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DISEÑO Y SELECCIÓN DE POLEAS Y CABLES. OMAR FEDULLO.

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DISEÑO Y SELECCIÓN DE POLEAS Y CABLES.

OMAR FEDULLO.

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CABLES

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Cables

• Mecanismos flexibles, tenaces y versátiles

para a transmisión de elevadas cargas, que se componen de un

grupo de alambres trenzados, en cuya función se someten a esfuerzos

de tracción, flexión, torsión y aplastamiento, en condiciones críticas y

en general, sujetos a un pobre mantenimiento.

• Los cables se emplean para: levante,

transporte y transmisión, normalmente están constituidos por 6 a 8 torones

(cordones)

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COMPOSICIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE UN CABLE

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Tipos de cables

REGULAR: sentido de trenzado de alambres y torones contrarios

alambres y torones igual

Figure 2. Comparison of Typical Wire Rope Lays: A) Right Regular, B) Left Regular, C) Right Lang,

D) Left Lang, E) Right Alternate

alambres y torones igual

LANG: sentido de trenzado de alambres y torones igual

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Área de desgaste

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Tipos de construcciones

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Capa simple

El ejemplo más comúnde construcción de capasimple es un torónde 7 alambres. Tieneuna alma con unsolo alambre y seisalambres del mismodiámetro alrededor.

Warrington Esta construcción tienedos capas de alambre alrededor de un alambre central con undiámetro de alambre en la capa interior y dos diámetrosde alambre que alternan entremayor y menor enla capa exterior. Losalambres más grandes de la capa exterior descansan en los valles de la capa interior y los más pequeños en sus coronas.Ejemplo: 19 Warrington [1-6-(6+6)].

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Seale

Esta construcción tiene dos capasde alambres alrededor de una alma con la misma cantidad de alambres en cada capa. Todos los alambresde cada capa son del mismo diámetro. El torón está diseñadode manera que losalambres exterioresde mayor diámetrodescansan en losvalles entre los Alambres interioresde menor diámetro. Ejemplo:Torón 19 Seale (1-9-9).

Alambres “filler”

Esta construccióntiene dos capas de alambre de tamaño uniforme alrededor deun alambre central yla capa interior tienela mitad de alambresque la capa exterior. Se colocan alambres “filler” más pequeños, iguales en cantidad que los de la capa interior, en los valles de la capa interior. Ejemplo:Torón de 25 alambres “filler” (1-6-6f-12).

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Clasificaciones de cables estándar

Todos los cables del mismo tamaño, grado y alma de cada clasificacióntienen la misma resistencia mínima a la rotura y peso por pie. Las diferentes construcciones dentro de cada clasificación difieren en lascaracterísticas de trabajo. Considere estas características siempre queseleccione un cable para una aplicación específica.

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Dimensión nominal

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1. Alma de fibra El polipropilenoes la norma estándar, pero haydisponibles fibras naturales de sisal (o cáñamo) u otras artificiales bajo pedido especial.

2. Alma de cable independienteLiteralmente, un cable independientecon torones y alma, denominado IWRC.La mayoría de los cables hechos conalma de acero usan un IWRC.

3. Alma de torón Un torón hechocon alambres. Normalmente, lasalmas de torón se utilizan en cables deservicios públicos únicamente.

Los tres tipos de alma usados con mayor frecuencia son:

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Selección de la construcción

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La clasificación de cables 6 x 19incluye estándar 6 torones y cablesde torones redondos con 16 a 26alambres por torón. La clasificación decables 6 x 36 incluye estándar 6 toronesy cables de torones redondos con 27a 49 alambres por torón. Aunque suscaracterísticas de funcionamiento varían,todas tienen el mismo peso por pie y lamisma Resistencia mínima a la rotura,para cada tamaño.Mientras que los cables 6 x 19 enfatizanprincipalmente la resistencia a laabrasión en varios grados, los cables6 x 36 son importantes por su resistenciaa la fatiga. Esta resistencia a la fatigaes posible por la mayor cantidad depequeños alambres por torón.Las construcciones en la clasificación 6 x 36están diseñadas principalmente para serlas más eficientes para cada diámetro decable. A medida que se incrementa eltamaño del cable, por ejemplo, se puedeusar una cantidad grande de alambrespara lograr la resistencia a la fatigarequerida y dichos alambres continuaránsiendo suficientemente grandes paraofrecer adecuada resistencia a laabrasión.

