Guía de ingeniería de aplicaciones de Korea Ever-Power
Tornillo sin fin y rueda helicoidal para accionamientos de indexación de máquinas de embalaje.
Una sala de empaquetado con 12 máquinas funcionando simultáneamente debe mantenerse por debajo de 85 dB(A) para una exposición laboral de 8 horas. Cada máquina tiene un presupuesto de 78 dB(A). Cada máquina tiene entre 6 y 10 fuentes de ruido. El par de engranajes del accionamiento de indexación tiene una asignación de ruido de 65 a 68 dB(A), y el cumplimiento de este presupuesto depende de una especificación: el acabado superficial del tornillo sin fin.
Las máquinas de envasado —encartonadoras, encajadoras, formadoras-llenadoras-selladoras, envolvedoras flow-wrap y túneles de retracción— utilizan pares de engranajes helicoidales para los accionamientos de indexación que hacen avanzar el producto a través de la máquina en ciclos precisos de arranque-parada-arranque. El método de asignación del presupuesto de ruido es la herramienta de especificación que conecta el límite de ruido ocupacional de la sala de envasado (85 dB(A) según OSHA, 80 dB(A) según la Directiva de la UE) con la contribución de ruido de cada par de engranajes helicoidales. Con 6 a 10 fuentes de ruido por máquina, a cada fuente se le asignan de 65 a 68 dB(A), alcanzable con un tornillo sin fin rectificado a Ra 0,4 µm pero no con un tornillo sin fin dentado a Ra 1,6 µm (que produce de 70 a 76 dB(A)). Los accionamientos de indexación de envasado difieren de las aplicaciones de movimiento continuo en su ciclo de arranque-parada: de 60 a 200 ciclos de indexación por minuto crean picos de par de aceleración y desaceleración en cada ciclo, lo que requiere un factor de servicio de 1,5 a 2,0. Los pares de engranajes helicoidales de una sola entrada proporcionan retención de posición entre índices (la caja permanece en su lugar durante el llenado, el sellado o el etiquetado); los pares de dos entradas mejoran la eficiencia en estaciones de movimiento continuo donde no se necesita la retención de posición.
¿Por qué las máquinas de envasado utilizan pares de engranajes helicoidales para los accionamientos de indexación?
Una máquina de envasado mueve el producto a través de una serie de operaciones: armar la caja, colocar el producto en su interior, cerrar las solapas, pegar o sellar, imprimir un código de fecha y agruparlo en cajas. Cada operación requiere que el producto se detenga brevemente (de 50 a 200 milisegundos) mientras se realiza, para luego avanzar a la siguiente estación. Este movimiento de arranque, parada y avance se denomina indexación.
El sistema de engranajes helicoidales es el mecanismo de indexación preferido, ya que mantiene el producto fijo durante la fase de operación (autobloqueo), avanza suavemente durante la fase de transferencia (baja vibración) y se integra perfectamente dentro del bastidor de la máquina (orientación del motor a 90 grados). Estas tres características convierten al tornillo sin fin y a la rueda helicoidal en la opción estándar para la indexación de envases a velocidades de hasta 200 indexaciones por minuto.
El sistema de autobloqueo mantiene la cinta transportadora o la torreta fija entre las posiciones de referencia. El producto permanece posicionado con precisión debajo del cabezal de llenado, la barra de sellado o el aplicador de etiquetas sin necesidad de un freno o bloqueo mecánico independiente.
El contacto deslizante inherente del par de engranajes helicoidales produce una curva de aceleración suave sin la vibración por impacto de engranaje que generan los engranajes rectos o helicoidales en cada acoplamiento de diente; esto es importante porque la vibración en el momento de inicio del indexado puede cambiar la posición del producto en la caja o en la cinta transportadora.
Una nave de envasado con entre 8 y 20 máquinas debe mantenerse por debajo de los límites de ruido ocupacional para una exposición laboral de 8 horas. El ruido de engranaje deslizante del par de engranajes helicoidales es entre 8 y 15 dB(A) menor que el ruido de engranaje de engranajes rectos equivalentes, lo que representa una contribución significativa al presupuesto total de ruido de la nave.
