Introducción a las grúas: Cómo analizar la estabilidad mediante la mecánica de la pluma y el momento de vuelco.

Cuando se piensa en el rendimiento de una grúa, lo primero que viene a la mente es "¿cuántas toneladas puede levantar?". Pero incluso en la misma máquina, cuanto más se extiende la pluma para levantar algo a mayor distancia —o cuanto más se baja—, menor es la carga que puede levantar. La carga nominal de una grúa no está determinada únicamente por la potencia del motor o la resistencia del cable, sino por la limitación geométrica del "rango dentro del cual la máquina no se volcará". El diseño y la monitorización de este rango de no vuelco constituyen la base de la ingeniería de grúas.

Una grúa torre en servicio

Imagen: Potain K5 50C (Alexandre Prevot, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. No se trata de un modelo específico de Kobelco, Tadano o Liebherr mencionado en el texto, sino de una grúa torre representativa para interpretar la disposición de la pluma y el contrapeso.

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Figura 1: El radio de trabajo R va desde el centro de giro hasta la carga, mientras que el brazo del momento de vuelco va desde la línea de vuelco del lado de la carga hasta la carga. Lea la carga nominal en la tabla para la configuración actual de pluma, estabilizadores y contrapeso como el menor de los límites estructurales y de estabilidad.

0. Resumen de 30 segundos

• Las grúas se dividen en tres categorías principales: grúas móviles que pueden autopropulsarse como vehículos de carretera (grúas todoterreno, grúas para todo terreno, grúas sobre camión, etc.), grúas sobre orugas que se autopropulsan sobre raíles y grúas torre fijas al suelo que no se autopropulsan. Incluso según la ley, "grúa móvil" y "grúa" (la categoría de instalación fija que incluye las grúas torre) se regulan como categorías separadas.

• El producto de la carga suspendida W y el radio de trabajo R crea el momento de vuelco M_{tip}=WR. Una carga solo puede elevarse dentro del rango donde el momento estabilizador M_{stab}, creado por el peso del vehículo y el contrapeso, supera este valor. La normativa japonesa exige que la carga límite de estabilidad sea al menos 1,27 veces la carga nominal.

• Una tabla de cargas nominales (tabla de cargas) es una tabla que enumera, para cada combinación de longitud de pluma, ángulo y radio de trabajo, el menor de los valores establecidos por el momento de vuelco y el valor establecido por la resistencia estructural de la propia pluma o del mecanismo de elevación.

• El dispositivo de prevención de sobrecarga (momento El limitador de vuelco es un dispositivo de seguridad que calcula el momento de vuelco en tiempo real a partir de un sensor de carga y el ángulo y la longitud de la pluma, activando una alarma o deteniendo automáticamente la máquina en una zona de peligro; su instalación es obligatoria por ley.

Las grúas sobre orugas de Kobelco, las grúas todoterreno de Tadano y las grúas móviles y de torre de Liebherr permiten confirmar este mecanismo con datos concretos en sus especificaciones publicadas.

1. Clasificación de grúas en tres tipos

El mecanismo de una grúa y el lugar de trabajo aplicable varían considerablemente según el tipo de superficie sobre la que se desplaza.

1. Grúas móviles: Se desplazan por carreteras públicas sobre ruedas y trabajan en la obra. Estas incluyen grúas todoterreno, robustas en terrenos irregulares y sin pavimentar; grúas todoterreno, que pueden autopropulsarse incluso en autopistas; y grúas montadas sobre camión. Durante el trabajo, los estabilizadores se extienden para ampliar la superficie de contacto con el suelo y resistir el momento de vuelco.

2. Grúa sobre orugas Grúas**: Se autopropulsan sobre orugas. Su baja presión sobre el suelo las hace adecuadas para terrenos blandos y para la colocación de elementos pesados como cimentaciones de plantas industriales y aerogeneradores. Sin embargo, al no poder autopropulsarse en vías públicas, su transporte requiere desmontaje y traslado en remolque. Muchos modelos utilizan una pluma de celosía (estructura de celosía), y las máquinas más grandes alcanzan una carga total nominal de entre cientos y miles de toneladas.

