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Caja de engranajes planetarios de giro para grúas torre

La grúa torre es la máquina más alta, de mayor alcance y más visible en cualquier obra de construcción importante. Su mecanismo de giro debe ofrecer dos capacidades que parecen contradictorias: suficiente par motor para girar una pluma cargada de 80 metros contra el viento lateral, y la precisión suficiente para detener ese giro a menos de 50 mm del objetivo, siempre, desde una distancia de 200 metros.

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El motor acciona el piñón contra la corona dentada de giro para hacer girar la pluma. Velocidad: de 0 a 0,7 rpm. Par motor: de 15 000 a 80 000 Nm a la salida del piñón. El operador controla la velocidad proporcionalmente mediante el joystick de la cabina. Cuando el motor está desenergizado, el freno de giro mantiene la pluma en la posición actual frente a cargas de viento de 30 000 a 80 000 N a la altura de la pluma.

Se libera el freno de giro y la pluma gira libremente por efecto del viento. El piñón permanece engranado con la corona, pero no recibe potencia; la rotación de la pluma lo impulsa en sentido inverso, y el motor gira libremente. El mecanismo de giro debe tener una fricción suficientemente baja en sentido inverso para que la pluma pueda orientarse libremente con vientos de tan solo 15 a 20 km/h; este requisito de fricción mínima contrarresta el alto par de retención necesario para el modo motorizado.

El cálculo del par de torsión del viento es más complejo que una simple fuerza de arrastre multiplicada por el radio. La pluma es una masa distribuida: cada sección contribuye con una fuerza de arrastre diferente a un radio distinto del centro de giro. La contrapluma (detrás de la torre) compensa parcialmente el par de torsión del viento de la pluma principal cuando el viento viene de frente, pero lo incrementa cuando viene de atrás. La posición del carro a lo largo de la pluma modifica dinámicamente el brazo de palanca del viento durante el funcionamiento. Además, la carga suspendida actúa como un péndulo que añade un componente dinámico variable en el tiempo al par de torsión del viento durante el período de oscilación de la carga (normalmente de 3 a 8 segundos para longitudes de cable de elevación de 20 a 50 metros).

El mecanismo de giro debe dimensionarse para la combinación máxima de viento, inercia y péndulo, no para un solo componente. Esta carga combinada suele ser de 1,3 a 1,5 veces el par generado únicamente por el viento y de 1,5 a 2,0 veces el par generado únicamente por la inercia. El factor de seguridad aplicado a la carga combinada suele ser de 1,25 a 1,5 (inferior al de las grúas que no cuentan con la protección del indicador de momento de carga que ofrecen las grúas torre).

Es importante destacar que el indicador de momento de carga (LMI) de una grúa torre monitoriza continuamente la carga y el radio del gancho, y puede limitar automáticamente la velocidad de giro cuando la grúa opera cerca de su capacidad nominal. Esta limitación de velocidad, controlada por el LMI, reduce el par de inercia máximo durante las elevaciones de cargas elevadas al restringir la aceleración angular máxima. El mecanismo de giro debe responder a estas órdenes de limitación de velocidad variable con una entrega de par proporcional y fluida; cualquier retención o zona muerta en la respuesta del mecanismo con entradas bajas del joystick provoca una operación a velocidad reducida brusca y disminuye la confianza del operador en la capacidad de posicionamiento preciso.

El sistema ACS requiere datos continuos de posición angular, generalmente provenientes de un codificador absoluto de 12 a 16 bits montado en la salida del accionamiento o en la corona dentada de giro. El codificador debe ser mecánicamente robusto (resistente a vibraciones, temperaturas y humedad propias de la obra) y eléctricamente compatible con el controlador ACS. El accionamiento de giro debe proporcionar una interfaz de montaje específica para el codificador en el eje de salida, con un acoplamiento sin holgura.

