Alineamiento del barril, un factor crítico en el desgaste de la extrusora

Artículo presentado por la Sociedad de Ingenieros Plásticos, SPE, en ANTEC 2005.

La mayor parte de las extrusoras de tornillo sencillo tiene cuatro componentes principales: la caja de engranajes, la garganta de alimentación, el barril y el tornillo. La caja de engranajes, los cojinetes de carga axial, y el eje, generalmente forman una sola unidad. El eje sirve de soporte y gira el tornillo, el cual constituye la línea central del eje de rotación. Para alcanzar y mantener un nivel óptimo de eficiencia en la máquina, la distancia entre el barril y el tornillo debe ser mínima. La distancia radial Cr típica entre el tornillo y el diámetro interno I.D. del barril, se muestra en la figura 1 y se puede calcular a partir de la ecuación 1 (2)

Cr = 0.01 * Db (1)

Donde Db es el diámetro interno nominal del barril. Si alguno de los componentes no está alineado con respecto a la línea central del eje, habrá contacto entre el tornillo y el barril. Eso producirá un desgaste excesivo y ampliará la distancia entre las partes, lo que hará ineficiente el proceso. Además, si la distancia entre el barril y el tornillo se hace muy grande, se puede presentar flexión en el tornillo, lo que después de muchos ciclos producirá fatiga en el material y la subsiguiente ruptura del tornillo (3).

Es frecuente escuchar que siempre y cuando la extrusora esté nivelada, los elementos internos también lo estarán. Esta afirmación es falsa, pues si bien es una buena costumbre nivelar el equipo, esto no implica que los elementos internos estén alineados. Así mismo, al comprar una máquina nueva tampoco hay garantía de que se encuentre alineada, pues aunque los proveedores se esfuercen por alinearla, el transporte puede cambiar las condiciones de las piezas y generar desviaciones (2). La única forma de asegurarse de que la extrusora está alineada es empleando el equipo adecuado para medir la alineación.

La figura 2 muestra cómo se puede verificar el alineamiento de una extrusora típica. Para esto, se monta un visor en el eje exterior de la caja de engranajes, se centra en el orificio de la caja de engranajes y se ajusta a la línea central de la misma. Por otro lado, se fija un punto u objetivo en el centro del barril en el extremo de descarga. Dependiendo del equipo que se emplea y en la precisión del mismo, se puede leer la desviación del extremo de descarga del barril con respecto al eje de rotación de la caja de engranajes.

Sistema óptico vs. Sistema láser
Los dos métodos principales para medir el alineamiento de una extrusora son el método óptico y el láser. El sistema óptico, el más común por ser económico y fácil de usar, emplea un telescopio de precisión que establece una línea base de medición. El telescopio cuenta con una marca en la mitad del campo de visión. Al final de la extrusora se coloca un punto u objetivo que se puede observar con el telescopio. Con un micrómetro es posible desplazar el telescopio en sentido horizontal y vertical hasta que la marca en la mitad del campo de visión coincida con el punto al final de la extrusora. El operario lee el cambio de elevación del telescopio a partir de la referencia inicial y esa es la desviación. Dependiendo del tipo de equipo y de la experiencia del operario, la precisión típica de un sistema óptico es de 0.25 mm en 30 m.

Por su parte, el sistema láser ha tomado fuerza en los últimos 10 años debido a la precisión que ofrece y a la reducción en el tiempo de alineación de la extrusora. Además, la mayoría de estos sistemas exportan los datos a un computador para evitar así errores humanos en la medición. El principio de operación es el mismo que el del método óptico, pero emplea un láser que se alinea con el eje central de la caja de engranajes y que luego detecta un objetivo sensible a la luz colocado al otro extremo de la extrusora, registrando la desviación de este con respecto a la línea central. La precisión de estos sistemas es, generalmente, 0.025mm en 30 m. Hay que tener en cuenta que los sistemas láser son muy exactos en distancias cortas, pero a medida que aumenta la distancia se pierde exactitud debido a la calidad del láser. La figura 3 muestra un sistema láser.