Asignación del presupuesto de ruido: desde el límite de la sala hasta el objetivo del par de engranajes helicoidales
El método de presupuesto de ruido parte del límite reglamentario para asignar el ruido a cada componente individual. La lógica se basa en la regla de suma de decibelios: N fuentes idénticas de nivel L producen cada una un nivel combinado de L + 10 × log₁₀(N). En consecuencia, el nivel de cada fuente individual debe ser L_total − 10 × log₁₀(N).
La tabla que aparece a continuación muestra cómo varía el presupuesto de ruido del par de engranajes helicoidales en función del número de máquinas en la nave y de la normativa aplicada.
La tabla revela una información crucial: un par de engranajes helicoidales que es perfectamente aceptable en una nave de 4 máquinas con certificación OSHA (tornillo helicoidal dentado Ra 0,8 µm con un presupuesto de 71 dB) deja de cumplir con la normativa en una nave de 20 máquinas con certificación UE (que requiere un tornillo sin fin rectificado Ra 0,2 µm más una rueda de POM con un presupuesto de 57 dB). La misma especificación de par de engranajes helicoidales no se puede aplicar a todas las naves de envasado; el presupuesto de ruido depende de cuántas máquinas compartan el espacio. Los fabricantes de máquinas de envasado que venden a nivel mundial necesitan al menos dos grados de ruido para el par de engranajes helicoidales: estándar (Ra 0,4 a 0,8 µm) para naves pequeñas y medianas, y premium (Ra 0,2 µm + POM) para grandes naves reguladas por la UE.
Función de indexación de arranque y parada: par de aceleración y factor de servicio
Los sistemas de indexación de embalaje se diferencian de los sistemas de movimiento continuo en un aspecto fundamental: el motor acelera la cinta transportadora desde cero hasta la velocidad máxima, la desplaza un paso de indexación (de 50 a 300 mm) y luego la desacelera hasta cero, entre 60 y 200 veces por minuto. Cada fase de aceleración genera un pico de par de 1,5 a 2,5 veces el par de funcionamiento en estado estacionario, dependiendo de la masa del producto, el paso de indexación y el tiempo de aceleración.
Factor de servicio para el cálculo del impuesto de indexación. Los catálogos estándar de pares de engranajes helicoidales de servicio continuo asumen un funcionamiento en estado estacionario. El servicio de indexación requiere un factor de servicio de 1,5 a 2,0 aplicado al par de aceleración máximo (no al par promedio). Para una encartonadora que indexa a 150 ciclos por minuto con una masa de producto de 0,5 kg por estación y 20 estaciones en la cinta transportadora: la masa móvil total es de aproximadamente 10 kg más la masa de la cadena transportadora (típicamente de 5 a 15 kg). Con un tiempo de aceleración de 0,1 segundos a una velocidad de indexación de 0,5 m/s, el par de aceleración es aproximadamente 1,8 veces el par de funcionamiento por fricción. Con un SF 1,5 para el servicio de indexación, el par de engranajes helicoidales debe estar clasificado para 2,7 veces el par por fricción, casi tres veces el valor que sugeriría un cálculo ingenuo basado únicamente en la tensión de la correa.
Indexación con un solo punto de inicio frente a indexación con dos puntos de inicio. Las estaciones de indexación que requieren mantener la posición durante la fase de espera (cabezales de llenado, barras de sellado, aplicadores de etiquetas) requieren pares de engranajes helicoidales autoblocantes de un solo arranque. Las estaciones con movimiento continuo (transportadores de entrada, cintas transportadoras) pueden usar pares de dos arranques para lograr una eficiencia entre un 15 y un 25 % mayor. Una máquina de envasado típica tiene de dos a tres accionamientos de engranajes helicoidales de indexación (de un solo arranque) y de uno a dos accionamientos de movimiento continuo (de dos arranques); la especificación correcta es por estación, no por máquina.