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Propiedades cables

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Capacidad de carga

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Capacidad de carga

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Consideraciones al evaluar la carga en un cable

• Incluir el peso o carga muerta de todos los elementos

• Incluir cargas de arranque o parada

• Incluir cargas de choque

• Incluir fricciones en pasadores o poleas

• Descontar la pérdida de resistencia del cable por el curvado del cable en poleas

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Calidad Dureza (Rockwell C)

Acero Arado extra Mejorado

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Acero Arado Mejorado 45

Acero Arado 43

DUREZA DE LOS ALAMBRES DE ACERO

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Construccion Cables NegrosModulo de Elasticidad

(Kgs/mm2)

Serie 6 x 7 Alma de Fibra 6.300

Serie 6 x 7 Alma de Acero 7.000

Serie 6 x19 Alma de Fibra 5.000

Serie 6 x 19 Alma de Acero 6.000

Serie 6 x 37 Alma de Fibra 4.700

Serie 6 x 37 Alma de Acero 5.600

Serie 18 x 7 Alma de Fibra 4.300

Serie 18 x 7 Alma de Acero 4.500

Torones Galvanizados

1 x 7 (6/1) 11.000

1 x 19 (12/6/1) 10.000

1 x 37 (18/12/6/1) 9.500

•Tabla de Módulos de ElasticidadLas cifras mencionadas son aproximadas y son aplicables a cables trabajando con un factor de seguridad de alrededor de 5:1. Se puede conseguir Módulos de Elasticidad más altos, trabajando con factores de seguridad inferiores a 5:1 y viceversa

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Configuraciones Vs. Costo relativo

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Pérdida de resistencia por curvado en poleas

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Esfuerzo por flexión en poleas o tambores

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Presiones sobre poleas o tambores

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Presiones permisibles en poleas (psi.)

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Correlación entre tamaño de polea y vida

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Relación presión-vida

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Cómo utilizar los factores de diseño

Las normas y reglamentaciones requieren que el factor de diseño se aplique a la resistencia mínima a la rotura para determinar la carga máxima de trabajo.

Para determinar la carga máxima de trabajo para la que se puede utilizar un cable, divida la resistencia mínima por el factor de diseño requerido. Ésta es la carga máxima de trabajo del cable.

Puede haber otros factores limitativos en una aplicación, que pueden hacer que la carga máxima de trabajo que puedamanejar el equipo sea menor que la carga máxima de trabajo del cable.

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Factores de seguridad

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Ecuaciones para diseño

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Coeficiente de seguridad

El coeficiente de seguridad de trabajo de un cable es el cociente entre la carga de rotura efectiva y la carga que realmente debe soportar el cable.

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Mínimo número de grilletes o clips

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Lubricación de cables Funciones del lubricante

Los lubricantes para cables cumplen dos funciones

1. Reducir la fricción resultado del movimiento relativo entre los alambres.

2. Proveer protección contra la corrosión, lubricar el núcleo, los alambres internos y las superficies exteriores.

Tipos de lubricantes Hay dos tipos de lubricantes para cables los de penetración y los de recubrimiento.

•Los lubricantes de penetración contienen un solvente de petróleo que permiten el flujo del lubricante

hacia el interior del cable, en el interior el solvente se evapora, permitiendo que una capa fuerte de

lubricante proteja cada torón.

•Los lubricantes de recubrimiento penetran ligeramente, sellan la parte externa evitando la acción de

contaminantes y de agua hacia el interior, reducen el desgaste y la corrosión por frotamiento

El lubricante ideal mezcla las características de los lubricantes de penetración y el de recubrimiento.

