Del motor hidráulico al piñón: cómo una caja de engranajes planetarios de transmisión por orugas impulsa una excavadora.
El circuito de potencia en cada excavadora hidráulica sigue la misma secuencia: el motor diésel acciona una bomba hidráulica de caudal variable, la bomba suministra el flujo a través de una válvula de control direccional, la válvula dirige el aceite a un motor de traslación montado en el bastidor del tren de rodaje, y el motor de traslación gira a entre 2000 y 3500 rpm con un par motor de entre 200 y 800 Nm. Ese par motor no es ni de lejos suficiente para mover una máquina de varias toneladas a través del barro. Caja de cambios planetaria de transmisión por orugas llena el vacío.
Montado dentro del cubo de la rueda dentada —una cavidad que suele tener entre 400 y 600 mm de diámetro—, el tren de engranajes planetarios reduce la velocidad del motor en un factor de 40:1 a 120:1, multiplicando el par motor por la misma proporción. Un motor con una salida de 500 Nm a 3000 rpm se convierte en 40 000 Nm a 37 rpm mediante una reducción planetaria de dos etapas de 80:1. Estos 40 000 Nm hacen girar la rueda dentada motriz, que a su vez acciona la cadena de orugas, y esta cadena empuja contra el suelo para impulsar la máquina hacia adelante.
¿Por qué engranajes planetarios en lugar de engranajes rectos o de tornillo sin fin? Por el espacio. El sistema de transmisión de la oruga debe caber dentro del cubo de la rueda dentada. Un sistema planetario distribuye la carga entre tres o cuatro engranajes planetarios que engranan simultáneamente, proporcionando la mayor densidad de par (newton-metros por kilogramo) de cualquier arquitectura de engranajes. Un tren de engranajes rectos con una relación de 80:1 requeriría cuatro etapas y ocuparía de 3 a 4 veces el volumen. Un engranaje de tornillo sin fin con una relación de 80:1 perdería 40% de la potencia de entrada en forma de calor. El sistema planetario proporciona la relación en dos o tres etapas con una eficiencia de 94 a 97%, dentro de una carcasa que se atornilla directamente al bastidor del tren de rodaje.
Sistema típico de transmisión de orugas de una excavadora: el motor hidráulico se atornilla en la parte superior; las etapas de reducción planetaria se encuentran dentro de la carcasa; el portador de salida acciona el cubo de la rueda dentada.
Contrarrotación: el caso de carga que define la ingeniería de la transmisión de orugas de las excavadoras.
Todas las máquinas de orugas —excavadoras, grúas sobre orugas, cargadoras compactas— utilizan tracción sobre orugas. Sin embargo, solo las excavadoras requieren habitualmente que ambas ruedas motrices funcionen simultáneamente a su par máximo en direcciones opuestas. Esta maniobra de contrarrotación hace pivotar la máquina sobre su propio eje: el operador ordena que la oruga izquierda avance y la derecha retroceda, y la excavadora gira sobre su propio eje.
Desde el punto de vista mecánico, la contrarrotación impone la condición de carga más severa que puede experimentar cualquier caja de engranajes planetarios de transmisión por orugas:
La máquina permanece inmóvil durante el giro; no hay impulso que facilite la rotación. Cada motor de traslación alcanza su presión máxima (par de bloqueo), y la caja de engranajes planetarios transmite esta carga máxima a la rueda dentada de forma continua durante todo el giro.
Cada diente del engranaje planetario soporta una carga en un flanco durante la marcha hacia adelante y en el flanco opuesto durante la marcha atrás. A lo largo de una vida útil de la máquina de 15 años, con 300 giros por turno y 300 turnos por año, los dientes soportan 1,35 millones de inversiones de carga bidireccionales completas.
Los cojinetes planetarios experimentan una inversión total de la dirección de la carga radial en cada pivote. Los rodillos del cojinete deben restablecer su zona de contacto en el lado opuesto de la pista de rodadura, una condición de fatiga que los rodamientos de agujas en transmisiones unidireccionales nunca experimentan.
El cambio brusco de par presuriza el volumen interno de aceite contra un labio del sello y luego invierte la presión hacia el otro lado en cuestión de milisegundos. Un sello diseñado para rotación unidireccional perderá aceite a los pocos meses de uso en la excavadora.
Implicaciones de ingeniería: Un sistema de transmisión de orugas con una capacidad nominal de 40 000 Nm en servicio continuo unidireccional —apropiado para una cinta transportadora, un cabrestante o una transmisión de ruedas— fallará prematuramente en una excavadora si su análisis de flexión de engranajes planetarios no ha sido validado para fatiga bidireccional con el mismo par. El caso de contrarrotación de la excavadora impone una carga que ninguna otra aplicación de máquina de orugas requiere a esta frecuencia.
