El cable de acero está compuesto por tan solo dos alambres metálicos sólidos trenzados en una hélice que forma una cuerda compuesta , en un patrón conocido como cuerda torcida . El cable de acero de mayor diámetro consta de múltiples hebras de dicha cuerda torcida en un patrón conocido como cable torcido . Fabricados utilizando una máquina industrial conocida como trenzadora, los alambres se introducen a través de una serie de barriles y se hilan en su orientación compuesta final.
En sentidos más estrictos, el término cable de acero se refiere a un diámetro mayor a 9,5 mm ( 3 ⁄ 8 in), y los calibres más pequeños se denominan cables o cordones. [1] Inicialmente se utilizaban alambres de hierro forjado , pero hoy en día el acero es el principal material utilizado para los cables de acero.
Históricamente, los cables de acero evolucionaron a partir de cadenas de hierro forjado, que tenían un historial de fallas mecánicas. Si bien los defectos en los eslabones de la cadena o en las barras de acero sólidas pueden provocar fallas catastróficas , los defectos en los alambres que componen un cable de acero son menos críticos, ya que los demás alambres absorben fácilmente la carga. Si bien la fricción entre los alambres y los cordones individuales causa desgaste durante la vida útil del cable, también ayuda a compensar fallas menores a corto plazo.
Los cables de acero se desarrollaron a partir de aplicaciones de elevación minera en la década de 1830. Los cables de acero se utilizan dinámicamente para levantar y elevar en grúas y ascensores , y para la transmisión de potencia mecánica . El cable de acero también se utiliza para transmitir fuerza en mecanismos, como un cable Bowden o las superficies de control de un avión conectadas a palancas y pedales en la cabina. Solo los cables de aeronaves tienen WSC (núcleo de hebra de alambre). Además, los cables de aeronaves están disponibles en diámetros más pequeños que el cable de acero. Por ejemplo, los cables de aeronaves están disponibles en 1,2 mm ( 3 ⁄ 64 in) de diámetro, mientras que la mayoría de los cables de acero comienzan en un diámetro de 6,4 mm ( 1 ⁄ 4 in). [2] Los cables de acero estáticos se utilizan para soportar estructuras como puentes colgantes o como cables tensores para sostener torres. Un tranvía aéreo depende de un cable de acero para sostener y mover la carga por encima.
El cable de acero moderno fue inventado por el ingeniero de minas alemán Wilhelm Albert entre los años 1831 y 1834 para su uso en la minería en las montañas de Harz en Clausthal , Baja Sajonia , Alemania . [3] [4] [5] Fue aceptado rápidamente porque demostró una resistencia superior a la de las cuerdas hechas de cáñamo o de cadenas de metal , como las que se habían utilizado antes. [6]
Las primeras cuerdas de Wilhelm Albert consistían en tres cordones de cuatro alambres cada uno. En 1840, el escocés Robert Stirling Newall mejoró aún más el proceso. [7] En Estados Unidos, John A. Roebling comenzó a fabricar cables de acero en 1841 [8] y estos formaron la base de su éxito en la construcción de puentes colgantes . Roebling introdujo una serie de innovaciones en el diseño, los materiales y la fabricación de cables de acero. Siempre atentos a los avances tecnológicos en minería y ferrocarriles, Josiah White y Erskine Hazard , principales propietarios [9] de Lehigh Coal & Navigation Company (LC&N Co.) —como lo habían hecho con los primeros altos hornos en el valle de Lehigh— construyeron una fábrica de cables de acero en Jim Thorpe, Pensilvania , [8] [10] en 1848, que proporcionó cables elevadores para el proyecto Ashley Planes , luego los planos de vía trasera del Summit Hill & Mauch Chunk Railroad , mejorando su atractivo como destino turístico de primer nivel y mejorando enormemente el rendimiento de la capacidad de carbón ya que el retorno de los vagones se redujo de casi cuatro horas a menos de 20 minutos.
