Acoplamientos en sistemas de accionamiento de molinos de cemento: aplicaciones, ingeniería y estándares de rendimiento para la industria del Reino Unido.

Un acoplamiento en el sistema de transmisión de una planta de cemento cumple simultáneamente tres funciones mecánicas fundamentales: transmisión de par, compensación de desalineación y atenuación de cargas de choque. En cuanto a la transmisión de par, el acoplamiento debe transmitir la potencia nominal de un eje al siguiente sin pérdidas elásticas, acumulación de calor ni fallos por fatiga durante intervalos de vida útil que, en las plantas de cemento, se miden en años en lugar de meses. La eficiencia de transmisión de un acoplamiento de engranajes bien diseñado bajo carga nominal continua supera la norma 99%, lo cual es fundamental cuando las pérdidas totales del sistema de transmisión en un sistema de varios megavatios son comercialmente significativas.

La compensación de desalineaciones se vuelve esencial, ya que ninguna instalación —por muy cuidadosamente alineada que esté por un ingeniero mecánico certificado de una empresa de ingeniería de plantas de Birmingham— mantiene una coaxialidad perfecta del eje central durante la vida útil de un molino. La dilatación térmica de los bastidores del motor, el asentamiento de la base bajo masas giratorias pesadas y el desgaste de los cojinetes provocan desviaciones angulares y paralelas entre los ejes conectados. Un acoplamiento debe absorber estas desviaciones mientras continúa transmitiendo el par sin imponer cargas radiales o axiales destructivas sobre el cojinete del motor o el eje de entrada del reductor. Los acoplamientos de engranajes logran esto mediante la geometría de dientes abombados del manguito del engranaje, que permite tanto la deflexión angular como cierto grado de flotación axial, distribuyendo la tensión de contacto sobre una amplia superficie del diente.

La atenuación de impactos es, sin duda, la función más crítica en las aplicaciones de molienda de cemento. Los molinos de bolas poseen una enorme inercia rotacional (un tambor completamente cargado puede pesar varios cientos de toneladas) y, durante el arranque, el motor debe acelerar esta masa desde el reposo contra la resistencia de la carga de molienda. El pico de par resultante puede alcanzar de tres a cinco veces el par nominal en configuraciones de arranque directo. Este pico, si se transmite de forma rígida, impondría una tensión catastrófica en los engranajes del reductor y los cojinetes del molino. Los acoplamientos de engranajes flexibles, gracias a la elasticidad de su engranaje y, en algunos diseños, a través de un elemento elastomérico integrado, absorben y atenúan estos picos, protegiendo los componentes de la transmisión posteriores.

Escenario de aplicación 1: Accionamiento primario de molino de bolas: acoplamiento de engranajes de alto par en la interfaz motor-reductor.

El acoplamiento de transmisión primaria del molino de bolas se ubica entre el eje de salida del motor principal y el eje de entrada de alta velocidad de la caja reductora. Esta es la posición de mayor velocidad y mayor impacto en todo el sistema de transmisión del molino de cemento, y la especificación del acoplamiento en esta posición es una de las más exigentes técnicamente de la planta. El motor puede operar a 1000–1500 rpm, y en cada arranque directo, el acoplamiento debe absorber y transmitir el pico de par de aceleración sin desgastar los ajustes del eje, rayar los flancos de los dientes ni aplicar cargas radiales destructivas al cojinete del extremo de transmisión del motor. Las instalaciones cementeras del Reino Unido de este tipo, particularmente las del valle de Hope y las que dan servicio al corredor de construcción de Manchester, han ido pasando progresivamente de los acoplamientos de disco flotante a los acoplamientos de engranajes abombados en esta posición debido a la superior exclusión de polvo de estos últimos y a su menor sensibilidad a la desalineación angular inducida por la dilatación térmica del bastidor del motor.

