Tensado de pernos de cojinetes de giro vs. llave dinamométrica: ¿Qué método proporciona una precarga uniforme para las plataformas giratorias de palas mineras?

Tensado de pernos de cojinetes de giro vs. llave dinamométrica: ¿Qué método proporciona una precarga uniforme para las plataformas giratorias de palas mineras? | Yining Hydraulic

TL;DR — Conclusiones clave

Los métodos con llave dinamométrica logran una precisión de precarga de +/-25-35% porque el 85-90% del par aplicado se destina a vencer la fricción de la rosca y bajo la cabeza, no a estirar el perno; el tensado del perno logra una precisión de +/-5-10% al estirar directamente el perno hidráulicamente.
Para los pernos de cojinete de giro en las plataformas giratorias de las palas mineras (M36-M56, Clase 10.9 o 12.9), el tensado hidráulico de los pernos es el único método que proporciona una precarga uniforme en todos los pernos del círculo.— Los métodos de apriete por torsión suelen producir una variación de precarga del 40-60% entre los pernos más apretados y los más flojos, lo que provoca una carga desigual en la pista del rodamiento y una falla prematura del mismo.
El procedimiento de tensado de los pernos requiere de 3 a 4 pasadas de tensado (no una sola pasada) porque cada perno tensado en el círculo relaja los pernos adyacentes en un 10-15% debido a la compresión de la junta.— Si se omiten las pasadas de retensado, los pernos exteriores quedan con una precarga del 60-70% de la especificada.

Por qué es importante la consistencia de la precarga de los pernos en los cojinetes de giro: El problema de la carga desigual que nadie ve hasta que falla el cojinete.

Llevo quince años diseñando sistemas de accionamiento de giro en Yining Hydraulic, y es en las uniones de los pernos de los cojinetes de giro donde observo la mayor discrepancia entre la intención de las especificaciones y la ejecución en campo.El cojinete de giro de la plataforma giratoria de una pala minera de 200 toneladas se fija mediante 40 a 60 pernos de alta resistencia (normalmente M42-M56, clase 10.9 o 12.9) dispuestos en un patrón circular de 2 a 3 metros de diámetro.Cada perno debe mantener una precarga específica —normalmente entre el 60 % y el 70 % de su carga de prueba, que corresponde a entre 400 y 600 kN para un perno M48 Clase 10.9— para evitar que la pista de rodadura se despegue de la superficie de montaje debido al momento de vuelco generado cuando la pala de la excavadora está completamente cargada y extendida. Si la precarga es inconsistente, la pista de rodadura experimenta una presión de contacto desigual y se deforma localmente bajo carga, creando un fenómeno denominado "brinelling", donde los elementos rodantes dejan marcas en la superficie de la pista, lo que provoca un desprendimiento que progresa hasta la falla total del rodamiento en un plazo de 2000 a 5000 horas de funcionamiento.

El problema de la consistencia de la precarga: los métodos de llave dinamométrica aplican par al cabezal del perno o a la tuerca, y la relación entre el par aplicado y la tensión resultante del perno depende del coeficiente de fricción en dos interfaces: el contacto de la rosca y el contacto debajo del cabezal (o debajo de la tuerca).La relación par-tensión es: T = K × F × d, donde T es el par aplicado, K es el factor de tuerca (normalmente 0,15-0,22 para roscas de acero lubricadas), F es la tensión resultante del perno y d es el diámetro nominal del perno. El problema es que K no es constante: varía entre pernos dependiendo del acabado superficial de la rosca, las condiciones de lubricación, si el perno se ha apretado previamente (las roscas reutilizadas tienen un valor de K más alto porque las asperezas de la superficie se han aplanado) y si hay residuos en las roscas.Una estimación razonable para la variación de K en condiciones de campo es de +/-15-25%, lo que se traduce directamente en una variación de +/-15-25% en la precarga del perno para el mismo par aplicado.Para un perno que requiere una precarga de 500 kN con un K de 0,18 a un d de 48 mm: T = 0,18 × 500.000 × 0,048 = 4.320 Nm. Si K varía realmente entre 0,15 y 0,22 a lo largo del círculo del perno, el mismo par de 4.320 Nm produce precargas que van desde 410 kN hasta 600 kN, una diferencia del 46 % entre los pernos más flojos y los más apretados. SegúnVDI 2230Los estándares sistemáticos para el cálculo de uniones atornilladas y el apriete controlado por par logran una dispersión de precarga de +/-25-35% incluso en condiciones de laboratorio controladas, y las condiciones de campo normalmente aumentan esta cifra a +/-35-50%.

