de perfil parcialmente circular, de contorno especialmente ideado para que al estar en contacto con otra pieza (seguidor) reproduzca en esta última el perfil de la leva.

Sabía que...

Las levas son uno de los órganos más antiguos y básicos de los que se emplean en las máquinas, actualmente. Mediante su empleo, se puede conseguir cualquier movimiento rectilíneo o lineal.

Toda leva está solidariamente fijada a un eje o un árbol, de forma que la transmisión de movimiento se realiza desde el eje o el árbol a la leva, siendo interesante en ocasiones fijar varias levas a un mismo eje o árbol (árbol de levas) para sincronizar la operación de varios órganos.

Una variante de las levas es el órgano conocido como excéntrica. En este tipo especial de leva en el que el contorno de la pieza es una circunferencia, la peculiaridad consiste en que el eje sobre el que gira la pieza no coincide con el eje centro geométrico de la pieza.

Actividades

6. ¿Cuál es el significado del término excéntrico?

La excéntrica es un órgano que surge de la evolución de la rueda y con un comportamiento basado en la palanca, al igual que ocurre con la manivela o el cigüeñal. Se emplea para obtener movimientos de giro a partir de un movimiento lineal alternativo y viceversa; y para producir un movimiento giratorio de forma manual.

Las manivelas y bielas son órganos de uso frecuente en sistemas alternativos. Las primeras están solidariamente unidas a los árboles usados en la transmisión y presentan forma de eje acodado y, al igual que la excéntrica, están basadas en la rueda y la palanca.

Manivela y excéntrica se conciben como órganos funcionalmente idénticos de apariencia diferente. De hecho, una manivela no es más que una excéntrica a la que se le ha eliminado todo el material sobrante, conservando únicamente lo imprescindible para interconectar los dos ejes. Por lo que, su aplicación es la misma que la de la excéntrica.

En cuanto a las bielas, son órganos en forma de barra empleados para obtener un movimiento alternativo (pistón, émbolo…) a partir de uno rotativo. Suele formar pareja con la manivela, la excéntrica o el cigüeñal (que son los órganos que le transmiten el movimiento rotativo).

El émbolo surge de la necesidad de limitar los movimientos de una biela a una dirección, esto se consigue empleando un sistema de guía que elimine los cambios de orientación de la biela, obteniendo un movimiento lineal alternativo más preciso. Su uso es frecuente para la impulsión a elevadas presiones y la extrusión de materiales viscosos.

Como se puede apreciar, existe un gran número de órganos de naturaleza muy diversa. No todos ellos aparecerán en todos las instalaciones para la transformación de polímeros, pero sí que en muchas ocasiones formarán parte del equipamiento auxiliar de la planta.

Un cigüeñal es, en realidad, un conjunto de manivelas fijadas sobre un único eje. Estas manivelas pueden estar en un mismo plano y sentido, aunque no suele ser lo más frecuente. En definitiva, su uso permite alcanzar el mismo objetivo que la manivela: obtener movimientos de giro a partir de un movimiento lineal alternativo y viceversa, aunque con la ventaja de sincronizar varios órganos o mecanismos de forma simultánea.

Cuando se pretende transmitir la fuerza desde una biela a un punto de acción se emplea una cruceta, mientras que si el objetivo de los acoplamientos es realizar la transmisión de movimiento entre árboles, empleando para ello estos órganos, pueden estar constituidos por una o varias piezas. Entre otros tipos de acoplamientos cabe citar los acoplamientos rígidos, ya sean, discos o platillos, o bien, manguitos.

Una cremallera es una pieza alargada en forma de barra rectangular con una de sus caras laterales dentada. En cierta forma, es una evolución de la rueda dentada, ya que puede emplearse para formar un engranaje.

Un tornillo sin fin es un tornillo que carece de cabeza y que engrana sobre una rueda dentada. Generalmente, los ejes del tornillo y de la rueda dentada se cruzan sin cortarse, formando un ángulo de 90º, siendo el tornillo el encargado de transferir movimiento a la rueda.

El tornillo sin fin está ideado para la transformación de un movimiento giratorio en uno lineal y viceversa. Su uso es frecuente en cierres automáticos de máquinas y en otros mecanismos de taladros, tornos, fresadoras...

Tornillo y tuerca (u orificio roscado) son dos órganos que suelen ir asociados. El primero presenta la forma de una barra cilíndrica sobre la que se ha practicado un surco helicoidal, mientras que el segundo tiene una forma complementaria de orificio de sección circular, igualmente conformado por un surco helicoidal. Dichos surcos pueden ser cuadrados o triangular

El tornillo tiene un uso muy extendido, ya que permite la transformación de un movimiento giratorio en uno lineal, siendo empleado principalmente en uniones desmontables y mecanismos de desplazamiento.

Sabía que...

Uno de los tipos de acoplamientos más habituales son los acoplamientos elásticos, más conocidos por juntas cardán.

Actividades

7. Busque en Internet imágenes de las juntas cardán.