¿Qué diferencia a una transmisión de orugas de excavadora de cualquier otra transmisión final?
Cada máquina sobre orugas —excavadoras, grúas sobre orugas, cargadoras compactas, plataformas de perforación— utiliza un Caja de cambios planetaria de transmisión por orugas para convertir la velocidad del motor en par de torsión de la rueda dentada. Pero la excavadora impone a esta caja de engranajes una combinación única de exigencias que ninguna otra máquina reproduce.
La diferencia fundamental radica en la hoja. Una hoja de excavadora, con un peso de entre 2000 y 8000 kg, impacta el material a nivel del suelo, y el motor impulsa las orugas hacia adelante contra la resistencia del material empujado. Esta resistencia —la fuerza de tracción— se mantiene con un par motor casi máximo durante toda la pasada, que suele ser de entre 30 y 120 metros. La caja de engranajes de las orugas transmite este par constante durante 1 a 4 minutos por pasada, con una breve pausa durante el retorno (hoja vacía, marcha atrás).
Compárese esto con una excavadora: el motor de traslación funciona a par máximo durante unos segundos al reposicionarse, luego se detiene por completo mientras la superestructura gira, excava y descarga. El ciclo de trabajo de la transmisión de orugas de la excavadora es de 5 a 15%, mientras que el de la excavadora es de 60 a 85%. Esta diferencia en el ciclo de trabajo es lo que convierte a la excavadora en la aplicación que más exige térmicamente a cualquier caja de engranajes planetarios de transmisión de orugas en toda la industria de maquinaria pesada.
Comparación del ciclo de trabajo
Fuerza de tracción de la barra de tiro: la fuerza que define el dimensionamiento de la transmisión de orugas de las excavadoras
La fuerza de tracción es la fuerza horizontal neta disponible en el punto de enganche detrás de la máquina, tras restar la resistencia a la rodadura de las orugas sobre el suelo. Es el valor más importante en la ingeniería de las excavadoras, y el que la caja de engranajes planetarios de la transmisión de las orugas debe soportar durante cada pasada de empuje.
La fuerza de tracción de una excavadora está limitada por el menor de dos valores: el par motor transmitido a las orugas a través de la transmisión o la fuerza de fricción máxima entre las orugas y el suelo (límite de tracción). En terreno firme, la potencia del motor suele ser el factor limitante. En terreno suelto o mojado, las orugas patinan antes de que el motor alcance su máxima potencia; en este caso, el límite de tracción es el que determina la fuerza de tracción.
| Clase excavadora | Peso (t) | Motor (kW) | Fuerza máxima de tracción (kN) | Par de transmisión de la oruga (Nm) | Servicio sostenido |
|---|---|---|---|---|---|
| Pequeño (D3 – D5) | 7 – 14 | 55 – 75 | 60 – 110 | 18.000 – 33.000 | 60 – 75% |
| Mediano (D6 – D7) | 18 – 28 | 120 – 185 | 140 – 240 | 42.000 – 72.000 | 65 – 80% |
| Grande (D8 – D9) | 35 – 52 | 230 – 310 | 280 – 420 | 84.000 – 126.000 | 70 – 85% |
| Minería (D10 – D11) | 65 – 115 | 430 – 700 | 500 – 850 | 150.000 – 255.000 | 75 – 85% |
El par de transmisión de la oruga se calcula con un diámetro de círculo de pernos (PCD) de 600 mm (pequeño/mediano) y 750 mm (grande/minería). Se muestran los valores por oruga (la fuerza total de tracción de la máquina se divide entre las dos orugas). El servicio sostenido es el porcentaje de cada hora de funcionamiento durante la cual la transmisión de la oruga transmite un par igual o superior a 70% de la potencia nominal.
Cálculo de la fuerza de tracción: Dimensionamiento del sistema de transmisión de orugas para una excavadora de clase D7
El ejemplo práctico que se muestra a continuación demuestra cómo calcular el par motor necesario para la tracción de las orugas de una excavadora de tamaño mediano en operaciones de nivelación. A diferencia del cálculo de la capacidad de ascenso de la excavadora (que se basa en una subida breve), este cálculo se basa en la carga de empuje sostenida que la tracción de las orugas debe soportar durante varios minutos.
El factor de seguridad (SF) de 2,0 de la excavadora considera cargas de choque bidireccionales breves pero severas (contrarrotación). El factor de seguridad (SF) de 1,75 de la excavadora considera picos menos severos pero cargas sostenidas mucho más prolongadas. La consecuencia térmica es inversa: la transmisión de orugas de la excavadora opera de 70 a 851 TP3T de su par nominal durante minutos de forma continua, generando calor sostenido que se acumula en el baño de aceite. La transmisión de orugas de la excavadora opera a 1001 TP3T durante segundos y luego se enfría durante el ralentí. Una transmisión de orugas de excavadora dimensionada para el par correcto pero sin la capacidad térmica adecuada se sobrecalentará y degradará el aceite de engranajes, incluso si el par instantáneo nunca supera la clasificación mecánica.
