¡Hola! Ahora conocerás los fundamentos del tren de potencia y los diferentes tipos de trenes de fuerza aplicada a diversas maquinarias pesadas.
Fundamentos del tren de fuerza maquinaria pesada
Debes tener en cuenta los siguientes fundamentos para entender mejor los tipos de tren de potencia.
¿Qué es la fuerza?
Es la cantidad de energía de empuje que aplica un objeto contra otro, por ejemplo si tu quieres empujar una piedra, aplicas una fuerza sobre la roca.
¿Qué es el trabajo?
Trabajo = Fuerza X distancia
El trabajo es igual a la fuerza aplicada para mover un objeto multiplicado por la distancia que recorrió el objeto. En el ejemplo anterior si tu aplicas una fuerza sobre la roca y no logras desplazarla, no has realizado ningún trabajo, solo si logras desplazarla has realizado un trabajo.
¿Qué es el torque?
Torque = Fuerza X distancia
Es la fuerza aplicada a un objeto que lo hace girar sobre su eje.
El torque es la fuerza que requiere una maquina para realizar un trabajo, por ejemplo un camión minero trasladando 400 tonelada de cobre por 2 kilómetros.
¿Qué es potencia?
Potencia = Trabajo/Tiempo
La potencia es la velocidad a la que realiza el trabajo en una maquina, por ejemplo el camión anterior realiza el trabajo de acarrear 400 toneladas por 2 kilómetros en 5 minutos.
La potencia mide la rapidez con que se hace un trabajo.
El tractor durante un día de trabajo empujara rocas, tierra de diversos tamaños, lo empujara de subida de bajada y necesitará que la fuerza se adecue a la carga, para eso requiere que el torque varié constantemente y aquí es donde trabaja el tren de fuerza.
¿Qué es el tren de fuerza?
El tren de fuerza es el conjunto de componentes que se encargan de transmitir la potencia desde el motor diésel hacia las ruedas o cadenas para propulsar las máquina.
Además, el tren de potencia permite la variación de la velocidad y toque que requiere el equipo.
Cuáles son las funciones del tren de fuerza
- Conectar y desconectar la potencia del motor que van hacia las ruedas.
- Modificar la velocidad y el par o torque.
- Ofrecer una marcha de retroceso.
- Regular la distribución de potencia a las ruedas de mando para lograr que el vehículo gire.
Tipos de trenes de fuerza
Existen diferentes tipos de tren de fuerza en maquinaria pesada, veamos los más importantes a continuación:
- Tren de fuerza mecánico o servotransmisión
- Tren de fuerza eléctrico
- Tren de fuerza hidrostático
Tren de fuerza mecánico
Este sistema es utilizado en camiones mineros, tractores de orugas, motoniveladoras, cargadores frontales y retroexcavadoras.
Características
- El sistema multiplica el torque.
- El motor no se apaga ante sobre cargas
- Tiene un mayor consumo de combustible
- Es menos eficiente ya que tiene perdidas por calor.
Componentes del tren de potencia mecánico
Modulo de control electrónico
El tren de fuerza es controlado por el Módulo de Control Electrónico (ECM de transmisión), esta computadora recibe información de la palanca de cambio, sensores, interruptores y envía señales a los solenoides para el correcto funcionamiento del sistema.
Convertidor de par
El convertidor de par tiene la función de multiplicar el torque que recibe del motor y lo entrega a la transmisión.
Un convertidor de par ofrece una conexión fluida, (no mecánica), entre el motor y la transmisión eso brinda la siguiente ventaja: Cuando hay una sobrecarga en la maquina el motor no se apaga.
Un tren de fuerza mecánico como el de un auto tiene embrague (en lugar de convertidor), cuando sometes al auto a una sobrecarga como una subida empinada el motor tiende a apagarse, esto sucede porque las sobrecarga es más alta que la fuerza que entrega el motor y apaga el motor.
