ES2246824T3 - Lavadora centrifugadora flotante con sistema compensador de desequilibrios. - Google Patents

Abstract

Dicho grupo flotante comprende: un tambor (20), alineado con un eje geométrico (M), que gira dentro de una cubeta envolvente (10) accionado por un motor (32), y al girar crea, por un efecto de desequilibrio de masas un eje real de rotación (N) distinto de dicho eje geométrico (M); un contrapeso (40) de masa mCE asociado a una parte delantera de la cubeta (10) y un contrapeso (42) de masa mCT asociado a una parte de delantera del tambor (20), donde se cumple la relación [mCT /(mCE +mCT )]x 100 >_ 55, siendo dicha masa mCT o bien de una magnitud dada y centrada con dicho eje geométrico (M) o de una magnitud muy inferior y en forma de uno o más anillos de fluido (60), resultando las tensionses a que està sometido el grupo flotante sustancialmente reducidas, estando por ello realizado mediante construcciòn ligera.

Description

Lavadora centrifugadora flotante con sistema compensador de desequilibrios.

Campo de la invención

La presente invención concierne en general a una máquina centrifugadora con grupo flotante en suspensión y tambor en voladizo, de especial aplicación a máquinas lavadoras-centrifugadoras previstas para altas velocidades de centrifugado con factores G elevados, en las que dicho grupo flotante comprende en esencia una cubeta envolvente para contener y/o recoger un baño, un tambor de paredes perforadas para una carga de materia a centrifugar montado de manera que puede girar dentro de dicha cubeta envolvente, y un motor fijado a la cubeta envolvente y conectado a dicho tambor para hacerlo girar, en cuya máquina una adecuada relación de masas de contrapeso da como resultado una reducción de tensiones estructurales en el grupo flotante que permiten una construcción ligera del mismo, y en especial de la cubeta envolvente.

Antecedentes de la técnica

Es bien conocido el método de extraer agua de una materia mojada por centrifugación y es profusamente utilizado en, por ejemplo, el sector del lavado de ropa, ya sea industrial o doméstico, debido a su elevado rendimiento de extracción con relación al gasto energético en comparación con otros métodos. En este sector es muy usual la utilización de máquinas capaces de lavar y subsiguientemente centrifugar una carga de ropa introducida en un tambor de paredes perforadas montado de manera que puede girar dentro de una cubeta envolvente capaz de contener sucesivos baños de lavado y aclarado, y de recoger los restos de dicho baño extraídos de la ropa durante una fase final de centrifugación. Para ello, uno o más motores están conectados al tambor para hacerlo girar sucesivamente a diferentes velocidades de acuerdo con las etapas de lavado, aclarado y centrifugado, gobernados por unos medios de control programables.

Es muy usual que el tambor esté situado de manera que durante el funcionamiento su eje de giro sea horizontal o ligeramente inclinado respecto a la horizontal, y que tenga una boca de carga/descarga en un extremo axial del mismo, coincidente con una abertura de la cubeta envolvente. Esto es especialmente ventajoso en máquinas industriales destinadas a grandes cargas de ropa en las que una boca de carga radial resultaría de acceso muy complejo a causa de su gran altura. Sin embargo, la existencia de tal boca de carga/descarga en un extremo del tambor obliga a soportar el mismo en voladizo desde el extremo axial opuesto al de la boca de carga/descarga, mediante un árbol motriz solidario de una pared de fondo del tambor, soportado y guiado por unos rodamientos alojados en una caja de rodamientos fijada a la cubeta envolvente. Esta disposición, aunque resulta muy favorable desde un punto de vista ergonómico, produce unos momentos flectores mayores sobre el árbol motriz y transmite unos esfuerzos sobre los rodamientos mayores que si el tambor estuviera soportado y guiado por ambos extremos. Además, cuando el tambor gira a una velocidad tal que produce una aceleración centrípeta sobre la carga de ropa superior a 1 G (G = aceleración de la gravedad terrestre = 9,8 ms^{-2}, aproximadamente), tal como durante un centrifugado, donde se alcanzan factores de 200, 300 e incluso más de 400 G, la ropa se aplica radialmente contra la pared del tambor en una determinada posición relativa, debida al azar, que prácticamente no varía mientras permanece el efecto de dicha velocidad. Tal posición relativa debida al azar tiene una altísima probabilidad de producir un centro de las masas de la carga de ropa descentrado respecto al eje geométrico del tambor, el cual está alineado con el árbol motriz, y por consiguiente el centro de masas del conjunto de tambor y carga de ropa estará también desplazado respecto a dicho eje geométrico. En estas condiciones, el citado conjunto de tambor y carga de ropa tenderá a girar respecto a dicho centro de masas descentrado del eje geométrico del tambor, o en otras palabras, el eje geométrico del tambor tenderá a girar alrededor de un eje real de rotación distinto del eje geométrico, produciendo un movimiento vibratorio bien conocido que se transmite a todo el grupo flotante. Dicho movimiento vibratorio generalmente es aminorado mediante la adición de contrapesos y absorbido por el citado sistema de suspensión del grupo flotante, formado por muelles y amortiguadores vinculados a un armazón o bancada de la máquina.