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Lubricante: requerimientos adicionales

• Mantener la flexibilidad del cable con independencia del clima

o entorno.

• Tener un elevado punto de fusión.

• Ser compatible con elastómeros o polímeros involucrados en poleas o

accesorios.

• Ofrecer o mantener certeza en cuanto al coeficiente de fricción.

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Características del lubricante

• Lubricantes pueden ser aceites minerales o compuestos de petróleo, o mezclas con espesantes (jabones o ceras).

• El lubricante debe ser estable al agua, para que en condiciones de intemperie no sea desplazado por la misma.

• Los aceites que lubrican cables a intemperie

deben incluir inhibidores de harrume y corrosión.

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Tipos de lubricantes

• Aceites lubricantes. Deben ser de elevada viscosidad, se aplican sumergiendo el cable

en un baño de aceite caliente, lubrican núcleo y parte interior

• Grasas lubricantes. Se emplean para recubrir la parte externa del cable, evitando la

salida del aceite aplicado (jabón de litio o sodio), en ambientes contaminados no se

emplean

• Compuestos de petróleo. Presentan buena resistencia a la corrosión y al agua, como

son traslucidos permiten la inspección visual del cable

• Amalgamas de partículas metálicas. Suelen ser de zinc, estaño, cobre, plomo,

plata, entre otros, se aplican disueltos en una capa volátil.

• Sólidos. Consiguen buena condición de lubricación, se aplican disueltos en una

base volátil y por medio de corrientes de aire comprimido (MoS2). Son efectivos

pero costosos, se utilizan para trabajar en ambientes contaminados.

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Beneficios de lubricación adecuada

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Selección del lubricante

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Tabla de un lubricante comercial

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Lubricante comercial

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Cables no lubricados

•Los cables expuestos a ambientes polvorientos, pueden venir lubricados de fábrica y recubiertos de una funda plástica flexible, que los protege del entorno, no requieren lubricación.

La protección plástica impide la inspección visual del cable.

• Cuando la funda se rompe hay que cambiar

el cable

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Lubricación (aspectos claves) El cable viene pre lubricado por el fabricante con el fin de protegerlo en el almacenado, transporte y manipulación Los cables deben ser periódicamente limpiados y re-lubricados. La limpieza se realiza con solvente brochas rígidas, aire comprimido o vapor sobrecalentado con el fin de remover materiales extraños, suciedad, y el lubricante viejo de los valles entre los torones y alambres antes del re-lubricado

Métodos de lubricación empleados Los métodos de lubricación empleados van desde: la lubricación continua por baño, goteo, vertido, limpiado, pintura hasta el rociado por boquillas.

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Métodos de lubricación

• Manual. Los sitios adecuados para lubricarlo son poleas y

tambores, donde el curvado del cable facilita el flujo del mismo al

interior

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• Depósito con aceite caliente. Se hace pasar el cable por el depósito, que incluye al

final un paño para limpiar el cable y el lubricante en exceso, tiene distintas

configuraciones

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• Polea de inmersión con depósito con aceite caliente.

Se coloca una polea desviadora que hace la inmersión del cable en el aceite

caliente

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• Polea lubricadora. Se coloca una polea con agujeros en la ranura del cable, estos

agujeros reciben el aceite desde un depósito a presión al interior de la polea.

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• Lubricación a presión, goteo o rociado

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• Lubricación a presión

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Accesorios de limpieza y lubricación

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POLEAS

Las poleas son ruedas que tienen el perímetro exterior diseñado especialmente para facilitar el contacto con cuerdas o correas.

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En toda polea se distinguen tres partes: cuerpo, cubo y garganta.

El cuerpo es el elemento que une el cubo con la garganta. En algunos tipos de poleas está formado por radios o aspas para reducir peso y facilitar la ventilación de las máquinas en las que se instalan.

El cubo es la parte central que comprende el agujero, permite aumentar el grosor de la polea para aumentar su estabilidad sobre el eje. Suele incluir un chavetero que facilita la unión de la polea con el eje o árbol (para que ambos giren solidarios).