En las décadas siguientes se produjo un aumento floreciente de la minería de pozos profundos tanto en Europa como en América del Norte, ya que los depósitos minerales de la superficie se agotaron y los mineros tuvieron que perseguir capas a lo largo de capas inclinadas. La época fue temprana en el desarrollo del ferrocarril y las máquinas de vapor carecían de suficiente fuerza de tracción para subir pendientes pronunciadas, por lo que los ferrocarriles de plano inclinado eran comunes. Esto impulsó el desarrollo de polipastos de cable rápidamente en los Estados Unidos, ya que los depósitos de superficie en la región del carbón antracita al norte y al sur se hundían más profundamente cada año, e incluso los ricos depósitos en el valle de Panther Creek requirieron que LC&N Co. perforara sus primeros pozos en pendientes más bajas comenzando en Lansford y su ciudad gemela del condado de Schuylkill , Coaldale .
La firma de ingeniería alemana Adolf Bleichert & Co. fue fundada en 1874 y comenzó a construir tranvías aéreos bidireccionales para la minería en el valle del Ruhr . Con importantes patentes y docenas de sistemas en funcionamiento en Europa, Bleichert dominó la industria global, y más tarde licenció sus diseños y técnicas de fabricación a Trenton Iron Works, Nueva Jersey, EE. UU., que construyó sistemas en todo Estados Unidos. Adolf Bleichert & Co. construyó cientos de tranvías aéreos en todo el mundo: desde Alaska hasta Argentina, Australia y Spitsbergen. La compañía Bleichert también construyó cientos de tranvías aéreos tanto para el Ejército Imperial Alemán como para la Wehrmacht.
En la última parte del siglo XIX, los sistemas de cables de acero se utilizaron como medio de transmisión de potencia mecánica [11], incluso para los nuevos teleféricos . Los sistemas de cables de acero costaban una décima parte y tenían menores pérdidas por fricción que los ejes de transmisión . Debido a estas ventajas, los sistemas de cables de acero se utilizaron para transmitir potencia a una distancia de unas pocas millas o kilómetros. [12]
Los alambres de acero para cables de acero se fabrican normalmente de acero al carbono no aleado con un contenido de carbono de entre el 0,4 y el 0,95 %. La gran resistencia de los alambres de los cables permite que los cables de acero soporten grandes fuerzas de tracción y puedan pasar por poleas con diámetros relativamente pequeños.
En los llamados cordones cruzados, los alambres de las diferentes capas se cruzan entre sí. En los cordones paralelos, que se utilizan con mayor frecuencia, la longitud de paso de todas las capas de alambre es igual y los alambres de dos capas cualesquiera superpuestas son paralelos, lo que da como resultado un contacto lineal. El alambre de la capa exterior está soportado por dos alambres de la capa interior. Estos alambres son vecinos a lo largo de toda la longitud del cordón. Los cordones paralelos se realizan en una sola operación. La resistencia de los cables con este tipo de cordón es siempre mucho mayor que la de los cordones cruzados (raramente utilizados). Los cordones paralelos con dos capas de alambre tienen la construcción Filler, Seale o Warrington.
En principio, los cables espirales son cordones redondos, ya que tienen un conjunto de capas de alambres dispuestos en espiral sobre un centro, con al menos una capa de alambres dispuesta en sentido opuesto al de la capa exterior. Los cables espirales se pueden dimensionar de tal manera que no giren, lo que significa que bajo tensión el par del cable es casi nulo. El cable espiral abierto está formado únicamente por alambres redondos. El cable espiral semicerrado y el cable espiral completamente cerrado siempre tienen un centro formado por alambres redondos. Los cables espirales cerrados tienen una o más capas exteriores de alambres perfilados. Tienen la ventaja de que su construcción evita en mayor medida la penetración de suciedad y agua y también los protege de la pérdida de lubricante. Además, tienen otra ventaja muy importante, ya que los extremos de un alambre exterior roto no pueden salir del cable si este tiene las dimensiones adecuadas.
