Cómo seleccionar un reductor para transportadores de cadena en minería y manejo de cenizas

Los transportadores de rastras son la maquinaria pesada de servicio continuo en la minería subterránea de carbón, la minería de roca dura, el manejo de cenizas en centrales térmicas y el transporte de clínker de cemento. Desplazan mineral, carbón, escoria, ceniza volante y clínker a lo largo de un canal cerrado mediante cadenas equipadas con paletas que arrastran el material de un extremo al otro. El accionamiento debe vencer la resistencia acumulada de cada kilogramo de material en el canal, más el peso de la cadena y las paletas, y ese perfil de carga es fundamentalmente distinto al de un transportador de banda. Para los fabricantes de equipos originales (OEM), los integradores de sistemas y los ingenieros de compras internacionales, la etapa de selección del reductor es donde el régimen de servicio se traduce en tamaño de bastidor, disposición de montaje y plan de repuestos.

Dos datos propios de la familia de transportadores condicionan la especificación del reductor. Primero, el tiro de cadena lo definen la longitud del transportador, la masa de cadena por metro, el perfil de las paletas, la densidad aparente del material, el coeficiente de fricción del canal y el ángulo de inclinación. En transportadores de cadena con paletas para carbón y mineral son habituales tiros de cadena de 25 a 200 kN por ramal; las máquinas de mayor tamaño alcanzan de 250 a 500 kN por ramal. Segundo, la disposición de accionamiento rara vez se limita a un único motor sobre el eje de cabeza. Los transportadores de rastras de más de 80 a 100 m generan tensiones de cadena que exigen estaciones de accionamiento intermedias en varios puntos a lo largo del transportador; cada estación soporta una fracción del tiro total, pero el reductor de cada estación sigue viendo el tiro completo de cadena en su lado aguas abajo. La selección del reductor debe cerrar ambos datos de forma conjunta —tiro de cadena en el lado de salida, par del motor en el lado de entrada— antes de aplicar la banda del factor de servicio.

Esta nota de aplicación emplea la envolvente de potencia de motor de 7,5 a 250 kW, gama de relaciones de 12,5:1 a 80:1, tiro de cadena de 25 a 500 kN por ramal y longitud de transportador de 30 m a 600 m como banda típica de OEM para transportadores de cadena con paletas de carbón, mineral, escoria, ceniza volante y clínker. Fuera de esta envolvente, la lógica de selección es la misma, pero los reductores industriales de ángulo recto DCY, las unidades cicloidales o las unidades industriales de doble piñón pasan a ser la respuesta adecuada; esto se resume en la lista de verificación de consulta al final.

Tipos de transportadores de rastras y condiciones de operación

Tres arquitecturas de transportadores de rastras predominan en las consultas de OEM. El transportador horizontal o de baja inclinación (0° a 15°) es el más común, empleado en minería subterránea de carbón, en manejo de cenizas en centrales térmicas y en transporte de clínker de cemento, con tiros de cadena de 25 a 200 kN por ramal y potencia de motor de 7,5 a 132 kW por estación de accionamiento. El transportador inclinado (15° a 30°) transporta el mismo material cuesta arriba e incrementa el tiro de cadena entre un 5 y un 25 por ciento por la componente gravitatoria. El transportador vertical o en masa eleva el material entre 30° y 90°, típicamente con velocidad de cadena reducida y tiro de cadena muy elevado, y utiliza una carcasa totalmente cerrada. En los tres casos, el paso de la cadena suele ser de 100 a 250 mm, la altura de las paletas de 80 a 300 mm, el ancho del canal de 400 a 1200 mm y la longitud del canal puede alcanzar 600 m o más en transportadores overland de gran longitud.

Las minas subterráneas de carbón y de roca dura añaden un requisito de protección contra explosiones (ATEX / IECEx M2 para servicio con presencia de metano, M1 para operación continua de minería). Las centrales térmicas y las plantas de cemento añaden temperatura ambiente elevada (hasta 50 °C en verano) y alta carga de polvo (ceniza volante, polvo de clínker, polvo de caliza). Los puertos marítimos y las zonas de acopio añaden exposición a salinidad en transportadores que van desde el stockpile hasta el cargador de buques. La especificación de la envolvente del reductor debe responder al entorno real, no a una etiqueta genérica de interior, y la banda del factor de servicio debe elevarse un escalón por encima de la banda equivalente del transportador horizontal, debido a la mayor carga de impacto en el arranque de la cadena y en eventos de paso de metales.

