Análisis de fallas en cables de grúas aéreas y factores que afectan su vida útil.

El cable de acero es uno de los componentes de elevación más utilizados. Ofrece una alta capacidad de carga, buena flexibilidad, movimiento suave y bajo nivel de ruido. Casi todas las grúas puente utilizan cable de acero para transportar cargas. Si un cable de acero se rompe repentinamente debido a una falla, las consecuencias pueden ser graves. Por lo tanto, el análisis de fallas en el cable de acero es importante tanto por razones de seguridad como económicas. Este artículo analiza los diversos factores que causan la falla del cable de acero en las grúas puente para ayudar a prolongar su vida útil.

1. Resistencia y elongación del cable de acero de la grúa puente

Por diseño, la resistencia máxima a la rotura de un cable de acero es inferior a la resistencia conjunta de todos sus alambres. Esto se relaciona con la construcción del cable y el grado de rendimiento de todos los alambres que lo componen. Al diseñar un cable de acero, deben considerarse todos los factores de carga, incluyendo cargas adicionales, aceleración, desaceleración, velocidad del cable y otros factores. También deben tenerse en cuenta el número, la disposición estructural y el método de instalación de las poleas y el tambor, junto con las condiciones que provocan corrosión y desgaste, y la longitud del cable.

Los alambres de un cable de acero suelen estar fabricados con acero estructural al carbono de alta calidad, con un contenido de carbono de entre 0,51 TP1T y 0,81 TP1T. El módulo de elasticidad del cable es de aproximadamente 1,6 × 10⁵ N/mm². Este módulo mide la elongación que pueden experimentar los alambres bajo carga.

Cuando un cable de acero se somete a carga, sus alambres se mueven entre sí al ajustar sus posiciones para alcanzar un estado estable que corresponda a la carga aplicada. Esto produce dos tipos de elongación. Cuando un cable de acero soporta una carga por primera vez, los alambres se reordenan ligeramente y producen una elongación permanente, conocida como elongación estructural. Al mismo tiempo, también se produce una elongación recuperable, conocida como elongación elástica. La elongación estructural depende, en cierta medida, de la magnitud de la carga aplicada.

Cuanto menor sea el diámetro de los alambres en un cable, menor será el momento flector necesario para doblarlos y mayor será la flexibilidad del cable. Los cables de acero con mayor número de alambres y los cables de acero con núcleo de fibra generalmente presentan mayor flexibilidad. Los cables de acero totalmente metálicos, con menos alambres, tienen menor flexibilidad, mientras que los primeros suelen tener mayor elongación que los segundos. Una mayor flexibilidad proporciona mayor resistencia a la rotura.

2. Poleas para grúas puente

La dimensión de la polea principal generalmente se expresa utilizando el diámetro de la polea en la parte inferior de la ranura de la cuerda más el diámetro del cable de acero como el diámetro mínimo de enrollamiento. A medida que polea de grúa A medida que disminuye la tensión, aumentan las tensiones causadas por la flexión y la presión de contacto entre el cable y la polea. Cuanto mayor sea la tensión de flexión, más rápido se fatigan los alambres del cable. El aumento de la tensión de contacto también acelera el deterioro del cable y el desgaste de la polea.

A medida que la polea aumenta de tamaño, la presión entre el cable y la polea disminuye, al igual que el grado de flexión. Si solo se considera la tensión de flexión, el diámetro de la polea para un cable de acero de contacto puntual 6×19 puede aumentarse hasta 90 veces el diámetro del cable para prolongar su vida útil. Sin embargo, salvo en equipos especiales, las poleas de un diámetro tan grande rara vez se utilizan en la práctica por dos razones:

1. Una polea de ese tamaño resulta poco práctica para la mayoría de los equipos de elevación.
2. La flexión rara vez es el único factor presente en cualquier condición de funcionamiento.

En la práctica, además de la flexión, muchos otros factores afectan la vida útil de un cable, como la tensión repetida, el desgaste, el golpeteo, los impactos, las vibraciones, la torsión, la velocidad de rotación, el enrollado incorrecto del tambor, la corrosión y el mantenimiento insuficiente. Uno o más de estos factores pueden tener un mayor impacto en la vida útil del cable que el tamaño de la polea.

El tamaño óptimo de la polea debe determinarse considerando la seguridad, la economía de operación y otros factores. Sin embargo, la alta presión entre los alambres en los puntos de contacto del cable, junto con la elevada tensión de flexión que se produce cuando el cable pasa por una polea pequeña, puede contribuir a daños y roturas en el cable. En estas condiciones desfavorables, las roturas de alambre suelen producirse entre los puntos de contacto de los cordones adyacentes. Estas roturas suelen ser difíciles, o incluso imposibles, de detectar mediante una inspección externa.

