Análisis de la fuerza del carro de elevación: tres fuerzas explicadas para los ingenieros de equipos de elevación

Para un ingeniero de mantenimiento que revisa una grúa puente de 5 toneladas, las fuerzas que mantienen el carro en su lugar sobre la viga del puente no son sólo números académicos. Un carro de elevación está sujeto a tres fuerzas en un ejercicio estático típico: el peso del propio carro, la carga suspendida del gancho y la tracción del mecanismo de traslación. El equilibrio entre estas tres fuerzas decide si el carro permanece alineado, si el carro final soporta demasiada carga y si el motor de desplazamiento tiene suficiente par para arrancar y detenerse sin problemas. Lograr este equilibrio es el primer paso para elegir un sistema de carro confiable.

Lo que realmente representan las tres fuerzas en un carro elevador

En un modelo simplificado de fuerzas planas, el carro se trata como un cuerpo rígido sometido a tres fuerzas concurrentes. El primero es el peso del propio carro, incluida la unidad de elevación, el bastidor y la maquinaria de desplazamiento. El segundo es el tirón vertical de la carga suspendida, transmitido a través del cable o cadena. El tercero es la fuerza motriz o de frenado horizontal aplicada por el mecanismo de desplazamiento para mover el carro a lo largo del puente grúa.

Cada uno de estos componentes tiene una fuente física real en una grúa puente. El ángulo en el que actúa la fuerza impulsora, a menudo denominado α en los problemas de los libros de texto, representa la dirección de la fuerza aplicada con respecto a la horizontal. En la práctica, este ángulo depende de cómo se dirige la fuerza de tracción y de cómo se conecta el carro con el puente y el carro terminal.

• El peso propio del carro suele ser la más pequeña de las tres fuerzas, pero aún así contribuye a la carga de las ruedas.
• La carga suspendida es la fuerza vertical dominante e impulsa la selección de la capacidad del polipasto.
• La fuerza motriz debe ser suficiente para superar la resistencia a la rodadura, la inercia y las posibles fuerzas de frenado.

El método estándar para resolver el problema de las tres fuerzas

Una vez que se conocen las direcciones y magnitudes de las fuerzas, la solución sigue el procedimiento estándar para un sistema de fuerzas concurrentes coplanares. La configuración generalmente comienza resolviendo cada fuerza en componentes xey. Si la fuerza P se aplica formando un ángulo α con la horizontal, la fuerza A actúa horizontalmente y la fuerza B actúa verticalmente hacia abajo, las ecuaciones de equilibrio son sencillas:

Desde la dirección x: P cos α A = 0.

Desde la dirección y: P sen α − B = 0.

Resolver estas dos ecuaciones da P = B / sen α y A = − B cot α. El signo negativo en A simplemente indica que la fuerza horizontal debe oponerse a la componente horizontal de P para que el carro permanezca en equilibrio.

La siguiente tabla muestra cómo cambia la fuerza requerida P a medida que cambia el ángulo α, utilizando una carga vertical B de 400 lb como entrada. Las cifras exactas son menos importantes que la tendencia que ilustran: un ángulo menor requiere una fuerza motriz mayor y un ángulo mayor cambia la distribución de la carga sobre el carril de la grúa.

La implicación práctica es que cambiar α incluso 10 grados puede cambiar la magnitud de la fuerza impulsora requerida en casi un 20 por ciento. Esta es la razón por la que el ángulo debe definirse cuidadosamente desde el principio y no tratarse como una ocurrencia tardía.

Cómo el análisis guía la selección de componentes

Una vez que se resuelven las fuerzas, las cargas resultantes se convierten en los insumos de diseño para las piezas mecánicas del carro. La carga vertical de las ruedas es el dato principal para la selección del carro extremo de la grúa. La fuerza motriz horizontal determina el par requerido del motor de accionamiento y la potencia nominal del bloque de ruedas de la grúa. La carga suspendida, más los efectos dinámicos, decide la capacidad nominal del polipasto.

En un sistema de grúa real, el carro terminal se fabrica con una distancia entre ejes y un diámetro de riel definidos para adaptarse a las cargas esperadas de las ruedas. Seleccionar un carro extremo estándar sin verificar su conexión al marco del trole y su capacidad para soportar la carga de rueda calculada es una fuente común de falla mecánica. Cuando un carro se somete a las tres fuerzas descritas en el análisis estático, el carro extremo soporta la mayor parte de las reacciones verticales. Es por eso que la línea de productos de carros terminales de grúa de TBM está diseñada con secciones reforzadas y cojinetes de rueda robustos para manejar combinaciones de fuerzas verticales y horizontales.