Una empresa coreana de envasado por contrato de cosméticos que opera 8 máquinas de encartonado en una nave de envasado de 1200 m² recibió una citación por ruido de KOSHA (Agencia Coreana de Seguridad y Salud Ocupacional): 87,2 dB(A) de promedio ponderado en el tiempo en las estaciones de los operadores, superando el límite de 85 dB(A). La empresa investigó inicialmente la instalación de cerramientos acústicos alrededor de cada máquina, con un costo cotizado de 4500 USD por máquina (36 000 USD en total para las 8 máquinas). Antes de proceder, el ingeniero de mantenimiento midió el ruido de cada componente y descubrió que los pares de engranajes helicoidales en 6 de las 8 máquinas tenían un acabado tallado (Ra de 1,2 a 1,6 µm), contribuyendo cada uno con 72 a 76 dB(A). Sustituir todos los pares de engranajes helicoidales de indexación (18 pares en 6 máquinas) por pares rectificados (Ra 0,4 µm) redujo el ruido por máquina entre 6 y 8 dB(A), lo que redujo el TWA de la sala de 87,2 a aproximadamente 81 dB(A), muy por debajo del límite de 85 dB. Coste de la sustitución de los pares de engranajes helicoidales: 18 pares × 95 USD = 1710 USD. Se cancelaron las cabinas acústicas. Se logró el cumplimiento de la normativa de ruido por 1710 USD en lugar de 36 000 USD, lo que supone un ahorro del 95 %. La lección: antes de especificar cabinas acústicas a nivel de máquina para una sala de embalaje ruidosa, compruebe si los pares de engranajes helicoidales están tallados o rectificados. Una mejora del acabado superficial de los pares de engranajes helicoidales por sí sola puede solucionar el problema del ruido por el 5 % del coste de la cabina.
Casos de especificación de tres pares de engranajes helicoidales para máquinas de embalaje
Caso 1 — Encartonadora de cosméticos coreana: 120 cpm, sala de 8 máquinas, especificación basada en ruido
Un fabricante coreano de cosméticos por contrato especificó pares de engranajes helicoidales para 3 accionamientos de indexación por máquina de encartonado (indexador de la cinta transportadora principal, formador de cajas, cerrador de solapas) en 8 máquinas. Tasa de indexación: 120 cajas por minuto. Peso de la caja: 85 g (con producto). Masa de la cinta transportadora: 12 kg. Paso de indexación: 120 mm. Tiempo de aceleración: 0,08 segundos. Par de aceleración máximo: 28 N·m. SF para el servicio de indexación: 1,5. T_requerido: 42 N·m por accionamiento. Presupuesto de ruido con 8 máquinas en la nave: 66 dB(A) por fuente (límite OSHA de 85 dB). Par de engranajes helicoidales: arranque simple, módulo 2, distancia entre centros 50 mm, relación 20:1, Ra de tierra 0,4 µm. Ruido medido: 62 dB(A) por par — dentro del presupuesto de 66 dB(A) con un margen de 4 dB. Material: tornillo sin fin cincado, rueda de bronce fosforoso. Costo por par: 68 USD. Costo para 3 accionamientos × 8 máquinas = 24 pares: 1632 USD. Ruido Hall después de reemplazar los pares dentados con tierra: 81 dB(A) TWA — conforme.
Caso 2: Envasadora de blísteres farmacéutica japonesa: 180 cpm, adyacente a sala limpia, baja vibración.
Una empresa japonesa de envasado farmacéutico especificó pares de engranajes helicoidales para el accionamiento de indexación de termoformado de una envasadora de blísteres que operaba a 180 blísteres por minuto. La máquina estaba ubicada en una sala contigua a una sala limpia ISO Clase 8. Dos requisitos adicionales al embalaje estándar: baja vibración (la estación de termoformado es sensible al calor; la vibración provoca un calentamiento desigual del PVC) y documentación farmacéutica (certificados EN 10204 Tipo 2.2, grasa NSF H1). Par de engranajes helicoidales: arranque simple, módulo 2, distancia entre centros 50 mm, relación 15:1, rectificado Ra 0,4 µm, tornillo sin fin AISI 304, rueda de bronce fosforoso. Grasa sintética NSF H1. Vibración medida en la estación de termoformado: 0,03 mm/s RMS, dentro del límite de 0,08 mm/s que toleraba el proceso de conformado. Ruido: 60 dB(A) a 1 m. Coste por par: 125 USD (incluida la prima por documentación farmacéutica). reductor de engranajes helicoidales para embalaje Opciones diseñadas para aplicaciones de envasado con control de ruido y en entornos adyacentes a salas blancas.
