Verificación de precarga en pernos de corona de giro
La corona de giro de una grúa de cubierta soporta el enorme momento de vuelco generado por el peso propio de la pluma y la carga de trabajo (que puede alcanzar varios miles de kN·m). La precarga de los pernos debe verificarse en tres pasos según la norma VDI 2230: cálculo de la fuerza de apriete mínima, distribución de la carga de trabajo y verificación de la resistencia a la fatiga. Una precarga insuficiente provoca el aflojamiento de los pernos; un exceso de precarga conduce a la fluencia del perno. La precarga adecuada es la base para un funcionamiento seguro de la corona de giro.
La corona de giro (slewing bearing) es el componente central que conecta la base con la plataforma giratoria en una grúa de cubierta: debe soportar las fuerzas axiales, radiales y el momento de vuelco generados por la pluma y la carga, garantizando al mismo tiempo una rotación suave de 360°. Las decenas de pernos de alta resistencia que fijan la corona de giro a la base y a la plataforma giratoria constituyen el eslabón más crítico de la cadena de transmisión de fuerzas: si la precarga es insuficiente, la corona de giro desarrolla holguras bajo el momento de vuelco, y las cargas de impacto aceleran el desgaste de los caminos de rodadura; si la precarga es excesiva, los pernos entran en fluencia al superponerse con la carga de trabajo, pudiendo producirse una fractura diferida.
El método de verificación de la precarga en tres pasos sigue la norma VDI 2230 (cálculo de sistemas de unión atornillada de alta resistencia). Las condiciones de carga para la selección de la corona de giro se refieren a las combinaciones de condiciones de trabajo del mecanismo de giro según la norma ISO 4301 / FEM 1.001.
Este artículo aplica la metodología de la norma VDI 2230 (cálculo de sistemas de unión atornillada de alta resistencia) a la corona de giro de una grúa de cubierta de 30 t·m, mostrando el procedimiento completo de verificación de la precarga de los pernos.
Paso 1: Fuerza de apriete mínima — evitar la separación de las superficies de unión
La función principal de la unión atornillada es garantizar que las superficies de contacto entre los componentes unidos (aro interior de la corona de giro con la brida de la base, y aro exterior con la brida de la plataforma giratoria) no presenten holguras bajo carga de trabajo. Si las superficies se separan, la totalidad del momento de vuelco será soportada por los pernos del lado traccionado (en lugar de transmitirse mediante la distribución de presión en la superficie de contacto), lo que multiplicaría por 3 a 5 veces la tensión de trabajo de los pernos y provocaría una fractura por fatiga rápida.
La fórmula para la fuerza de apriete mínima F_Kerf es: F_Kerf = M_T / (n × r_eff), donde M_T es el momento de vuelco, n es el número de pernos en el lado traccionado (normalmente 1/3 del total de pernos, es decir, el arco de 1/3 del círculo de distribución) y r_eff es el radio efectivo del círculo de distribución de pernos. Tomando como ejemplo una grúa de cubierta de 30 t·m: momento de vuelco máximo M_T = 680 kN·m (incluyendo factor de carga dinámica 1,3), diámetro del círculo de distribución de pernos de la corona de giro D = 1200 mm, r_eff = D/2 = 600 mm, número total de pernos n_total = 36, lado traccionado n = 12. Cálculo: F_Kerf = 680/(12×0,6) = 94,4 kN. Es decir, cada perno del lado traccionado debe proporcionar al menos 94,4 kN de fuerza de apriete para mantener las superficies de unión sin separación.
Para cubrir las diferencias de rugosidad de las superficies de contacto, los errores de estimación de la carga y la relajación por fluencia lenta a largo plazo, se introduce un factor de seguridad S_A = 1,4 (según la tabla A3 de la VDI 2230, para uniones de corona de giro sometidas a momento de vuelco se requiere S_A ≥ 1,3). Por tanto, la fuerza de apriete mínima de diseño F_M_min = F_Kerf × S_A = 94,4 × 1,4 ≈ 132 kN.
