Selección de Reductor para Mecanismo de Elevación de Grúa
Punto clave La selección del reductor para el mecanismo de elevación de una grúa se realiza en tres pasos: ① calcular la relación de transmisión i=n₁/n₂ (n₂=v×m/πD); ② calcular el par de salida T₂=(Q+G)×D/(2×i×η); ③ seleccionar el modelo según el catálogo del reductor y verificar el factor de servicio f≥1,25~1,60. Este artículo desarrolla el proceso completo con cuatro ejemplos de cálculo: CD1 5t/10t y QD 32t/50t, e incluye una tabla comparativa de las series ZQ/QJ.
El reductor es el componente de transmisión central del mecanismo de elevación de una grúa; una selección inadecuada afecta directamente a la velocidad de elevación, la capacidad de carga y la vida útil del equipo. A diferencia de los productos estándar que se acoplan directamente a un modelo definido, calcular la relación de transmisión y el par adecuados en función de la capacidad de elevación, la velocidad de elevación y la multiplicidad del polipasto constituye una competencia fundamental en el diseño de grúas. Este artículo desarrolla de forma sistemática el proceso completo de cálculo de la relación de transmisión, verificación del par y selección del factor de servicio del reductor, conforme a las normas ISO 4301 / FEM 1.001 y JB/T 9003-2004 para reductores de puente grúa, y presenta cuatro ejemplos prácticos de selección con polipastos eléctricos CD1 (5t/10t) y puentes grúa biviga QD (32t/50t).
Cadena de transmisión del mecanismo de elevación y cálculo de la relación de transmisión
Cadena de transmisión típica del mecanismo de elevación: motor eléctrico → acoplamiento → freno → reductor → tambor → cable de acero → polea → gancho. La función del reductor en este conjunto es reducir la velocidad y aumentar el par: transforma el par reducido a alta velocidad del motor en un par elevado a baja velocidad en el tambor.
Cálculo de la velocidad del tambor: n₂ = v×m/(π×D). Donde v es la velocidad de elevación (m/min), m es la multiplicidad del polipasto (número de ramales del cable / número de vueltas en el tambor) y D es el diámetro nominal del tambor (m). Por ejemplo, en el polipasto eléctrico CD1 5t: v=8 m/min, m=2, D=0,3 m, por lo que n₂=8×2/(π×0,3)=17,0 r/min.
Cálculo de la relación de transmisión: i = n₁/n₂. Donde n₁ es la velocidad nominal del motor (r/min). Selección habitual según el número de polos: motor de 4 polos n₁≈1400 r/min (en ingeniería se toma 1450), motor de 6 polos n₁≈950 r/min. Aplicando al ejemplo anterior: i=1450/17,0=85,3. En la práctica se selecciona la relación de transmisión estándar i=80 (valor próximo).
Verificación de la velocidad de elevación real: una vez seleccionada la relación de transmisión estándar, debe recalcularse la velocidad real: v_real = π×D×n₁/(i×m). Con i=80: v_real=π×0,3×1450/(80×2)=8,54 m/min. La desviación (8,54-8)/8=6,75%, dentro del rango admisible de ±10%.
Verificación del par del reductor
Tensión del cable del tambor: S = (Q+G)/(m×η_g). Donde Q es la capacidad nominal de elevación (N), G es el peso propio del dispositivo de elevación (N), m es la multiplicidad del polipasto y η_g es el rendimiento del polipasto (0,96~0,98 por par de poleas; con 3 pares, aproximadamente 0,92~0,96).
Par de entrada al tambor: T₂ = S×D/2 = (Q+G)×D/(2×m×η_g). Este par es el que debe soportar el eje de salida del reductor.
Par de selección del reductor: T_calc = T₂ × f_s. Donde f_s es el factor de servicio (también denominado coeficiente de uso o factor de trabajo), que se elige según la clase de funcionamiento:
A3~A4 (servicio ligero): f_s = 1,10~1,25
A5 (servicio medio): f_s = 1,25~1,40
A6 (servicio pesado): f_s = 1,40~1,60
A7~A8 (servicio muy pesado): f_s = 1,60~2,00
Confirmación del modelo de reductor: con el valor de T_calc se selecciona el modelo en la tabla de par nominal de salida del catálogo del fabricante, exigiendo que el par nominal T_rated ≥ T_calc. Asimismo, debe verificarse el par máximo admisible del reductor (para condiciones de sobrecarga) y el par máximo instantáneo.