Caso 3 — Máquina vietnamita para envolver bebidas con film retráctil: 80 cpm, precio competitivo, planta con 4 máquinas
Una empresa vietnamita de bebidas especificó pares de engranajes helicoidales para 2 accionamientos de indexación por máquina de envoltura retráctil (indexación de entrada e indexación de avance de película) en 4 máquinas. Tasa de indexación: 80 paquetes por minuto. Peso del paquete: 6 kg (12 botellas de PET de 500 ml). Paso de indexación: 250 mm. Tiempo de aceleración: 0,15 segundos. Par de aceleración máximo: 85 N·m (paquete pesado). SF para indexación: 2,0 (carga pesada, alta aceleración). T_requerido: 170 N·m. Presupuesto de ruido con 4 máquinas, OSHA 85 dB: 71 dB(A) por fuente, alcanzable con pares de engranajes helicoidales con acabado fresado a Ra 0,8 µm (medido 68 dB(A)). El mayor presupuesto de ruido eliminó la necesidad de un acabado rectificado, ahorrando aproximadamente 22 USD por par. Par de engranajes helicoidales: de un solo arranque, módulo 3, distancia entre centros 63 mm, relación 25:1, fresado Ra 0,8 µm. Material: tornillo sin fin cincado, rueda de bronce fosforoso. Coste por par: 58 USD. Coste para 2 accionamientos × 4 máquinas = 8 pares: 464 USD. Este caso demuestra que el método de presupuesto de ruido a veces justifica el acabado de tornillo sin fin fresado de menor coste; no todas las aplicaciones de embalaje requieren un acabado rectificado.
Preguntas frecuentes
P: ¿Cómo puedo medir la contribución de ruido de un par de engranajes helicoidales en una máquina existente?
Mida el ruido general de la máquina con todas las fuentes en funcionamiento (L_total). A continuación, detenga o desconecte el mecanismo de engranajes helicoidales (si es mecánicamente posible) y mida el ruido con todas las demás fuentes en funcionamiento (L_restante). La contribución del par de engranajes helicoidales se calcula mediante: L_gusano = 10 × log₁₀(10^(L_total/10) − 10^(L_restante/10)). Si no se puede aislar el par de engranajes helicoidales, utilice una medición de campo cercano con una sonda de intensidad sonora situada entre 50 y 100 mm de la carcasa del engranaje helicoidal; esto proporciona el nivel específico de la fuente con menor interferencia de otras fuentes. Compare el ruido medido del par de engranajes helicoidales con la asignación del presupuesto de ruido para la configuración específica de la sala.
P: ¿Aumenta el ruido del par de engranajes helicoidales con la velocidad de indexación?
Sí, el ruido de engranajes aumenta aproximadamente 3 dB(A) por cada duplicación de la velocidad de rotación. Un par de engranajes helicoidales que produce 62 dB(A) a 60 índices por minuto producirá aproximadamente 65 dB(A) a 120 índices por minuto y 68 dB(A) a 240 índices por minuto. Esta relación velocidad-ruido implica que el presupuesto de ruido puede cumplirse a baja velocidad, pero superarse a alta velocidad en la misma máquina. Las máquinas de envasado con capacidad de velocidad variable deben someterse a pruebas de ruido a la velocidad nominal máxima, no a la velocidad de funcionamiento típica; el presupuesto de ruido debe cumplirse en el peor de los casos.
P: ¿Puedo usar un servomotor con un par de engranajes helicoidales para la indexación del embalaje?
Sí, los servomotores con retroalimentación de encoder son cada vez más comunes para la indexación de empaques de alta precisión. El par de engranajes helicoidales proporciona la relación mecánica y el autobloqueo; el servomotor proporciona un control de posición preciso con perfiles de aceleración programables. Esta combinación elimina la necesidad de indexadores mecánicos accionados por leva (mecanismos de Ginebra, levas de barril) que están limitados a pasos de indexación fijos. Una combinación de servomotor y engranaje helicoidal puede cambiar el paso de indexación, el perfil de aceleración y el tiempo de permanencia mediante cambios en la receta del software, lo que permite un cambio rápido entre formatos de producto. El juego del par de engranajes helicoidales debe especificarse en el extremo más ajustado del rango (por debajo de 8 minutos de arco) cuando se utiliza con servomotores, ya que el bucle de posición del controlador del servomotor puede oscilar si el juego excede la configuración de la banda muerta del controlador.
P: ¿Cuánto suelen durar los pares de engranajes helicoidales de las máquinas de envasado?