Paso 2: Distribución de la carga de trabajo — fuerza adicional en los pernos
Tras aplicar la precarga, el perno y los componentes unidos forman un sistema elástico en paralelo. Cuando el momento de vuelco externo actúa sobre la corona de giro, la fuerza axial adicional F_SA que soportan los pernos del lado traccionado no es igual a la fuerza total generada por el momento de vuelco, sino que se distribuye según la proporción entre la rigidez elástica del perno y la de los componentes unidos — este es el concepto del factor de carga Φ (Load Factor) de la norma VDI 2230.
El factor de carga Φ = δ_P / (δ_S + δ_P), donde δ_S es la elasticidad del perno (mm/N) y δ_P es la elasticidad de los componentes unidos. Para un perno de alta resistencia M30 (grado 10.9): elasticidad del perno δ_S = (L_1/A_1 + L_2/A_2 + ...)/E, calculada por segmentos según la longitud y la sección transversal de cada tramo del perno. Para un perno estándar M30×200 mm, δ_S ≈ 2,5 × 10⁻⁶ mm/N. La elasticidad de los componentes unidos δ_P se calcula según el modelo de cono de deformación de la VDI 2230: el semiángulo del cono de deformación φ suele tomarse entre 30° y 45° (para uniones acero-acero se toma 30°). Para un aro de corona de giro de 30 mm de espesor más brida, δ_P ≈ 0,8 × 10⁻⁶ mm/N. Por tanto, el factor de carga Φ = 0,8/(2,5+0,8) ≈ 0,24 — esto significa que solo el 24% de la carga axial externa se transmite al perno como carga adicional, mientras que el 76% restante se equilibra mediante la reducción de la presión en la superficie de contacto. Esta es la ventaja principal del diseño de uniones atornilladas: la carga de fatiga que soporta el propio perno es mucho menor que la carga externa, lo que proporciona una vida a fatiga extremadamente alta.
La fuerza total de trabajo del perno F_S_max = F_M + Φ × F_A, donde F_M es la precarga de ensamblaje (se toma la fuerza de apriete mínima de diseño de 132 kN × coeficiente de precarga α_A = 1,6 ≈ 211 kN; α_A cubre la dispersión del coeficiente de fricción y la precisión de la herramienta de apriete), y F_A es la carga axial externa (bajo M_T = 680 kN·m, la fuerza axial en el perno más alejado del lado traccionado es F_A = M_T × r_max/Σr², donde r_max = 600 mm y Σr² ≈ 36 × 0,6² × coeficiente de distribución uniforme = 12,96 m², por lo que F_A = 680 × 0,6/12,96 ≈ 31,5 kN). Por tanto, F_S_max = 211 + 0,24 × 31,5 ≈ 219 kN.
Paso 3: Verificación de la resistencia a la fatiga — ¿puede el perno soportar un millón de ciclos?
Los pernos de la corona de giro de una grúa de cubierta soportan una carga de fatiga típicamente pulsante: la carga en los pernos es máxima durante las operaciones con la capacidad de elevación máxima de la grúa, y mínima cuando la grúa gira en vacío (cercana a la precarga). La amplitud de la tensión de fatiga σ_a = (F_S_max - F_M) / (2 × A_S) = 0,24 × 31,5 × 10³/(2 × 561) ≈ 6,7 MPa, donde A_S = 561 mm² es la sección transversal de tensión del perno M30.
Según la norma VDI 2230, la amplitud de tensión límite de fatiga σ_ASV para un perno M30 de grado 10.9 con rosca laminada después del tratamiento térmico (rolled after heat treatment es aún mejor) es de 50 a 60 MPa (dependiendo del estado superficial y del proceso de fabricación de la rosca). El factor de seguridad S_D = σ_ASV/σ_a = 55/6,7 ≈ 8,2 — muy por encima del requisito de S_D ≥ 1,2 de la VDI 2230, lo que indica que esta unión atornillada tiene un margen de seguridad a fatiga extremadamente alto en condiciones de trabajo normales.