Gestión térmica: el desafío que distingue a los sistemas de orugas de las excavadoras de todos los demás.
Una caja de engranajes planetarios para orugas es un sistema cerrado de lubricación por inmersión en aceite, sin circuito de refrigeración externo. La única vía de disipación de calor es la conducción a través de la pared de la carcasa y la convección desde la superficie de la misma hacia el aire (o lodo) circundante. En una excavadora, el aporte de calor es constante y la disipación de calor es limitada, lo que produce las temperaturas de funcionamiento en estado estacionario más elevadas de cualquier aplicación de orugas.
A una salida de 42.000 Nm a través de una reducción planetaria de 3 etapas con una eficiencia de 94%: calor = potencia x (1 – eficiencia). A una salida de 37 rpm: potencia = 42.000 x 37 x 2 x 3,14159 / 60 = 162,7 kW. Calor = 162,7 x 0,06 = 9,8 kW se disipaba continuamente en el baño de aceite durante cada pasada de empuje.
Volumen típico de aceite: 3,0 litros. Calor específico del aceite para engranajes: aproximadamente 1,8 kJ/(kg x K). Densidad del aceite: 0,88 kg/L. Masa térmica: 3,0 x 0,88 x 1,8 = 4,75 kJ/K. Aumento de temperatura por minuto a 9,8 kW: 9,8 x 60 / 4,75 = 124 grados centígrados por minuto si no se disipa el calor a través de la carcasa, lo que explica por qué es esencial una superficie de carcasa adecuada y la refrigeración por contacto con el suelo.
En la práctica, la carcasa disipa el calor por conducción hacia el bastidor de la oruga y por convección hacia el aire. La temperatura de equilibrio del aceite durante el funcionamiento continuo suele ser de 80 a 100 °C en climas templados y de 90 a 115 °C en climas tropicales. Por encima de los 110 °C, la viscosidad del aceite de engranajes estándar cae por debajo del mínimo necesario para una correcta lubricación de los dientes del engranaje, lo que acelera el desgaste.
Por eso, los sistemas de transmisión de orugas de las excavadoras utilizan mayores volúmenes de aceite (de 3 a 6 litros frente a 1,5 a 3 litros para las excavadoras de la misma clase de par), carcasas más pesadas con mayor superficie y, en algunas máquinas de minería, circuitos externos de refrigeración de aceite que ninguna otra aplicación de transmisión de orugas requiere. Caja de cambios planetaria Ever-Power de Corea El equipo de ingeniería diseña sistemas de transmisión de orugas específicos para excavadoras con una mayor superficie de aletas de la carcasa, compuestos de sellado para temperaturas más elevadas y especificaciones de aceite sintético para aplicaciones en zonas tropicales y desérticas.
Deslizamiento de la oruga: la condición de sobrecarga deliberada que las excavadoras imponen a sus transmisiones finales.
En la mayoría de las máquinas de orugas, el deslizamiento de las orugas es una condición de falla: las orugas pierden agarre y la máquina se detiene. En una excavadora, el deslizamiento controlado de las orugas es una condición normal de operación. Cuando la hoja encuentra material duro o un obstáculo grande, el operador mantiene el acelerador a fondo y permite que las orugas se deslicen contra el suelo hasta que el material ceda o se redirija la máquina. Durante el deslizamiento, la transmisión de las orugas transmite el par máximo de bloqueo del motor mientras que la rueda dentada de salida gira lenta o intermitentemente, la peor condición térmica para una caja de engranajes planetarios.
El motor hidráulico funciona a máxima presión (par de bloqueo) mientras que la rueda dentada apenas se mueve. Los engranajes planetarios soportan la carga total de los dientes a una velocidad de salida prácticamente nula. El aceite se agita en lugar de circular, generando calor sin el flujo de refrigeración que proporciona la rotación normal. Los cojinetes del pasador planetario soportan la carga radial completa sin la cuña de aceite hidrodinámica que depende de la velocidad de rotación. Esta es la condición que provoca el desgaste más rápido de los cojinetes en los sistemas de transmisión de orugas de las excavadoras.
La mayoría de los fabricantes de sistemas de transmisión de orugas especifican que sus unidades soportan un máximo de 30 segundos de bloqueo continuo (par máximo, velocidad de salida cero). Transcurridos 30 segundos, la temperatura del aceite en las proximidades de los cojinetes planetarios supera el umbral de fallo de la película lubricante. Los operadores de excavadoras superan habitualmente este límite: es común que se produzcan entre 60 y 90 segundos de deslizamiento sostenido al empujar material congelado o al romper capas compactadas. El sistema de transmisión de orugas debe diseñarse para esta realidad, no para el límite teórico.