Las máquinas de envasado suelen funcionar en uno o dos turnos (de 2000 a 4500 horas al año) con velocidades de indexación de 60 a 200 ciclos por minuto. A 120 ciclos por minuto y 3000 horas al año, el número de ciclos anuales es de aproximadamente 21,6 millones, una de las aplicaciones de engranajes helicoidales con mayor número de ciclos. A pesar de este alto número de ciclos, el par por ciclo es bajo (de 10 a 100 N·m normalmente), por lo que el daño por fatiga acumulado por ciclo es moderado. La vida útil de la rueda de bronce en estas condiciones es de 3 a 6 años, limitada más por el aumento del juego que afecta a la precisión de indexación que por el fallo de los dientes. La vida útil del tornillo sin fin de acero es de 8 a 15 años. La medición anual del juego es la principal herramienta de monitorización: planifique la sustitución de la rueda cuando el juego supere la tolerancia de posición de indexación de la máquina (normalmente de 0,1 a 0,3 mm en la cinta transportadora del producto).
P: ¿Existe alguna ventaja en cuanto al ruido al utilizar una rueda helicoidal de POM en lugar de bronce en el embalaje?
Las ruedas helicoidales de POM producen entre 8 y 12 dB(A) menos ruido que las de bronce a la misma velocidad y carga; la amortiguación del material absorbe la energía de vibración de la malla. Para máquinas de envasado que operan en grandes naves reguladas por la UE, donde el presupuesto para el par de engranajes helicoidales es inferior a 60 dB(A), una rueda de POM combinada con un tornillo sin fin rectificado o lapeado (Ra 0,2 a 0,4 µm) puede alcanzar entre 48 y 55 dB(A), lo que se ajusta perfectamente a los presupuestos más ajustados. La desventaja es la vida útil de la rueda: el POM dura entre 1,5 y 3 años en operaciones de indexación de envases, frente a entre 3 y 6 años para el bronce. Con los bajos pares típicos del envasado (de 10 a 80 N·m), el POM es mecánicamente adecuado; la carga se encuentra dentro del límite de tensión de contacto del POM. La diferencia de coste por rueda (de 4 a 8 USD para el POM frente a entre 15 y 25 USD para el bronce) favorece aún más al POM como una solución de ruido rentable, a pesar del ciclo de reemplazo más corto.
Los pares de engranajes helicoidales de las máquinas de embalaje operan en la intersección de la regulación del ruido y la precisión de indexación. El método de asignación del presupuesto de ruido —que trabaja hacia atrás desde el límite ocupacional de la nave, pasando por el número de máquinas y fuentes, hasta el objetivo de contribución de cada par de engranajes helicoidales— determina si se requiere un acabado superficial tallado, rectificado o lapeado. Una nave con 4 máquinas que cumplen con los límites de OSHA puede aceptar pares tallados con Ra 0,8 µm; una nave con 20 máquinas que cumplen con los límites de la UE puede exigir pares lapeados con ruedas de POM con Ra 0,2 µm. El trabajo de indexación a 60 a 200 ciclos por minuto acumula millones de ciclos de arranque y parada por año, lo que requiere factores de servicio de 1,5 a 2,0 aplicados al par de aceleración máximo, no al par de funcionamiento promedio. La especificación es por estación: las estaciones de indexación necesitan pares de engranajes helicoidales autoblocantes de arranque simple; las estaciones de movimiento continuo se benefician de la eficiencia de arranque doble.
Para los fabricantes de máquinas de embalaje, nuestro departamento de ingeniería realiza el cálculo del presupuesto de ruido para la configuración de su nave y recomienda el grado de acabado superficial. Catálogo estándar Conjuntos compactos de engranajes helicoidales barco con acabado tallado, rectificado y lapeado con opciones de ruedas de bronce y POM con distancia entre centros de 40 a 80 mm. Enviar un Especificación de accionamiento del embalaje con índice de refracción, peso del producto, tamaño de la sala y límite de ruido.
¿Cómo especificar pares de engranajes helicoidales para la indexación de máquinas de envasado?
Indique la tasa de indexación (cpm), el peso del producto, el número de máquinas en la nave, la normativa sobre ruido (OSHA, UE, Corea) y si el accionamiento es indexado o de movimiento continuo. Calcularemos el presupuesto de ruido y le recomendaremos el acabado superficial y el material de la rueda adecuados.
Editor: Cxm