La patente US-A-2.525.781, de Jey Grant De Remer, solicitada el 15 de setiembre de 1944, describe un sistema equilibrador de cuerpos giratorios, especialmente aplicable a máquinas lavadoras-centrifugadoras de ropa, basado en la aportación de una o más cámaras anulares parcialmente llenas de un fluido, situadas sobre diferentes zonas del tambor y coaxiales respecto al eje geométrico del mismo. Cada una de estas cámaras está formada por unas paredes anulares concéntricas exterior e interior y unas paredes laterales sustancialmente paralelas, existiendo en su interior unos medios deflectores que tienden a arrastrar el fluido contenido en las cámaras sin impedir una libre distribución del mismo. Cuando la velocidad de giro del anillo equilibrador junto con el tambor es tal que produce un factor G superior a 1 y por encima de la frecuencia de resonancia del grupo flotante, el fluido del interior de la cámara equilibradora se aplica contra dicha pared exterior de la misma, la cual es coaxial respecto el eje geométrico del tambor, al tiempo que define un horizonte circular interior coaxial respecto el eje real de rotación, creándose un centro de masas de dicho fluido desplazado respecto del eje real de rotación en una dirección precisamente opuesta al desplazamiento del centro de masas de la carga de ropa, y por consiguiente equilibrador de la misma. Jey Grant De Remer describe en la citada patente US-A-2.525.781 que la situación óptima de equilibrado se produce cuando la altura radial en el punto de máxima altura radial del fluido dentro de la cámara equilibradora es de dos veces la distancia entre el eje geométrico y el eje real de rotación, es decir, dos veces la amplitud del movimiento vibratorio de la máquina, y cuando el círculo de la pared exterior de la cámara y el círculo del horizonte circular del fluido son tangentes en un punto diametralmente opuesto al de altura máxima. Jey Grant De Remer también demuestra que resulta más favorable disponer dos cámaras equilibradoras concéntricas en vez de una sola cámara de altura equivalente a la suma de las otras dos, con una misma anchura y una cantidad de fluido contenido equivalente al de las otras dos juntas.

Sin embargo, en la citada patente US-A-2.525.781, de Jey Grant De Remer, sólo se discute el equilibrado del tambor sin que en ningún momento se entre a discutir los efectos dinámicos de "cabeceo" que las masas de la carga de ropa y de los anillos de fluido producen en el grupo flotante, por lo que la posición de los anillos de fluido equilibradores sobre el tambor aparece como un tema menor, obedeciendo más a criterios formales o constructivos que a necesidades dinámicas.

Los citados efectos dinámicos de "cabeceo" consisten en un desplazamiento dinámico del eje del tambor, y por consiguiente del grupo flotante, que tiene una diferente amplitud en cada uno de sus extremos, siendo generalmente, en este tipo de máquinas, de mayor amplitud en el extremo del tambor más alejado de los rodamientos.

También se conocen en el estado de la técnica anillos de masas sólidas desplazables, por ejemplo, por una realización de la firma SKF, que incluyen bolas sólidas, generalmente de acero, encerradas en un circuito anular, las cuales, al ser el conjunto sometido a una rápida rotación descentrada que produzca factores G superiores a 1, se concentran situándose en la zona de dicho circuito anular más alejada del eje real de rotación. En las realizaciones más recientes, como la descrita en la patente US-A-5.813.253, con el fin de evitar ruidos producidos por las bolas entrechocando entre sí al girar a velocidades reducidas, se aporta un dispositivo de bloqueo formado por unas jaulas que emparejan las bolas de dos en dos, en cuyas jaulas hay un pasador cargado por un muelle, el cual, a factores G inferiores a 1, empuja el pasador para que se inserte en unos orificios dispuestos en la pista interior del circuito anular. Cuando los factores G son sustancialmente superiores a 1, la propia masa del pasador genera una fuerza centrífuga que vence el citado muelle liberando la jaula con su correspondiente par de bolas, las cuales entonces se desplazan hasta concentrarse en dicha zona más alejada del eje real de rotación.

