Sistema de detección en línea del desgaste del reborde de las ruedas de las grúas puente y de análisis del acoplamiento entre la rueda y el carril
📋 El sistema de detección en línea del desgaste del reborde de las ruedas de los trenes aéreos utiliza un sensor láser de contorno 2D para escanear la banda de rodadura y el contorno del reborde de las ruedas, con una precisión de ±0,1 mm en la medición del espesor del reborde, y combina el modelo de contacto Hertziano entre rueda y carril para predecir la vida útil restante de las ruedas.
El desgaste del reborde y de la banda de rodadura de las ruedas de los carros de puente son las principales causas del desgaste de los carriles, los ruidos anómalos durante la marcha y el desgaste prematuro de las ruedas. Referencias para el diseño y la evaluación de la vida útil de las ruedas:GB/T 3811-2008 «Norma de diseño de grúas»Según la norma GB/T 4621-2006 sobre la medición del espesor del reborde de las ruedas, los métodos tradicionales consisten en medir manualmente el espesor del reborde y el diámetro de la banda de rodadura con un calibre de vernier, lo que requiere detener el tren y realizar operaciones de desplazamiento de la carrocería, lo que supone un gran esfuerzo físico y limita el número de puntos de medición (normalmente solo se miden entre 2 y 4 puntos por vía). El sistema KL-WHEEL-LASER instala un sensor de perfil láser 2D en el extremo de la vía; cuando el vagón pasa por allí, escanea automáticamente el perfil completo de la banda de rodadura y el reborde de cada juego de ruedas, con un tiempo de adquisición de tan solo 0,2 segundos por medición, con una precisión de ±0,1 mm en el espesor del reborde y de ±0,3 mm en el diámetro de la banda de rodadura.
Principios de la inspección de contornos por láser
El sistema de Krude Heavy Industry instala en el extremo del carril dos sensores de perfil láser 2D (Keyence LJ-X8060, láser azul de 405 nm, precisión de repetición en el eje Z de 0,4 μm), alineados respectivamente con la banda de contacto entre la banda de rodadura de la rueda y el carril, y con el lado exterior del flanco de la rueda. Cuando el vagón atraviesa la zona de inspección a baja velocidad (entre 0,1 y 0,3 m/s), cada sensor recopila datos de la sección transversal del perfil de la rueda a una frecuencia de 200 Hz. El encoder activa un muestreo equidistante para garantizar que se obtengan al menos 50 datos de perfil transversal de cada rueda. El sistema extrae los parámetros clave de la nube de puntos del perfil: espesor del reborde (medido a una altura de 12 mm respecto a la línea de referencia de la banda de rodadura, según la norma GB/T 4621-2006), diámetro de la banda de rodadura (ajuste mediante el método de mínimos cuadrados), profundidad de desgaste de la banda de rodadura (en comparación con el perfil de referencia original) y ángulo del reborde (70° según la norma).
Los datos de inspección se comparan automáticamente con el historial para generar una curva de tendencia. Cuando el desgaste del grosor del reborde es superior al 30% del grosor inicial, el diámetro de la banda de rodadura se reduce en más de 5 mm o el ángulo del rebordeSe activa una alerta cuando el ángulo es inferior a 65°. El funcionamiento es totalmente automático y no requiere intervención humana; cada paso por el sistema completa un ciclo de inspección. El sistema es capaz de reconocer los parámetros de más de 8 modelos de ruedas y ajustar automáticamente los umbrales de inspección.
Análisis del acoplamiento rueda-carril y predicción de la vida útil
El comportamiento de contacto entre la rueda y el carril se modela mediante la teoría de contacto de Hertz: la zona de contacto es elíptica, y sus semiejes mayor a y menor b vienen determinados por el radio de curvatura de la rueda R_w, el radio de curvatura del carril R_r, la carga sobre la rueda P y el módulo de elasticidad del material E. La tensión de contacto máxima en la zona de contacto es σ_max = 3P/(2πab); para las ruedas ZG340-640 y las vías QU80, habitualmente utilizadas en las grúas puente, σ_max es de aproximadamente 600 a 900 MPa a plena carga. Cuando el espesor del reborde se desgasta hastaCuando es inferior a 20 mm, la zona de contacto se desplaza hacia la base del reborde, lo que provoca que el coeficiente de concentración de tensiones en la base del reborde aumente entre 1,5 y 2 veces, acelerando la aparición de grietas por fatiga en dicha zona.
El sistema KL-WHEEL-LASER calcula automáticamente el ángulo de contacto rueda-carril λ y la conicidad equivalente λ_eq a partir de los valores medidos del espesor del reborde y el diámetro de la banda de rodadura. Cuando λ_eq > 0,4, se indica que el acoplamiento rueda-carril es deficiente y se recomienda rectificar o sustituir la rueda. Al mismo tiempo, el sistema combina los datos de cinco inspecciones para predecir la vida útil restante de la rueda: tasa de desgaste del espesor del reborde (mm/10 000 km) × cantidad restante actual = distancia de funcionamiento restante (10 000 km). Tomando como ejemplo una grúa de 32 t de una acería, la tasa de desgaste del reborde de la rueda es de aproximadamente 0,12 mm/10 000 km (con un funcionamiento medio diario de 12 horas); cuando el espesor del reborde se reduce desde los 25 mm iniciales hasta el valor de alarma de 16 mm, la vida útil restante es de unos 750 000 km (aproximadamente 14 meses).
