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Ingeniería Mecánica: ¿Cómo trabaja una prensa de zapata?

La prensa de zapata es un dispositivo que fue desarrollado frente a la necesidad de incrementar la velocidad de las máquinas de papel (ver entrada: Tecnología de la prensa de zapata). La idea partió de las mesas de diseño del fabricante de máquinas de papel americano Beloit, que en su día, con la ayuda de un novedosos modelo matemático modelizó una sección de prensas y demostró que la cantidad de agua que puede extraerse de la hoja de papel es directamente proporcional a la carga aplicada en la prensa y al tiempo de permanencia en el nip (zona de contacto entre dos rodillos presionando uno contra otro). A partir de este punto varios fabricantes de máquinas de papel comenzaron a desarrollar la prensa de nip extendido o ENP (de sus siglas en inglés Extended Nip Press) dando como resultado lo que hoy conocemos como prensa de zapata. Sus primeras aplicaciones fueron destinadas a máquinas para la fabricación de cartón. El conocimiento del sistema hidráulico y su funcionamiento es clave a la hora de diagnosticar posibles problemas que estén produciéndose en la prensa de zapata. Veamos cómo funciona este dispositivo.

La función de una sección de prensas de una máquina de papel es la de extraer el agua de la hoja mediante un proceso puramente mecánico, consistente en aplicar una carga a la hoja de papel que se desplaza entre dos fieltros a lo largo de la sección de prensas. Las ventajas de una buena deshidratación de la hoja de papel en la sección de prensas mediante el uso de una prensa de zapata son varias, entre ellas la reducción de la energía térmica necesaria en sequería, mejora de la vida de los fieltros (menor presión específica sobre ellos), aumento de la eficiencia por disminución de roturas, etc.

La carga o esfuerzo de prensado, en el caso de una prensa de zapata, se consigue aplicar de manera progresiva durante el avance de la hoja a través de la prensa. En la siguiente figura puede verse un diagrama de la presión ideal que, en función del tiempo, debe ejercer la zapata sobre la hoja de papel.

Presión ejercida en función del tiempo

En ese diagrama pueden apreciarse tres zonas claramente diferenciadas. En la primera de ellas se produce una fuerte subida de la presión hasta la zona de deshidratación de la hoja. En la segunda zona, conocida también como zona de deshidratación, se produce un aumento suave de presión, menos brusco que en la zona anterior para producir una compactación gradual y, por último, en la tercera zona se produce una fuerte caída de la presión para prevenir una nueva hidratación de la hoja. De esta forma se consigue una deshidratación suave y una estructura uniforme de la hoja de papel junto con un gran volumen de retención. En la siguiente figura puede apreciarse la forma típica de una zapata de presión.

Forma de una zapata de presión

Una prensa de zapata consiste básicamente en dos rodillos en contacto a través de los cuales pasa la hoja de papel. Uno de ellos, presenta un recubrimiento flexible fabricado de un material elástico y que aloja la zapata de presión y su sistema hidráulico de presión. El otro rodillo es el de apoyo y contrapresión, está fabricado de acero y su función es la de soportar la fuerza ejercida por la zapata. Para comprender su funcionamiento podemos imaginar una viga cuyo sistema de carga consiste en un esfuerzo uniformemente repartido a lo largo de toda la viga. Si esta viga no tuviera un apoyo sufriría una deformación proporcional al valor de la carga aplicada pero si, por el contrario, en su parte inferior le aplicamos una carga uniformemente repartida de igual valor pero de sentido contrario, la viga permanecerá inalterada en cuanto a su deformación se refiere. Este es exactamente el concepto que se utiliza en una prensa de zapata. La zapata presiona contra el rodillo duro inferior, y el rodillo inferior ejerce una carga hacia la zapata del mismo valor. Estas cargas o esfuerzos de presión se consiguen por medio del empleo de pistones hidráulicos, alojados tanto detrás de la zapata como detrás de la camisa de acero del rodillo inferior. En la siguiente figura se puede apreciar la disposición de los elementos que forman el conjunto de prensa y su forma de trabajar.