Si bien este dispositivo de bolas se ha mostrado como muy eficaz en cuanto a su efecto compensador del equilibrio, los requerimientos de precisión de su compleja construcción hacen que su coste sea muy elevado, sobre todo teniendo en cuenta que, en una solicitud como la propuesta, tal dispositivo estará sometido a inmersiones continuadas en los baños de los procesos de lavado y aclarado, haciendo su implementación absolutamente inviable.

La patente DE-A-1610177, de Siemens-Electrogeräte GmbH, solicitada el 6 de octubre de 1967, describe una máquina lavadora-centrifugadora de ropa en la que un único anillo de fluido equilibrador está dispuesto en el extremo del tambor más próximo a los rodamientos. El anillo comprende una cámara de capacidad relativamente grande y unos medios para llenar parcialmente de fluido o vaciar dicha cámara en función de las fases de lavado y centrifugado. El tambor tiene una forma ligeramente cónica, disminuyendo de diámetro al alejarse de los rodamientos, lo que favorece una ventajosa acumulación de la carga de ropa hacia la zona más ancha, es decir, hacia la zona más próxima a los rodamientos. Sin embargo, la disposición del anillo de fluido en esta zona más ancha no favorece el equilibrio dinámico de masas.

Actualmente, la práctica generalizada de los fabricantes de máquinas lavadoras-centrifugadoras consiste en colocar contrapesos sólidos fijados a la cubeta envolvente y, en menor medida, al tambor. Debido a que los elementos más pesados del grupo flotante, es decir, motor, caja de rodamientos, rodamientos, paredes de fondo reforzadas del tambor y la cubeta envolvente, se encuentran concentrados en el extremo posterior, o más alejado de la boca de carga, del grupo flotante, los contrapesos sólidos se colocan principalmente en los extremos delanteros, o más próximos a la boca de carga, del tambor y la cubeta. Sin embargo, fijar contrapesos en el tambor tiene el inconveniente de que estos se van a ver sometidos a los baños de lavado, lo que conlleva asociados unos problemas de corrosión que obligan a la utilización de materiales y elementos constructivos resistentes a la corrosión que resultan en un coste elevado. Además, colocar grandes masas adicionales sobre el tambor giratorio representa un inconveniente desde el punto de vista de un aumento del momento de inercia que penalizan las aceleraciones del tambor. Por consiguiente, es práctica generalizada colocar grandes masas de contrapeso en la parte delantera, más alejada de los rodamientos, de la cubeta envolvente.

A efectos de esta memoria, se utilizarán a menudo los términos "delantero y trasero" referidos a partes de la cubeta envolvente o del tambor como aquellas partes respectivamente más alejadas o más próximas a los rodamientos.

Se conoce en el mercado una máquina lavadora-centrifugadora de ropa de la firma Maytag Corporation que combina un gran contrapeso fijado a la parte delantera, o más alejada de los rodamientos, de la cubeta envolvente con dos anillos equilibradores de fluido, como los de la citada patente US-A-2.525.781, concéntricos, sobre la cara delantera del tambor, en una zona periférica exterior de la boca de carga/descarga. La ventaja de los anillos de fluido radica, tal como se ha explicado más arriba, en que con una masa real de fluido relativamente pequeña proporcionan un efecto en cuanto a fuerza centrífuga equivalente al de una masa muy superior, con lo que se consigue el deseado efecto de equilibrado sin aumentar excesivamente el momento de inercia del tambor.

Sin embargo, las grandes masas del contrapeso fijado a la parte de la cubeta más alejada de los rodamientos provoca, tal como se explicará más abajo, unas grandes tensiones sobre los elementos estructurales del grupo flotante, especialmente sobre el árbol motriz, caja de rodamientos, rodamientos, paredes reforzadas de fondo del tambor y de la cubeta envolvente, y en general todas las demás paredes del tambor y de la cubeta, que obligan a una construcción de las mismas con unas elevadas exigencias de resistencia mecánica que resultan en una construcción pesada. Dicha construcción pesada, concentrada en la parte trasera del grupo flotante, aumenta a su vez la amplitud del efecto vibratorio en la parte delantera, lo que aconseja aumentar más los contrapesos en dicha zona delantera, y así sucesivamente.