Las cuerdas trenzadas son un conjunto de varias hebras dispuestas helicoidalmente en una o más capas alrededor de un núcleo. Este núcleo puede ser de uno de tres tipos. El primero es un núcleo de fibra, compuesto de material sintético o fibras naturales como el sisal. Las fibras sintéticas son más fuertes y más uniformes, pero no pueden absorber mucho lubricante. Las fibras naturales pueden absorber hasta el 15% de su peso en lubricante y, por lo tanto, protegen los cables internos mucho mejor de la corrosión que las fibras sintéticas. Los núcleos de fibra son los más flexibles y elásticos, pero tienen la desventaja de aplastarse fácilmente. El segundo tipo, el núcleo de hebra de alambre, está formado por una hebra adicional de alambre y se utiliza normalmente para suspensión. El tercer tipo es el núcleo de cable de acero independiente (IWRC), que es el más duradero en todo tipo de entornos. [13] La mayoría de los tipos de cuerdas trenzadas solo tienen una capa de hebra sobre el núcleo (núcleo de fibra o núcleo de acero). La dirección de paso de los cordones de la cuerda puede ser derecha (símbolo Z) o izquierda (símbolo S) y la dirección de paso de los alambres puede ser derecha (símbolo z) o izquierda (símbolo s). Este tipo de cuerda se llama cuerda de paso normal si la dirección de paso de los alambres en los cordones exteriores es en la dirección opuesta a la de los cordones exteriores. Si tanto los alambres en los cordones exteriores como los cordones exteriores tienen la misma dirección de paso, la cuerda se llama cuerda de paso largo (del holandés langslag, contrario a kruisslag , [14] anteriormente paso de Albert o paso langs). Paso regular significa que los alambres individuales se enrollaron alrededor de los centros en una dirección y los cordones se enrollaron alrededor del núcleo en la dirección opuesta. [2]
Las cuerdas de múltiples hilos son todas más o menos resistentes a la rotación y tienen al menos dos capas de hilos dispuestas helicoidalmente alrededor de un centro. La dirección de los hilos exteriores es opuesta a la de las capas de hilos subyacentes. Las cuerdas con tres capas de hilos pueden ser casi no giratorias. Las cuerdas con dos capas de hilos son en su mayoría de baja rotación. [15]
Dependiendo de dónde se utilicen, los cables de acero deben cumplir distintos requisitos. Los usos principales son:
Las normas técnicas se aplican al diseño de accionamientos por cable para grúas, ascensores, teleféricos e instalaciones mineras. Los factores que se tienen en cuenta en el diseño incluyen: [17]
El cálculo de los límites de accionamiento por cable depende de:
Los cables de acero están sometidos a esfuerzos debido a fuerzas fluctuantes, desgaste, corrosión y, en casos excepcionales, a fuerzas extremas. La vida útil de los cables es limitada y la seguridad solo se garantiza mediante una inspección para detectar roturas de cables en una longitud de cable de referencia, pérdidas de sección transversal y otros fallos, de modo que se pueda sustituir el cable de acero antes de que se produzca una situación peligrosa. Las instalaciones deben diseñarse de modo que faciliten la inspección de los cables de acero.
Las instalaciones de elevación para el transporte de pasajeros requieren la combinación de varios métodos para evitar que una cabina se desplome hacia abajo. Los ascensores deben tener cables de apoyo redundantes y un dispositivo de seguridad. Los teleféricos y los montacargas de minas deben estar supervisados permanentemente por un responsable responsable y el cable debe inspeccionarse mediante un método magnético capaz de detectar roturas de alambres internos.
El extremo de un cable de acero tiende a deshilacharse con facilidad y no se puede conectar fácilmente a la planta y al equipo. Existen diferentes formas de asegurar los extremos de los cables de acero para evitar que se deshilachen. El tipo de ajuste de extremo común y útil para un cable de acero es doblar el extremo hacia atrás para formar un bucle. Luego, el extremo suelto se fija nuevamente al cable de acero. Las eficiencias de terminación varían desde aproximadamente el 70 % para un ojo flamenco solo; hasta casi el 90 % para un ojo flamenco y empalme; hasta el 100 % para extremos encapsulados y prensados. [ cita requerida ]
Cuando el cable de acero termina con un bucle, existe el riesgo de que se doble demasiado, especialmente cuando el bucle está conectado a un dispositivo que concentra la carga en un área relativamente pequeña. Se puede instalar un guardacabos dentro del bucle para preservar la forma natural del bucle y proteger el cable de pinzamientos y desgastes en el interior del bucle. El uso de guardacabos en bucles es la mejor práctica de la industria . El guardacabos evita que la carga entre en contacto directo con los cables.