Esquema de una prensa de zapata

El número de pistones hidráulicos existentes a lo largo del sistema dependerá del ancho de la máquina de papel. Es importante conocer y comprender el sistema hidráulico que controla y ejerce la carga lineal de la prensa a través de sus pistones. Evidentemente, dependerá del fabricante de la máquina de papel pero básicamente consiste en una línea de presión Pa hacia los pistones de la zapata y cuyo valor en bar es calculado por el sistema en función del valor de la carga, en KN/m, que se quiere aplicar con la prensa sobre la hoja de papel. Este mismo valor de presión, llega a través de otra línea hacia los pistones alojados en el rodillo duro inferior, exactamente el mismo valor en bar. El sistema se completa con varias lineas de presión de aceite hacia el interior del rodillo flexible superior y hacia el interior del rodillo duro inferior y cuya función es la de lubricar la zapata de presión y la camisa de acero del rodillo inferior, entre otros.

Esquema del sistema hidráulico básico de una prensa de zapata

En la siguiente figura puede apreciarse la disposición de los pistones alojados detrás de la zapata de presión una vez desmontada ésta. Puede apreciarse que en ambos extremos de la zapata existen unos pequeños pistones, de inferior diámetro, montados en pareja y cuya función es la de corregir la deformación o deflexión de la zapata en sus extremos. Si nos fijamos en el sistema hidráulico representado esquemáticamente en la figura anterior, puede verse como estos pequeños pistones necesitan una línea de presión hidráulica de valor Pb inferior a la presión hidráulica que alimenta los pistones del centro.

Conjunto de pistones alojados tras la zapata

Disposición de los pistones hidráulicos en el interior del rodillo duro inferior

Una prensa de zapata necesita un mantenimiento periódico para asegurar un alto grado de rendimiento y fiabilidad de la misma. El rodillo blando que contiene la zapata precisa que su camisa flexible sea cambiada cada cierto número de ciclos o vueltas, valor que suele rondar entre los 50 y 80 millones de ciclos y que dependerá del estado de la misma. Es una operación simple que suele llevar entre 4 y 6 horas, a realizar durante una parada programada, planificando debidamente la operación. Es conveniente comprobar y vigilar detenidamente el estado de la camisa flexible siempre que se pueda y durante las paradas programadas. Por otro lado, tanto el sistema hidráulico como la zapata y su conjunto necesitan una revisión periódica que puede variar entre dos o tres años, dependiendo de la velocidad de la máquina, calidad del papel, cargas aplicadas, etc. Durante estas revisiones periódicas debe desmontarse el rodillo de la máquina para comprobar y sustituir todos sus elementos sometidos a desgaste. El cuanto al rodillo duro de apoyo y contrapresión suele ser extraído cada dos años de la máquina para su revisión y en cuanto a su recubrimiento, puede ser rectificado dependiendo de la necesidad de ello.

En el siguiente vídeo podéis apreciar el funcionamiento, de manera simplificada, de una zapata de presión con su sistema hidráulico. Es muy gráfico y explicativo, en él se aprecia la disposición de los pistones centrales de la zapata y los de sus extremos.

Una prensa de zapata es un dispositivo que, desde el punto de vista de su mantenimiento mecánico es necesario conocer muy bien. Hay que tener en cuenta que, cada una de las prensas de zapata existentes en una máquina de papel posee su propia central hidráulica que, aún no siendo de una complejidad extrema, si tienen sus propias peculiaridades. Para diagnosticar la causa de cualquier problema detectado sobre la prensa, por pequeño que este sea, como el simple incremento de la temperatura del aceite de la central es necesario poseer un buen conocimiento de la función de la prensa y su mecanismo. Por supuesto sobra mencionar la importancia, en este caso, de un buen mantenimiento preventivo, plasmado en unas revisiones periódicas que incluyan todas aquellas tareas requeridas por el fabricante para mantener un alto grado de rendimiento, eficiencia y fiabilidad de nuestra prensa de zapata.

Como siempre, os animo a dejar vuestros comentarios, dudas o inquietudes al respecto. Gracias.

Un saludo

mecantech@gmail.com
  1. Basilio Salazar Ruvalcaba
    06/07/2012 a las 02:15

    Saludos.
    Quiero comprar una prensa de zapata.
    Tengo una máquina que produce medium desde 100 hasta 195 g/m2
    La veolicad de la máquina máxima es de 250 m/min.
    Quizá en un futuro llegue a los 300 m/min.
    1 second-hand Press Part with Shoe-Press

    Make : VOITH-SULZER
    Type : COMBI-NIPCO-FLEX
    Year of make : 2001
    Untrimmed Paper Sheet Width : 4250 mm
    Max. Sheet width at press inlet : 4350 mm
    Wire Width : 4600 mm
    Bearing Centre Distance : 5550 mm
    Design Speed : 1200 m/min
    Max. Operating Speed : 1000 m/min
    Drive Side in sheet run direction : right
    Linear Nip Pressure : 1st nip = 60 N/mm
    2nd nip = 750 N/mm
    3rd nip = 150 N/mm
    Max. Felt Tension : 4.5 N/mm

    ¿Me pueden dar su opinión al respecto?