Tiro de cadena, par en el eje de accionamiento y factor de servicio

El tiro de cadena se calcula a partir del régimen de servicio del transportador y de los parámetros del material: tiro igual a masa por metro por longitud por coeficiente de fricción por factor de seguridad, sumando el tramo inclinado. Para un transportador horizontal de carbón de 80 m con densidad aparente de 0,85 t/m³, masa de cadena de 25 kg/m y coeficiente de fricción de 0,4, el tiro de cadena en régimen permanente se sitúa en el rango de 30 a 50 kN. El par en el eje de accionamiento es entonces el tiro de cadena por el radio de paso del sprocket. Para un sprocket de 600 mm de diámetro de paso en un transportador de un solo ramal, esto da un par pico de 4,5 a 7,5 kNm a plena carga, antes de sumar los picos de arranque y de paso de metales.

El factor de servicio (FS) en transportadores de rastras es más elevado que en transportadores de banda, debido al pico de arranque de la cadena, a los eventos de paso de metales y a la dinámica de estiramiento de la cadena. Como regla de trabajo para la selección de OEM en transportadores de rastras horizontales: FS 1,5 para transportadores de ceniza y caliza de servicio ligero; FS 1,75 para transportadores de carbón y mineral en régimen estable con arranques y paradas limitados; FS 2,0 para transportadores de carbón inclinados por encima de 15° y para transportadores pesados de escoria o clínker; FS 2,5 para transportadores verticales en masa y para transportadores que manejan mineral propenso a metales con eventos de parada habituales. Aplique el FS a la capacidad mecánica del reductor, no a la placa de características del motor, y verifique la capacidad tanto térmica (servicio continuo en transportadores largos) como de par pico (arranque y eventos de paso de metales). La lógica completa del FS y cómo modifica el tamaño del bastidor se detalla en Cómo afecta el factor de servicio a la selección del reductor; el listado de entradas en la etapa de consulta se encuentra en Datos de entrada para la selección de un reductor industrial.

Disposición de accionamiento con piñón simple y doble piñón

El accionamiento con piñón simple es la disposición estándar en transportadores de rastras de hasta aproximadamente 100 m de longitud y 132 kW de motor, con una estación de accionamiento en el eje de cabeza. El reductor se monta sobre el eje de cabeza mediante un eje hueco con disco de contracción, o se monta sobre una placa base junto al eje de cabeza con un acoplamiento. El accionamiento con doble piñón emplea dos reductores montados en paralelo sobre el eje de cabeza, cada uno soportando la mitad del tiro total de cadena, con ambos motores dimensionados para soportar por sí solos la carga completa del transportador, de modo que el segundo accionamiento actúa como margen redundante de sobrecarga. El doble piñón es el estándar en transportadores de rastras overland de más de 100 m, en transportadores pesados de mineral con tiro de cadena superior a 200 kN, y en transportadores donde el OEM desea un margen de sobrecarga inmediato. Los dos reductores deben tener relaciones acopladas con una diferencia máxima del 0,5 por ciento y los motores deben controlarse como un variador de frecuencia pareado o con arranque suave en sincronía, para que el tiro de cadena se reparta de forma homogénea.

Las estaciones de accionamiento intermedias se distribuyen a lo largo de los transportadores largos y dividen la tensión de la cadena en tramos manejables. Un transportador de 200 m puede contar con un accionamiento de cabeza más dos accionamientos intermedios a 50 m y 100 m; cada estación de accionamiento dispone de su propio motor y reductor, dimensionados frente a la tensión de cadena en ese punto. Los reductores de las estaciones intermedias suelen ser de menor tamaño y menor relación que el reductor de la estación de cabeza, pero todos comparten la misma banda de FS porque cada uno es un nodo crítico del sistema de cadena. La sincronización entre accionamientos normalmente es electrónica (variador de frecuencia pareado) en lugar de mecánica (eje de transmisión), porque la propia cadena absorbe cualquier pequeño desfase de velocidad de cadena entre accionamientos.

Servicio de baja velocidad y alto par y opciones cicloidales

Los transportadores de rastras son máquinas de baja velocidad y alto par. Son habituales velocidades de salida de 8 a 30 rpm, potencias de motor de 7,5 a 250 kW y pares de salida de 1,0 a 30 kNm por estación de accionamiento. La gama modular de motorreductores R/F/K/S cubre el extremo de menor potencia (hasta aproximadamente 30 kW) y las relaciones más bajas (por debajo de 30:1); por encima de esto, la respuesta adecuada es un reductor industrial de baja velocidad y alto par de la familia HB, DCY o cicloidal. Las unidades de ángulo recto DCY son el estándar en transportadores inclinados pesados, porque la disposición en ángulo recto se adapta a la geometría de la estación de cabeza y la gama DCY cubre de 22 a 250 kW con relaciones de hasta 80:1. Las unidades industriales HB son la alternativa en línea cuando la disposición de la estación de cabeza es en línea en lugar de ángulo recto; cubren de 22 a 630 kW con relaciones de hasta 100:1 en dos etapas.