Sin embargo, hay que prestar especial atención: los cálculos anteriores asumen que "la precarga de ensamblaje se controla con precisión al valor de diseño". En la práctica, si el personal de mantenimiento aprieta los pernos con una llave dinamométrica de forma arbitraria (la precarga podría ser solo del 50% al 70% del valor de diseño), o si la corrosión en el entorno marino altera el coeficiente de fricción de la rosca, la precarga real se desviará significativamente del valor de diseño — esta es la causa más común de fallo por fatiga de los pernos de la corona de giro. Por lo tanto, el control preciso de la precarga (mediante tensores hidráulicos o medidores de fuerza ultrasónicos) es más crítico que la selección del grado de resistencia del perno.
| diseñoParámetro | símbolo | valor | base |
|---|---|---|---|
| máximomomento de vuelco | M_T | 680 kN·m | incluidofactor de carga dinámica1.3 |
| PernoEspecificación | M30×200 | 10.9grado | Clase ISO 898-1 |
| Pernototal/lado traccionado | n_total/n | 36/12unidad | círculo de distribuciónD=1200mm |
| mínimofuerza de apriete | F_M_min | 132 kN | S_A=1.4 |
| EnsamblajePrecarga | F_M | 211 kN | α_A=1.6 |
| Cargafactor | Φ | 0.24 | δ_S=2.5, δ_P=0.8 |
| tracción total de trabajo | F_S_max | 219 kN | F_A=31.5kN |
| Fatigaamplitud de tensión | σ_a | 6.7 MPa | A_S=561mm² |
| Fatigaamplitud de tensión límite | σ_ASV | 55 MPa | VDI 2230 10.9grado |
| FatigaFactor de seguridad | S_D | 8.2 | requisito≥1.2 |
| Pernométodo de apriete | PrecargaPrecisión | Ámbito de aplicación | costo |
|---|---|---|---|
| Parllave | ±25% | conexión general,no crítico | bajo |
| Tensor hidráulico ±10% Perno crítico de corona de giroríticoPerno | medio(individual¥50~150) | ||
| Medidor ultrasónico de fuerza ±5% Alta precisión, medición en líneaecisiónrequisito,medición en línea | alto(equipo¥5~15diez mil) | ||
| Par + método de ángulo de giro ±15% Ensamblaje por lotessamblaje,buen control de calidad | bajo~medio | ||
| Hidráulicotuerca | ±8% | grandePerno(>M48) | alto |
Prevención de aflojamiento y corrosión en tornillos marinosn tornillos marinos
En entornos marinos, los tornillos de la corona de giro se enfrentan a dos desafíos adicionales: la relajación por vibración y la corrosión galvánica. Las vibraciones estructurales del casco (10~200 Hz) y el micromovimiento de rotación de la corona provocan una pérdida gradual de la precarga del tornillo; incluso con un montaje inicial correcto, la pérdida de precarga puede alcanzar el 15%~25% después de 6 a 12 meses. Las medidas para contrarrestarlo incluyen: ① Utilizar arandelas elásticas de disco (Norma DIN 2093) para compensar la pérdida de precarga (recuperación elástica ≥0,5 mm); ② Aplicar fijador de roscas Loctite 243 o Loctite 2701 (resistencia media, resistente a aceite y agua de mar, desmontable); ③ Marcar líneas de referencia (pintura) en la cabeza del tornillo y en la cara de la tuerca para facilitar la inspección visual de cualquier rotación que indique aflojamiento.