Por lo tanto, para equipos con otros requisitos de seguridad estrictos, se deben seleccionar poleas de mayor tamaño para que el proceso de deterioro de la cuerda se desarrolle de forma más gradual y el daño se produzca en la superficie de la cuerda, donde es más fácil detectarlo y evaluarlo.

3. Ranuras para cables de poleas de grúas puente

Para que un cable de acero funcione de forma óptima, la ranura de la polea debe tener un diámetro suficientemente grande para mantener un espacio libre adecuado alrededor del cable. El diámetro de la ranura no puede ser constante. Su variación depende principalmente del cable de acero y, en gran medida, del material de la polea y de la presión aplicada.

Debido al desgaste continuo de la ranura, esta suele reducirse de tamaño cuando el cable de acero se acerca al final de su vida útil. Esto genera un problema: cada vez que se instala un cable nuevo, sería necesario volver a mecanizar la ranura o reemplazar la polea. Sin embargo, en la práctica, volver a mecanizar la ranura o reemplazar la polea resulta antieconómico.

Al mecanizar una ranura, generalmente se repara primero la brida y luego se mecaniza el fondo de la ranura al diámetro adecuado. Si solo se mecaniza el fondo de la ranura, el ángulo de la garganta junto al fondo puede quedar demasiado pequeño para proporcionar la holgura suficiente, lo que aumenta considerablemente el desgaste del cable.

4. Presión del cable de la grúa puente

Además de la tensión de flexión que se produce al pasar el cable por una polea, el cable de acero está sometido a una presión radial causada por el contacto con la polea. Esta presión genera tensión cortante en el cable, modifica su estructura y afecta la tasa de desgaste de la ranura de la polea. Por lo tanto, al seleccionar la construcción de cable de acero más adecuada, se debe considerar la magnitud de la presión radial y la resistencia al desgaste del material de la polea.

5. Tambores para grúas puente

El tambor de grúa Las dimensiones, el perfil de la ranura y la presión son similares a las condiciones descritas anteriormente para las poleas.

Cuando un tambor tiene una superficie lisa, la presión radial real es relativamente alta porque el cable de acero solo está apoyado en un lado y su área periférica queda sin soporte. Con este tipo de tambor, tanto el cable como el tambor se desgastan más que con un tambor ranurado, y el cable se daña con mayor facilidad por la presión.

Cuando la tensión de flexión es el factor principal que afecta la vida útil del cable, el diámetro del tambor puede ser ligeramente menor que el de la polea. Esto se debe a que, durante el movimiento en una dirección, el cable se dobla dos veces sobre cada polea, pero solo una vez sobre el tambor. La primera flexión se produce al acercarse a una polea, donde cambia de una línea recta a la curvatura de la misma. La segunda flexión se produce al enderezarse nuevamente al salir de la polea.

En algunos casos, el recorrido de la cuerda es corto. Cuando parte de la cuerda se mueve hacia adelante y hacia atrás sobre el tambor sin pasar por una polea, se reduce el número de ciclos de flexión y la falla progresa más lentamente.

Cuando se utiliza un tambor ranurado, un perfil de ranura adecuado ayuda a mantener la cuerda enrollada en la posición correcta. Es importante mantener una separación apropiada entre las ranuras para que las vueltas de cuerda adyacentes tengan suficiente espacio libre, pero no excesivo. Esto evita que la cuerda que se está enrollando en el tambor se amontone o roce con la cuerda ya enrollada.

En el caso del bobinado multicapa, la distancia entre los ejes centrales de las ranuras debe ser suficiente para evitar que los cables de acero se toquen entre sí en el ángulo de flotación máximo.

6. Otros factores de falla

1. Corrosión: La corrosión es una causa común de fallas en los cables de acero. La atmósfera corrosiva generada por el entorno operativo puede tener un efecto significativo en la vida útil del cable.
2. Carga de impacto y vibración: La aplicación de cargas de impacto a un cable de acero y su posterior vibración generan esfuerzos de flexión elevados y de alta frecuencia. El efecto de la vibración es particularmente severo en el extremo del cable y puede provocar fatiga del material.
3. Temperatura excesiva: Si un cable de acero funciona a una temperatura excesivamente alta, puede fallar debido a que su resistencia a la tracción disminuye.

El análisis de fallas anterior muestra que la falla del cable de acero de las grúas aéreas suele ser el resultado de la acumulación combinada de múltiples factores. En una investigación de fallas real, se deben analizar exhaustivamente los factores, distinguir su importancia relativa e identificar la causa principal de la falla para ayudar a prolongar la vida útil del cable de acero.

Zora Zhao

Experto en soluciones de piezas para grúas aéreas, grúas pórtico, grúas giratorias y grúas

Con más de 10 años de experiencia en la industria de exportación de grúas en el extranjero, he ayudado a más de 10 000 clientes con sus preguntas e inquietudes de preventa. Si tiene alguna necesidad relacionada, no dude en ponerse en contacto conmigo.

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