Breve exposición de la invención

Un objetivo de la presente invención es el de aportar una máquina centrifugadora con grupo flotante en suspensión y tambor en voladizo, aplicable a máquinas lavadoras-centrifugadoras previstas para altas velocidades de centrifugado con factores G elevados, en las que una adecuada distribución de masas de contrapeso den como resultado una reducción de tensiones estructurales que permita la construcción de los principales elementos de dicho grupo flotante, como la cubeta envolvente, el tambor, dicha caja de rodamientos, los rodamientos y dicho árbol motriz, con unas exigencias de resistencia mecánica, ya sea por forma, materiales o componentes, sensiblemente menores respecto a las necesarias sin dicha distribución adecuada de masas, para unas mismas prestaciones de altas velocidades de centrifugado, y por consiguiente con unos costes inferiores.

Este objetivo se consigue, de acuerdo con la presente invención, transfiriendo una parte significativa del contrapeso asociado a la parte delantera de la cubeta envolvente a la parte delantera del tambor, de manera que la masa, ya sea real o equivalente obtenida por anillos de fluido, de la masa de dicho contrapeso asociado al tambor es al menos el 55% de la suma de las masas del propio contrapeso asociado al tambor y del contrapeso asociado a la cubeta envolvente.

Hay que señalar que a efectos de simplificación del lenguaje, en esta memoria se utilizará a menudo la expresión contrapeso de "masa real" y de "masa equivalente" para el tambor haciendo referencia respectivamente a un contrapeso, generalmente sólido, con una masa de una magnitud dada y centrada con el eje geométrico del tambor y a un contrapeso de una magnitud muy inferior y en forma de uno o más anillos de fluido que, al girar a una velocidad tal que produce un factor G superior a 1 y por encima de la frecuencia de resonancia del grupo flotante, queda descentrada a una distancia muy superior a la amplitud del desplazamiento dinámico del grupo flotante produciendo unos efectos dinámicos equivalentes a los de dicha masa de magnitud dada.

En efecto, los presentes inventores han descubierto, a través de análisis teórico corroborado por ensayos prácticos reales y mediante programas de simulación por computadora, que los efectos en cuanto a equilibrio dinámico producidos por un contrapeso fijado a la parte delantera de la cubeta envolvente son equivalentes a los producidos por un contrapeso de igual masa fijado a la parte delantera del tambor (suponiendo que ambos se encuentren a la misma distancia de los rodamientos), mientras que transfiriendo dicho contrapeso de la parte delantera de la cubeta a la parte delantera del tambor, todas las partes de la cubeta envolvente, tales como la caja de rodamientos, los rodamientos, el eje y el fondo del tambor, se ven liberadas de las tensiones estructurales atribuibles a la transmisión de los esfuerzos realizados por dicho contrapeso. Si además, en virtud de las propiedades dinámicas que ofrece la rotación del tambor, se utilizan anillos equilibradores de fluido que tienen una masa real muy inferior a la masa equivalente del contrapeso transferido, las tensiones estructurales soportadas por el tambor también disminuyen. Estas disminuciones de tensiones posibilitan una construcción ligera de los elementos del grupo flotante que aligeran la concentración de masas en el extremo posterior del mismo, lo que significa que la masa, real o equivalente, del contrapeso asociado a la parte delantera puede ser también menor, lo que a su vez reduce tensiones estructurales, y así sucesivamente. Por consiguiente, la citada transferencia de masas resulta muy beneficiosa y se traduce en una importante disminución de costes, puesto que, por ejemplo, la cubeta envolvente puede pasar de ser una construcción soldada de chapa de acero inoxidable, habitual en máquinas de más de 7 kg de capacidad y valor de centrifugación de 250 G o superiores, a una construcción por moldeo de inyección de plástico, integrando la caja de rodamientos que de otra forma sería probablemente una pieza de fundición de acero, y el árbol motriz y los correspondientes rodamientos pueden ser mucho menores y por consiguiente también más económicos. Un aligeramiento general de peso en máquinas de este tipo implica también una mayor facilidad de transporte y unas menores exigencias en cuanto a la resistencia estructural de su lugar de instalación.