Los acoplamientos de engranajes de dientes abombados en esta aplicación suelen suministrarse con un diseño de barril partido para facilitar su extracción sin necesidad de desmontar el motor o el reductor, un requisito práctico dado el reducido espacio de acceso en muchas antiguas fábricas de cemento británicas construidas en las décadas de 1970 y 1980. Las dos mitades del barril partido están mecanizadas con precisión y equilibradas dinámicamente según la norma G6.3 para evitar la transmisión de vibraciones al cojinete de entrada de la caja de engranajes durante el funcionamiento continuo a velocidad nominal.

Escenario de aplicación 2: Eje de salida del reductor de baja velocidad: acoplamiento de engranajes pesados ​​al piñón del molino.

El acoplamiento de baja velocidad entre el eje de salida de la caja de engranajes y el eje del piñón del engranaje principal es el acoplamiento con mayor par en todo el sistema del molino de cemento. Con niveles de potencia del motor que alcanzan los 3-5 MW y relaciones de reducción que concentran el par en el piñón, el acoplamiento en esta posición soporta cargas que se miden en cientos de miles de Newton-metros. Los acoplamientos de engranajes en esta aplicación están diseñados con anchos de cara de diente sustancialmente mayores y un módulo de diente más alto que sus contrapartes de alta velocidad, y los ajustes de interferencia entre el orificio y el cubo se calculan según las normas DIN 7190 para garantizar un deslizamiento cero incluso en los peores casos de sobrecarga de par.

Lo que hace que esta posición de acoplamiento sea particularmente difícil para las plantas del Reino Unido que operan bajo las condiciones de humedad y temperatura variable típicas del norte de Inglaterra es el ciclo térmico que experimenta el acoplamiento entre los ciclos de producción y las paradas programadas. Una fábrica de cemento de Sheffield que opera en tres turnos puede experimentar ciclos entre temperaturas ambiente de 5 °C durante una parada en frío en invierno y temperaturas de la malla dentada de 70 a 80 °C durante la producción a plena carga. El acoplamiento debe soportar este ciclo térmico sin degradación de los sellos ni fugas de grasa, ya que ambas situaciones podrían permitir que el polvo de cemento llegue a los flancos de los dientes entre las visitas de mantenimiento.

Escenario de aplicación 3: Molino de rodillos vertical — Acoplamiento universal en el eje de transmisión auxiliar

Los molinos de rodillos verticales, que han sustituido en gran medida a los molinos de bolas en la molienda de materia prima en las modernas plantas cementeras del Reino Unido debido a su mayor eficiencia energética, presentan un desafío de acoplamiento diferente. El accionamiento principal de la mesa del molino, normalmente una caja de engranajes planetarios atornillada directamente debajo de la mesa de molienda, gestiona la transmisión de par principal como una unidad integrada con mínimas interfaces de acoplamiento de ejes. Sin embargo, el sistema de accionamiento auxiliar —utilizado para desplazar la mesa de molienda durante el mantenimiento para reposicionar los rodillos— emplea un motor y un tren de transmisión independientes conectados mediante un acoplamiento de junta universal que debe compensar una desalineación angular significativa durante el funcionamiento del mecanismo de indexación de la mesa.

El acoplamiento universal de la serie SWC es especialmente adecuado para esta función de accionamiento auxiliar. Su capacidad de gran angular —que permite ángulos de deflexión de hasta 10–15° según la serie— permite colocar el motor auxiliar lejos del tren de transmisión principal sin necesidad de una alineación precisa durante la instalación. En las plantas del Reino Unido, donde los pasillos de acceso para mantenimiento están limitados por las estructuras civiles existentes, esta flexibilidad en el posicionamiento del motor reduce significativamente los costes de montaje y el tiempo de inactividad asociados a las paradas de mantenimiento programadas. El acoplamiento también transmite el par de forma suave a velocidades de indexación tan bajas como 0,5 rpm, sin la fluctuación de velocidad que provocaría vibraciones en los rodillos de molienda durante el reposicionamiento.

Escenario de aplicación 4: Pre-molienda de prensa de rodillos: acoplamiento de resorte serpentino para el aislamiento de cargas de impacto.

