El nuevo acoplamiento atenúa las vibraciones en motores de bajas emisiones

Para abordar la creciente demanda de reducir la huella de carbono de las grúas y otros equipos pesados, los fabricantes de equipos originales (OEM) están instalando motores diésel Stage V/Tier 4 más eficientes y eficientes que funcionan a velocidades de ralentí más bajas con un par elevado y generan menos emisiones de CO2 gracias a su menor consumo de combustible. Si bien son más respetuosos con el medio ambiente, estos motores de alta potencia producen niveles de vibración mucho más altos, especialmente al ralentí, debido a la resonancia de orden armónico mayor.

Dr. Hasan Mahamudul (Dr. Maha), director de I+D de Regal Rexnord e ingeniero jefe responsable de la idea y el diseño del acoplamiento CENTAFLEX-TIR. (Foto: Eason Photography)

“Una vibración alta siempre es mala, ya que hace que todo lo demás sufra, desde el accionamiento de la bomba hasta las cajas de engranajes y los cojinetes”, dijo René Klimach, ingeniero y gerente de productos de Regal Rexnord, un proveedor de soluciones de tren motriz con sede en EE. UU.

Los acoplamientos son clave para atenuar la vibración torsional de los motores y garantizar la fiabilidad de los componentes del sistema de propulsión. Sin embargo, la mayoría de los acoplamientos flexibles son demasiado rígidos dinámicamente para los motores Stage V/Tier 4, según Regal Rexnord, lo que los obliga a funcionar a velocidades de ralentí más altas para evitar sobrecargas, proteger los equipos y prolongar el tiempo de actividad, a la vez que anulan sus ventajas en términos de eficiencia.

La sede alemana del fabricante de grúas Tadano se enfrentó a un desafío similar al optar por colaborar con su proveedor de motores para rediseñar la transmisión de un modelo de grúa sobre orugas con pluma de celosía de gran tamaño. El menor régimen de ralentí del motor Etapa V (hasta 600 rpm) y la mayor vibración podían acelerar el desgaste de componentes vitales del sistema de propulsión, como las cajas de cambios y los cojinetes.

Como la mayoría de los acoplamientos no están diseñados para velocidades inferiores a 750 rpm, Tadano contactó a los ingenieros de Regal Rexnord para encontrar una solución.

Duplicando el control de las vibraciones

Esa solución resultó ser el CENTAFLEX-TIR (TIR), un acoplamiento de rodillos de nueva generación con características torsionales progresivas suaves que, según Regal Rexnord, puede servir para numerosas aplicaciones complejas en agricultura, construcción, marina, canteras, así como grupos electrógenos con velocidades variables.

“El CENTAFLEX-TIR actúa como elemento amortiguador entre el motor y los componentes accionados, absorbiendo eficazmente una parte significativa de la vibración”, afirmó Klimach. “Esto permite que toda la operación funcione a velocidades de ralentí más bajas en condiciones de alta demanda de par, lo que se traduce en una reducción del consumo de combustible y de las emisiones de CO2”.

El acoplamiento cuenta con un diseño de rodillos de doble etapa y cámaras modificadas que garantizan un deslizamiento suave de los rodillos de goma. (Foto: Regal Rexnord)

A primera vista, el TIR no parece tan nuevo, ya que los tamaños disponibles y los materiales utilizados en su construcción son prácticamente iguales a los de los acoplamientos anteriores. Sin embargo, a diferencia de los acoplamientos flexibles tradicionales, el TIR cuenta con dos líneas de rodillos de goma flexibles en lugar de una sola.

El Dr. Hasan Mahamudul (Dr. Maha), director de I+D en Regal Rexnord e ingeniero jefe detrás de la idea y el diseño del acoplamiento CENTAFLEX-TIR, afirmó que este diseño de rodillo de doble etapa permite que el nuevo acoplamiento "absorba aún más vibraciones sin sobrecalentarse, aumentando así su pérdida de potencia admisible y mejorando la vibración y la vida útil de los componentes del sistema".