Cuando el sistema de control de actitud (ACS) detecta una posible colisión, ordena al mecanismo de giro que se detenga dentro de un rango de 2 a 5 grados de desplazamiento angular, con la suficiente suavidad para evitar sobrecargas en la torre, pero con la suficiente rapidez para impedir que la pluma entre en la zona de exclusión. Esto requiere un freno con características de desaceleración controladas, no una parada de emergencia brusca que generaría cargas dinámicas que superen el límite de diseño de la torre.

En algunos emplazamientos, está prohibido que la grúa gire sobre propiedades vecinas (hospitales, vías férreas, carreteras públicas). El sistema de giro y el control de actitud deben imponer límites angulares estrictos: la pluma no puede girar físicamente más allá del sector permitido. Esto requiere límites angulares configurables por software con topes de seguridad respaldados por hardware (codificadores redundantes o interruptores de límite mecánicos).

El codificador del sistema de control de acceso (ACS) representa un punto único de fallo con consecuencias para toda la obra. Si el codificador falla en una grúa, el ACS no puede determinar la posición de su pluma y debe detener la grúa afectada (una medida segura pero costosa: entre 5000 y 15 000 USD por día de inactividad) o permitir que el operador continúe sin protección anticolisión (una medida insegura y prohibida en la mayoría de las obras). En una obra con varias grúas, un fallo del codificador en una de ellas puede obligar a detener todas las grúas que comparten la zona de solapamiento, ya que el ACS no puede verificar que la pluma de la grúa averiada no se encuentre en la trayectoria de colisión.

Por este motivo, cada vez se especifican más codificadores redundantes (dos unidades independientes conectadas a la misma salida del accionamiento de giro) para grúas torre en emplazamientos con varias grúas. El coste de un segundo codificador (entre 500 y 1500 USD) es insignificante comparado con el coste diario de paralizar de dos a cuatro grúas a la espera de un codificador de repuesto, cuya adquisición e instalación en la parte superior de la torre puede tardar entre 24 y 48 horas.

El freno de giro debe sujetar la pluma contra las cargas de viento durante el funcionamiento. Si el freno falla (desgaste de las pastillas, fatiga del resorte, fuga hidráulica), la pluma gira sin control bajo la presión del viento con una carga suspendida, lo que supone un riesgo inmediato de colisión y caída de la carga. El freno debe ser de accionamiento por resorte (a prueba de fallos: se activa en caso de pérdida de energía) con un par de retención suficiente para la velocidad máxima del viento en servicio (normalmente 72 km/h). La degradación de la capacidad del freno es invisible externamente y solo puede detectarse mediante la medición periódica del par de retención. La prueba mensual del freno es el intervalo estándar; cualquier extensión de este intervalo aumenta el riesgo de una degradación no detectada por debajo de la capacidad mínima de retención. El procedimiento de prueba es sencillo: con la pluma colocada perpendicularmente a la dirección del viento predominante (par de viento máximo), el operador suelta el motor y verifica que el freno mantiene la pluma inmóvil durante un mínimo de 60 segundos. Si la pluma se desplaza tan solo 0,5 grados durante esta prueba de retención, la capacidad de frenado ha caído por debajo del nivel requerido y las pastillas o los resortes de freno deben reemplazarse antes de que la grúa vuelva a estar en servicio.

Durante el giro libre, los dientes de la corona se deslizan sobre los dientes del piñón a velocidades variables e incontroladas, sin la ayuda de la película de aceite hidrodinámico del lado accionado. Esta condición de contacto sin accionamiento produce mayor fricción y un desgaste superficial más rápido que el giro motorizado a la misma velocidad. Tras meses de giro libre acumulado (fines de semana, festivos, periodos de tormenta), los dientes del piñón experimentan miles de ciclos de contacto en condiciones de lubricación límite. Las grúas que permanecen en giro libre durante periodos prolongados sin reengrasarse desarrollan un desgaste de los dientes de 2 a 3 veces superior al del giro motorizado, un hallazgo que no se tuvo en cuenta en las especificaciones iniciales y que provocó la sustitución prematura del piñón en muchas grúas torre con alta exposición al giro libre.