La garganta (o canal ) es la parte que entra en contacto con la cuerda o la correa y está especialmente diseñada para conseguir el mayor agarre posible. La parte más profunda recibe el nombre de llanta. Puede adoptar distintas formas (plana, semicircular, triangular...) pero la más empleada hoy día es la trapezoidal.

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Las poleas empleadas para tracción y elevación de cargas tienen el perímetro acanalado en forma de semicírculo (para alojar cuerdas), mientras que las empleadas para la transmisión de movimientos entre ejes suelen tenerlo trapezoidal o plano (en automoción también se emplean correas estriadas y dentadas)

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Utilidad

Básicamente la polea se utiliza para dos fines: cambiar la dirección de una fuerza mediante cuerdas o transmitir un movimiento giratorio de un eje a otro mediante correas.

En el primer caso tenemos una polea de cable  que puede emplearse bajo la forma de polea fija, polea móvil o polipasto. Su utilidad se centra en la elevación de cargas (pastecas, grúas, ascensores...), cierre de cortinas, movimiento de puertas automáticas, etc.

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En el segundo caso tenemos una polea de correa que es de mucha utilidad para acoplar motores eléctricos a otras máquinas (compresores, taladros, ventiladores, generadores eléctricos, sierras...) pues permite trasladar un movimiento giratorio de un eje a otro. Con este tipo de poleas se construyen mecanismos como el multiplicador de velocidad, la caja de velocidad y el tren de poleas.

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Polea de cable

La polea de cable es un tipo de polea cuya garganta (canal) ha sido diseñada expresamente para facilitar su contacto con cuerdas, por tanto suele tener forma semicircular.

La misión de la cuerda (cable) es transmitir una potencia (un movimiento o una fuerza) entre sus extremos.

El mecanismo resultante de la unión de una polea de cable con una cuerda se denomina aparejo de poleas.

Esta polea podemos encontrarla bajo dos formas básicas: como polea simple y como polea de gancho

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Polea simple

Una polea simple es, básicamente, una polea que está unida a otro operador a través del propio eje. Siempre va acompañada, al menos, de un soporte y un eje. El soporte es el que aguanta todo el conjunto y lo mantiene en una posición fija en el espacio. Forma parte del otro operador al que se quiere mantener unida la polea (pared, puerta del automóvil, carcasa del video...). El eje cumple una doble función: eje de giro de la polea y sistema de fijación de la polea al soporte (suele ser un tirafondo, un tornillo o un remache).

Además, para mejorar el funcionamiento del conjunto, se le puede añadir un casquillo de longitud ligeramente superior al grueso de la polea (para facilitar el giro de la polea) y varias arandelas (para mejorar la fijación y el giro). También es normal que la polea vaya dotada de un cojinete para reducir el rozamiento.

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Una polea simple cambia la dirección de una fuerza sin cambiar su magnitud, como se observa en la figura, donde la carga y el esfuerzotoman un valor de 100 N.

La eficiencia de la polea está determinada principalmente por el rozamiento del cojinete. Son habituales eficiencias altas, incluso superiores al 95%

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Polea de gancho

La polea de gancho es una variación de la polea simple consistente en sustituir el soporte por una armadura a la que se le añade un gancho; el resto de los elementos básicos (eje, polea y demás accesorios) son similares a la anterior. El gancho es un elemento que facilita la conexión de la "polea de gancho" con otros operadores mediante una unión rápida y segura. En algunos casos se sustituye el gancho por un tornillo o un tirafondo.

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Utilidad

•La polea fija de cable se caracteriza porque su eje se mantiene en una posición fija en el espacio evitando su desplazamiento. Debido a que no tiene ganancia mecánica su única utilidad práctica se centra en:

• Reducir el rozamiento del cable en los cambios de dirección (aumentando así su vida útil y reduciendo las pérdidas de energía por rozamiento)

• Cambiar la dirección de aplicación de una fuerza.