La corrosión galvánica ocurre cuando el tornillo (acero aleado de alta resistencia) y el aro de la corona de giro (generalmente acero templado 42CrMo4 o C45E) interactúan en el electrolito del agua de mar, impulsada por la diferencia de potencial electroquímico. Aunque ambos son acero, las diferentes clases de resistencia (los tornillos de clase 10.9 contienen Cr/Mo, con un potencial más negativo) pueden generar una corrosión galvánica leve. Medidas de protección: aplicar recubrimiento Dacromet en la superficie del tornillo (capas de escamas de zinc-aluminio, resistente a la corrosión, ensayo de niebla salina ≥1000 h sin óxido rojo), o mejor aún, recubrimiento Geomet (libre de cromo, ecológico, con resistencia a la corrosión superior); aplicar grasa resistente al agua de mar en los agujeros de los tornillos (p. ej., Molykote P-40 o Klüberplex AG 11-462); aplicar sellador en las superficies de unión de la brida para evitar la entrada de agua de mar en los agujeros de los tornillos.
Restricciones de diseño en la selección de la corona y disposición de tornillos
La selección de la corona de giro no depende solo del cálculo de capacidad de carga, sino que está estrechamente relacionada con la disposición de los tornillos. El diámetro del círculo de agujeros, el número de tornillos y su especificación están interrelacionados: la distancia entre agujeros (Pitch) debe ser ≥3d (d = diámetro nominal del tornillo) para garantizar espacio suficiente para la herramienta; además, la distancia desde el centro del agujero hasta el borde del aro (Edge Distance) debe ser ≥1,5d para evitar el desgarro del material. Para un tornillo M30, la distancia mínima entre agujeros es de 90 mm y la distancia mínima al borde es de 45 mm. Si el ancho del aro exterior de la corona seleccionada no es suficiente para alojar el número necesario de tornillos M30, se debe optar por una corona de mayor tamaño (con aros más anchos, p. ej., M36) o utilizar tornillos de clase 12.9 para reducir la cantidad necesaria; ambas opciones implican un aumento de coste y un plazo de entrega más largo.
Otra restricción de ingeniería a menudo pasada por alto es la accesibilidad para el montaje de los tornillos en el aro interior (conexión a la base) y el aro exterior (conexión a la plataforma giratoria). Los tornillos del aro exterior generalmente se insertan desde arriba y se aprietan con tuerca desde abajo, con un espacio de trabajo relativamente amplio; en cambio, los tornillos del aro interior están rodeados por la pista de rodadura y la base de la pluma, con un espacio extremadamente limitado (a veces solo 200~300 mm de altura), lo que impide la inserción de tensores hidráulicos estándar. La solución es prever canales de acceso para los tornillos durante la fase de diseño: abrir orificios ovalados en la brida de la base para permitir la entrada del tensor, o utilizar tensores de perfil ultrabajo (como la serie Tentec SX, con una altura de solo 85 mm). Si no se considera la accesibilidad en el diseño, el montaje en obra puede volverse extremadamente difícil, llegando incluso a requerir cortes y soldaduras de reparación en la brida, algo inaceptable en proyectos supervisados por sociedades de clasificación.
Preguntas frecuentes
P: ¿Por qué no se puede usar una llave dinamométrica estándar para los tornillos de la corona de una grúa de cubierta? ¿Cómo se convierte el valor del par?
R: La precisión de la precarga con una llave dinamométrica estándar es de solo ±25%: para una precarga objetivo de 211 kN, el valor real podría estar entre 158 y 264 kN, una dispersión demasiado grande. La relación entre el par T y la precarga F es T = K × F × d, donde K es el factor de tuerca (Nut Factor, que depende del coeficiente de fricción de la rosca y de la superficie de apoyo). Para un tornillo M30 lubricado con disulfuro de molibdeno, K ≈ 0,14~0,18; T = 0,16 × 211 × 0,03 ≈ 1.013 N·m. Sin embargo, la dispersión del valor K puede alcanzar ±15%, lo que significa que incluso con un par preciso, la precarga puede tener una desviación de ±15%~20%. Por lo tanto, para los tornillos críticos de la corona de giro se recomienda el uso de tensores hidráulicos, que estiran directamente el vástago del tornillo, independientemente del coeficiente de fricción, logrando una precisión de precarga de ±10%.