Tensado hidráulico de pernos: cómo el estiramiento directo elimina la variable de fricción.

El tensado hidráulico de pernos evita por completo la conversión de par a tensión, ya que aplica una presión hidráulica conocida a un tensor que tira directamente del perno, estirándolo elásticamente.El tensor consta de un cilindro hidráulico con un extractor roscado que se enrosca en la extensión del perno (el perno debe tener una longitud de rosca expuesta por encima de la tuerca igual al menos a un diámetro del perno para que el tensor lo sujete), un puente que se apoya contra la superficie de la junta y un casquillo que permite apretar la tuerca a mano después de que el perno se haya estirado. La secuencia de funcionamiento es la siguiente: se instala el tensor en el perno, se aplica presión hidráulica al valor especificado (calculable a partir del área efectiva del pistón del tensor), el perno se estira elásticamente (0,1-0,3 mm de elongación para pernos de cojinetes de giro típicos), se aprieta la tuerca a mano usando el casquillo a través del cuerpo del tensor, se libera la presión hidráulica y el perno intenta volver a su longitud original, pero la tuerca lo impide, creando la precarga especificada en el perno.

La precisión de la precarga del tensado hidráulico es de +/-5-10%, en comparación con el +/-25-35% de los métodos con llave dinamométrica.La precisión se debe a que la tensión del perno se controla mediante presión hidráulica, la cual se mide y regula con una exactitud de +/-1-2% mediante el manómetro o transductor de la bomba de tensión. El módulo de elasticidad del perno (módulo de Young, 207 GPa para acero aleado) es constante dentro de un margen de +/-2% para pernos del mismo lote de tratamiento térmico. La única variable es la longitud de sujeción efectiva (la longitud del perno entre la tuerca y la primera rosca engranada), que varía entre +/-3 y 5% según la profundidad de engrane de la rosca y la longitud de agarre del perno.El error residual en la precarga tensada proviene de dos fuentes:(1) relajación del perno después de la liberación de la tensión (la junta se comprime cuando se retira el tensor, reduciendo la tensión del perno en un 5-10%, lo cual se compensa aplicando una sobretensión del 5-10% durante la pasada de tensado), y (2) interacción de pernos adyacentes (el tensado del perno n.° 2 reduce la tensión en el perno n.° 1 en un 10-15% porque la tensión del perno n.° 2 comprime aún más la junta, relajando el perno n.° 1, lo cual se aborda con 3-4 pasadas de tensado). PorASME PCC-1En las directrices para el montaje de uniones atornilladas, el tensado hidráulico es el método preferido para uniones atornilladas de gran diámetro que requieren una precisión de precarga de +/-10% o mejor.

Pases de tensión: El protocolo de 3-4 pases que nadie quiere hacer pero que todos necesitan.

Una sola pasada de tensado, en la que cada perno se tensa una vez alrededor del círculo, produce variaciones de precarga del 30 al 50 %, ya que cada perno que se tensa sucesivamente comprime la unión y relaja los pernos que se tensaron previamente.Mecanismo: al tensar el perno n.° 1 a 500 kN, se comprime la unión localmente alrededor de dicho perno. Al tensar el perno n.° 2 (adyacente al n.° 1), la compresión adicional de la unión en el área entre los pernos n.° 1 y n.° 2 provoca una ligera disminución del espesor de la unión en la zona de sujeción del perno n.° 1, reduciendo así su tensión en aproximadamente un 10-15 %. A medida que avanza el tensado alrededor del círculo, cada perno pierde tensión progresivamente, siendo el primero en tensarse el que más pierde, alcanzando normalmente entre el 50 % y el 60 % de su tensión inicial una vez tensados todos los pernos del círculo.

