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.

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Un saludo

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