Selección de motorreductor con freno: freno de parada y freno de retención

El freno de parada y el de retención no son «uno más fuerte que otro»: son dos tareas distintas. El freno de parada frena el sistema en movimiento; lo gobierna la energía por frenada × frenadas por hora, restricción térmica. El freno de retención aguanta la carga con el equipo ya parado; lo gobierna el par estático de retención y apenas disipa. Usar el de retención para frenar destruye las superficies de fricción en pocas frenadas; usar el de parada para retener añade coste y volumen sin ganar fiabilidad.

1. La pregunta que separa los dos casos

Una sola pregunta basta para orientar la selección:

¿Este freno actúa durante el movimiento o solo después de que el equipo ya está parado?

• Si actúa durante el movimiento, es un freno de parada: se calcula por energía de frenado y número de frenadas.
• Si solo actúa con el equipo parado, es un freno de retención: se calcula por par estático.
• Si hace las dos cosas, es un régimen mixto y hay que satisfacer las dos condiciones (véase el apartado 5).

La pregunta funciona porque lo que consumen los dos frenos no es lo mismo: uno consume energía y el otro solo mantiene una fuerza.

2. Las dos tareas, lado a lado

3. Freno de parada: de dónde sale la energía y cómo se calcula el calor

El núcleo del freno de parada es convertir energía cinética en calor y evacuar ese calor.

Primero, la velocidad de giro se pasa a velocidad angular:

ω = 2π · n / 60

n es la velocidad de giro en rpm y ω la velocidad angular en rad/s. La energía cinética del sistema es:

E_k = ½ · J_total · ω²

J_total es la inercia total referida al eje del freno, en kg·m². Es total: rotor del motor, reductor, acoplamiento y carga, todo referido al mismo eje.

Para detener el sistema en un tiempo de parada dado hace falta un par de frenado:

T_b = J_total · ω / t_b

t_b es el tiempo de parada en s y T_b se expresa en N·m. Aquí hay una cuestión de dirección que conviene dejar clara:

• En descenso de carga, el par de la carga empuja en el mismo sentido del movimiento: el freno tiene que compensarlo además de frenar, y el par de frenado necesario es mayor;
• En elevación o en desplazamiento horizontal, el par de la carga se opone al movimiento, y el par de frenado necesario es menor.

Calcular solo con J_total sin mirar el sentido del par de carga es el error que más aparece en los casos de descenso.

El ángulo girado durante la frenada (hipótesis de deceleración uniforme) es:

θ_b = ω · t_b / 2

y el trabajo absorbido en cada frenada:

W_b = T_b · θ_b

W_b se expresa en J. Multiplicando por el número de frenadas por hora N se obtiene la magnitud que decide el criterio térmico:

W_h = W_b · N

W_h se expresa en J/h. El criterio es que la capacidad de disipación del freno no puede ser inferior a `W_h`. El calor que no se evacúa se acumula, la temperatura de las superficies de fricción sube frenada tras frenada y acaba bajando el par de frenado y acelerando el desgaste.

Por eso la selección de un freno de parada no se decide con «¿tiene par suficiente?», sino con «¿se evacúa el calor?». El mismo freno supera una frenada sin novedad y, a las pocas decenas, empieza a dar problemas: la diferencia no está en la fuerza, está en el calor.

4. Freno de retención: solo tiene que aguantar

La lógica es distinta: el sistema ya está parado y la tarea del freno es que no se mueva.

Durante el servicio normal el material de fricción no trabaja y no disipa energía; el desgaste se concentra en los instantes en que el freno actúa por falta de tensión y en las paradas de emergencia. De ahí que su magnitud dominante sea el par estático de retención: si aguanta la carga y si al aguantarla patina.

Tres puntos:

1. El freno de muelle es la forma por defecto. Muelle que frena y electroimán que libera: al cortar la alimentación bloquea. Es la exigencia natural de la tarea de retención. Si se hace al revés —freno que actúa con tensión—, al perder la alimentación se pierde la retención, y ese diseño no es aceptable con carga vertical.
2. El coeficiente de seguridad se toma según la norma aplicable. El par de retención no basta con que sea «igual a la carga»: hay que dejar margen. El valor concreto lo determinan los requisitos de seguridad funcional y la normativa aplicable, no la costumbre; este artículo no da cifras.
3. El patinamiento es más peligroso que el desgaste. Un freno de retención que patina ligeramente durante mucho tiempo calienta las superficies de fricción poco a poco y el freno se degrada de forma progresiva, sin aviso claro.

5. Régimen mixto: casi siempre son dos etapas

Pocos equipos son «solo parada» o «solo retención»; lo habitual es un ciclo de dos etapas:

Aceleración → régimen constante → deceleración (freno de parada) → parada → retención sin alimentación (freno de retención) → liberación → nueva aceleración

En ese caso el mismo freno asume las dos tareas: absorbe energía cinética y además aguanta la carga durante mucho tiempo. La selección tiene que satisfacer a la vez el criterio térmico y el requisito de retención estática; con uno de los dos no basta.

El orden de comprobación recomendado:

1. Calcular W_h y comprobar si el criterio térmico se cumple.
2. Calcular el par estático de retención y comprobar si el requisito mecánico se cumple.
3. Solo si se cumplen los dos tiene sentido hablar de modelo.

Empezar por el par y dejar el calor para el final es el error de orden más común: el par se cumple con facilidad y el calor aparece cientos de maniobras después.

