Diseño de cintas transportadoras: consejos prácticos para el cálculo y la selección

¿Qué es una cinta transportadora?

Las cintas transportadoras se encuentran entre los equipos más habituales y rentables que se utilizan para el transporte continuo de materiales a granel. Son adecuadas para una amplia gama de aplicaciones, entre las que se incluyen la minería, los puertos, la producción de cemento, la generación de energía, el procesamiento químico, la manipulación de cereales, el almacenamiento y la fabricación. El diseño de una cinta transportadora implica mucho más que la simple selección de una cinta y un motor. Los ingenieros deben realizar cálculos y verificaciones exhaustivos basados en las características del material, la capacidad de transporte, la velocidad de la cinta, el ancho de la cinta, el ángulo de la canaleta, los rodillos, los tambores, los métodos de tensado, los requisitos de potencia y diversos accesorios.

Parte 1: Componentes básicos y aplicaciones

1.1 Componentes principales

Una cinta transportadora suele estar compuesta por los siguientes componentes: dos o más tambores, una cinta transportadora en bucle continuo, rodillos de soporte de carga, rodillos de retorno, una unidad de accionamiento, un dispositivo de tensado, puntos de carga, puntos de descarga y accesorios de limpieza y protección.

1.2 Principio de funcionamiento

La superficie superior de la cinta transportadora se utiliza para transportar el material, mientras que la superficie inferior circula sin carga durante el tramo de retorno. El tambor de accionamiento impulsa la cinta transportadora por fricción, lo que permite el transporte continuo del material.

1.3 Aplicaciones

Es especialmente adecuado para el transporte continuo a largas distancias, a altas velocidades, con un gran caudal o cuando existe un desnivel significativo. En condiciones de funcionamiento adecuadas, las cintas transportadoras a gran escala pueden reducir considerablemente los costes de explotación en comparación con el transporte en camión.

1.4 Consideraciones de diseño

Entre los aspectos clave a tener en cuenta en el diseño se incluyen: las características de los materiales, la anchura y la velocidad de la cinta, la distribución de la tensión, los requisitos de potencia, la distancia entre rodillos, el diámetro del tambor, el impacto de la carga, así como la limpieza y el mantenimiento.

Parte 2: Tipos y aplicaciones de las cintas transportadoras

La elección del caucho de recubrimiento de la cinta transportadora, del material de refuerzo y de la configuración estructural debe basarse en la temperatura del material, su abrasividad, el contenido de aceite y grasa, la resistencia al fuego, la resistencia al impacto, el ángulo de inclinación y las condiciones de mantenimiento. En la tabla siguiente se muestran los tipos más comunes:

Parte 3: Cálculos básicos: carga, tensión y potencia

3.1 Cálculo de la carga por unidad de longitud

El primer paso del proceso de diseño consiste en convertir la capacidad de transporte (toneladas por hora) en la masa de material por metro de cinta transportadora.

Fórmula empírica:

Q = 0,278 × Qt / v (kg/m)

Explicación de los parámetros: Q = carga por unidad de longitud, Qt = capacidad de transporte (toneladas/hora), v = velocidad de la cinta (metros/segundo)

Por ejemplo, para una cinta transportadora con una capacidad de transporte de 400 toneladas/hora y una velocidad de la cinta de 1,4 metros/segundo, Q = 0,278 × 400 / 1,4 ≈ 79,4 kg/m.

3.2 Componentes de la tensión y la potencia

La tensión efectiva (Te) es la fuerza total necesaria para accionar la cinta transportadora; se compone de varias fuerzas componentes:

Fórmula empírica:

Te = Tx + Ty + Tz + Tus

Dónde:

Tx: Tensión necesaria para el funcionamiento de la correa vacía

Ty: Tensión necesaria para el desplazamiento horizontal del material

Tz: Tensión necesaria para levantar o bajar el material

Tus: Resistencia provocada por la fricción entre el material y el zócalo.

Las cintas transportadoras que funcionan en distancias cortas requieren una mayor proporción de potencia para superar la fricción; por lo tanto, es necesario aplicar una corrección de longitud.

Fórmula empírica: Lc (métrico) = L + 70 metros

Descripción del parámetro: Lc = longitud corregida, L = longitud horizontal real

Parte 4: El marco de cálculo de la teoría de tensiones de la CEMA

El método de la CEMA (Asociación de Fabricantes de Equipos Transportadores) es un sistema muy utilizado para calcular la tensión. Tiene en cuenta la resistencia de los rodillos, la resistencia a la flexión de la cinta y del material, la fricción de los faldones, la altura de elevación y la resistencia adicional.

La fórmula para calcular la potencia de accionamiento es la siguiente:

Fórmula empírica:

Sistema métrico: Potencia (CV) = Te (kg) × v (m/s) / 75

Sistema imperial: Potencia (HP) = Te (lb) × v (ft/min) / 33 000

Referencia de datos: CEMA ‘Cintas transportadoras para materiales a granel’

Parte 5: Demostración de ejemplos de cálculo

Supongamos que tenemos que diseñar una cinta transportadora con los siguientes parámetros: anchura de la cinta de 900 mm, longitud horizontal de 250 m, altura de la cabecera de 20 m, capacidad de transporte de 400 toneladas/hora, velocidad de la cinta de 1,4 m/s, y el material transportado es carbón.