Potencia del motor y compatibilidad con el reductor
Selección preliminar de la potencia del motor: P = (Q+G)×v/(6120×η_total). Donde η_total es el rendimiento total del mecanismo de elevación (incluye el rendimiento del reductor η_gb × rendimiento del tambor η_d × rendimiento del polipasto η_g). Rendimiento del reductor η_gb: engranaje cilíndrico de una etapa ≈0,98; dos etapas ≈0,96; tres etapas ≈0,94. El rendimiento total se sitúa generalmente entre 0,85 y 0,90.
Verificación del motor: el motor de elevación debe ser capaz de elevar la carga nominal a plena velocidad con su potencia nominal, y debe verificarse el factor de par de arranque (generalmente se exige M_st/M_n ≥ 2,0~2,5, correspondiente a la capacidad de sobrecarga del motor). Para condiciones de servicio con arranques y frenados frecuentes, como en A6 o superior, debe seleccionarse un motor de alto deslizamiento.
Compatibilidad de la interfaz motor-reductor: el diámetro del eje de salida del motor y su chavetero deben ser compatibles con el orificio de entrada del reductor. Diámetros de eje habituales en motores serie Y de 4 polos: 2,2 kW → 28 mm; 4 kW → 38 mm; 7,5 kW → 42 mm; 15 kW → 48 mm; 30 kW → 55 mm. El diámetro del orificio de entrada del reductor debe ser entre 0 y 0,5 mm mayor que el diámetro del eje del motor.
Series de reductores habituales y sus parámetros
En los mecanismos de elevación de grúas se emplean principalmente tres series de reductores:
Serie ZQ/JZQ (dureza media en flanco de diente): el reductor de engranajes cilíndricos de dos etapas más clásico, con dureza superficial de 300~350 HBW. Distancia entre centros de 250~1000 mm, par nominal de salida de 0,5~50 kN·m y rango de relaciones de transmisión de 8~50. Adecuado para grúas de pequeña y mediana capacidad con clase de funcionamiento A3~A5. Ventajas: bajo coste y mantenimiento sencillo; desventajas: gran volumen y dureza superficial limitada.
Serie QJ (flanco de diente endurecido): reductor de engranajes cilíndricos de tres etapas conforme a la norma JB/T 9003-2004, con dientes cementados y templados a 58~62 HRC. Par nominal de salida de 10~200 kN·m y rango de relaciones de transmisión de 16~200. Adecuado para grúas de mediana y gran capacidad con clase de funcionamiento A5~A7. Ventajas: alta capacidad de carga, tamaño compacto y larga vida útil; desventaja: coste entre un 30~50% superior al de la serie ZQ.
Reductor planetario: estructura de engranaje solar + engranaje planetario + corona interior; con tres etapas planetarias se pueden alcanzar relaciones de transmisión de i=100~300. Rendimiento η≥0,95 y volumen entre un 40~60% menor que un reductor de eje paralelo con la misma relación de transmisión. Indicado para aplicaciones que requieren relaciones de transmisión elevadas y espacio compacto. No obstante, exige alta precisión de fabricación y su mantenimiento resulta más complejo.
Kelude Industrias Pesadas emplea reductores de la serie QJ o reductores personalizados en su línea de polipastos eléctricos, y reductores de engranajes endurecidos de la serie QJ en sus puentes grúa biviga QD.
Ejemplos de cálculo
Ejemplo 1: Polipasto eléctrico CD1 5t (clase de funcionamiento A5)
Q=5t=49050N, v=8m/min, m=2 (doble cable), D=0.3m, dispositivo de elevación G≈500N. Motor de 4 polos n₁=1450r/min. n₂=8×2/(π×0.3)=17.0r/min. i=1450/17.0=85.3. Se selecciona la relación de transmisión estándar de la serie QJ, i=80. Velocidad real v=π×0.3×1450/(80×2)=8.54m/min. Potencia P=(49050+500)×8/(6120×0.85)=49550×8/5202=76.2kW. Corrección: este valor de potencia es claramente excesivo — la potencia real del motor del CD1 5t es de 7.5kW (debido al frenado por resorte del polipasto eléctrico y a la diferente eficiencia integral). Esto indica que en aplicaciones de ingeniería, el reductor del CD1 ya está integrado dentro del polipasto, con una eficiencia total de η_total≈0.80 (incluyendo reductor + tambor + polea + fricción del cable de acero), entonces P=(49050+500)×8/(6120×0.80)=49550×8/4896=80.9kW. Sin embargo, la potencia real del motor de 7.5kW es muy inferior a este valor calculado — esto se debe a que la multiplicidad de poleas m=2 del polipasto CD1 reduce a la mitad la tensión del cable de acero, y el polipasto incorpora una reducción planetaria de múltiples etapas (eficiencia total superior a la de un eje paralelo). La fórmula precisa es P=(Q+G)×v/(1000×η×60)=50kN×8/(1000×0.90×60)=7.4kW. Se adopta un motor de 7.5kW. Par de salida del reductor T₂=S×D/2=(Q+G)/(m×η_g)×D/2=49550/(2×0.96)×0.3/2=25807×0.15=3871N·m. Con f_s=1.25(A5), T_calc=3871×1.25=4839N·m. El reductor QJ12.5 (distancia entre centros 125mm) asociado al polipasto CD1 tiene un par nominal de salida de ≈5000N·m ≥ 4839N·m. El polipasto estándar CD1 5t con distancia entre centros de 125mm se combina con un motor de 4 polos de 7.5kW.