El protocolo de tensado correcto consiste en dar de 3 a 4 vueltas alrededor del círculo de pernos, con la primera vuelta al 50-60% de la tensión final para asentar la junta, y las vueltas posteriores al 100% de la tensión final.Paso 1: Tensar todos los pernos al 60 % de la precarga final (por ejemplo, 300 kN para una especificación de 500 kN); esto asienta parcialmente la junta y reduce el efecto de relajación en los pasos posteriores. Paso 2: Tensar todos los pernos al 100 % de la precarga final (500 kN). Paso 3: Volver a tensar todos los pernos al 100 % de la precarga final; este paso normalmente recupera entre un 10 % y un 15 % de la tensión en los pernos de la primera mitad que se relajaron durante el paso 2, y el efecto de relajación en el paso 3 se reduce a entre un 3 % y un 5 % porque la junta ahora está completamente asentada. Paso 4 (opcional pero recomendado para juntas críticas): Volver a tensar al 100 % y verificar que ningún perno pierda más del 5 % de tensión entre el tensado y la medición de verificación (utilizando un medidor de elongación de pernos ultrasónico si está disponible).Hidráulica YiningNuestros procedimientos de instalación de accionamientos de giro incluyen un protocolo de tensado obligatorio de 4 pasadas para todas las uniones de pernos de cojinetes de giro en equipos de minería, y proporcionamos la bomba de tensado, el tensor y la documentación del procedimiento con cada entrega de accionamiento de giro.

Preparación de los pernos: Los tres factores que convierten un procedimiento de tensado perfecto en una unión fallida.

Incluso con el tensado hidráulico, tres factores de preparación de los pernos pueden reducir la precarga real a un 50-70% del valor especificado, y los tres suelen pasarse por alto durante la instalación en obra.Factor uno: lubricación de la rosca: las roscas del perno y la superficie de apoyo de la tuerca deben lubricarse con el lubricante especificado (normalmente pasta de disulfuro de molibdeno, compuesto antigripante o el lubricante recomendado por el fabricante del perno) para lograr una fricción de rosca uniforme durante el tensado. Las roscas secas o lubricadas con un lubricante diferente al especificado cambian el coeficiente de fricción y alteran la resistencia al descenso de la tuerca, lo que provoca que la tuerca se desenrosque parcialmente durante la liberación de la tensión. Factor dos: longitud de agarre del perno: el vástago sin rosca del perno entre la cabeza y la primera rosca acoplada debe ser al menos 3-4 veces el diámetro del perno para que este se estire elásticamente con la tasa de resorte correcta. Un perno con una longitud de agarre menor a 2 veces el diámetro tiene una tasa de resorte muy alta, lo que significa que requiere más fuerza de tensado para la misma elongación y es más sensible a la relajación. Factor tres: planitud de la superficie de la junta: las superficies de montaje debajo de la cabeza del perno y la tuerca deben ser planas dentro de 0,1 mm sobre el diámetro de apoyo. Una superficie irregular provoca esfuerzos de flexión en el perno, además de los esfuerzos de tracción, lo que reduce la precarga efectiva y la vida útil por fatiga del perno entre un 30 % y un 50 %.

Verificación después del tensado: la precarga del perno se puede verificar midiendo su elongación con un medidor de pernos ultrasónico (método de pulso-eco, que mide el tiempo de ida y vuelta de un pulso ultrasónico a través de la longitud del perno).La medición de elongación antes y después del tensado proporciona la deformación real del perno, que multiplicada por el área de la sección transversal del perno y el módulo de Young da como resultado la precarga real. Este es el único método de medición directa para la precarga del perno instalado; la medición del par (verificación del par de arranque) no se correlaciona con la precarga una vez que el perno se ha tensado porque la fricción estática (par de arranque) es mayor que la fricción dinámica durante el apriete.Hidráulica YiningRecomendamos la verificación ultrasónica de elongación de pernos para pernos de cojinetes de giro en palas mineras con diámetros de plataforma giratoria superiores a 2,5 metros, donde la precarga inconsistente causa una carga desigual en la pista del cojinete que no se puede detectar hasta que comienza la falla del cojinete. Consulte también nuestra guía sobreIntegración y montaje de la caja de engranajes de giropara obtener orientación adicional sobre juntas atornilladas.

