Cable de acero

El cable de acero se compone de tan solo dos alambres metálicos sólidos retorcidos en forma de hélice , formando así un cable compuesto , en un patrón conocido como trenzado . Los cables de acero de mayor diámetro constan de múltiples hebras de este trenzado, en un patrón conocido como cableado . Fabricados mediante una máquina industrial denominada trenzadora, los alambres se introducen a través de una serie de rodillos y se les da forma mediante un proceso de hilado hasta alcanzar su orientación final.

En sentido estricto, el término cable de acero se refiere a un diámetro mayor de 9,5 mm ( 3/8 pulg . ) , mientras que los calibres menores se denominan cables o cordones. ^{[ 1 ]} Inicialmente se utilizaban alambres de hierro forjado , pero hoy en día el acero es el material principal utilizado para los cables de acero.  

Históricamente, los cables de acero evolucionaron a partir de cadenas de hierro forjado, que presentaban un historial de fallos mecánicos. Si bien los defectos en los eslabones de la cadena o en las barras de acero macizo pueden provocar fallos catastróficos , los defectos en los alambres que componen un cable de acero son menos críticos, ya que los demás alambres soportan fácilmente la carga. Aunque la fricción entre los alambres y los hilos individuales provoca desgaste a lo largo de la vida útil del cable, también ayuda a compensar fallos menores a corto plazo.

Los cables de acero se desarrollaron a partir de aplicaciones de polipastos mineros en la década de 1830. Se utilizan dinámicamente para el izamiento en grúas y ascensores , y para la transmisión de potencia mecánica . También se emplean para transmitir fuerza en mecanismos, como un cable Bowden o las superficies de control de un avión conectadas a las palancas y pedales de la cabina. Solo los cables aeronáuticos tienen núcleo de alambre trenzado (WSC). Además, los cables aeronáuticos están disponibles en diámetros menores que los cables de acero. Por ejemplo, los cables aeronáuticos están disponibles en diámetros de 1,2 mm ( 3/64 pulg .) , mientras que la mayoría de los cables de acero comienzan con un diámetro de 6,4 mm (1/4 pulg.). [ 2 ] Los cables de acero ^{estáticos se utilizan} para soportar estructuras como puentes colgantes o como tirantes para sostener torres. Un teleférico depende de cables de acero para soportar y mover carga por encima de la cabeza.    

El cable de acero moderno fue inventado por el ingeniero de minas alemán Wilhelm Albert entre 1831 y 1834 para su uso en la minería de las montañas Harz en Clausthal , Baja Sajonia , Alemania. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} Fue rápidamente aceptado porque demostró una resistencia superior a la de las cuerdas hechas de cáñamo o de cadenas metálicas , como las que se habían utilizado anteriormente. ^{[ 6 ]}

Las primeras cuerdas de Wilhelm Albert consistían en tres hebras formadas por cuatro alambres cada una. En 1840, el escocés Robert Stirling Newall perfeccionó aún más el proceso. ^{[ 7 ]} En Estados Unidos, John A. Roebling fabricó cables de acero a partir de 1841 ^{[ 8 ]} , sentando las bases de su éxito en la construcción de puentes colgantes . Roebling introdujo varias 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 , propietarios principales ^{[ 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 Mauch Chunk (más tarde renombrada Jim Thorpe, Pensilvania ), ^{[ 8 ] [ 10 ]} en 1848, que proporcionó cables de elevación para el proyecto Ashley Planes , luego los planos de vía de retorno del ferrocarril Summit Hill & Mauch Chunk , mejorando su atractivo como destino turístico de primer orden y mejorando enormemente el rendimiento de la capacidad de carbón, ya que el regreso de los vagones se redujo de casi cuatro horas a menos de 20 minutos.

Las décadas siguientes se caracterizaron por un auge en la minería de pozos profundos tanto en Europa como en Norteamérica, a medida que se agotaban los depósitos minerales de superficie y los mineros tenían que buscar capas a lo largo de estratos inclinados. Era una época temprana en el desarrollo del ferrocarril y las máquinas de vapor carecían de la fuerza de tracción suficiente para subir pendientes pronunciadas, por lo que los ferrocarriles de plano inclinado eran comunes. Esto impulsó rápidamente el desarrollo de los polipastos de cable en los Estados Unidos, ya que los depósitos de superficie en la región del carbón de antracita , tanto al norte como al sur, se adentraban cada año más en profundidad, e incluso los ricos depósitos del valle de Panther Creek obligaron a la compañía LC&N a excavar sus primeros pozos en laderas más bajas, comenzando en Lansford y su ciudad gemela en el condado de Schuylkill, Coaldale .