El sistema de suspensión es capaz de absorber una determinada amplitud de vibración del grupo flotante, por lo que un movimiento vibratorio relativamente grande no representa un inconveniente desde un punto de vista mecánico mientras se encuentre dentro del intervalo capaz de ser absorbido por la suspensión. Ahora bien, por motivos que se han explicado más arriba, la citada amplitud del movimiento vibratorio es generalmente mayor en la parte delantera del grupo flotante que en la parte trasera, lo que comporta unas mayores exigencias de flexibilidad en unas conexiones elásticas dispuestas usualmente entre una puerta del bastidor y la boca de carga/descarga de la parte delantera del grupo flotante, además de una sensación visual desagradable para un usuario. Por ello es aconsejable disminuir dicha amplitud de vibración disponiendo una determinada masa de contrapeso en el extremo delantero de la cubeta envolvente además de la masa de contrapeso dispuesta sobre la parte delantera del tambor. Los presentes inventores han llegado a determinar que a partir de una relación de la masa del contrapeso asociado a la parte delantera del tambor respecto a la suma de las masas de los contrapesos respectivamente asociados a la parte delantera del tambor y a la parte delantera de la cubeta del 55%, los efectos beneficiosos de la citada transferencia de masas objeto del principio constructivo de la presente invención son suficientemente importantes como para permitir la citada construcción ligera del grupo flotante.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención se comprenderá mejor a partir de las siguientes explicaciones y descripción detallada de unos ejemplos de realización de la misma relativos a una máquina lavadora-centrifugadora de ropa, las cuales se aportan con referencias a los dibujos adjuntos, en los que:

las Figs. 1a y 1b son unas representaciones esquemáticas comparativas de un tambor de una máquina centrifugadora soportado y guiado por sus dos extremos y un tambor de una máquina centrifugadora soportado y guiado en voladizo, respectivamente;

las Figs. 2a y 2b son unas representaciones esquemáticas comparativas que ilustran aquellas partes sometidas a tensiones estructurales en un grupo flotante del estado de la técnica de ropa y en un grupo flotante de acuerdo con la presente invención, respectivamente;

las Figs. 3a, 3b y 3c son diagramas de fuerzas que nos servirán para explicar los efectos de las fuerzas que actúan sobre el grupo flotante, sobre el tambor 20 y sobre la cubeta envolvente 10, respectivamente;

la Fig. 4 es una gráfica de los resultados de un ejemplo de ensayo simulado que ilustra la evolución de los momentos flectores sobre el árbol motriz del tambor frente a diferentes porcentajes de distribución de masas de contrapeso.

las Figs. 5a-5d son esquemas que ilustran la deducción de la equivalencia entre los valores de masa real y de masa equivalente obtenida en un anillo equilibrador de fluido;

la Fig. 6 es una vista simplificada en sección de un alzado lateral de una máquina lavadora-centrifugadora de ropa de acuerdo con la presente invención; y

la Fig. 7 es una vista en sección de un alzado que ilustra un detalle de un ejemplo de realización alternativo del tambor.

Descripción detallada de la invención

Haciendo referencia en primer lugar a las Figs. 1a y 1b, en ellas se ilustra como el hecho de disponer una boca de carga/descarga 28 de acceso axial (Fig. 1b) en el tambor 20 es ergonómicamente ventajoso pero penaliza fuertemente los esfuerzos a que se ven sometidos sus elementos estructurales bajo la influencia de una fuerza F ejercida por la masa de una carga de ropa Q, mojada, sometida a una aceleración centrípeta debida a la rotación de dicho tambor. Así, en la Fig. 1a se ilustra un tambor 20 con una boca de carga/descarga 28a de acceso radial. De las paredes de ambos extremos del tambor sobresalen unos ejes 16a, 16b soportados y guiados por unos rodamientos A, B. Suponiendo que la fuerza F se aplique sobre un punto medio del tambor, equidistante de los rodamientos A, B, éstos generan unas respectivas reacciones R_{A} = R_{B} = F/2. Por el contrario, el tambor de la Fig. 1b, de iguales dimensiones que el tambor de la Fig. 1a, tiene una boca de carga/descarga 28a, de acceso axial, situada sobre una pared de un extremo y por consiguiente está soportado y guiado a través de un eje 16, que sobresale de la pared del extremo opuesto, insertado en unos rodamientos A y B. Suponiendo que la fuerza F también se aplica a un punto medio del tambor, que en este caso está, por ejemplo, a una distancia 3a del rodamiento A, el cual está, por ejemplo, a una distancia a del rodamiento B, la reacción del rodamiento A es R_{A} = 4F y la reacción del rodamiento B es R_{B} = 3F, es decir, 8 y 6 veces superiores, respectivamente, a las correspondientes reacciones de los rodamientos en el tambor de la Fig. 1a para una misma fuerza F aplicada a un mismo punto medio. La presente invención concierne a máquinas que comprenden un tambor soportado en voladizo del tipo del de la Fig. 1b.

