domingo, 11 de junio de 2017

Diseño de Cabrestantes de Varadero.


Un cabrestante, cabestrante o cabestante es un dispositivo mecánico, rodillo o cilindro giratorio, de eje vertical impulsado manualmente o por un motor sobre el que se arrolla un cable, una cuerda o una maroma, que sirve para arrastrar, levantar y/o desplazar objetos o grandes cargas. 

Los malacates eran máquinas de tipo cabrestante, de eje vertical, muy usadas en las minas, en los carros varaderos y en los barcos  que inicialmente tenían un tambor en lo alto del eje, y en su parte baja unas barras a las que se enganchan las caballerías o se aplicaba la fuerza humana   que lo movían. Posteriormente pasaron a utilizar energía eléctrica y el tambor se dispuso en posición horizontal adoptando la forma constructiva de un chigre, si bien la denominación de cabrestante de varadero se mantuvo.
  


1.- Varaderos.

Los varaderos son una de las infraestructuras portuarias que prestan servicios de reparación y mantenimiento a las embarcaciones. Normalmente constan de una rampa con raíles que se extiende desde la tierra hasta mar adentro sobre la que desliza una o varias camas (o carros) con ruedas móviles unidas por un cable, a un cabrestante (chigre) que los controla.

Hay dos tipos fundamentales de carros; los de tipo plano y los de contrapendiente. En este último el carro permanece paralelo a la línea de flotación del buque facilitando los trabajos de reparación del buque.


El tiro que debe realizar el carro para subir el buque se obtiene como:

F = Pt + Fr + Fv         siendo ;      Ft = Componente horizontal del peso
                                                     Fr = Fuerza pasivas en el carro
                                                     Fv = Fuerza del viento
                                                                      

·     La componente horizontal del peso a subir es de fácil cálculo aplicando;

 Pt = (Pb + Pc) . sen α,    siendo Pb el peso del buque, Pc el peso del carro y α el ángulo de la rampa

·    Las fuerzas pasivas son principalmente las de  rozamiento y la deformación de la rueda en el carril.  A efectos prácticos se considera:

Fr =  P . cos α ( w + fc. r + fr ) / R / d ,   siendo w el efecto del desplazamiento de la normal, fc el coeficiente de rozamiento del cojinete de la rueda , fr el coeficiente de rozamiento de la rueda con el carril, R el radio de la rueda, r el radio del eje de la rueda, y d el descentre de la carga.

El descentre de la carga se suele suponer de 2/3 y para la deformación, w,  se acepta 0,5% del radio de la rueda.

·    La fuerza del viento dependerá de su orientación, de la presión dinámica, de la superficie expuesta del buque y de su coeficiente aerodinámico.

Fv = S .q . c,     siendo S la superficie expuesta, q la presión dinámica y c el coeficiente aerodinámico .


2.- Cabrestante de varadero

El cabrestante de varadero se compone de un carretel donde se aloja el cable, un sistema de accionamiento que proporciona el tiro requerido, un sistema de estibado encargado de colocar ordenadamente el cable en el carretel y un chasis que soporta todo el conjunto. 

En la foto se puede ver un cabrestante para 1300 m. de cable de 40 mm de diámetro y un tiro de 80 Ton en primera capa diseñado por Carral Design y fabricado por Hidrofersa S.L.en el año 2016. 


Los parámetros principales que definen un chigre son el tiro nominal, la velocidad de izada y la capacidad del carretel.

El tiro nominal necesario en el cabrestante será el resultado de dividir el tiro en el carro entre el número de reenvíos y del rendimiento de estos. En el esquema adjunto se muestra el caso de un solo reenvío, pero lo normal son tres o más. Si se prevé la dificultad de la desvarada, por la poca pendiente del carro, se coloca una polea de desvarada en el final de la grada.


La velocidad media de izada dependerá de la longitud total de cable y el tiempo deseado de duración de la varada. A partir de estos dos valores podemos determinar la potencia del motor de accionamiento aplicando la fórmula:

     P = 0,23 . T . v  / η       siendo; T la tracción, v la velocidad y η 
                                                         el rendimiento del conjunto

Este rendimiento dependerá del tipo de reductor empleado. Viene indicado en los catálogos de los fabricantes.

El accionamiento se compondrá de un motor asíncrono, un variador de frecuencia y una reductora de engranajes. La reductora de engranajes debe tener una relación de trasmisión tal que consigamos las revoluciones necesarias en el carretel obtenidas a partir de:

     N =  v  /  (π . Dm)    siendo; v la velocidad media y Dm el diámetro                                                           medio.

El carretel debe tener unas dimensiones tales que pueda albergar todo el cable, podemos comprobar su capacidad mediante la expresión:

C = L (D2 – d2) / 1350 / Ø2   siendo; L la longitud del carretel, D su diámetro exterior, d el diámetro interior y Ø el diámetro del cable

Aunque el motor eléctrico va dotado de un electro freno, el carretel suele incorporar su propio freno de cinta de control manual o automático. Por motivos de seguridad su capacidad de retenida suele ser de 1,5 a 2 veces superior al tiro del cabrestante.


Finalmente el sistema de estibación normalmente se compone de un carro con dos rodillos que van guiando el cable. El desplazamiento de los rodillos debe estar sincronizado con el giro del carretel de modo que para cada vuelta del carretel el avance del rodillo sea un poco mayor que el diámetro del cable. Así se garantiza que el cable se arrolla ordenadamente en el carretel sin que se solapen sus capas aumentado su vida útil y facilitando la desvarada.