Las prensas de rodillos, cada vez más utilizadas antes de los molinos de bolas en las plantas de cemento del Reino Unido para reducir el consumo específico de energía en el circuito de molienda combinado, imponen un perfil de carga completamente diferente a sus acoplamientos de transmisión. A diferencia del par continuo y suave de un molino rotatorio, una prensa de rodillos somete su sistema de transmisión a repetidos pulsos de par de alta amplitud cada vez que un terrón de clínker o una inclusión mineral dura pasa entre los rodillos de molienda. Estos pulsos, que pueden alcanzar de tres a cinco veces el par de operación promedio a frecuencias de varias por segundo, fatigarían rápidamente un acoplamiento de engranajes rígido montado directamente entre el motor y el reductor de la prensa de rodillos.

El acoplamiento de resorte serpentino de la serie JSA es la respuesta de ingeniería a este desafío específico. Su elemento de torsión de resorte helicoidal, intercalado entre las mitades del acoplamiento de manera que proporciona una flexibilidad torsional controlada, suaviza el perfil del impulso de torsión que llega al reductor y al motor al absorber la energía máxima de cada impulso en la deformación elástica del elemento de resorte. La energía liberada se transmite al tren de transmisión durante un período de tiempo más prolongado con una magnitud máxima menor. En una planta de materiales de construcción de Birmingham que recientemente actualizó el accionamiento de su prensa de rodillos, el cambio de un acoplamiento de disco rígido a un acoplamiento de resorte serpentino JSA redujo el momento flector del eje de entrada de la caja de engranajes en aproximadamente 40% en las peores condiciones de pulso de clínker, extendiendo así la vida útil del cojinete de entrada de la caja de engranajes.

Sheffield Building Materials Group opera una planta de molienda de cemento de alto rendimiento en South Yorkshire, donde procesa clínker importado para convertirlo en productos de cemento terminados que abastecen al sector de la construcción e ingeniería civil de la región. La planta cuenta con un molino de bolas de 3000 kW que opera de forma continua en tres turnos, con paradas programadas para mantenimiento cada año. En 2023, el equipo de ingeniería de la planta detectó que el acoplamiento de engranajes de alta velocidad existente entre el motor primario y el reductor de primera etapa presentaba un desgaste acelerado de los dientes debido a la entrada de polvo de cemento a través de un sello de laberinto envejecido. En la inspección realizada a las 6000 horas, se observaron marcas en la superficie de los dientes que no habían aparecido hasta las 10 000 horas.

El equipo de compras contactó a Ever Power a través del canal de soporte técnico de la empresa en el Reino Unido, proporcionando planos dimensionales del acoplamiento, datos de velocidad y par de operación, y una descripción del entorno operativo polvoriento. El equipo de ingeniería de aplicaciones de Ever Power revisó el sistema de sellado existente y propuso un acoplamiento de reemplazo con una combinación mejorada de junta rascadora de laberinto de doble etapa y politetrafluoroetileno, junto con el uso de una grasa con aditivo EP que ofrece mayor resistencia a la suspensión de polvo. El acoplamiento a medida se fabricó, se equilibró dinámicamente y se envió a Sheffield en un plazo de doce semanas desde la realización del pedido, llegando a tiempo para la parada anual programada de la planta.

Tras la instalación por parte del equipo de mantenimiento mecánico de la planta —con asistencia remota para la puesta en marcha proporcionada por el ingeniero de aplicaciones de Ever Power mediante videollamada—, el nuevo acoplamiento se puso en servicio en enero de 2024. En la primera inspección de 6000 horas, a mediados de 2024, no se observó desgaste en los dientes y el conjunto de sellado no mostró evidencia de entrada de polvo. El gerente de ingeniería de la planta confirmó que el acoplamiento había cumplido o superado las especificaciones de rendimiento en todos los aspectos, y el intervalo de mantenimiento se ha extendido a 10 000 horas, reduciendo significativamente el tiempo de inactividad relacionado con el mantenimiento y los costos laborales asociados. Posteriormente, Sheffield Building Materials Group realizó un pedido adicional de un acoplamiento de reemplazo en la posición equivalente de baja velocidad, citando la confianza en la calidad del producto Ever Power y el proceso de soporte técnico.