El tambor está soportado en voladizo dentro de una cubeta envolvente, estando un motor fijado a la cubeta y conectado al tambor de manera que lo puede hacer girar dentro de la misma. El conjunto de cubeta envolvente, tambor y motor constituye el llamado "grupo flotante", el cual está suspendido de un bastidor o bancada por unos medios de suspensión que comprenden elementos elásticos y amortiguadores con el fin de absorber los movimientos vibratorios generados por la masa descentrada de la carga de ropa durante el centrifugado.

En las Figs. 2a y 2b se ilustran sendos grupos flotantes de una máquina del estado de la técnica y de una máquina de acuerdo con la presente invención, respectivamente, formados por una cubeta envolvente 10 que comprende una pared exterior 12 de revolución alrededor de un eje geométrico M, y una pared de fondo 14 sobre la que va fijada una caja de rodamientos 30 en la que se alojan unos rodamientos A, B. Dentro de dicha cubeta envolvente está dispuesto un tambor 20 que tiene asimismo una pared exterior 22 de revolución alrededor de dicho eje geométrico M, y una pared de fondo 24 sobre la que va fijado un árbol motriz 16 insertado en los citados rodamientos A, B. La cubeta envolvente 10 y el tambor 20 tienen, en sus caras opuestas a las paredes de fondo, unas respectivas bocas de carga/descarga 18, 28, de acceso axial, coincidentes. Sobre un extremo del árbol 16, sobresaliente de la caja de rodamientos 30, va montada una polea a la que se conecta un motor (no ilustrado en las Figs. 2a y 2b) mediante una transmisión por correa para hacer girar el tambor dentro de la cubeta.

En el grupo flotante del estado de la técnica (Fig. 2a), un contrapeso 40 está fijado a la parte delantera de la cubeta envolvente 10, mientras que en el grupo flotante de acuerdo con la presente invención (Fig. 2b), un contrapeso 42 está fijado a la parte delantera del tambor. En ambos casos, en una zona media del tambor está aplicada una fuerza F_{Q}, representada por una flecha, ejercida por una carga de ropa Q. El contrapeso 40 asociado a la cubeta 20 ejerce una fuerza representada por una flecha F_{CE} en la Fig. 2a mientras que el contrapeso 42 asociado al tambor 20 ejerce una fuerza representada por una flecha F_{CT} en la Fig. 2b. En estas Figs. 2a y 2b se han señalado además, mediante unas líneas de trazos envolventes, todas aquellas partes y componentes que se ven sometidos a una tensión estructural significativa durante un centrifugado atribuible principalmente a las fuerzas F_{Q} y F_{CE} en el caso de la Fig. 2a, o a las fuerzas F_{Q} y F_{CT} en el caso de Fig. 2b.

Es evidente que tales representaciones esquemáticas son muy simplificadas, puesto que se han omitido muchos factores, como las masas propias de la cubeta y del tambor, que también juegan un papel importante, pero se han juzgado lo suficientemente ilustrativas como para ofrecer una visualización directa del principio sobre el que se basa la presente invención.

En efecto, en el tambor de la Fig. 2a, los esfuerzos equilibradores se transmiten a través de un largo camino que va desde la carga F_{Q} aplicada al tambor (carga de ropa Q) hasta la fuerza F_{CE} equilibradora asociada a la cubeta (contrapeso 40). Como puede verse, las partes y componentes que se ven sometidas a una tensión significativa (señaladas por la citada línea de trazos envolvente) son la pared exterior 22 y la pared de fondo 24 del tambor 20, el árbol motriz 16, la caja de rodamientos 30, los rodamientos A y B, y la pared de fondo 14 y la pared exterior 12 de la cubeta envolvente 10.