Tres modos de fallo específicos de los sistemas de accionamiento de orugas de las excavadoras
La falla más común en las excavadoras. El funcionamiento continuo con un par motor de 80 a 100 TP3T durante horas por turno eleva la temperatura del aceite por encima de los 100 °C. A estas temperaturas, el aceite se oxida y pierde viscosidad. La película de los dientes de los engranajes se adelgaza. Comienzan a aparecer micropicaduras en los flancos de los engranajes planetarios. Tras 2000 a 3000 horas de funcionamiento en caliente, las picaduras se convierten en descamación y la caja de engranajes empieza a hacer ruido bajo carga.
Durante el deslizamiento de la pista, la rueda dentada gira lentamente o se detiene mientras el par motor se mantiene al máximo. Los engranajes planetarios soportan toda la carga radial, pero giran demasiado despacio para generar la cuña de aceite hidrodinámica que normalmente separa los rodillos de la pista de rodadura. Los cojinetes funcionan con lubricación límite: contacto metal con metal a través de una fina película de aceite residual. Cada deslizamiento elimina una capa microscópica de la superficie del cojinete. Acumulándose a lo largo de miles de deslizamientos al año, la holgura del cojinete aumenta hasta que los engranajes planetarios oscilan y contactan con la corona dentada de forma irregular.
Las excavadoras operan con el cubo de la rueda dentada al nivel del suelo o por debajo de él, a menudo enterrado en el material que empujan. Partículas de arena, grava y crusita (roca triturada) entran en la interfaz entre la rueda dentada y la oruga y actúan como un compuesto abrasivo. Los dientes de la rueda dentada se desgastan de 2 a 5 veces más rápido que en las excavadoras que operan en el mismo material, porque la rueda dentada de la excavadora está continuamente en contacto con la oruga bajo carga mientras el material la rodea. Cuando los dientes de la rueda dentada se desgastan más allá del límite de servicio, el acoplamiento de la cadena de la oruga se vuelve inestable y las orugas pueden descarrilar bajo carga lateral.
Modo de desgarro: el segundo ciclo de trabajo que duplica el par motor requerido para el accionamiento de la oruga.
La mayoría de las excavadoras de la clase D6 y superiores llevan un desgarrador trasero: una herramienta de una o varias puntas que penetra y fractura la roca, el suelo congelado o el material compactado delante de la hoja. Durante el desgarrado, la máquina avanza lentamente (de 1,5 a 2,5 km/h) mientras la punta del desgarrador se arrastra por el suelo a profundidades de 300 a 800 mm.
La fuerza de desgarro se suma directamente al requisito de fuerza de tracción: el motor debe superar tanto la resistencia a la rodadura de las orugas como la resistencia al corte del material que se está desgarrando. La fuerza combinada puede alcanzar de 120 a 1501 TP3T de la fuerza de tracción de nivelación únicamente, lo que significa que la transmisión de orugas puede operar a de 120 a 1501 TP3T del par de nivelación sostenido durante las pasadas de desgarro. Este es el caso de carga que determina la clasificación de par máximo de la transmisión de orugas, mientras que el par de nivelación sostenido determina la clasificación continua.
Implicaciones en el dimensionamiento: El sistema de transmisión de orugas de una excavadora debe dimensionarse según dos criterios independientes: (1) el par continuo debe soportar la fuerza de tracción sostenida durante la nivelación con un ciclo de trabajo de 75 a 851 TP3T, Y (2) el par máximo debe soportar la fuerza combinada de nivelación y desgarro en caso de sobrecarga de corta duración. Un sistema de transmisión de orugas que cumpla con el par de nivelación pero no pueda soportar el par máximo de desgarro activará la válvula de alivio hidráulica durante el desgarro, lo que limitará la profundidad de desgarro y reducirá la productividad entre 20 y 301 TP3T.
Cajas de engranajes planetarios de transmisión por orugas Ever-Power de Corea para aplicaciones en excavadoras
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Caja de engranajes planetarios de transmisión por orugas para excavadoras: preguntas frecuentes
Las cajas de engranajes planetarios para orugas de excavadoras Ever-Power de Corea están diseñadas para soportar cargas térmicas continuas con un factor de carga de 75 a 851 TP3T, no solo el par mecánico máximo. Proporcione el modelo de su excavadora, el peso operativo y las condiciones del sitio para obtener una evaluación de idoneidad térmica y una recomendación de referencia cruzada sin costo alguno.
Editor: Cxm
