Un eje de transmisión es un eje giratorio accionado por potencia para la transmisión de potencia que se utilizó ampliamente desde la Revolución Industrial hasta principios del siglo XX. Antes del uso generalizado de motores eléctricos lo suficientemente pequeños como para conectarse directamente a cada pieza de maquinaria, los ejes de transmisión se utilizaban para distribuir la energía desde una gran fuente de energía central a la maquinaria en todo un taller o un complejo industrial. La fuente de energía central podía ser una rueda hidráulica , una turbina, un molino de viento, tracción animal o una máquina de vapor . La energía se distribuía desde el eje a la maquinaria mediante un sistema de correas , poleas y engranajes conocido como molino de bolas . [1]
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Un eje de transmisión típico se suspendía del techo de una zona y recorría toda la longitud de esa zona. Una polea del eje recibía la energía de un eje de transmisión principal en otra parte del edificio. Las otras poleas suministraban energía a las poleas de cada máquina individual o a los ejes de transmisión posteriores. En la fabricación, donde había una gran cantidad de máquinas que realizaban las mismas tareas, el diseño del sistema era bastante regular y repetido. En otras aplicaciones, como talleres de máquinas y carpintería, donde había una variedad de máquinas con diferentes orientaciones y requisitos de energía, el sistema parecía errático e inconsistente con muchas direcciones de ejes y tamaños de poleas diferentes. Los ejes eran generalmente horizontales y elevados, pero ocasionalmente eran verticales y podían estar bajo tierra. Los ejes eran generalmente de acero rígido, compuestos de varias piezas atornilladas entre sí en bridas. Los ejes estaban suspendidos por perchas con cojinetes a ciertos intervalos de longitud. La distancia dependía del peso del eje y la cantidad de poleas. Los ejes tenían que mantenerse alineados o la tensión sobrecalentaría los cojinetes y podría romper el eje. Los cojinetes eran generalmente de fricción y debían mantenerse lubricados. Se necesitaban empleados para lubricar las poleas a fin de garantizar que los cojinetes no se congelaran ni funcionaran mal.
En las primeras aplicaciones, la potencia se transmitía entre poleas mediante bucles de cuerda en poleas ranuradas. Este método es extremadamente raro hoy en día, y data principalmente del siglo XVIII. Las correas planas en poleas planas o tambores fueron el método más común durante los siglos XIX y principios del XX. Las correas generalmente eran de cuero curtido o lona de algodón impregnada con caucho. Las correas de cuero se sujetaban en bucles con cuero crudo o cordones de alambre, juntas de solape y pegamento, o uno de varios tipos de sujetadores de acero. Las correas de lona de algodón generalmente usaban sujetadores de metal o se fundían con calor. Las correas de cuero se colocaban con el lado del pelo contra las poleas para una mejor tracción. Las correas necesitaban limpieza y acondicionamiento periódicos para mantenerlas en buenas condiciones. Las correas a menudo se torcían 180 grados por pata y se invertían en la polea receptora para hacer que el segundo eje girara en la dirección opuesta.
Las poleas se construían de madera, hierro, acero o una combinación de ambos materiales. Se utilizaban poleas de distintos tamaños para modificar la velocidad de rotación. Por ejemplo, una polea de 40" a 100 rpm haría girar una polea de 20" a 200 rpm. Las poleas unidas sólidamente ("rápidas") al eje se podían combinar con poleas adyacentes que giraban libremente ("sueltas") sobre el eje (poleas tensoras). En esta configuración, la correa se podía colocar sobre la polea tensora para detener la transmisión de potencia o sobre la polea sólida para transmitir la potencia. Esta disposición se utilizaba a menudo cerca de las máquinas para proporcionar un medio de apagar la máquina cuando no se utilizaba. Por lo general, en la última correa que alimentaba la potencia a una máquina, se podían utilizar un par de poleas escalonadas para proporcionar una variedad de configuraciones de velocidad para la máquina.
Ocasionalmente se utilizaban engranajes entre ejes para cambiar la velocidad en lugar de correas y poleas de diferentes tamaños, pero esto parece haber sido relativamente poco común.
Las primeras versiones de los ejes de transmisión se remontan al siglo XVIII, pero su uso se generalizó a finales del siglo XIX con la industrialización. Los ejes de transmisión se utilizaban ampliamente en la fabricación, en talleres de carpintería, en talleres de máquinas, en aserraderos y en molinos harineros .
En 1828, en Lowell, Massachusetts, Paul Moody sustituyó los engranajes de metal por correas de cuero para transferir la potencia desde el eje principal que funcionaba con una rueda hidráulica. Esta innovación se difundió rápidamente en los EE. UU. [2]
Los sistemas de transmisión por correa plana se hicieron populares en el Reino Unido a partir de la década de 1870, con las firmas J & E Wood y W & J Galloway & Sons como las más destacadas en su introducción. Ambas firmas fabricaban máquinas de vapor estacionarias y la demanda continua de más potencia y fiabilidad podía satisfacerse no sólo con una tecnología de motores mejorada, sino también con métodos mejorados de transferencia de potencia desde las máquinas a los telares y maquinaria similar a la que estaban destinadas a dar servicio. El uso de correas planas ya era común en los EE. UU., pero poco común en Gran Bretaña hasta ese momento. Las ventajas incluían menos ruido y menos energía desperdiciada en las pérdidas por fricción inherentes a los ejes de transmisión previamente comunes y sus engranajes asociados. Además, el mantenimiento era más simple y más barato, y era un método más conveniente para la disposición de las transmisiones de potencia de modo que si una pieza fallara, no causaría pérdida de potencia en todas las secciones de una fábrica o molino. Estos sistemas fueron reemplazados a su vez en popularidad por los métodos de transmisión por cuerda. [3]
A finales del siglo XIX, algunas fábricas tenían una milla o más de pozos de transmisión en un solo edificio.