La empresa de ingeniería alemana Adolf Bleichert & Co. se fundó en 1874 y comenzó a construir teleféricos biplaza para la minería en el valle del Ruhr . Con importantes patentes y decenas de sistemas en funcionamiento en Europa, Bleichert dominó la industria mundial, y posteriormente cedió licencias de sus diseños y técnicas de fabricación a Trenton Iron Works, en Nueva Jersey, EE. UU., que construyó sistemas en todo Estados Unidos. Adolf Bleichert & Co. llegó a construir cientos de teleféricos en todo el mundo: desde Alaska hasta Argentina, Australia y Spitsbergen . La empresa Bleichert también construyó cientos de teleféricos para el Ejército Imperial Alemán y la Wehrmacht.

En la última parte del siglo XIX, los sistemas de cables de acero se utilizaron para transmitir energía mecánica ^{[ 11 ]} , incluso en los nuevos teleféricos . Estos sistemas costaban una décima parte y presentaban menores pérdidas por fricción que los ejes de transmisión . Gracias a estas ventajas, se emplearon para transmitir energía a distancias de varios kilómetros. ^{[ 12 ]}

Dependiendo de dónde se utilicen, los cables de acero deben cumplir diferentes requisitos. Los principales usos son:

• Los cables de amarre (cables trenzados) se doblan sobre poleas y tambores. Por lo tanto, están sometidos principalmente a tensión por flexión y, en segundo lugar, por tracción.
• Las cuerdas fijas, las cuerdas de sujeción (cuerdas en espiral, en su mayoría completamente bloqueadas) deben soportar fuerzas de tracción y, por lo tanto, están sometidas principalmente a esfuerzos de tracción estáticos y fluctuantes. Las cuerdas utilizadas para la suspensión suelen denominarse cables. ^{[ 16 ]}
• Los cables de guía (cables totalmente bloqueados) deben funcionar como rieles para los rodillos de las cabinas u otras cargas en teleféricos y grúas de cable. A diferencia de los cables de rodadura, los cables de guía no adoptan la curvatura de los rodillos. Bajo la acción de los rodillos, se produce un radio de flexión libre en el cable. Este radio aumenta (y las tensiones de flexión disminuyen) con la fuerza de tracción y disminuye con la fuerza de los rodillos.
• Las eslingas de cable de acero (cables trenzados) se utilizan para sujetar diversos tipos de mercancías. Estas eslingas están sometidas a esfuerzos de tracción, pero sobre todo a esfuerzos de flexión cuando se doblan sobre los bordes, más o menos afilados, de las mercancías.

Las normas técnicas se aplican al diseño de sistemas de accionamiento por cable para grúas, ascensores, teleféricos e instalaciones mineras. Los factores que se consideran en el diseño incluyen: ^{[ 17 ]}

• Número de ciclos de trabajo permitidos antes de la sustitución o rotura de la cuerda.
• Fuerza de Donandt (fuerza de tracción de fluencia para una relación de diámetro de flexión D / d dada ): límite estricto. La fuerza de tracción nominal de la cuerda S debe ser menor que la fuerza de Donandt SD ₁ .
• Factor de seguridad de la cuerda, relación entre la resistencia a la rotura de la cuerda y la carga máxima prevista.
• Número admisible de hebras rotas antes de su reemplazo.
• Diámetro óptimo de la cuerda para un diámetro de polea determinado, para obtener la mejor vida útil.

El cálculo de los límites de accionamiento por cable depende de:

• Datos del cable de acero utilizado
• Fuerza de tracción de la cuerda S
• Diámetro D de la polea o tambor
• Flexiones simples por ciclo de trabajo w _sim
• Flexiones inversas por ciclo de trabajo w _rev
• Tensión fluctuante combinada y flexión por ciclo de trabajo w _com
• Fuerza de tracción fluctuante relativa Δ S / S
• Longitud de curvatura de la cuerda l

Los cables de acero están sometidos a esfuerzos debido a fuerzas fluctuantes, desgaste, corrosión y, en raras ocasiones, a fuerzas extremas. Su vida útil es limitada y la seguridad solo se garantiza mediante inspecciones que detecten roturas en un tramo de referencia, pérdida de sección transversal y otras fallas, de modo que el cable pueda reemplazarse antes de que se produzca una situación peligrosa. Las instalaciones deben diseñarse para facilitar 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 precipite hacia abajo. Los ascensores deben contar con cables de soporte redundantes y un dispositivo de seguridad. Los teleféricos y los sistemas de elevación en minas deben estar supervisados ​​permanentemente por un gerente responsable, y el cable debe inspeccionarse mediante un método magnético capaz de detectar roturas en el alambre interno.