Ejemplo 2: Polipasto Eléctrico CD1 10t (Clase de Funcionamiento A5)
Q=10t=98100N, v=7m/min (la velocidad de elevación para 10t se reduce normalmente a 7m/min), m=3 (triple cable), D=0.35m, dispositivo de elevación G≈800N. n₂=7×3/(π×0.35)=19.1r/min. i=1450/19.1=75.9. Se selecciona la relación de transmisión estándar i=71. Velocidad real v=π×0.35×1450/(71×3)=7.48m/min. Potencia P=(98100+800)×7/(1000×0.90×60)=98900×7/54000=12.8kW, se adopta un motor de 13kW. La potencia real del motor del CD1 10t es de 13kW. Salida del reductor: S=98900/(3×0.95)=34702N, T₂=34702×0.35/2=6073N·m. f_s=1.25, T_calc=7591N·m. El reductor QJ16 (distancia entre centros 160mm) tiene un par nominal de ≈8000N·m ≥ 7591N·m.
Ejemplo 3: Puente Grúa QD 32t×22.5m (Clase de Funcionamiento A6)
Q=32t=313920N, v=5m/min (baja velocidad para grandes tonelajes), m=6 (tambor de seis cables), D=0.6m, grupo de gancho G≈2000N. n₂=5×6/(π×0.6)=15.9r/min. Se emplea un motor de 6 polos n₁=950r/min (A6: para arranques y frenados frecuentes se utiliza un motor de múltiples velocidades). i=950/15.9=59.7. Se selecciona la relación de transmisión estándar de la serie QJ, i=56. Velocidad real v=π×0.6×950/(56×6)=5.32m/min. Potencia P=(313920+2000)×5/(1000×0.88×60)=315920×5/52800=29.9kW, se adopta un motor de 30kW. Selección del reductor: S=315920/(6×0.94)=56017N, T₂=56017×0.6/2=16805N·m0/(6×0.94)=56017N, T₂=56017×0.6/2=16805N·m. f_s=1.50(A6), T_calc=16805×1.50=25208N·m. El reductor QJ25 (distancia entre centros 250mm) tiene un par nominal de ≈30000N·m ≥ 25208N·m. El Puente Grúa QD 32t se combina con un motor de 30kW y un reductor QJ25.
Ejemplo 4: Puente Grúa QD 50t×28.5m (Clase de Funcionamiento A6)
Q=50t=490500N, v=3.5m/min, m=8 (ocho cables), D=0.7m, grupo de gancho G≈3500N. n₂=3.5×8/(π×0.7)=12.7r/min. Motor de 6 polos n₁=950r/min, i=950/12.7=74.8. Se selecciona la relación de transmisión estándar i=71. Velocidad real v=π×0.7×950/(71×8)=3.68m/min. Potencia P=(490500+3500)×3.5/(1000×0.88×60)=494000×3.5/52800=32.7kW, se adopta un motor de 37kW. S=494000/(8×0.93)=66478N, T₂=66478×0.7/2=23267N·m. f_s=1.50, T_calc=34901N·m. El reductor QJ31 (distancia entre centros 315mm) tiene un par nominal de ≈45000N·m ≥ 34901N·m. El QD 50t utiliza habitualmente el reductor QJ31 con motor de 37kW. Para los parámetros completos de selección del Puente Grúa Tipo QD, consulte Parámetros, modelos, precios y selección del Puente Grúa Biviga Tipo QD por tonelaje.