Para abastecer de energía a los pequeños comercios y a la industria ligera, se construyeron "edificios de energía" especialmente diseñados para ello. Los edificios de energía utilizaban una máquina de vapor central y distribuían la energía a través de pozos de transmisión a todas las salas alquiladas. Los edificios de energía se siguieron construyendo en los primeros tiempos de la electrificación, todavía utilizando pozos de transmisión, pero accionados por un motor eléctrico. [1]
A medida que algunas fábricas se hicieron demasiado grandes y complejas para funcionar con una sola máquina de vapor, se empezó a utilizar un sistema de potencia "subdividida". Esto también era importante cuando era necesario controlar una amplia gama de velocidades para una operación delicada, como trefilar o martillar hierro. Con la potencia subdividida, el vapor se enviaba por tuberías desde una caldera central a máquinas de vapor más pequeñas ubicadas donde fuera necesario. Sin embargo, las máquinas de vapor pequeñas eran mucho menos eficientes que las grandes. El sitio de 63 acres de Baldwin Locomotive Works cambió a potencia subdividida y luego, debido a la ineficiencia, se convirtió en un sistema de accionamiento en grupo con varias máquinas de vapor grandes que impulsaban los ejes de transmisión. Finalmente, Baldwin pasó a la potencia eléctrica, con un ahorro sustancial en mano de obra y espacio de construcción. [1]
Con la electrificación de las fábricas a principios del siglo XX, muchos ejes de transmisión comenzaron a ser accionados eléctricamente. En los primeros tiempos de la electrificación de las fábricas, solo se disponía de motores grandes, por lo que las nuevas fábricas instalaron un motor grande para accionar los ejes de transmisión y la carpintería. Después de 1900, se empezaron a comercializar motores industriales más pequeños y la mayoría de las nuevas instalaciones utilizaban accionamientos eléctricos individuales. [4]
Los ejes de transmisión accionados por turbinas de vapor se usaban comúnmente para accionar máquinas de papel por razones de control de velocidad hasta que se pusieron a disposición métodos económicos para el control de velocidad de motores eléctricos de precisión en la década de 1980; desde entonces, muchos han sido reemplazados por accionamientos eléctricos seccionales. [5] El control económico de velocidad variable mediante motores eléctricos fue posible gracias a los rectificadores controlados por silicio (SCR) para producir corriente continua y accionamientos de frecuencia variable mediante inversores para cambiar CC a CA a la frecuencia requerida para la velocidad deseada.
La mayoría de los sistemas quedaron fuera de servicio a mediados del siglo XX y relativamente pocos permanecen en el siglo XXI, incluso menos en su ubicación y configuración originales.
En comparación con los motores eléctricos individuales o las unidades de accionamiento, los ejes de transmisión tienen las siguientes desventajas: [1]
Las empresas que cambiaron a la energía eléctrica mostraron una reducción significativa del tiempo de baja laboral y, utilizando el mismo equipo, mostraron un aumento significativo en la producción. En 1909, James Hobart escribió: "Es difícil entrar en una tienda o fábrica de cualquier tipo sin encontrarnos con una masa de cintas transportadoras que, al principio, parecen monopolizar cada rincón del edificio y dejar poco o ningún espacio para nada más". [6]
Para superar las limitaciones de distancia y fricción de los ejes de transmisión, a finales del siglo XIX se desarrollaron sistemas de cables de acero . Los cables de acero funcionaban a velocidades más altas que los ejes de transmisión y eran un medio práctico para transmitir potencia mecánica a una distancia de unas pocas millas o kilómetros. Utilizaban ruedas de gran diámetro y muy espaciadas, tenían una pérdida de fricción mucho menor que los ejes de transmisión y su coste inicial era una décima parte del de los mismos.
Para suministrar energía a pequeña escala que no era viable para las máquinas de vapor individuales, se desarrollaron sistemas hidráulicos de estación central. La energía hidráulica se utilizó para operar grúas y otra maquinaria en los puertos británicos y en otras partes de Europa. El sistema hidráulico más grande estaba en Londres. La energía hidráulica se utilizó ampliamente en la producción de acero de Bessemer .
También hubo algunas estaciones centrales que suministraban energía neumática a finales del siglo XIX. [1]
En un ejemplo temprano, la fábrica de algodón impulsada por agua de Jedediah Strutt , North Mill en Belper , construida en 1776, toda la energía para operar la maquinaria provenía de una rueda hidráulica de 18 pies (5,5 m) . [7]