El extremo de un cable de acero tiende a deshilacharse fácilmente y no se puede conectar con facilidad a la maquinaria y los equipos. Existen diferentes maneras de asegurar los extremos de los cables de acero para evitar que se deshilachen. El tipo de sujeción más común y útil para un cable de acero consiste en doblar el extremo para formar un lazo. El extremo suelto se vuelve a fijar al cable. La eficiencia de la terminación varía desde aproximadamente el 70 % para un ojo flamenco solo; hasta casi el 90 % para un ojo flamenco y un empalme; y hasta el 100 % para extremos sellados y prensados.

Abrazaderas para cables de acero

Una abrazadera para cable de acero, también llamada mordaza, se utiliza para fijar el extremo suelto del lazo al cable. Generalmente consta de un perno en U , una abrazadera forjada y dos tuercas. Las dos capas de cable se colocan en el perno en U. A continuación, la abrazadera se ajusta al perno sobre los cables (la abrazadera incluye dos orificios para encajar en el perno en U). Las tuercas aseguran el conjunto. Normalmente se utilizan dos o más abrazaderas para rematar un cable de acero, según su diámetro. Pueden ser necesarias hasta ocho para un cable de 50,8 mm ( 2 pulgadas ) de diámetro.  

La regla mnemotécnica «nunca ensilles un caballo muerto» significa que, al instalar los clips, la parte del soporte del conjunto se coloca en el lado de carga o «activo», no en el lado sin carga o «inactivo» del cable. Esto protege el extremo activo o de tensión de la cuerda contra aplastamientos y daños. El asiento plano del soporte y las puntas extendidas del cuerpo están diseñados para proteger la cuerda 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 este tipo de clips como terminaciones permanentes a menos que se revisen y se vuelvan a ajustar periódicamente.

Empalme de ojo u ojo flamenco

Un empalme de ojo se utiliza para rematar el extremo suelto de un cable de acero al formar un lazo. Los hilos del extremo del cable se desenrollan una cierta distancia y luego se doblan de manera que el extremo desenrollado forme un ojo. A continuación, los hilos desenrollados se vuelven a trenzar dentro del cable, formando el lazo, o ojo, lo que se conoce como empalme de ojo.

Un empalme flamenco, o empalme holandés, consiste en desenrollar tres hebras (deben estar contiguas, no alternadas) del cable y apartarlas. Las hebras restantes se doblan hasta que el extremo del cable se encuentra con la "V" donde terminó el desenrollado, formando así el ojal. Las hebras apartadas se vuelven a enrollar desde el extremo del cable hasta la "V" del ojal. Estas hebras se vuelven a enrollar a lo largo del cable en la dirección opuesta a su disposición original. Cuando este tipo de empalme se utiliza específicamente en cables de acero, se denomina "Molly Hogan" y, por algunos, "ojal holandés" en lugar de "ojal flamenco". ^{[ 19 ]}

Extremos encapsulados o bases fundidas

Los enchufes fundidos se utilizan para crear una terminación permanente de alta resistencia; se crean insertando el cable de acero en el extremo estrecho de una cavidad cónica orientada en línea con la dirección de tensión prevista. Los cables individuales se extienden dentro del cono o «capel», y este se rellena con soldadura fundida de plomo-antimonio-estaño (Pb 80 _Sb 15 _Sn 5 ₎ o « capa metálica blanca », ^{[ 22 ]} zinc o, más comúnmente ahora, un compuesto de resina de poliéster insaturado . ^{[ 23 ] [ 24 ]}

• Puente colgante de cable
• Cuerda de fibra
• cuerda de cáñamo
• Estructura de tracción
• Tecnología de enrollado de cables de acero

• Tipos y construcción de cables y cordones de alambre
• Manual técnico de la Marina de los EE. UU. para cables de alambre y fibra
• Historia moderna del cable de acero
• Manual de tecnología de cabrestantes, cables y alambres oceanográficos. Archivado el 23/10/2013 en Wayback Machine.
• Especificación federal estadounidense RR-W-410 para cables de acero y cordones.