Existe diferentes tipos de convertidores de par, eso depende de la aplicación, a continuación veremos los diversos tipos de convertidor y sus aplicaciones.
Transmisión
Es la encargada de variar la velocidad con la que se desplaza una maquina, al igual que un auto tiene diversos cambios.
La transmisión esta diseñada para entregar más torque en la marchas bajas y menos velocidad, en los cambios mayores más velocidad y menos torque.
La transmisión está conformada por varios paquetes planetarios
Conoce su funcionamiento a continuación
Diferencial
Una vez recibida la potencia de la transmisión el diferencial lo divide y lo entrega a lo semiejes, el par se divide forma igual (50% – 50%) cuando las ruedas están en línea recta y ambas ruedas giran a la misma velocidad.
Ahora Imagina un auto o equipo entrando a una curva, en ese momento la rueda que esta más cerca de la curva gira a menos velocidad que la rueda externa y aquí es donde trabaja el diferencial.
Como su nombre indica el diferencial divide la potencia de acuerdo a la resistencia de giro de cada rueda. Cuando una rueda o neumático presenta una determinada resistencia disminuye su velocidad y automáticamente el diferencial aumenta la velocidad de la otra rueda.
Por ejemplo ¿alguna vez viste una carro atollado en el barro o arena? En el momento que aceleras el auto una de las ruedas posteriores gira a toda velocidad y la otra permanece inmóvil, esto es debido a que la rueda que esta inmóvil tiene una gran resistencia al giro y esta frenada por el barro, entonces el diferencial desvía toda la potencia a la otro neumático.
El diferencial trabaja generalmente en las curvas desviando proporcionalmente la potencia en las ruedas si una tiene gira a 40% la otra girará a 60%, esto permite una mayor estabilidad en los vehículos y una conducción segura.
Mandos finales
Los mandos finales realizan la última reducción de velocidad para incrementar el torque final, esto lo realiza a través de engranajes tipo planetarios.
Ejemplos de tren de fuerza maquinaria pesada
A continuación veremos equipos pesados que utilizan un sistema de propulsión o tren de fuerza mecánico.
Tren de fuerza cargador frontal
El tren del fuerza mecánico de un cargador frontal esta conformado por los siguientes componentes:
- Motor diésel.
- Convertidor de par.
- Eje de mando de entra o cardan.
- Caja de transferencia de entrada.
- Transmisión.
- Caja de transferencia de salida.
- Eje de mando frontal.
- Eje de mando posterior.
- Diferencial delantero y posterior.
- Mandos finales.
Tren de fuerza tractor de orugas
Los componentes del tren de fuerza del tractor de oruga esta conformado por los siguientes componentes:
- Motor diésel.
- Divisor de par.
- Cardan o eje cardánico.
- Transmisión.
- Caja de engranajes de transferencia.
- Embragues de dirección y frenos.
- Mandos finales.
Tren de fuerza tractor de motoniveladora
La motoniveladora tiene un tren de fuerza mecánico que esta conformado por los siguientes componentes:
- Motor diésel.
- Convertidor de par.
- Cardán superior.
- Caja de transferencia superior.
- Transmisión
- Caja de transferencia de salida..
- Cardan inferior.
- Diferencial.
- Mandos finales.
Tren de fuerza eléctrico
El tren de fuerza eléctrico es utilizado en cargadores frontales, perforadoras y camiones mineros.
Características
- Menos consumo de combustible.
- Mantenimientos mas baratos.
- No requiere caja de cambios.
- Menos componentes.
El tren de fuerza eléctrico esta conformado por los siguientes componentes.
Partes del tren de fuerza eléctrico
Generador eléctrico
El generador esta conectado al motor diésel y es el encargado de convertir la energía mecánica en energía eléctrica. El generador Suministra voltajes de CA de tres fases al gabinete del inversor.
Sistemas eléctricos de control y protección
Es el encargado de controla los motores de tracción, contiene los dispositivos de entrada de estado del sistema y el inversor del soplador de la red de retardo.
