Coeficiente de fricción en los límites de presión lateral en el tirado de cables

La presión lateral es la presión normal sobre el cable que se tira alrededor de una curvatura de conducto. Analiza el cálculo y los límites de la presión de lateral.

Descripción cualitativa de la presión lateral

En la definición de fricción, la fuerza normal que resulta en la resistencia de fricción al movimiento proviene del peso del objeto (el vector opuesto).  En el tirado de cables a través de un conducto recto, la fuerza normal también es igual al peso del cable.  En una pendiente, la fuerza normal es la fuerza gravitacional o el peso vectorial.  No obstante, si hay una curvatura del conducto en la ruta de tracción, la fuerza normal, a veces denominada «presión lateral», es mayor que solo el peso del cable.  Incluye la fuerza radial del cable que se tira hacia el doblez o curvatura del conducto.  Esta fuerza es causada por la tensión de tracción y aumenta al aumentar la tensión de tracción.

¿Por qué preocuparse por la presión lateral?

La presión lateral es una fuerza aplastante sobre el cable.  Este tipo de fuerza puede dañar el cable. En los cables de media y alta tensión, se sabe que el exceso de presión lateral afecta el aislamiento, acelerando el desgarre del aislamiento y acortando así la vida útil del cable.  La presión lateral puede deformar los blindajes metálicos y de aluminio del cable.  En el alambre para construcción, la alta presión lateral alrededor de una curvatura puede rasgar la chaqueta del cable, exponiendo el conductor.  Incluso en los cables de fibra óptica, se sabe que la presión lateral puede aplastar las fibras produciendo microagrietamiento y pérdida de señal.

Definición y límites de la presión lateral

Debido a este posible daño, los fabricantes de cables establecen límites de presión lateral para sus cables.  Estos límites dependen del tipo y la construcción del cable.  Se deben respetar los límites para obtener el máximo rendimiento y vida útil del cable.

La presión lateral es principalmente un término y un cálculo que se utiliza en la industria eléctrica.  En el nivel básico, es la tensión de tracción de salida de una curvatura dividida por el radio de la curvatura.  Los límites típicos de presión lateral para cables eléctricos son de 4,4 a 14,6 kN/m.

Para algunos tipos de cables, limitar el radio de curvatura es la forma habitual de limitar la presión lateral.  Los fabricantes de cables de fibra óptica limitan el radio de curvatura según el diámetro del cable.  Las limitaciones típicas en el tirado de cables de fibra óptica son un radio de curvatura superior a 20 a 40 veces el DE del cable.  Aunque la determinación de la presión lateral no es típica con el cable de fibra óptica, es interesante ver que con una tensión máxima de tracción de 2,7 kN, los límites de radio anteriores se calculan para los límites de presión lateral de 5,3 a 10,6 kN/m; ¡en el mismo rango que el cable eléctrico!

Los fabricantes de cables de fibra óptica controlan la fuerza lateral recomendando roldanas de radio grande.  Las recomendaciones de cables de alimentación incluyen límites de presión lateral, así como un radio mínimo típico de roldana/rodillo de 3,17 cm.

Medición y control de la presión lateral

Las pequeñas diferencias en el coeficiente de fricción tienen un impacto considerable en la tensión a través de curvaturas como se indica en el artículo 3 de esta serie. Puesto que el aumento de la fricción aumenta la tensión, también aumenta la presión lateral. La disminución del radio de una curvatura también aumenta la presión lateral.  Las curvaturas de radio pequeño pueden ser un problema real al intentar minimizar la presión lateral.

La presión lateral es directamente proporcional a la tensión de salida de la curvatura e inversamente proporcional al radio de la curva. También depende de la cantidad de cables que se tiran, la configuración de esos cables y el factor de corrección de peso resultante.

Ecuaciones de la presión lateral:
1 Cable SP = Tout / R
2 Cables SP = (w/2) * Tout / R
3 cables (enrollados) SP = (3w−2)/3 * Tout / R
3 Cables (Triangular) SP = (w/2) * Tout / R
4 cables o más SP = (w/2) * Tout / R
Dónde:
  SP = Presión lateral
  Tout = Tensión de salida de la curvatura (Lbf, Kg., KN)
  R = Radio de la sección de la curvatura (pies, metros)
  w = Factor de corrección de peso (adimensional)

 

Puede ver que la presión lateral se calcula a partir de la tensión de tracción de salida de la curvatura. No contribuye a la tensión de tracción, sino que resulta de la tensión de tracción. No es aditiva y la presión lateral suele ser diferente para cada curvatura. La presión de la pared lateral se puede reducir disminuyendo la tensión de tracción o aumentando el radio de curvatura.  La presión lateral más alta no siempre se encuentra en la última curvatura del tramo del conducto.  Es muy importante administrar la presión lateral para garantizar el cumplimiento con los límites impuestos por el fabricante del cable.

Presión lateral y COF

Los estudios de fricción de cables muestran que las presiones laterales más altas tienen un COF medido más bajo. Un estudio del EPRI (Instituto de Investigación de Energía Eléctrica) de 1984 (Referencia 1) sugiere el uso de dos valores de COF: un valor más alto para la presión lateral de menos de 150 libras/pie, y un valor más bajo para la presión lateral más alta. La realidad es un poco más complicada.

Nuestros estudios, especialmente a presiones laterales más bajas (<20 libras pie), generalmente muestran una disminución del COF a medida que aumenta la fuerza lateral. Para comprender mejor esto, vea el siguiente gráfico.

COF en comparación con la presión lateral

Estos datos se obtienen aumentando la carga de cola en un cable instalado a través de una serie de curvaturas, midiendo la tensión de tracción y luego calculando el COF utilizando las ecuaciones de tracción.  El gráfico no implica que la tensión baje a medida que aumentamos la carga de cola.  No es así.  Pero, la tensión no aumenta tanto como esperamos con un COF constante.

Este no es un resultado intuitivo.  Nuestros estudios también indican que a presiones laterales superiores a 100 libras/pie, la curvatura es relativamente horizontal y los efectos de COF notables con el aumento de la presión lateral han desaparecido.  Los coeficientes de alta presión lateral de los COF son más bajos que los COF medidos en tramos de sección recta, por lo que utilizar un coeficiente de fricción de sección recta en los cálculos es lo suficientemente conservador.

También podemos medir las diferencias en el rendimiento de los lubricantes bajo alta presión lateral.  Los lubricantes para tracción de cables de alta calidad están formulados para permanecer húmedos entre el cable y las superficies de los conductos incluso bajo alta presión lateral. El análisis sobre la humectación y el recubrimiento del lubricante se cubrirá en un artículo aparte.

1) D. A. Silver, G.W. Semen, R. A. Bush, G. H. Matthews, “Maximum Safe Pulling Lengths for Solid Dielectric Insulated Cables,” [Longitudes máximas de tracción segura para cables con aislamiento dieléctrico sólido] Electric Power Research Institute EL-333, Vols 1 y 2, Final Report, February 1984.