P: ¿Es necesario reapretar periódicamente los tornillos de la corona de giro? ¿Con qué frecuencia?
R: Sí. Los tornillos de una corona de giro recién instalada deben someterse a un primer reapriete después de 50 a 100 horas de funcionamiento (la pérdida de precarga se produce principalmente al principio, debido al asentamiento de las microirregularidades de las superficies de contacto). Después, se debe realizar una inspección mensual durante los primeros 6 meses (inspección visual de las marcas + verificación ultrasónica de la precarga en una muestra del 10% de los tornillos), trimestralmente del 7º al 12º mes, y semestralmente después del primer año. Si en dos inspecciones consecutivas la precarga no muestra una disminución significativa (<5%), se puede extender el intervalo a una vez al año. Al reapretar, no se debe simplemente añadir más par; primero se debe aflojar 1/4 de vuelta y luego volver a apretar hasta el valor objetivo, para eliminar lecturas de par falsas debidas al agarrotamiento de la rosca.
P: ¿Cómo se reemplaza un tornillo roto de la corona de giro? ¿Se puede hacer en una plataforma marina?
R: Si la fractura se produce en la zona roscada del perno (no en el radio de la cabeza) y el resto de los pernos mantienen una precarga correcta, sin ruido anormal en la corona de giro, es posible sustituirlo sin detener la grúa (siempre que se notifique al inspector de la sociedad de clasificación para su supervisión). Procedimiento: ①Utilice un tensor hidráulico para liberar la precarga de los 2 pernos adyacentes (aliviando así la presión en la superficie de unión alrededor del perno fracturado); ②Extraiga el perno fracturado (si está roto dentro del agujero roscado, use un extractor de tornillos); ③Compruebe si el agujero roscado está dañado (con galga de rosca y endoscopio); ④Instale el perno nuevo y aplique fijador de roscas; ⑤Vuelva a aplicar la precarga tanto al perno nuevo como a los adyacentes. Si los pernos fracturados superan el 10% del total (más de 4), indica un problema sistémico en la precarga de diseño o en el proceso de apriete; en ese caso, es necesario detener la grúa para realizar una revisión exhaustiva de la precarga y un análisis del material de los pernos.
P: ¿Corona de giro de tres hileras de rodillos o de bolas de contacto en un solo punto para grúa de cubierta? ¿Tiene relación con la precarga de los pernos?
R: La corona de giro de tres hileras de rodillos (hilera superior e inferior para cargas axiales, hilera radial para cargas radiales) ofrece mayor capacidad de carga y rigidez, pero requiere más altura y tiene un coste superior; es adecuada para grúas de cubierta grandes con momento de vuelco >1000kN·m. La corona de bolas de contacto en un solo punto es más compacta y presenta menor fricción, siendo idónea para grúas de cubierta medianas y pequeñas con momento de vuelco <500kN·m. En cuanto a la precarga de los pernos, la corona de tres hileras exige mayor rigidez en la superficie de unión (al ser sus anillos más delgados, es más sensible a la deformación local); la precarga suele fijarse en 1,1~1,2 veces el valor recomendado por la norma VDI 2230. La corona de bolas de un solo punto tolera mejor las holguras en la superficie de unión. En ambos casos deben utilizarse pernos de alta resistencia de grado 10.9 o 12.9; no se permite sustituirlos por grado 8.8.
Kelude Industrias Pesadas ofrece soporte técnico integral para coronas de giro de grúas de cubierta, desde el cálculo de selección y la verificación de la precarga de pernos hasta la asistencia en la instalación en obra. Para soluciones específicas, contacte con el equipo de ingeniería.