Un clip de cable de acero, a veces llamado abrazadera, se utiliza para fijar el extremo suelto del bucle al cable de acero. Por lo general, consta de un perno en U , una montura forjada y dos tuercas. Las dos capas de cable de acero se colocan en el perno en U. Luego, la montura se ajusta al perno sobre los cables (la montura incluye dos orificios para ajustarse al perno en U). Las tuercas aseguran el conjunto en su lugar. Por lo general, se utilizan dos o más clips para terminar un cable de acero según el diámetro. Es posible que se necesiten hasta ocho para un cable de 2 pulgadas (50,8 mm) de diámetro.
El acrónimo "nunca ensillar un caballo muerto" significa que, al instalar los clips, la parte del conjunto que va en la montura se coloca en el lado que soporta la carga o "activo", no en el lado que no soporta la carga o "muerto" del cable. Esto es para proteger el extremo activo o que soporta la tensión del cable contra el aplastamiento y el maltrato. El asiento plano del cojinete y las puntas extendidas del cuerpo están diseñados para proteger el cable y siempre se colocan contra el extremo activo. [18]
La Marina de los EE. UU. y la mayoría de los organismos reguladores no recomiendan el uso de dichos clips como terminaciones permanentes a menos que se revisen y vuelvan a ajustar periódicamente.
Se puede utilizar un empalme de ojo para terminar el extremo suelto de un cable de acero al formar un bucle. Los hilos del extremo de un cable de acero se desenrollan una cierta distancia y luego se doblan de manera que el extremo de la longitud desenrollada forme un ojo. Luego, los hilos desenrollados se trenzan nuevamente dentro del cable de acero, formando el bucle, o un ojo, llamado empalme de ojo.
Un empalme holandés o de ojal flamenco implica desenrollar tres hebras del alambre (las hebras deben estar una al lado de la otra, no alternadas) y mantenerlas a un lado. Las hebras restantes se doblan alrededor, hasta que el extremo del alambre se encuentra con la "V" donde terminó el desenrollado, para formar el ojal. Las hebras que se mantuvieron a un lado ahora se vuelven a enrollar envolviéndolas desde el extremo del alambre hasta la "V" del ojal. Estas hebras se vuelven a enrollar efectivamente a lo largo del alambre en la dirección opuesta a su paso original. Cuando este tipo de empalme de cuerda se usa específicamente en cables de acero, se lo llama "Molly Hogan" y, por algunos, ojal "holandés" en lugar de ojal "flamenco". [19]
El prensado es un método de terminación de cables de acero que se refiere a la técnica de instalación. El propósito del prensado de accesorios de cables de acero es conectar dos extremos de cables de acero entre sí, o de otra manera terminar un extremo del cable de acero con otra cosa. Se utiliza un prensador mecánico o hidráulico para comprimir y deformar el accesorio, creando una conexión permanente. Los pernos roscados, los casquillos, los casquillos y los manguitos son ejemplos de diferentes terminaciones prensadas. [20] [21] No se recomienda el prensado de cables con núcleos de fibra.
Una terminación de casquillo en cuña es útil cuando es necesario reemplazar el accesorio con frecuencia. Por ejemplo, si el extremo de un cable de acero está en una región de alto desgaste, el cable puede recortarse periódicamente, lo que requiere que se retire y vuelva a colocar el hardware de terminación. Un ejemplo de esto se encuentra en los extremos de los cables de arrastre de una dragalina . El bucle del extremo del cable de acero ingresa en una abertura cónica en el casquillo, envolviéndose alrededor de un componente separado llamado cuña. El arreglo se coloca en su lugar y la carga se alivia gradualmente sobre el cable. A medida que aumenta la carga sobre el cable de acero, la cuña se vuelve más segura, agarrando el cable con más fuerza.
Los casquillos colados se utilizan para crear una terminación permanente de alta resistencia; se crean insertando el cable de acero en el extremo angosto de una cavidad cónica que está orientada en línea con la dirección de tensión deseada. Los cables individuales se extienden dentro del cono o "capel", y luego el cono se llena con soldadura fundida de plomo-antimonio-estaño (Pb 80 Sb 15 Sn 5 ) o "tapón de metal blanco", [22] zinc [ cita requerida ] o, ahora más comúnmente, un compuesto de resina de poliéster insaturado . [23] [24]