•Se encuentra en mecanismos para el accionamiento de puertas automáticas, sistemas de elevación de cristales de automóviles, ascensores, tendales, poleas de elevación de cargas... y combinadas con poleas móviles formando polipastos.

El aparejo de poleas (combinación de poleas de cable y cuerda) se emplea bajo la forma de polea fija, polea móvil o polipasto:

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La polea movil de cable es aquella que va unida a la carga y se desplaza con ella. Debido a que es un mecanismo que tiene ganancia mecánica (para vencer una resistencia "R" es necesario aplicar solamente una potencia "P" ligeramente superior a la mitad de su valor "P>R/2") se emplea en el movimiento de cargas, aunque no de forma aislada, sino formando parte de polipastos

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El polipasto es una combinación de poleas fijas y móviles. Debido a que tiene ganancia mecánica su principal utilidad se centra en la elevación o movimiento de cargas. La podemos encontrar en grúas, ascensores, montacargas, tensores...

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En la figura de la izquierda observamos un sistema de 2 poleas llamado polipasto. Lapolea superior se fija a un soporte estacionario, en tanto que la polea inferior semueve con la carga. Es evidente que en estascondiciones las dos secciones paralelas de cable soportan la carga (de 100 N), soportando cada una de ellas una tensión de 50 N. El esfuerzo es en este caso 50N y la VM = 2.

La ventaja mecánica de un polipasto viene dada por:

VM = (e)ˆ(nº de cuerdas) ·(nº de cuerdas)

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Polea de correa

La polea de correa trabaja necesariamente como polea fija y, al menos, se une a otra por medio de una correa, que no es otra cosa que un anillo flexible cerrado que abraza ambas poleas.

Este tipo de poleas tiene que evitar el deslizamiento de la correa sobre ellas, pues la transmisión de potencia que proporcionan depende directamente de ello. Esto obliga a que la forma de la garganta se adapte necesariamente a la de la sección de la correa empleada.

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Básicamente se emplean dos tipos de correas: planas y trapezoidales.

Las correas planas exigen poleas con el perímetro ligeramente bombeado o acanalado, siendo las primeras las más empleadas.En algunas aplicaciones especiales también se emplean correas estriadas y de sincronización que exigen la utilización de sus correspondientes poleas.

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Las correas trapezoidales son las más empleadas existiendo una gran variedad de tamaños y formas. Su funcionamiento se basa en el efecto cuña que aparece entre la correa y la polea (a mayor presión mayor será la penetración de la correa en la polea y, por tanto, mayor la fuerza de agarre entre ambas). Esto obliga a que la correa no apoye directamente sobre la llanta de la garganta, sino solamente sobre las paredes laterales en forma de "V".

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Relación de velocidades

La transmisión de movimientos entre dos ejes mediante poleas está en función de los diámetros de estas, cumpliéndose en todo momento:

Donde:D1 Diámetro de la polea conductoraD2 Diámetro de la polea conducidaN1 Velocidad de giro de la Polea ConductoraN2 Velocidad de giro de la Polea Conducida

Definiendo la relación de velocidades (i) como:

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Posibilidades del multiplicador de velocidades

Disminuir de la velocidad de giroSi la Polea conductora es menor que la conducida, la velocidad de giro del eje conducido será menor que la del eje conductor.

Mantener la velocidad de giroSi ambas poleas tienen igual diámetro, las velocidades de los ejes serán también iguales

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Aumentar la velocidad de giroSi la Polea conductora tiene mayor diámetro que la conducida, la velocidad de giro aumenta

Invertir el sentido de giroEmpleando poleas y correas también es posible invertir el sentido de giro de los dos ejes sin más que cruzar las correas.

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Tren de poleas

Se emplea cuando es necesario transmitir un movimiento giratorio entre dos ejes con una gran reducción o aumento de la velocidad de giro sin tener que recurrir a diámetros excesivamente grandes o pequeños.