Casos de uso y soluciones de instalación
El sistema KL-WHEEL-LASER es adecuado para la inspección en línea de todo tipo de ruedas de carros de grúa, y abarca grúas de puente (con una luz de vía de entre 10 y 40 m), grúas de pórtico (con una luz de vía de entre 18 y 60 m) y grúas suspendidas (con vías de vigas en I). El sensor de perfil láser se instala en los extremos de la vía y se fija a los cimientos de hormigón a ambos lados de la misma mediante soportes personalizados. Los soportes están fabricados en acero inoxidable 304 (8 mm de espesor) y su altura es regulable en un rango de ±50 mm para adaptarse a las variaciones de altura de la vía. El sensor tiene un grado de protección IP67 y puede funcionar de forma continua en un entorno con temperaturas de −20 a +60 °C y una humedad relativa del 95 %. El sensor se conecta a la pasarela periférica a través de una red Ethernet industrial (Cat6a, distancia de transmisión ≤ 100 m); la pasarela se encuentra en una caja eléctrica cercana (grado de protección IP54).
En los casos en los que varias grúas aéreas comparten un mismo carril (por ejemplo, cuando hay varias grúas en un mismo tramo de una acería), el sistema admite la función de reconocimiento de múltiples grúas: mediante la instalación de etiquetas RFID en cada grúa (frecuencia de trabajo de 902 a 928 MHz UHF, distancia de lectura de 0 a 5 m), y mediante la instalación de lectores RFID en los terminales de la vía, cuando la grúa pasa por la zona de detección, se identifica automáticamente el número de la grúa y los datos de detección se archivan en el expediente del equipo correspondiente. Tras implementar esta solución en las grúas de 42 t de una acería (un total de 6 grúas operando en la misma nave), se recopilan automáticamente cada mes los datos de contorno de las 48 juegos de ruedas de las 6 grúas, lo que ha sustituido a la inspección manual de las grúas, que antes requería dos días al mes. En los seis meses de funcionamiento del sistema, se han detectado de forma preventiva tres casos de desgaste excesivo del reborde de las ruedas; en todos ellos, el rectificado de las ruedas se completó dentro de la ventana de mantenimiento programada, lo que evitó el desguace de las ruedas y el agravamiento del desgaste de los carriles. El sistema de inspección de ruedas de Krude Heavy Industry ya se ha implantado y está en funcionamiento en más de veinte empresas siderúrgicas y portuarias.
| Entorno de instalación | Configuración de los sensores | Lugar de instalación | Precisión de la medición | Situaciones en las que se aplica |
|---|---|---|---|---|
| Naves cubiertas | Norma Blu-ray LJ-X8060 | Lado del terminal de vía | ±0,1 mm | Grúas de puente/grúas de pórtico/grúas suspendidas |
| Depósito al aire libre | LJ-X8060+ con parasol | Instalación en la caja de protección | ±0,15 mm | Grúas de pórtico portuarias |
| Taller de alta temperatura | LJ-X8060 + funda de refrigeración por agua | Instalación de la base de refrigeración por agua | ±0,15 mm | Grúa para metalurgia y fundición |
Comparación de técnicas de detección
| Dimensiones de comparación | Inspección con calibre manual | Detección de contornos por láser |
|---|---|---|
| Precisión del espesor del borde de la llanta | ±0,5 mm | ±0,1 mm |
| Tiempo de análisis | 30 min por unidad (es necesario montar la máquina) | 0,2 s por unidad (medición inmediata tras el paso) |
| Cobertura | De 2 a 4 puntos por ronda | Escaneo continuo de todo el contorno |
| Trazabilidad de los datos | Registros en papel | Curva de tendencias electrónicas |
| Predicción de la vida útil de las ruedas | 无 | Basado en un modelo de tasa de desgaste |
| Análisis de la adaptación entre rueda y carril | 无 | Cálculo automático de la conicidad equivalente |
Preguntas frecuentes
Pregunta: ¿Se ve afectada la precisión de la detección láser en entornos exteriores con luz intensa?
Respuesta: Utiliza un láser azul (405 nm) y un filtro de banda estrecha (longitud de onda central de 405 nm, ancho de banda de 10 nm), y mantiene una precisión de ±0,15 mm incluso con una iluminación ambiental de 10 000 lux. El sistema cuenta además con un parasol para protegerlo de la luz solar directa.
Pregunta: ¿Puede el sistema detectar al mismo tiempo los errores diagonales provocados por las desviaciones en el diámetro de las ruedas?
Respuesta: Sí. El sistema registra simultáneamente el diámetro, el grosor del reborde y el perfil de la banda de rodadura de los cuatro grupos de ruedas, y calcula automáticamente la diferencia de diámetro entre las ruedas diagonales. La norma GB/T 10183-2020 exige que dicha diferencia sea ≤ 1 mm; en caso de que se supere este límite, el sistema emite directamente una recomendación de ajuste.
Pregunta: ¿Son estrictos los requisitos de control de velocidad de la grúa cuando pasa por la zona de inspección?
Respuesta: Se recomienda una velocidad de 0,1 a 0,3 m/s para garantizar una densidad de datos del perfil ≥ 50 secciones transversales por rueda. Una velocidad demasiado alta provocaría que los datos del perfil fueran escasos, aunque el sistema sigue funcionando correctamente a velocidades de hasta 0,5 m/s (≥30 secciones transversales por rueda), con una precisión en el espesor del borde de la llanta reducida a ±0,2 mm.
Pregunta: ¿La solución de Krude Heavy Industry permite la inspección simultánea de vías simples y dobles?
Respuesta: Sí. El sistema cuenta con un conjunto de sensores láser instalado en cada extremo de la vía doble, que recogen automáticamente y de forma sincronizada los datos de las ruedas de ambos lados cuando pasa la grúa. En el caso de las vías simples (como las grúas suspendidas), basta con instalar un sensor en un solo lado; los soportes de montaje se adaptan a anchos de base de vía de entre 50 y 220 mm.