El sistema de control de actitud (ACS) depende de datos precisos de posición angular provenientes del codificador del accionamiento de giro. Si el codificador falla, presenta mal funcionamiento o pierde la calibración, el ACS no puede determinar la posición de la pluma y debe detener la grúa afectada, y potencialmente todas las grúas que comparten zonas de solapamiento. Las fallas del codificador pueden deberse a vibraciones, entrada de humedad, daños en el cable o interferencias electromagnéticas del motor de giro. El costo de una sola falla del codificador en una instalación con cuatro grúas puede alcanzar entre 20 000 y 60 000 USD por día en tiempo de operación perdido para todas las unidades afectadas, superando con creces el costo del propio codificador (entre 500 y 1500 USD).

¿En qué se diferencia el mecanismo de giro de una grúa torre del mecanismo de giro de una grúa móvil?

Tres diferencias clave: (1) capacidad de giro libre: las grúas torre deben orientarse con viento fuerte durante las tormentas, mientras que las grúas móviles permanecen almacenadas; (2) vida útil: las grúas torre permanecen en obra de 2 a 5 años por proyecto (de 15 a 25 años en total), mientras que las grúas móviles operan en campañas más cortas; y (3) acceso para mantenimiento: el mecanismo de accionamiento de la grúa torre se encuentra en la parte superior de la torre (de 50 a más de 200 metros) y solo se puede acceder a él escalando. Los requisitos combinados de tolerancia de giro libre, mayor vida útil y acceso limitado hacen que las especificaciones de las grúas torre sean más exigentes que las de las grúas móviles equivalentes con el mismo par motor.

¿Cuál es la vida útil típica?

De 10 000 a 25 000 horas de funcionamiento para la caja de engranajes (de 4 a 10 años con 2 000 a 3 000 horas/año). Piñón: de 6 000 a 12 000 horas, según la proporción de horas de giro libre y motorizado. Pastillas de freno: de 3 000 a 6 000 horas. Un sistema de transmisión bien mantenido puede utilizarse de 2 a 4 veces en proyectos antes de requerir una revisión general.

¿Por qué el foque debe girar libremente durante las tormentas en lugar de estar bloqueado?

Supervivencia estructural. Una pluma bloqueada perpendicular a un viento de 100 km/h a 200 metros de altura genera un momento que puede exceder la capacidad de diseño de la torre, con el riesgo de colapso. Una pluma con orientación a favor del viento se alinea con el viento, reduciendo la fuerza del viento en un 90% a 95%. Todos los fabricantes de grúas torre requieren giro libre durante condiciones de tormenta fuera de servicio. El accionamiento de giro debe tolerar la condición de giro inverso sin daños en los engranajes, sobrecarga de los cojinetes ni problemas de fuerza contraelectromotriz del motor.

¿Cómo afecta el sistema anticolisión a las especificaciones de la transmisión?

El sistema ACS requiere: (1) un codificador absoluto de alta resolución (de 12 a 16 bits, IP67); (2) un freno con desaceleración controlada (que se detiene entre 2 y 5 grados respecto a la velocidad máxima); y (3) compatibilidad de interfaz eléctrica con el procesador ACS. En emplazamientos con varias grúas, la fiabilidad del codificador se convierte en un problema de productividad para todo el emplazamiento: un fallo en el codificador de una grúa puede paralizar todas las grúas que comparten zonas de solapamiento.

¿Suministra Korea Ever-Power sistemas de giro para grúas torre?

Sí. De 15 000 a 120 000 Nm con giro libre de baja fricción, frenos integrados de resorte con desaceleración controlada y soportes para encoder absoluto IP67. Disponible para grúas de pluma plana, de cabeza de martillo y de gran capacidad con plumas de 30 a 85 metros. Indique el fabricante de la grúa, el modelo, la longitud de la pluma y la carga en la punta para obtener una especificación combinada de inercia y viento.

Korea Ever-Power suministra reductores planetarios para el sistema de giro de grúas torre, con pares de torsión de 15.000 a 120.000 Nm, capacidad de giro libre, frenos integrados y provisiones para codificador ACS.