    De antemano muchas gracias.

    Atte. Basilio Salazar R.

    • 06/07/2012 a las 07:33

      Hola Basilio, ante todo comentarte que yo no soy ingeniero papelero si no mecánico. Mi opinión se centra exclusivamente en el aspecto mecánico de la prensa y desde el punto de vista de su mantenimiento. Las prensas de zapata de Voith encierran un diseño ampliamente desarrollado y probado. Su calidad es extrema. Es importante dejar claro las calidades superficiales de los rodillos y muy importante sobre todo la del rodillo NipcoP. El rango de velocidad en el que os estáis moviendo vosotros no es muy elevado, aún así la prensa está diseñada para una velocidad muy superior, con ello podréis tener periodos de tiempo largos entre cambio y cambio de la camisa del rodillo NipcoFlex (el cambio viene dado por el número de ciclos o vueltas de la misma), económicamente es muy bueno. En cuanto al sistema hidráulico es importante que el departamento de mantenimiento lo conozca a fondo y se empape de su funcionamiento, de su filosofía, desde la central hasta los rodillos Nipco y desde un principio. Tened en cuenta que el rodillo NipcoFlex necesita ser revisado fuera de máquina de forma periódica (suelen ser revisiones bianuales) es bueno negociar desde un principio la entrega de un kit que incluya la totalidad de los repuestos necesarios para la primera revisión, tenerlos codificados y siempre en el almacén. Los rodamientos de la prensa NipcoFlex suelen tener un plazo de entrega elevado. En fin, mi opinión sobre este tipo de prensa es bueno, el servicio de Voith es excelente (si queréis recurrir a ellos) y la calidad de la máquina es muy buena. Un saludo.

    • alfonso aguilar escobedo
      07/07/2016 a las 19:31

      hola quisera saber si puedes ayudarme necesito saber el funcionamiento de una prensa mecanica que tiene sistema de contrabalance y es de 2000 toneladas estoy batallando para hacer diagnostico ponerla a trabajar

      • 09/07/2016 a las 07:43

        Hola Alfonso, ¿te refieres al contrabalance ejercido por un rodillo inferior?. Si es así debería funcionar como lo descrito más arriba. Para hacer un diagnostico fiable deberías conocer o tener datos de presiones según la especificación del fabricante de la prensa ¿Tienes un esquema hidráulico de la máquina que puedas enviarme?. Un saludo.

  2. 22/09/2014 a las 23:37

    ola quisiera mas detalles tecnicos sobre la prensa sapata que se puede emplear en un apapelera que ya existe con un rodillo prensa succio que trabaja con 60 psi l/M QUE RIESGOs corro al incrementar la velocidad actualmente se trabaja a 1110m/min

    • 23/09/2014 a las 19:14

      Hola Luis, primeramente se debe realizar un estudio para comprobar si es factible la instalación de una prensa de zapata. Básicamente consiste en comprobar que la configuración actual lo permite. La modificación permitirá el incremento de velocidad lo cuál es bueno pero hay que ser consecuente y ver si este aumento de velocidad conlleva algún problema en el resto de la máquina. Un saludo.

  3. 24/09/2014 a las 03:50

    pero se tendra que cambiar toda la rodilleria a mayor diametro? si es factible poner la prensa zapata porque la maquina es de una 1600m/min actualmente esta hasta 1200m/min soy mecanico de familia sancela ecuador ayudeme con algunos datos tecnicos por ejemplo tiene rodamientos pistones gracias

    • 24/09/2014 a las 15:08

      Hola Luis, aún no siendo experto en este tipo de estudios sí le puedo decir que la prensa de zapata produce mayor presión específica debido al aumento de superficie de presión, el concepto de prensa es distinto y este tipo de estudios son efectuados por los fabricantes de la prensa, el concepto de prensa es distinto y la reforma e inversión puede llegar a ser importante. Efectívamente poseen rodamientos y pistones internos que producen la carga mediante energía hidráulica. Le recomiendo que contacte con alguna empresa especializada en este tipo de estudios. Un saludo.