Las cámaras modificadas garantizan un deslizamiento suave de los rodillos. "Al usar el motor de bajas revoluciones, estos rodillos de goma solo se deslizan en su cámara", explicó el Dr. Maha. "Por lo tanto, no se producirá ninguna resonancia en la transmisión. Estará completamente libre de resonancia gracias a su suavidad y desplazará el pico de resonancia de orden mayor a bajas revoluciones".

El diseño también permite una mejora del 80 % en la capacidad de carga térmica con pares alternos más altos en comparación con su predecesor, según Regal Rexnord. Un aumento correspondiente del 80 % en la pérdida de potencia admisible garantiza una absorción eficaz de las vibraciones, evitando la sobrecarga del acoplamiento y los picos de par alternado en el sistema de propulsión.

Además, la capacidad del acoplamiento para variar la rigidez dinámica con cambios en el par medio es mucho más suave y uniforme en comparación con los diseños convencionales, señaló el Dr. Maha. «Mientras que los diseños convencionales se vuelven progresivamente más rígidos a medida que aumenta el par, el acoplamiento CF-TIR mantiene una rigidez más suave incluso con un par medio elevado».

Como resultado, el TIR proporciona la suavidad torsional para soportar velocidades de ralentí de 525 a 625 rpm, que son comunes entre los motores diésel Stage V/Tier 4.

Reducción de costes y emisiones

El Dr. Maha describe el TIR como «una solución muy rentable y de diseño muy sencillo». Sin embargo, tiene el potencial de influir en diversos aspectos tanto del diseño como de la aplicación de las máquinas.

Al implementar el acoplamiento TIR, la compañía afirmó que los fabricantes de equipos originales (OEM) podrían reducir el tamaño de las cajas de engranajes. El Dr. Maha señaló que su equipo está trabajando actualmente en un proyecto piloto con un cliente para aumentar la vida útil de la caja de engranajes. "Sin embargo, el progreso es lento debido a que la vibración es tan baja con este acoplamiento que están considerando adquirir una caja de engranajes [más pequeña]".

Se ha demostrado que el CENTAFLEX-TIR amortigua las vibraciones torsionales elevadas, lo que permite que los motores Stage V/Tier 4 funcionen a velocidades de ralentí más bajas. (Foto: Regal Rexnord)

Esta medida generaría ahorro de peso y una mayor eficiencia general, generando ahorros de costos a nivel del sistema.

También existen otros posibles ahorros. Tras su instalación en el prototipo de grúa sobre orugas con pluma de celosía Tadano, el análisis de vibración torsional mostró que el acoplamiento TIR redujo significativamente la vibración del sistema y la velocidad de ralentí de 750 a 650 rpm. Esto resultó en una disminución promedio del consumo de diésel de 0,18 galones/hora (0,7 litros/hora). Con dos motores en la grúa, se estima que esto ahorrará hasta 1092 litros de diésel al año, lo que equivale a un ahorro anual de hasta 1900 dólares (1750 euros).

“Solo con el ahorro de combustible, el acoplamiento se amortiza fácilmente”, dijo Klimach. “En un año, se obtiene el retorno de la inversión. Esto es interesante para el usuario final: se ahorra más porque el ralentí es menor”.

Además, están los beneficios ambientales. Se estima que la grúa reducirá las emisiones de CO2 a un ritmo de 2,89 kg (6,37 lb) al año.

“Si se quema menos combustible en el campo, se reducen las emisiones de CO2”, afirmó Klimach. “Y en esta aplicación específica, hablamos de 2,8 toneladas de emisiones de CO2 al año, lo cual es muy interesante para el fabricante de equipos originales (OEM) en cuanto a las emisiones promedio de la flota”.

Klimach añadió: “Creo que tenemos una propuesta de valor muy clara con esta innovación de producto”.

Nota del editor: El proyecto de grúa Tadano de Regal Rexnord fue finalista para la aplicación de producto todoterreno del año 2024 de los premios Power Progress Summit Awards.