3. Grúas torre: Montan una pluma sobre una estructura en forma de torre fijada al suelo o al armazón del edificio, extendiéndose hacia arriba a medida que este se eleva. Dado que no se autopropulsan, no se clasifican como "grúas móviles" según la ley. En lugar de centrarse únicamente en la capacidad de elevación, el diseño se centra en la capacidad de elevación en cada radio de trabajo, la precisión horizontal de la pluma y el procedimiento de desmontaje y reposicionamiento (ascenso).

Estas tres categorías no son mutuamente excluyentes. Las grúas sobre ruedas, por ejemplo, se sitúan entre las grúas móviles y las grúas sobre orugas, y resulta más práctico centrarse en "Qué usa como pivote y cómo resiste el momento de vuelco" más que en qué categoría se encuentra.

2. Cómo leer la pluma y la tabla de carga nominal

La carga nominal de una grúa se establece para cada combinación de longitud de pluma l_b, ángulo de pluma \theta (el ángulo de elevación con respecto a la horizontal) y radio de trabajo R (la distancia horizontal desde el centro de giro hasta la carga suspendida). Una vez que se conocen el ángulo y la longitud de la pluma, el radio de trabajo y la altura de la punta de la pluma se pueden aproximar como:

(donde r_0,h_0 es el desplazamiento desde el centro de giro hasta la base de la pluma). Para la misma longitud de pluma, cuanto mayor sea el ángulo, mayor será R; la distancia horizontal r_{tip} desde la línea de vuelco del lado de la carga hasta la carga también aumenta, por lo que la carga nominal aumenta. cae.

Al observar una tabla de carga nominal, en la región de radio de trabajo pequeño, la carga es aproximadamente constante (limitada por la resistencia estructural o la resistencia del cable), mientras que a medida que el radio aumenta, se desplaza a una región donde la carga disminuye aproximadamente como 1/R. El primero se denomina "límite de resistencia" y el segundo, "límite de momento (límite de estabilidad)". La razón por la que la carga nominal cambia cada vez que el operador modifica el radio de trabajo es que siempre se aplica el menor de estos dos límites. Los cambios de configuración —agregar una extensión de pluma, elevar una pluma auxiliar, reducir la separación de los estabilizadores— afectan a ambos límites, por lo que la tabla de carga nominal se prepara como una tabla separada para cada combinación de configuración de la pluma, separación de los estabilizadores y ángulo de la pluma.

3. Momento de vuelco y momento estabilizador

Una grúa vuelca cuando, alrededor del eje formado por la línea que conecta los puntos de contacto con el suelo de los estabilizadores (la línea de vuelco), el momento del lado de la carga supera el Momento lateral del vehículo. El radio de trabajo R se mide desde el centro de giro, pero el brazo de palanca para el vuelco, r_{tip}, es la distancia horizontal desde la línea de vuelco del lado de la carga hasta la carga. En estática simplificada, la carga suspendida W produce, por lo tanto:

En contraposición, el momento estabilizador creado por el propio peso del vehículo W_{body} y el contrapeso W_{cw}, utilizando sus distancias d_{body}, d_{cw} al punto de apoyo del vuelco, es:

La condición mínima para evitar el vuelco es M_{stab} \ge M_{tip}, pero la operación real incorpora un margen. Según la prueba de estabilidad basada en las normas estructurales japonesas para grúas móviles, la máquina no debe volcar incluso al levantar una carga equivalente a 1,27 veces la carga nominal. Las condiciones más desfavorables, según una regla que establece la relación mínima entre la carga límite de estabilidad y la carga nominal en 1,27, consideran factores dinámicos como el estiramiento del cable, el viento, las irregularidades del terreno y la oscilación de la carga.

La grúa todoterreno GR-1000EX-4 de Tadano incorpora un mecanismo de "contrapeso inteligente" que permite reubicar la posición de montaje del contrapeso. La empresa afirma que esto mejora el rendimiento de la estabilidad hasta en un 22 % con respecto al modelo anterior. En términos de la ecuación, este diseño aumenta la estabilidad al tomar una mayor distancia entre el contrapeso y el punto de vuelco (d_{cw}), lo que significa que la tabla de carga nominal puede incrementarse incluso con la misma masa de contrapeso.