Tabla comparativa de parámetros de ingeniería
A continuación se presentan las recomendaciones de selección de reductores para mecanismos de elevación habituales:
| grúa | Capacidad de Elevación(t) | v(m/min) | Polea Multiplicidadm | Tambor D(mm) | Motork W | Relación de transmisióni | Reductor Modelo | Servicio Coeficientef |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CD1Polipasto | 5 | 8 | 2 | 300 | 7.5 | 80 | QJ12.5 | 1.25 |
| CD1Polipasto | 10 | 7 | 3 | 350 | 13 | 71 | QJ16 | 1.25 |
| QDPuente | 16 | 7 | 4 | 400 | 18.5 | 63 | QJ20 | 1.40 |
| QDPuente | 32 | 5 | 6 | 600 | 30 | 56 | QJ25 | 1.50 |
| QDPuente | 50 | 3.5 | 8 | 700 | 37 | 71 | QJ31 | 1.50 |
Preguntas frecuentes sobre reductores para grúas
P: ¿Es mejor elegir un coeficiente de servicio f_s más alto para el reductor?
R: No necesariamente. Un coeficiente de servicio mayor implica un reductor de mayor tamaño, lo que aumenta el precio, el peso y el espacio de instalación. Para la Clase de Funcionamiento A5, seleccionar f_s=1.25 es económica y técnicamente razonable; un coeficiente excesivo supone un desperdicio. Por otro lado, si la clase de funcionamiento real es A6 pero se elige f_s=1.25 correspondiente a A5, la vida a fatiga por contacto de los engranajes se reducirá drásticamente. Lo correcto es seleccionar f_s según la clase de funcionamiento real, sin excederse ni quedarse corto.
P: ¿Se puede ajustar la relación de reducción si la velocidad de elevación es demasiado rápida o lenta?
R: Sí. La velocidad de elevación es inversamente proporcional a la relación de reducción: al aumentar la relación de transmisión, la velocidad disminuye (pero el par de salida aumenta); al reducirla, la velocidad aumenta. Sin embargo, el ajuste debe realizarse dentro de la gama de relaciones estándar (serie QJ: 20/22.4/25/28/31.5/35.5/40/45/50/56/63/71/80/90/100/112/125/140/160/180/200), con una variación de velocidad de aproximadamente 12% entre relaciones consecutivas. Si la velocidad requerida no coincide con ninguna relación estándar, se puede considerar cambiar el número de polos del motor (por ejemplo, de 4 a 6 polos, reduciendo la velocidad aproximadamente un 34%) o ajustar la multiplicidad de la polea para alcanzar la velocidad objetivo.
P: ¿El reductor de un polipasto eléctrico es igual al de un puente grúa?
R: La estructura y el principio son los mismos, pero la configuración difiere. Los polipastos eléctricos CD1/MD1 utilizan un reductor planetario de tres etapas (engranajes integrados en el interior del tambor), con una relación de reducción alta (i=60~120) y un diseño compacto. Los puentes grúa de doble viga tipo QD emplean reductores de eje paralelo de la serie QJ (montaje externo independiente), con relación de transmisión media (i=16~100) y fácil acceso para mantenimiento. El reductor del polipasto eléctrico suele ser un diseño especial no estandarizado, mientras que el tipo QD utiliza modelos estándar según JB/T 9003. Kelude Industrias Pesadas equipa sus polipastos eléctricos con reductores planetarios de tres etapas, y la serie QD incorpora de serie reductores QJ de flanco de diente endurecido.
P: ¿Cuáles son las causas de fugas de aceite en el reductor y cómo prevenirlas?
R: Las causas más comunes de fugas de aceite en reductores son: ① envejecimiento o ensamblaje incorrecto del retén (el 70% de las fugas se originan en los retenes del eje de entrada/salida); ② fallo del sellador en las superficies de unión de la carcasa; ③ nivel de aceite excesivo (por encima del límite superior de la varilla); ④ tapón de respiradero obstruido que provoca aumento de presión interna; ⑤ deformación de la carcasa por sobrecarga prolongada. Acciones preventivas: utilizar combinación de retén radial + sello de laberinto, mantener el nivel de aceite en la línea media de la varilla, sustituir los sellos periódicamente (cada 2000 horas o anualmente), y no superar los 85°C de temperatura de funcionamiento. La serie QJ incorpora de serie retenes radiales de doble labio con estructura de canal de retorno de aceite antiderrames.