Por el contrario, en el tambor de la Fig. 2b, los esfuerzos equilibradores se transmiten a través de un camino mucho más corto, que va desde la fuerza F_{CT} equilibradora asociada al tambor (contrapeso 42) a las reacciones de los rodamientos, pasando por la carga F_{Q} aplicada al tambor (carga de ropa Q). En este caso, las partes y componentes que se ven sometidas a tensión (señaladas por la citada línea de trazos envolvente) son la pared exterior 22 y la pared de fondo 24 del tambor 20, el árbol motriz 16, la caja de rodamientos 30 y los rodamientos A y B, si bien las tensiones sobre el árbol motriz 16, la caja de rodamientos 30 y los rodamientos A y B son menores debido a que las fuerzas F_{Q} y F_{CT} tienen direcciones opuestas y producen momentos flectores opuestos que se contrarrestan sobre el árbol 16. Las paredes de fondo y exterior 14, 12 de la cubeta envolvente 10 quedan liberadas de tensiones atribuibles a fuerzas ejercidas por las masas de contrapeso.

En la máquina de la presente invención se combina el contrapeso 42, asociado a la parte delantera del tambor, con un contrapeso 40, de sensible menor masa, asociado a la cubeta envolvente, con el fin de contener la amplitud del movimiento dinámico dentro de unos límites ergonómicamente adecuados. Por su parte, en las máquinas del estado de la técnica eventualmente se ha dispuesto un contrapeso 42 relativamente pequeño fijado a una cara delantera del tambor 20 además del gran contrapeso 40 asociado a la cara delantera de la cubeta envolvente, pero sin afectar a las características estructurales de la cubeta envolvente 10 y resto de componentes del grupo flotante. En ambos casos, el contrapeso 42 fijado en la parte delantera del tambor puede ser de masa real, aunque es preferible que sea de una masa equivalente obtenida por efecto dinámico sobre masas desplazables, como los anillos de fluido explicados más arriba, o como unos anillos por los que se desplazan libremente cuerpos sólidos, por ejemplo, bolas metálicas. La aportación esencial de la presente invención estriba en que el contrapeso principal es el contrapeso 42 asociado a la parte delantera del tambor 20 en el grupo flotante, siendo su masa, real o equivalente, al menos el 55% de la masa total de los contrapesos asociados a la parte delantera del grupo flotante, es decir, de la suma de las masas de los contrapesos 40 y 42 asociados respectivamente a las partes delanteras de la cubeta envolvente 10 y del tambor.

Las Figs. 3a, 3b y 3c son diagramas de fuerzas que nos servirán para explicar los efectos dinámicos de las fuerzas que actúan sobre el grupo flotante, sobre el tambor 20 y sobre la cubeta envolvente 10, respectivamente.

Tal como se ha indicado más arriba, cuando la velocidad de rotación del tambor supera ligeramente un factor G igual a 1, el fluido comienza a aplicarse contra la pared anular exterior de cámara, aunque en estas condiciones la fuerza de gravedad terrestre produce considerables distorsiones en la formación del citado horizonte circular interior. Sin embargo, a elevadas velocidades de rotación tales como las empleadas durante una centrifugación, el efecto de la gravedad terrestre frente a la aceleración centrípeta es despreciable, por lo que no se ha tenido en cuenta en los cálculos. Tampoco se han tenido en cuenta otros factores tales como un posible alabeo del eje geométrico del tambor con relación al eje real de rotación, por lo que las siguientes ecuaciones responden a un modelo simplificado pero suficientemente ilustrativo de las condiciones de equilibrio total, tanto estático como dinámico, de la máquina.

La Fig. 3a muestra esquemáticamente el grupo flotante formado por la cubeta envolvente 10 que comprende la pared exterior 12 y la pared de fondo 14 sobre la que va fijada la caja de rodamientos 30 en la que se alojan los rodamientos A y B. Dentro de dicha cubeta envolvente está dispuesto el tambor 20 que tiene la correspondiente pared exterior 22 y la pared de fondo 24 sobre la que va fijado el árbol motriz 16 insertado en los citados rodamientos A, B. La cubeta envolvente 10 y el tambor 20 tienen, en sus caras opuestas a las paredes de fondo, las respectivas bocas de carga/descarga 18, 28, de acceso axial, coincidentes. De nuevo se ha omitido el motor.

Para las explicaciones siguientes nos serviremos de un sistema de coordenadas cartesianas formado por:

O:

Origen de coordenadas;

\quad

situado en el centro del rodamiento A en situación de reposo.