El elemento principal de este mecanismo es la polea doble, que consiste en dos poleas de diámetros diferentes unidas entre sí de manera que ambas giran solidarias. Solamente las poleas situadas sobre los ejes extremos (el conectado al motor y el conectado a la carga) giran solidarias con ellos.

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Este sistema técnico nos permite aumentar o disminuir mucho la velocidad de giro de un eje, cumpliendo todo lo apuntado para el multiplicador de velocidad por poleas .

Si suponemos un sistema técnico formado por tres tramos (tres correas) en el que el eje motriz gira a la velocidad N1, por cada grupo montado se producirá una reducción de velocidad que estará en la misma proporción que los diámetros de las poleas dobles (Db /Da):

N2=N1·(Db/Da)N3=N2·(Db/Da)N4=N3·(Db/Da)

Por tanto, en este caso tendremos que la velocidad del eje útil respecto a la del eje motriz será:

N4=N1·(Db/Da)·(Db/Da)·(Db/Da)

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Presiones permisibles en poleas (psi.)

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Presiones sobre poleas o tambores

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POLEAS EN V, DE HIERRO FUNDIDO.

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Tres conceptos muy importantes relacionados con las máquinas simples son los de ventaja mecánica (VM), ventaja de velocidad (VV) y eficiencia (e). El primero es el cociente entre la carga y el esfuerzo, el segundo es el cociente entre la velocidad alcanzada por la carga y la velocidad del punto de aplicación del esfuerzo, que coincide con el cociente entre los desplazamientos realizados por la carga y el punto de aplicación del esfuerzo en un cierto tiempo t;  el tercero parámetro se define como el cociente entre el trabajo útil producido y el trabajo suministrado, siendo, por lo tanto, un número inferior a la unidad. Debemos decir que una VM alta (mayor que la unidad) implica normalmente una VV baja (menor que la unidad) y viceversa, ya que, siempre que la eficiencia de la máquina valga 1, se cumple que VM·VV = 1.

VV = (velocidad alcanzada por la carga) / (velocidad del punto de aplicación del esfuerzo)

VM·VV = e

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La ventaja mecánica de un polipasto depende del número de cuerdas que soporta la carga (número que suele ser equivalente al del número de poleas que conforman el polipasto) y de la eficiencia total, que básicamente depende del rozamiento en los cojinetes de cada polea. De hecho, se puede demostrar que la VM de un polipasto responde a la expresión:

VM = e · (número de cuerdas del soporte)

La eficiencia de una polea suele ser alta, del orden de 0.98 para un cojinete de rodillos

e = (Trabajo útil producido) / (Trabajo suministrado)

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Cálculo de los diámetros de las poleas.

Para d1, se busca en el catálogo el diámetro mínimo recomendado para el perfil seleccionado. Una vez conocido el diámetro mínimo debe ser adoptado como diámetro primitivo en la polea menor de la transmisión uno mayor que el diámetro mínimo recomendado (d1 ≥ dmin).

El diámetro del resto de las poleas se calcula por la razón de transmisión.

Recomendación de diámetros primitivos mínimos de poleas

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Diámetro mínimo recomendado para poleas montadas en motores

Potencia del Motor Eléctrico

[rpm] 1/2 3/4 1 1 1.5 2 3 5 7.5 10 15 20 25 30 40 50

870 2.2 2.4 2.4 2.4 3.0 3.0 3.8 4.4 4.4 5.2 6.0 6.8 6.8 8.2 8.4

1160 - 2.2 2.4 2.4 2.4 3.0 3.0 3.8 4.4 4.4 5.2 6.0 6.8 6.8 8.2

1750 - - 2.2 2.4 2.4 2.4 3.0 3.0 3.8 4.4 4.4 4.4 5.2 6.0 6.8

3500 - - - 2.2 2.4 2.4 2.4 3.0 3.0 3.8 4.4 4.4 - - -

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http://www.gaessa.com/GAES/Castellano/Productos/Transmisiones/Poleas/VARIADORAS.shtml

http://www.poleasybandas.com.co/index.php?option=com_content&task=blogsection&id=3&Itemid=35