Los cálculos realizados a partir de la fórmula anterior arrojan los siguientes resultados clave:

Parte 6: Capacidad de la cinta de canal, anchura de la cinta y velocidad de la cinta

Cuanto mayor sea el ángulo de la canaleta de los rodillos de apoyo, mayor será el área transversal teórica de carga y mayor será la capacidad de transporte. Sin embargo, un ángulo de canaleta mayor también exige una mayor flexibilidad lateral de la cinta transportadora.

Fórmula empírica:

Sistema métrico: Capacidad de transporte Qt = 3,6 × área de la sección transversal × densidad del material × v (toneladas/hora)

Referencia de datos: CEMA ‘Cintas transportadoras para materiales a granel’

Parte 7: Rodillos locos y clasificación CEMA

Las poleas de apoyo son componentes clave que influyen en la eficiencia de la cinta transportadora, la vida útil de la cinta y la estabilidad operativa. Representan una parte significativa de los costes del equipo, y su calidad determina directamente la fiabilidad de toda la máquina.

Rodillos de la canaleta: Se utilizan en el ‘ramal superior’ que transporta el material.

Rodillos de retorno: Se utilizan para el ‘ramal inferior’ del tramo de retorno de la cinta transportadora.

Rodillos de impacto: Se colocan en los puntos de carga para absorber el impacto del material que cae; su separación suele ser la mitad de la de los rodillos estándar.

Rodillos autoalineables: se utilizan para corregir la desalineación de la cinta; se recomienda instalar un juego aproximadamente cada 15 metros en el lado de carga y cada 30 metros en el lado de retorno.

Parte 8: Tambores, tensado y transmisión

Los tambores son componentes clave para la transmisión de potencia, y sus diámetros habituales oscilan entre los 200 mm y los 1600 mm.

Fórmula empírica (diámetro mínimo del tambor):

Dp > K × i

Explicación de los parámetros: Dp = diámetro del tambor (mm), K = coeficiente (normalmente entre 125 y 150, dependiendo del número de capas de la correa), i = número de capas de la correa
Por ejemplo, en el caso de una cinta transportadora de lona de 6 capas, el diámetro mínimo del tambor debería ser de 125 × 6 = 750 mm.

Los rodillos de arrastre suelen estar recubiertos de caucho para aumentar el coeficiente de fricción; el espesor del recubrimiento suele ser de 6 a 12 mm.

Parte 9: Impacto de los materiales, productos de limpieza y accesorios

El sistema de alimentación debe reducir al mínimo la altura de caída del material para evitar que las piezas grandes y afiladas golpeen directamente la cinta. Normalmente se instalan rodillos amortiguadores o lechos amortiguadores en la zona de descarga.

Rascadores estáticos: Presentan un diseño sencillo y utilizan cuchillas segmentadas para eliminar directamente el material adherido a la superficie de la cinta.

Rascadores dinámicos: Accionados por un motor eléctrico, suponen unos costes de inversión y puesta en marcha más elevados, pero son adecuados para situaciones de limpieza más complejas.

Parte 10: Lista de comprobación para la verificación del diseño

A continuación se indican los pasos recomendados para el diseño preliminar:

Confirmar las propiedades del material: densidad aparente, tamaño máximo de las partículas, abrasividad, temperatura, contenido de humedad, ángulo de reposo y ángulo de reposo operativo.

Confirme las condiciones de funcionamiento: capacidad de transporte, distancia horizontal, altura de elevación, ángulo de inclinación, velocidad de la cinta, tiempo de funcionamiento, frecuencia de arranque y condiciones ambientales.

Selección preliminar del ancho de la cinta y del ángulo de la canaleta: realizar una estimación utilizando las fórmulas del área de la sección transversal y de la capacidad, dejando márgenes suficientes.

Calcular la tensión: desglosar por cinta vacía, carga, elevación, zócalos, rascadores y equipamiento adicional.

Comprobar el accionamiento: condiciones de deslizamiento, ángulo de envoltura, revestimiento del tambor, método de tensado y potencia del motor.

Comprueba la cinta transportadora: tensión máxima, tensión por unidad de anchura, número de capas o resistencia del cable metálico, capacidad de formación de canaletas y diámetro mínimo del tambor.

Disposición de las poleas de guía: lado de carga, lado de retorno, zona de carga, poleas de guía autoalineables y espaciado de la sección de transición.

Accesorios: tolvas, conductos, rascadores, cerramientos, sistemas antidesviación, sistemas antiatascos, sistemas de control de polvo y accesos para mantenimiento.

Conclusión: Resumen y fuentes normativas

El diseño de una cinta transportadora es un proceso de ingeniería sistemático. La introducción y las fórmulas de cálculo que se ofrecen en este artículo pueden servir como una valiosa referencia para el diseño preliminar. Sin embargo, a la hora de llevar a cabo el diseño técnico formal, es fundamental tener en cuenta la normativa local aplicable al proyecto, las normas de la CEMA, los catálogos de productos de los fabricantes de equipos y las especificaciones técnicas del cliente.

Fuente de los datos

1. CEMA (Asociación de Fabricantes de Equipos de Transporte). Cintas transportadoras para materiales a granel. 7.ª edición.
2. ISO 5048:1989. Equipos de manipulación mecánica continua — Transportadores de cinta — Cálculo de la potencia y las fuerzas de tracción.
3. ISO 3684:1990. Cintas transportadoras — Determinación de los diámetros mínimos de las poleas.
4. ISO 14890:2013. Cintas transportadoras — Especificación para cintas transportadoras de estructura textil recubiertas de caucho o plástico para uso general.
5. Cintas transportadoras Dunlop. Manual de diseño de cintas Dunlop.