Carro terminal de grúa para sistemas de carro con secciones reforzadas Diseñado para combinaciones de fuerzas verticales y horizontales pesadas, este carro terminal soporta el puente de la grúa y el mecanismo de desplazamiento, proporcionando estabilidad y durabilidad para aplicaciones industriales. Ver producto →

Consideraciones prácticas más allá del equilibrio estático

El equilibrio estático es el punto de partida, no la respuesta final. Los límites de carga de trabajo, los factores de seguridad y las clasificaciones de tareas influyen en si el diseño de un equipo es seguro para la operación diaria. Para un polipasto eléctrico de cable de uso general, la norma europea FEM o una clasificación de servicio equivalente, como ISO M3 a M5, a menudo se utiliza para definir cuántas horas por día puede funcionar el polipasto con una carga determinada. Este factor deber no es arbitrario; afecta el tamaño del freno, el grado del cable metálico y la capacidad térmica del motor.

El problema de las tres fuerzas tampoco tiene en cuenta la oscilación de la carga, las fuerzas del viento en una grúa exterior o el efecto de una pista inclinada. Estas cargas adicionales deben considerarse en el diseño general del sistema de carro. El bloque de rueda debe evaluarse tanto para la carga estática como para las fuerzas horizontales que provienen de la conducción y el frenado. Cuando el carro acelera o se detiene, la inercia de la carga aplica una fuerza horizontal adicional que no forma parte del problema estático del libro de texto. Esta fuerza adicional debe ser absorbida por las pestañas de las ruedas y la vía. Los bloques de ruedas de grúa de TBM se fabrican con ruedas endurecidas con bridas y cojinetes sellados para soportar cargas laterales repetidas.

Bloque de ruedas de grúa duradero con ruedas endurecidas con bridas Construido con aleación de acero de alta resistencia y cojinetes sellados, este bloque de ruedas soporta cargas laterales provenientes de aceleración y frenado, lo que garantiza un desplazamiento suave y preciso de la grúa. Ver producto →

Construcción de un sistema de carro seguro con elevación TBM

Desde la perspectiva de los componentes, el problema de las tres fuerzas entra en cada etapa de un sistema de carro. El carro terminal debe soportar las cargas de las ruedas, los bloques de ruedas deben soportar las fuerzas de desplazamiento horizontales y el polipasto de cable debe seleccionarse con la capacidad de elevación y velocidad correctas. TBM Lifting fabrica el polipasto eléctrico de cable de altura libre estándar SHA7 y el polipasto de doble viga SHA8 con configuraciones de estilo europeo que brindan márgenes de capacidad claros para aplicaciones de carros industriales. el gama de polipastos eléctricos de cable se dimensiona teniendo en cuenta la trayectoria de carga del trole y las reacciones de las ruedas, por lo que los puntos de conexión de los componentes se diseñan desde el principio para soportar las fuerzas calculadas.

Cuando especifique un sistema de carro, comience con el diagrama de fuerza real de su instalación. Determine la carga suspendida, la masa del carro, la disposición del riel y el ángulo de tracción del mecanismo impulsor. Con esas entradas básicas, el cálculo estático proporciona un rango claro de cargas operativas. Luego, haga coincidir esas cargas con un polipasto y un conjunto de componentes del carro final que estén construidos para los mismos estándares de servicio y seguridad.

Polipasto eléctrico de cable con altura libre estándar SHA7 Equipado con un motor de alta eficiencia y conversión de frecuencia para un funcionamiento suave, este polipasto es adecuado para el manejo de materiales en la fabricación de maquinaria, ensamblaje de automóviles y otras industrias. Ver producto →

Un carro de elevación está sujeto a las tres fuerzas en este clásico problema de estática, pero el valor real de ese cálculo surge cuando se aplica al diseño y selección del equipo de elevación real. El método analítico que utiliza para resolver las cargas es el mismo método que determina si un carro funcionará suavemente, permanecerá alineado sobre su riel y alcanzará su vida útil diseñada. Al combinar la solución de fuerza con polipastos, carros finales y bloques de ruedas con la capacidad adecuada, puede evitar las costosas fallas que surgen de componentes de tamaño insuficiente. Para obtener un cálculo de fuerza basado en el diseño específico de su trole y grúa, comuníquese con el Equipo técnico de tuneladora .