Preguntas frecuentes

P1: ¿Por qué es fundamental la consistencia de la precarga de los pernos en los cojinetes de giro de las plataformas giratorias de las palas mineras?: Una precarga inconsistente provoca una presión de contacto desigual en la pista del rodamiento, lo que da lugar a una deformación localizada de la pista denominada brinelling, donde los elementos rodantes hunden la superficie de la pista. Esto inicia el desprendimiento de material, que progresa hasta la falla total del rodamiento en un plazo de 2000 a 5000 horas de funcionamiento. Los pernos de los cojinetes de giro (M36-M56, Clase 10.9/12.9) deben mantener una precarga del 60-70 % de la carga de prueba para evitar el desprendimiento de la pista bajo momentos de vuelco.
P2: ¿Cuál es la principal ventaja del tensado hidráulico de pernos sobre las llaves dinamométricas para los pernos de cojinetes de giro?: El tensado hidráulico estira directamente el perno con una presión hidráulica controlada, logrando una precisión de precarga de +/-5-10%. Las llaves dinamométricas se basan en la relación par-tensión (T = K × F × d), donde el factor de tuerca K varía +/-15-25% debido a las diferencias de fricción de la rosca, lo que produce una dispersión de precarga de +/-25-35% en condiciones de laboratorio y de hasta +/-50% en condiciones de campo.
P3: ¿Cuántas pasadas de tensado se requieren para los círculos de pernos de los cojinetes de giro y por qué?: Se requieren de 3 a 4 pasadas. La primera pasada, al 60 % de la precarga final, asienta la junta. La segunda pasada, al 100 % de la precarga final, tensa todos los pernos. La tercera pasada, también al 100 %, recupera la relajación del 10-15 % en los pernos anteriores, causada por la compresión de la junta durante la segunda pasada. La cuarta pasada (opcional) verifica la tensión residual. Una sola pasada produce variaciones de precarga del 30-50 %, ya que cada perno subsiguiente que se tensa relaja los pernos adyacentes previamente tensados.
P4: ¿Qué factores de preparación de los pernos afectan la precisión del tensado hidráulico en las instalaciones de campo?: Tres factores: (1) la lubricación de la rosca debe utilizar el lubricante especificado; las roscas secas o lubricadas de forma diferente modifican la resistencia al deslizamiento de la tuerca durante la liberación de la tensión; (2) la longitud de agarre del perno debe ser al menos 3-4 veces el diámetro del perno para un estiramiento elástico adecuado; (3) la planitud de la superficie de la junta debe estar dentro de 0,1 mm sobre el diámetro del cojinete; las superficies no planas provocan una tensión de flexión que reduce la precarga efectiva en un 30-50 %.
P5: ¿Cómo se puede verificar la precarga real del perno después del tensado hidráulico?: El único método directo es la medición ultrasónica de la elongación del perno (pulso-eco, que mide el tiempo de ida y vuelta del pulso ultrasónico a través del perno antes y después del tensado). La elongación multiplicada por el área de la sección transversal del perno y el módulo de Young proporciona la precarga real. La verificación del par (par de arranque) no es fiable después del tensado, ya que la fricción estática de arranque no se correlaciona con la precarga.

Referencias externas: Cálculo de unión atornillada VDI 2230 · Juntas atornilladas ASME PCC-1 · Clasificación DNV · Sistemas hidráulicos ISO 4413 · SAE Internacional · Normas AGMA · Reglas del ABS

Datos de campo de Yining Hydraulic — Mina de mineral de hierro de Pilbara, 2019, análisis de fallas en 8 palas mineras con pernos de cojinetes de giro:Una flota de 8 palas eléctricas de cable (clase de 220 toneladas) experimentó 5 reemplazos de cojinetes de giro en 3 años, con un costo de reemplazo de US$180,000 por cojinete más 10 días de inactividad de la pala. El análisis de la causa raíz reveló que los pernos se instalaron con llaves dinamométricas (no tensores), y la variación de precarga medida en el círculo de pernos fue del 42-58%. Las pistas de los cojinetes mostraron patrones de brinelling desiguales que correspondían exactamente a las zonas donde la precarga de los pernos era inferior al 60% de la especificación. Después de cambiar al tensado hidráulico con un protocolo de 4 pasadas, la flota no experimentó fallas en los cojinetes de giro en los 4 años siguientes. El costo del equipo de tensado fue de US$12,000 por pala; en comparación con los US$180,000 por reemplazo de cojinete, el retorno de la inversión se logró con la primera falla evitada.

Una última advertencia basada en quince años de experiencia en la puesta en marcha de sistemas de giro: nunca reutilice los pernos de los cojinetes de giro después de haberlos retirado. Los pernos sometidos a una precarga máxima sufren deformación plástica en las primeras roscas engranadas, y volver a tensar un perno usado produce una precarga impredecible —normalmente entre un 15 % y un 25 % menor que la de un perno nuevo para la misma presión de tensión— debido a que la zona de deformación plástica ha aumentado la longitud de sujeción efectiva.

Para obtener especificaciones sobre los pernos de los cojinetes de giro, recomendaciones sobre equipos de tensado o verificación del diseño de juntas de pernos personalizadas, póngase en contacto con nuestro equipo de ingeniería en Yining Hydraulic; tenemos listos los equipos de tensado y la documentación de procedimientos para su modelo específico de accionamiento de giro.