  4. 30/09/2014 a las 02:38

    para el desmontaje se la prensa zapata tiene que ser personal calificado ose tendra que seguir algun curso pra realisarlo

    • 30/09/2014 a las 06:27

      Hola Luis, normalmente el rodillo prensa de zapata tiene que ser revisado cada dos años y es mejor que esa revisión sea efectuada por personal cualificado. El desmontaje y montaje puede ser realizado tras un breve curso en el que se describen los pasos a seguir. Gracias, un saludo.

  5. 14/10/2014 a las 09:06

    cual es la apariencia y la espuma del aceite de una prensa de zapata?

    • 15/10/2014 a las 16:20

      Hola Suriel, no entiendo tu pregunta, si te refieres a la apariencia del aceite dentro del depósito no sabría decirte, está cerrado y lleva respiraderos. La llegada de aceite se realiza mediante bandeja y rebosadero para evitar turbulencias deltro del tanque asi que la espuma no debería aprecer. Un saludo.

  6. 16/10/2014 a las 05:04

    disculpa me podrias decir a que temperatura tiene su funcionamiento una prensa de zapata?

    • 16/10/2014 a las 06:31

      Hola, entre 46 y 52 ºC, más o menos. Un saludo.

  7. Ramon
    05/08/2015 a las 22:30

    mi pregunta es tengo problemas con la presión de la zapata a que se debe

    • 06/08/2015 a las 12:30

      Hola Ramón, ¿puedes ser más específico?, ¿quieres decir que la presión lineal no es correcta o que la presión hidráulica no es alcanzada?, ¿en algunas zonas o en general?. Un saludo.

  8. Mauricio jaramillo padierna
    11/03/2016 a las 01:52

    Hola amigo espero te encuentres bien de salud, en la empresa que trabajo vamos a quitar la mesa de formacion , tambien el cabezal de vacio, pero el que trae la mesa nueva los separadores están muy largos y tambien las trompetas de las cajas de alto vacio, se quiere poner valvulas manuales para regular este pero como no caben, mi pregunta principal es si podemos poner. Estas valvulas en la tuberia superior del separador . De antemano muchas gracias por su atencion , mi nombre es Mauricio jaramillo p. De leon,gto. Mexico

    • 11/03/2016 a las 07:35

      Hola Mauricio, en teoría es mejor que estén más cerca de la máquina puesto que tuberías más largas pueden proporcionar pérdidas de carga mayores aunque también es cierto que si no hay más remedio habrá que colocar las válvulas donde se pueda, otra cuestión es si debes colocar válvulas rompevacío de seguridad donde van ubicadas porque deben estar una muy cerca de la otra. Sin asegurártelo al 100%, puesto que no soy experto en mecánica de fluidos, yo diría que si. Un saludo.

  9. Mauricio jaramillo padierna
    13/03/2016 a las 01:09

    De antemano te lo agradezco tu sugerencia fue de mucha utilidad para este proyecto que estamos llevando a cabo,gracias y te seguiré consultando por tus conocimientos y sugerencias. Siempre a tus órdenes y demás compañeros que quieran hacerme algún comentario

  10. roberto robles
    12/09/2016 a las 19:27

    porque vibra en exceso una prensa de succion beloit

    • 13/09/2016 a las 22:27

      Hola Roberto, difícil respuesta tiene tu pregunta. Primero deberás descartar problemas en rodamientos o desequilibrios en la camisa perforada haciendo análisis de vibraciones, creo que esas son las causas mas peligrosas. Una vez estudiadas y descartadas dichas causas debes comprobar si se trata de una velocidad crítica, es decir, si la vibración aparece siempre a una determinada velocidad, en ese caso puedes aumentar o disminuir 5 o 10 m/min o pasar lo más rápidamente por esa velocidad. Puedes igualmente comprobar si se mantienen las vibraciones con el siguiente cambio de fieltros, a veces ocurre que se han fabricado de alguna manera no habitual o anormal. Si no es nada de lo anterior te aconsejo vigilar de cerca la máquina porque podrían aparecer problemas mayores y realizar un estudio exhaustivo del estado de soportes, bastidores, tornillería y todos aquellos elementos que de una u otra manera aportan rigidez a la máquina. No menciono temas relacionados con el vacío de la prensa porque suelen ser detectados fácilmente ya que van acompañados de un aumento del ruido. Un saludo.

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