Ambos sistemas pueden medir de manera acertada desviaciones entre la caja de engranajes y el barril, y se pueden adaptar para tomar medidas de crecimiento térmico del barril, instalando puntos objetivos en el exterior del mismo.

Soporte del barril
La mayoría de las extrusoras tienen al menos un soporte del barril que lo mantiene en su lugar y previene que se doble o ceda debido a su propio peso. Estos soportes también tienen una forma de ajuste que se usa durante el proceso de alineamiento para compensar las desviaciones. El soporte del barril debe ser robusto para soportar el barril pero también debe tener algún grado de ajuste. Un soporte de barril diseñado y mantenido correctamente permite que el barril se mueva libremente durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento. Sin embargo, si el soporte del barril es mantenido en forma incorrecta restringirá el movimiento del barril en los planos diametral y/o horizontal, lo que puede llevar a un incremento en el desgaste del tornillo y el barril. Así mismo, unas condiciones de desviación excesivas causadas por un mal diseño del soporte del barril pueden provocar fallas catastróficas en los componentes críticos.

Ejemplo
Para ilustrar la forma de evaluación del alineamiento de una extrusora, se aplicó un procedimiento de este tipo a una extrusora de 114.3mm de diámetro, con una relación L/D de 30 y una distancia radial entre barril y tornillo entre 0.114 y 0.127mm por cada lado. En este caso se estudiaron, con un sistema óptico, las desviaciones en el equipo en frío y cuando la extrusora se llevaba a la temperatura de operación. También se estudió el crecimiento térmico.

Resultados
La figura 4 muestra la desviación en la dirección vertical con respecto a la línea central. Las lecturas muestran una elevación de 0.31mm en la mitad del barril, arriba del soporte. Esta desviación es más de dos veces la distancia radial, lo que hará que el OD del tornillo haga contacto con el ID del barril.

La figura 5 ilustra la desviación en la dirección horizontal con respecto a la línea central. Las lecturas muestran una desviación máxima de 0.08mm, lo que es aceptable dentro de un rango.

La figura 6 muestra las desviaciones verticales del barril en frío y caliente. El crecimiento térmico es consistente en todo el barril en la dirección vertical.

La figura 7 muestra los mismos resultados pero en la dirección horizontal. Se observa un crecimiento térmico de 0.49mm en esta dirección, que es consistente en todo el barril, excepto en el extremo de descarga donde la lectura es 0.13mm.

Discusión
El ejemplo muestra que el alineamiento en la dirección vertical excede la distancia radial entre el tornillo y el barril. Si esta situación no se corrige, ambas partes entrarán en contacto y se producirá un desgaste excesivo de ellas. Sin embargo, el cambio de alineamiento cuando la extrusora se encuentra a las condiciones de operación es más importante. Los resultados de las figuras 6 y 7 sugieren que el soporte del barril puede estar restringiendo el barril en ambas direcciones, impidiendo que este se expanda cuando se calienta. Para evitar que el barril se deforme, este debe moverse en la dirección horizontal con el soporte y el movimiento vertical del barril no se debe restringir. Además, el soporte del barril se debe ajustar en ambas direcciones hasta que las desviaciones máximas sean menores a la distancia radial total.

Conclusiones
El alineamiento de las extrusoras como parte de un programa regular de mantenimiento preventivo puede aumentar el tiempo de servicio de lo componentes críticos. Tanto el sistema láser como el sistema óptico se pueden emplear en esta tarea. Una vez se ha establecido una línea base y se han evaluado el alineamiento entre la caja de engranajes y el barril es posible hacer ajustes al soporte del barril para corregir las desviaciones. Inspecciones y mantenimiento regular al soporte del barril, pueden evitar que este se deforme. Es recomendable que se realice un alineamiento de la extrusora cada vez que el barril se mueva o que la extrusora se reubique. La mayoría de los proveedores pueden suministrar datos de desviaciones máximas dependiendo del tamaño de la extrusora. Sin embargo, como regla general, la máxima desviación no debe exceder la distancia radial total entre el OD del tornillo y el ID del barril.