4. Fuerza de reacción de los estabilizadores y presión sobre el suelo

Las cuatro reacciones individuales de los estabilizadores no pueden determinarse únicamente mediante el equilibrio: la rigidez del bastidor, del gato y del suelo, así como las condiciones de contacto, son importantes. Consideremos solo un caso idealizado. Modelo de dos líneas de apoyo en una dirección. Para una separación entre líneas de apoyo L y una carga vertical combinada W ubicada a x del apoyo izquierdo, el equilibrio de fuerza y momento estático da como resultado:

Se asume que 0 ≤ x ≤ L, carga vertical, un cuerpo rígido y ambas líneas de apoyo en contacto. Estas son reacciones totales en las líneas de apoyo, no cargas individuales del gato. Al mover la carga hacia el lado de vuelco, se descarga el apoyo opuesto hasta cero. El margen de momento estabilizador no es la reacción máxima del gato cargado. La configuración real utiliza datos de reacción y tablas de carga del fabricante, junto con las condiciones de la plataforma y el terreno. Datos de reacción de Tadano.

5. Dispositivo de prevención de sobrecarga (limitador de momento)

El limitador de momento es un dispositivo que, mediante una celda de carga que detecta la tensión del cable de elevación y sensores para el ángulo y la longitud de elevación de la pluma, calcula el margen entre el momento de vuelco en tiempo real y la carga nominal. A medida que se acerca a la zona de peligro, Emite una alarma intermitente y, si existe riesgo de sobrepasar la carga nominal, detiene automáticamente las operaciones peligrosas, como la elevación, la extensión o el izado de la pluma. En Japón, las revisiones de las normas estructurales para grúas móviles han hecho obligatorio el uso de un dispositivo de prevención de sobrecarga, además de un indicador de carga.

Simplificando la ley de control, compara el momento de carga real M_{load}=W_{sensed}R(\theta,l_b) con el momento nominal M_{rated} para la configuración actual de la pluma, lo que proporciona un umbral de dos etapas:

Este es el mismo concepto que el control de la máquina de una excavadora hidráulica, que restringe los comandos de las válvulas para no sobrepasar la superficie de diseño; un diseño que conecta directamente el resultado de un cálculo de modelo mecánico con un límite operativo de seguridad.

6. Gama de grúas en productos actuales

Al comparar tablas, es importante tener en cuenta que la "capacidad máxima de elevación" suele ser una cifra cercana al radio de trabajo mínimo, y la carga nominal en las condiciones reales de la obra (radio de trabajo requerido, configuración de la pluma, separación de los estabilizadores) es casi siempre menor. La selección del modelo debe confirmar la celda correspondiente de la tabla de carga nominal en el radio de trabajo y la altura de elevación necesarios en la obra, no solo la cifra máxima.

7. Resumen: Una grúa es tanto "una máquina de fuerza" como "una máquina de geometría"

La capacidad de una grúa no se puede describir únicamente por la fuerza hidráulica o del cable. La premisa básica de la elevación es que el momento de vuelco generado por el ángulo de la pluma y el radio de trabajo debe ser contrarrestado continuamente por el momento estabilizador generado por el peso del vehículo y el contrapeso. y la separación de los estabilizadores. La tabla de carga nominal, el dispositivo de prevención de sobrecarga y las alfombrillas de los estabilizadores son herramientas que hacen que una sola desigualdad —M_{stab}\ge M_{tip} (multiplicada por un factor de seguridad)— sea concreta para cada condición de obra. Acostumbrarse a leer no solo la capacidad máxima de elevación del catálogo, sino también el radio de trabajo y la configuración de la pluma a la que se aplica dicha cifra, es el primer paso para seleccionar y operar una grúa de forma segura.

Referencias

• Kobelco Construction Machinery — Grúa sobre orugas SL16000J Especificaciones principales
• [Kobelco Construction Machinery — Grúa sobre orugas Especificaciones principales de la 7200G (https://www.kobelco-kenki.co.jp/products/crawler_cranes/mt7200g/pdf/7200G_SPEC.pdf)
• Tadano: Anuncio de una nueva grúa todoterreno para mercados internacionales (GR-1000EX-4)
• Liebherr: Grúa móvil LTM 1120-4.1
• Liebherr: Grúas torre EC-B de cabina plana
• Ministerio de Salud, Trabajo y Bienestar: Normas estructurales para dispositivos de prevención de sobrecarga en grúas y grúas móviles
• Ministerio de Salud, Trabajo y Bienestar: Revisión de las normas estructurales para grúas móviles (instalación obligatoria de dispositivos de prevención de sobrecarga)