Selección de un sistema de tracción de orugas según la clase de peso de la excavadora: par motor, velocidad, relación de transmisión y capacidad de ascenso.
Las especificaciones del sistema de tracción de una excavadora dependen principalmente de su peso operativo, que determina tanto el par necesario para subir pendientes como el par generado durante la contrarrotación. La siguiente tabla relaciona las cinco clases de peso estándar de las excavadoras con los parámetros correspondientes del sistema de tracción.
| Categoría de peso | Máquina (t) | Par de salida (Nm) | Velocidad de viaje | Rango de relación | Etapas | Calificabilidad |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Mini | 1,5 – 8 | 5.000 – 15.000 | 2,5 – 4,5 km/h | 40 – 65:1 | 2 | 30 – 35% |
| Pequeño | 8 – 15 | 15.000 – 28.000 | 3,0 – 5,0 km/h | 55 – 80:1 | 2 – 3 | 30 – 35% |
| Medio | 15 – 30 | 28.000 – 50.000 | 3,5 – 5,5 km/h | 65 – 90:1 | 2 – 3 | 30 – 35% |
| Grande | 30 – 50 | 50.000 – 80.000 | 3,5 – 5,5 km/h | 75 – 100:1 | 3 | 25 – 30% |
| Minería | 50 – 90 | 80.000 – 140.000 | 3,0 – 4,5 km/h | 90 – 120:1 | 3 | 20 – 25% |
La capacidad de ascenso es la pendiente máxima que la excavadora puede superar con su peso operativo sin que las orugas patinen. La capacidad de ascenso real está limitada por el menor de dos valores: el par motor disponible en la caja de cambios o el coeficiente de fricción entre la oruga y el suelo (normalmente de 0,5 a 0,7 en arcilla y de 0,8 a 1,0 en roca triturada).
Cálculo de la capacidad de ascenso: Dimensionamiento del sistema de tracción de orugas para una excavadora de 35 toneladas.
El ejemplo práctico que se muestra a continuación ilustra el proceso completo de dimensionamiento del par motor para una excavadora de clase media. Este es el cálculo que todo ingeniero de diseño de fabricantes de equipos originales (OEM) y gestor de flotas debería verificar antes de especificar un sistema de transmisión de orugas de repuesto; sin embargo, es el cálculo que con mayor frecuencia se omite, optando simplemente por igualar el número de pieza del fabricante original.
Sin el multiplicador SF = 2,0, el ingeniero especifica una caja de engranajes con una capacidad nominal de 17 365 Nm, una unidad de la clase de 20 000 Nm. Durante el primer turno de trabajo de contrarrotación, el par real aumenta a 35 000 Nm (par de bloqueo máximo del motor en ambas direcciones). La caja de engranajes opera a 175% de su capacidad nominal en cada pivote. Después de varios miles de estos eventos, se inicia la fatiga de la superficie del engranaje planetario en ambos flancos de los dientes, aumenta el juego y la máquina comienza a desviarse hacia un lado durante el desplazamiento en línea recta. Este patrón de falla generalmente se manifiesta entre las 3000 y las 5000 horas, muy por debajo de la vida útil objetivo de 10 000 horas.
Traslación a dos velocidades: por qué la mayoría de las excavadoras de más de 8 toneladas incorporan una marcha alta/baja en la transmisión de orugas.
Un sistema de transmisión de orugas de una sola velocidad presenta una disyuntiva fundamental: una alta relación de reducción proporciona el par máximo para el ascenso y la contrarrotación, pero limita la velocidad máxima de desplazamiento, mientras que una baja relación permite un desplazamiento más rápido, pero no genera el par necesario para trabajos de nivelación. La mayoría de las excavadoras de más de 8 toneladas resuelven este problema con un mecanismo de dos velocidades integrado directamente en la carcasa de la caja de engranajes planetarios.
Relación 80-120:1. Par máximo de salida. Se utiliza para subir pendientes, pivotes de contrarrotación y trabajar en terrenos blandos o sueltos. Velocidad de desplazamiento típica: 2,5-3,5 km/h. Este es el engranaje que utiliza la excavadora durante las operaciones de excavación: movimientos de reposicionamiento cortos y a baja velocidad entre ciclos de la cuchara.
Relación 40-60:1. Par motor reducido, pero mayor velocidad de la rueda dentada. Se utiliza para desplazarse por terreno llano entre puestos de trabajo, por ejemplo, para ir de un extremo a otro de una obra. La velocidad de desplazamiento suele ser de 4,5 a 5,5 km/h. Una válvula de reducción automática vuelve a la marcha baja cuando la presión del motor de traslación supera un umbral, protegiendo la caja de cambios de una sobrecarga de par.