Rectificador
Es el encargado de convertir la corriente alterna en corriente continua. que es utilizado por los dispositivos de entrada.
Inversor
Convierte la corriente continua a corriente alterna, pero con un voltaje y frecuencia variable, (una señal PWM). Esto permite variar la velocidad del motor eléctrico de acuerdo a los requerimientos del operador.
Motores eléctricos de tracción
Los motores eléctricos convierten la energía eléctrica en mecánica y están unidos a los mandos finales. Los motores eléctricos se convierten en generadores cuando se activa la función de frenado dinámico.
El freno dinámico permite utilizar la energía mecánica del vehículo en movimiento y convertirlo en energía eléctrica, toda la energía producida es disipada mediante unas parillas de resistencia, que convierten la energía eléctrica en calor.
Conjunto de red de retardo
Contiene los elementos del resistor de carga utilizados para la carga durante un enfrenado dinámico y para descargar el voltaje de la barra colectora del corriente CC. se utiliza un motor del soplador para enfriar los elementos resistores.
Mandos finales
Están unidos a los motores de tracción y realizan la última reducción de velocidad para incrementar el torque final, esto lo realiza a través de engranajes tipo planetarios.
Ventilador de enfriamiento.
Se utiliza para proporcionar flujo de aire de enfriamiento para los componentes del gabinete del inversor, del generador y de los motores de tracción.
Funcionamiento de tren de potencia eléctrico
El motor Diesel esta unido al generador, este convierte la energía mecánica en eléctrica CA, la corriente alterna es rectificada en corriente continua CC la cual es usada por los dispositivos de entrada.
La corriente continua es convertida en corriente alterna en los inversores, pero con la particularidad de que el voltaje y la frecuencia es variable, esto permite un adecuado control de los motores de tracción.
El frenado dinámico convierte a los motores de tracción en generadores, esto ocasiona que disminuya la velocidad del vehículo y se genere energía eléctrica que se dirige hacia las parrillas de retardo.
La energía es disipara en unas resistencias de gran tamaño y estas son enfriadas por un soplador.
Todo el sistema es enfriado por aire que es generado por un ventilador que es accionado por un motor hidráulico.
Tren de fuerza hidrostático
El tren de potencia hidrostático es utilizado en excavadoras, vibrocompactadores y palas hidráulicas.
Características del tren hidráulico
- El motor no se detiene por sobrecargas.
- No requiere caja de transmisión.
- Se tienen velocidades constantes de desplazamiento.
- La velocidad de los sistemas esta limitado por las perdidas o fugas internas del sistema.
¿Cuáles son los componentes del tren de fuerza hidráulico?
Este sistema esta conformado por los siguientes componentes.
- Bombas hidráulicas: Cuenta con 2 bombas de caudal variable, las bombas envían aceite al bloque válvulas de control.
- Sistemas hidráulicos de control y protección: Es un conjunto de válvulas direccionales, permiten variar la velocidad de desplazamiento y el sentido de giro. Las válvulas de alivio protegen el sistema de picos de presión originados durante la operación
- Motores hidráulicos: Los motores hidráulicos convierten la energía hidráulica en energía mecánica y están acoplados a los mandos finales
- Mandos finales: Están unidos a los motores de desplazamiento y realizan la última reducción de velocidad para incrementar el torque final, esto lo realiza a través de engranajes tipo planetarios.
Tren de potencia de una excavadora
El tren de fuerza de una excavadora hidráulica esta conformada por los siguientes componentes:
La excavadora cuenta con 2 bombas de desplazamiento variable, de pistones, que están acopladas al motor diésel, las bombas envían el flujo de aceite a las válvulas de control. El bloque de válvulas recibe señales de acuerdo a lo que requiere el operador y permiten el paso del aceite hacia los motores de desplazamiento.
Los motores de desplazamiento están unidos a los mandos finales y estos impulsan las cadenas de la excavadora.