6. Límite de seguridad: un freno no es automáticamente una función de seguridad

Este apartado hay que dejarlo claro, porque es lo único que en este tema no admite matices.

El freno, por sí mismo, no constituye una función de seguridad. Que frene no significa que haya sido diseñado, verificado y clasificado con el nivel que exigirían los requisitos de seguridad funcional. En los casos siguientes hace falta un diseño y una verificación de seguridad funcional por separado:

• cargas suspendidas (elevación vertical, plataformas);
• requisitos de retención al perder la alimentación en los que «no debe caer»;
• bloqueo para mantenimiento con personas bajo el equipo;
• cualquier posición en la que un fallo del freno pueda causar daños a personas.

Otras dos fronteras igual de importantes:

• El autobloqueo del reductor no sustituye al freno. El autobloqueo depende del ángulo de hélice, del rozamiento y del estado de lubricación: es una propiedad de la condición de servicio, no un dispositivo de seguridad fiable.
• El dispositivo de liberación manual se confirma aparte. Para soltar el freno a mano en un mantenimiento sin alimentación hay que decidir si hace falta y cómo se rearma.

Este artículo no sustituye el diseño ni la verificación de seguridad funcional.

7. Tabla de condiciones

8. Lista de comprobación en campo

Se puede observar en funcionamiento:

1. Si la temperatura en la zona del freno sube de forma apreciable tras cada frenada y se acumula.
2. Si la distancia de parada y el tiempo de parada aumentan con las horas de servicio (señal temprana de desgaste de las superficies de fricción).
3. Si hay ruido anormal, arrastre o una liberación incompleta.
4. Si la carga vertical se desliza lentamente después de parar.

Hay que confirmar con el equipo parado:

1. Tipo y forma del freno: de muelle (bloquea sin alimentación) o de acción con tensión.
2. Si es freno de parada, de retención o un régimen mixto de dos etapas.
3. Anotar las frenadas reales por hora y el tiempo de parada de cada una.
4. Comprobar que el desgaste de las superficies de fricción está dentro de lo admisible (según el manual de mantenimiento del fabricante).
5. Confirmar si hace falta dispositivo de liberación manual y cómo se rearma.

Solo con personal especializado:

1. La verificación final del criterio térmico y del par estático de retención.
2. En los casos con personas, cargas suspendidas o retención al perder alimentación, el diseño y la verificación de seguridad funcional.

9. Errores habituales y límites de aplicación

Errores habituales:

1. Usar un freno de retención como freno de parada. El más típico y el más caro: la acumulación de calor supera con mucho el diseño y las superficies de fricción se destruyen en pocas frenadas.
2. Usar un freno de parada como freno de retención. Aumenta innecesariamente el volumen y el coste, y su comportamiento frente al patinamiento estático no tiene por qué ser mejor que el de un freno de retención específico.
3. Calcular solo el par de frenado y no la energía por hora, ignorando la restricción térmica.
4. No considerar la ayuda del par de carga en descenso y seleccionar con el par de un caso horizontal.
5. Dar por hecho que «si el freno detiene el equipo, es seguro», sin distinguir los requisitos de seguridad funcional.
6. Sustituir el freno por el autobloqueo del reductor.
7. No confirmar si hace falta liberación manual y quedarse sin poder soltar el freno en el mantenimiento.

Límites de aplicación:

• El marco comparativo y las expresiones de este artículo se aplican a la clasificación de la tarea de frenado y al cálculo preliminar de los motorreductores con freno de las series R/F/K/S.
• Este artículo no da ningún valor de freno: no incluye par nominal de frenado, trabajo de frenado admisible, frecuencia de maniobras admisible, tiempo de respuesta del freno, coeficiente de seguridad del par de retención, códigos de modelo ni dimensiones de montaje. Todo eso lo confirma el proveedor para el modelo concreto y con el catálogo vigente.
• La energía de frenado y el criterio térmico son un método de estimación de ingeniería; la selección real debe contrastarse con la curva de trabajo de frenado frente a frecuencia que facilita el fabricante.
• Este artículo no sustituye el diseño ni la verificación de seguridad funcional.

10. Datos que conviene enviar al proveedor

El dato 8 es el que más se omite: muchos indican «hace falta freno» sin decir si ese freno trabaja durante el movimiento o con el equipo parado. Con esa frase sin aclarar, los otros diez pueden quedar sin efecto.

11. Sobre este artículo y el responsable de la publicación

Este artículo lo ha elaborado el equipo técnico de Chengfa Reducer (Changzhou) Co., Ltd. (CHINFAR) y se publica tras la revisión técnica de la empresa. Los motorreductores modulares R/F/K/S citados en el texto son suministrados por Chengfa Reducer (Changzhou) Co., Ltd.; los productos se fabrican y entregan dentro del sistema de fabricación conjunta compartido con HUIGUANG.

Documentación relacionada:

• Motorreductores modulares R/F/K/S
• Qué datos necesita una consulta de reductor: lista de entradas de selección
• Contactar con el equipo técnico de CHINFAR

La preparación de datos para regímenes de arranques y paradas frecuentes se trata en su propio artículo; aquí no se repite.

12. Siguiente paso

Envíe los 11 datos anteriores a sales@chinfar.com. Si solo necesita una decisión, responda primero al dato 8 —si este freno actúa durante el movimiento o con el equipo ya parado—: esa respuesta decide si el cálculo va por calor o por par. La conclusión de selección queda sujeta a la revisión de ingeniería; cuando haya personas en juego, complete el diseño y la verificación de seguridad funcional por separado.