El mecanismo de dos velocidades funciona mediante un pistón hidráulico dentro de la carcasa planetaria que desplaza un conjunto de engranajes solares, acoplando así el tren de engranajes de alta o baja relación. Esta capacidad integrada de cambio de velocidad es exclusiva de los sistemas de transmisión por orugas. A diferencia de cajas de engranajes planetarios de giro Para la rotación de la superestructura de la excavadora, que funciona a una única relación fija porque el requisito de velocidad de giro no cambia con el terreno, el sistema de tracción de las orugas debe adaptarse a dos modos de funcionamiento fundamentalmente diferentes dentro del mismo turno.
Sellado para el tren de rodaje: por qué los sellos de transmisión de orugas de las excavadoras son más importantes que en cualquier otra aplicación de la caja de engranajes.
El sistema de transmisión de orugas de la excavadora opera en el entorno más hostil de cualquier caja de engranajes planetarios. El cubo de la rueda dentada se encuentra a nivel del suelo, parcial o totalmente sumergido en lodo, agua, arena y lodo abrasivo durante toda la vida útil de la máquina. Ninguna otra aplicación de caja de engranajes se enfrenta a esta combinación de inmersión continua y rotación bidireccional de alto par.
El sello frontal metal-metal, exclusivo de los sistemas de transmisión por orugas, consta de dos anillos de acero endurecido, rectificados hasta alcanzar una planitud óptica (0,3-0,9 bandas de luz), unidos mediante juntas tóricas elastoméricas. El sello gira con la rueda dentada manteniendo la presión de contacto contra la superficie fija de la carcasa. Este diseño soporta la inmersión completa en lodo abrasivo, algo que ningún sello labial elastomérico puede resistir durante más de unos cientos de horas.
A diferencia de las cajas de engranajes de precisión con lubricación sellada, las orugas de las excavadoras utilizan lubricación por baño de aceite, generalmente de 1,5 a 4,0 litros de aceite para engranajes GL-5 75W-90 u 80W-90. Este aceite proporciona lubricación y refrigeración. El intervalo de cambio de aceite es de 1000 a 2000 horas o anualmente. En cada cambio de aceite, inspeccione el aceite drenado para detectar contaminación por agua (aspecto lechoso) y partículas metálicas (indicador de desgaste de los cojinetes o engranajes).
Los ciclos térmicos —desde el arranque en frío al amanecer hasta los 80-100 °C durante el trabajo pesado— provocan cambios en la presión interna. Un respiradero o una válvula de compensación de presión evita la rotura del sello durante el calentamiento y la entrada de contaminación por vacío durante el enfriamiento. Coloque el respiradero por encima del nivel máximo de aceite en cualquier posición de montaje para evitar fugas de aceite.
Tres modos de falla que representan el 801% de las sustituciones de los sistemas de transmisión de orugas de las excavadoras.
El desgaste o los daños en las superficies de sellado, una tensión de instalación incorrecta o el impacto de rocas y escombros permiten que el agua subterránea y el lodo penetren en el baño de aceite. El agua emulsiona el aceite de la transmisión (lo que se manifiesta como una apariencia lechosa en el tapón de drenaje), destruye la película lubricante e inicia la corrosión en las superficies de los cojinetes. El desprendimiento de material en los cojinetes se produce entre 500 y 1500 horas después de la entrada de agua.
Los sistemas de transmisión de orugas de tamaño insuficiente —especificados sin el factor de servicio para carga bidireccional— experimentan una fatiga acelerada de los rodamientos de agujas en los pasadores planetarios. Los rodamientos sufren una inversión completa de la carga radial en cada pivote de contrarrotación. Los síntomas incluyen un aumento del ruido de desplazamiento, partículas metálicas en las muestras de aceite y un juego creciente en el cubo de la rueda dentada.
El barro compactado entre las zapatas de la oruga aumenta la tensión efectiva de la misma entre 20 y 401 TP3T por encima del valor de diseño. La rueda dentada debe ejercer mayor fuerza para engranar con cada zapata, lo que produce una sobrecarga pulsante en los dientes de la corona a la frecuencia de engranaje de la rueda dentada. Tras meses de funcionamiento en condiciones arcillosas, se desarrollan picaduras visibles en los flancos de los dientes de la corona.
Líneas de productos de reductores planetarios Ever-Power de Corea para aplicaciones en excavadoras
Caja de engranajes planetarios para orugas en excavadoras: preguntas frecuentes
Korea Ever-Power ofrece reductores planetarios para orugas de excavadoras con pares de 5000 a 140 000 Nm, desde miniexcavadoras hasta maquinaria minera. Proporcione el modelo de su máquina, el peso operativo y el número de pieza OEM actual para obtener una recomendación gratuita.
Editor: Cxm