Las unidades cicloidales se convierten en la respuesta adecuada cuando la velocidad de salida del transportador cae por debajo de 8 rpm y el par de salida supera la capacidad mecánica de la gama de motorreductores. Las relaciones de etapa única de 30:1 a 90:1 de las unidades cicloidales proporcionan un paquete muy compacto en la estación de cabeza, con una tolerancia muy elevada a cargas de impacto. La contrapartida es una pérdida de eficiencia del 5 al 10 por ciento en comparación con la configuración helicoidal-cónica, lo que implica un motor ligeramente mayor y un requerimiento de refrigeración algo superior. En transportadores largos con picos de tensión de cadena en el arranque y en eventos de paso de metales, la tolerancia al impacto de la cicloidal suele justificar la pérdida de eficiencia. La geometría de las unidades cicloidales se detalla en Reductor cicloidal vs helicoidal serie R; la lógica de aplicación para transportadores de baja velocidad y servicio pesado es que la cicloidal pasa a ser la primera opción cuando la velocidad de salida es inferior a 8 rpm con par pico por encima de 15 kNm.

Entorno subterráneo / húmedo / corrosivo

Los transportadores de rastras en minas subterráneas de carbón y de metal operan en ambientes con carga de polvo, agua pulverizada y presencia de metano. La certificación ATEX / IECEx Grupo I, Categoría M2 o M1 es obligatoria en el motor y, en transportadores con certificación completa, también en la envolvente del reductor. La envolvente del reductor para servicio subterráneo es típicamente IP65 con caja de conexiones sellada en el motor, tapón respiradero con desecante, retenes guardapolvo en los ejes de entrada y salida, tapones de drenaje magnéticos con juntas selladas y tapa de inspección con junta continua. El sistema de recubrimiento superficial es imprimación epoxi bicomponente más capa de acabado de poliuretano o polisiloxano, con un espesor total de película seca de 200 a 280 µm. El conjunto freno y acoplamiento a través del reductor puede requerir una desclasificación en servicio con presencia de metano, debido al límite de elevación de temperatura; el reductor se suministra habitualmente con una caja de conexiones antideflagrante (Ex d) para el motor y con una envolvente antichispas en el propio reductor.

Los entornos húmedos y corrosivos añaden requisitos sobre los materiales. Para servicio de lavado en plantas alimentarias o químicas, la carcasa del reductor se suministra con tornillería de acero inoxidable o zincada, placa de características de acero inoxidable, capa de acabado de poliuretano apta para la exposición química y lubricante sintético de calidad alimentaria. Para servicio marino o de niebla salina en transportadores portuarios y de acopios, se requiere el sistema de recubrimiento ISO 12944 C5-M estándar. En plantas de cemento y fertilizantes, el tapón respiradero se actualiza a versión con desecante, los retenes de aceite se actualizan a FKM cuando la temperatura del reductor supera los 60 °C, y la tapa de inspección se sella con una junta continua. Las reglas completas de protección superficial en estos entornos se detallan en Lista de verificación de instalación, lubricación y primera puesta en marcha de reductores industriales.

Sistema antirretorno y protección contra sobrecarga

Los transportadores de rastras inclinados por encima de 15° requieren un antirretorno que sostenga la cadena cargada cuando el accionamiento queda sin tensión. La disposición estándar es un antirretorno de trinquete tipo sprag sin contacto integrado en la salida del reductor, seleccionado para el par de salida completo con el mismo FS que el reductor, y confirmado para permitir el retroceso mediante un motor de avance lento para mantenimiento sin daños. Los accionamientos de doble piñón requieren un antirretorno por reductor o un único antirretorno combinado en el sistema de cadena; la disposición combinada es más fiable porque no puede retroceder a través de un único fallo del reductor. Un antirretorno de trinquete es aceptable en transportadores de servicio ligero por debajo de 30 kW, pero no es la opción preferida en accionamientos de doble piñón de servicio pesado.

La protección contra sobrecarga en el lado de entrada se logra mediante un acoplamiento hidráulico, un acoplamiento limitador de par o un buje de pasador de cizallamiento. El acoplamiento hidráulico reduce el par de arranque del reductor a aproximadamente 1,5 a 2,0 veces el par de funcionamiento y protege al reductor de eventos de parada de banda, a costa de un deslizamiento en régimen de entre el 5 y el 15 por ciento, que eleva la potencia absorbida por el motor y añade un requerimiento de disipación de calor. El acoplamiento limitador de par establece un par máximo calibrado y desconecta el motor del reductor ante un evento de bloqueo de la cadena; requiere reenganche tras cada evento. El buje de pasador de cizallamiento es la protección más simple y se reserva para transportadores de servicio ligero por debajo de 30 kW. La protección electrónica de sobrecarga en el variador de frecuencia o en el arrancador suave es el estándar en las instalaciones modernas de transportadores de rastras, porque puede ajustarse con precisión sin disparos molestos, envía una señal de fallo al PLC y evita las pérdidas en régimen del acoplamiento hidráulico. La lógica completa de protección entre familias de transportadores se encuentra en Cómo afecta el factor de servicio a la selección del reductor.

Envolvente de OEM y notas de personalización

Los clientes OEM que fabrican transportadores de rastras suelen necesitar algo más que un reductor de catálogo. Las personalizaciones habituales son: un diámetro de eje de salida o ajuste de disco de contracción no estándar para un diámetro específico de eje de sprocket; un antirretorno sprag integrado con par de retención documentado; un freno de disco hidráulico integrado o una brida de montaje de freno para un freno externo; una posición de montaje no estándar fuera del conjunto estándar M1 a M6; una relación de baja velocidad especial para transportadores muy largos; un color de pintura, etiqueta y placa de número de serie específicos del OEM; un dossier de certificación ATEX / IECEx para servicio subterráneo; y un paquete de documentación que incluya certificado de ensayo, plano de instalación, plan de lubricación y lista de repuestos.

La protección superficial para transportadores de minería es un requisito estándar. El sistema de recubrimiento es una imprimación rica en zinc de 60 a 80 µm, una capa intermedia epoxi de 100 a 150 µm y una capa de acabado de poliuretano de 40 a 60 µm; espesor total de película seca de 200 a 280 µm. Para servicio tropical o marino, la capa de acabado de poliuretano se sustituye por polisiloxano o fluoropolímero; para servicio subterráneo, la capa de acabado se sustituye por un acabado antiestático apto para protección contra explosiones Grupo I. El tapón respiradero está sellado, los tapones de nivel de aceite y drenaje son magnéticos con juntas selladas, y la tapa de inspección se sella con una junta continua. El embalaje de exportación es un cajón de madera fumigada con película VCI y bolsas de desecante para transporte marítimo.

La documentación para entregas de transportadores de rastras a OEM incluye habitualmente declaraciones CE / ISO 9001 / EAC según el destino, dossiers de conformidad ATEX / IECEx para servicio subterráneo, certificados de ensayo, certificados de material, informes de inspección dimensional, planos de instalación, planes de lubricación y listas de repuestos. La consulta de OE debe especificar el país de destino, la zona ATEX / IECEx (si aplica), las horas de funcionamiento por turno y la filosofía de repuestos que el OEM desea soportar. El listado detallado de la consulta se proporciona en Datos de entrada para la selección de un reductor industrial.

Lista de verificación de consulta para transportadores de rastras

Para una cotización limpia, envíe los siguientes puntos a sales@chinfar.com. (1) Tipo de transportador — horizontal, inclinado, vertical en masa, doble piñón de servicio pesado o accionamiento intermedio. (2) Longitud, ancho y alto del canal, ángulo de inclinación. (3) Tipo de cadena, paso de cadena, masa de cadena por metro, perfil de las paletas. (4) Material transportado y densidad aparente en t/m³. (5) Tiro de cadena calculado por ramal en kN y par calculado en el eje de accionamiento en kNm. (6) Potencia del motor por estación de accionamiento, velocidad del motor, tamaño de bastidor (IEC o NEMA) y tensión / frecuencia de alimentación. (7) Número de estaciones de accionamiento, posición a lo largo del canal y tiro nominal de cadena en cada estación. (8) Velocidad de salida, par de salida, gama de relación. (9) Factor de servicio aplicado por el OEM, o confirmación de que la banda estándar de 1,5 a 2,5 para transportadores de rastras es aceptable. (10) Interfaz en el lado de salida — eje hueco con disco de contracción, eje hueco con chaveta, eje macizo con acoplamiento. (11) Tipo de arranque suave — directo en línea, acoplamiento hidráulico, arrancador suave electrónico, variador de frecuencia o rotor bobinado con anillos rozantes. (12) Requisitos de freno y antirretorno — ninguno, sprag integrado, freno de disco hidráulico o combinado. (13) Horas de operación por día, temperatura ambiente, nivel de polvo, exposición a agua o productos químicos, zona ATEX / IECEx si aplica. (14) Protección superficial, color y etiqueta del OEM, país de destino para certificación.

Envíe los planos de distribución de la estación de accionamiento y de la disposición del sprocket cuando estén disponibles; un croquis con la altura al centro del motor, la posición de montaje del reductor, la disposición del eje de salida, el diámetro del eje del sprocket y la interfaz de freno / antirretorno ahorra al menos una ronda de selección del reductor. Para proyectos de reemplazo, aporte el plano original o las dimensiones de montaje y la disposición existente del motor y el acoplamiento.