Eje y:

Dirección según el eje de giro del tambor;

\quad

sentido positivo desde el Origen hacia la boca de carga/descarga 28.

Eje x:

Dirección paralela a la dirección del desequilibrio de la carga de ropa;

\quad

sentido positivo desde el Origen hacia el exterior paralelamente al desequilibrio de la carga de ropa.

Eje z:

El correspondiente según la regla de la mano derecha.

En la exposición se utilizarán los siguientes parámetros, algunas de cuyas designaciones aparecen también el las Figs. 3a, 3b y 3c:

m_{Q}:

Masa de la carga de ropa mojada

m_{T}:

Masa del tambor sin contrapesos

m_{E}:

Masa de la cubeta envolvente sin contrapesos

m_{CT}:

Masa del contrapeso asociado al tambor

m_{CE}:

Masa del contrapeso asociado a la cubeta envolvente

F_{Q}:

Fuerza centrífuga debida a la masa de la carga de ropa mojada

F_{T}:

Fuerza centrífuga debida a la masa del tambor sin contrapesos

F_{E}:

Fuerza centrífuga debida a la masa de la cubeta envolvente sin contrapesos

F_{CT}:

Fuerza centrífuga debida a la masa del contrapeso asociado al tambor

F_{CE}:

Fuerza centrífuga debida a la masa del contrapeso asociado a la cubeta envolvente

G_{Q}:

Centro de masas de la carga de ropa mojada

G_{T}:

Centro de masas del tambor sin contrapesos

G_{E}:

Centro de masas de la cubeta envolvente sin contrapesos

G_{CT}:

Centro de masas del contrapeso asociado al tambor

G_{CE}:

Centro de masas del contrapeso asociado a la cubeta envolvente

Y_{Q}:

Distancia desde el origen a G_{Q} sobre el eje y

Y_{T}:

Distancia desde el origen a G_{T} sobre el eje y

Y_{E}:

Distancia desde el origen a G_{E} sobre el eje y

Y_{CT}:

Distancia desde el origen a G_{CT} sobre el eje y

Y_{CE}:

Distancia desde el origen a G_{CE} sobre el eje y

Y_{B}:

Distancia entre los rodamientos A y B

X_{D}:

Amplitud del desequilibrio dinámico sobre el eje x

e:

Excentricidad de la carga de ropa mojada sobre el eje x

R_{A}:

Reacción del rodamiento A

R_{B}:

reacción del rodamiento B

Equilibrio del grupo flotante

En la Fig. 3a se ilustran las relaciones de fuerzas, puntos de aplicación y distancias en el grupo flotante de una máquina de acuerdo con la presente invención. Para el cálculo se parte de unas ecuaciones del equilibrio de las fuerzas centrífugas sobre el grupo flotante (en las que las expresiones de las fuerzas se han simplificado dividiendo por el cuadrado de la velocidad angular \omega^{2}), establecidas para una mayor claridad para un caso simplificado en el que no existe cabeceo. Sin embargo, dichas ecuaciones son generalizables para los casos en los que existe un cabeceo relativamente pequeño, frecuente en este tipo de máquinas, sin que las conclusiones finales se vean sustancialmente modificadas.

Ecuación del equilibrio de fuerzas

(1)m_{Q} \cdot (e-X_{D})-(m_{T} + m_{E} + m_{CT} + m_{CE})\cdot X_{D} = 0

Ecuación del equilibrio de momentos

(2)m_{Q} \cdot (e-X_{D}) \cdot Y_{Q}-(m_{T}\cdot Y_{T} + m_{E}\cdot Y_{E} + m_{CT} \cdot Y_{CT} + m_{CE} \cdot Y_{CE}) \cdot X_{D} = 0

Partiendo de la segunda (2) de estas ecuaciones de equilibrio y suponiendo conocida la masa del contrapeso 40 asociado a la parte delantera de la cubeta envolvente 10 así como las demás masas y sus respectivas distancias respecto al origen sobre el eje y, la masa del contrapeso asociado a la parte delantera del tambor 20 resulta:

Masa del contrapeso asociado al tambor

(3)m_{CT}=\frac{m_{T} \cdot (Y_{T}-Y_{Q}) + m_{E}\cdot(Y_{E} + Y_{Q}) + m_{CE} \cdot (Y_{CE} + Y_{Q})}{Y_{Q}-Y_{CT}}

Partiendo de la ecuación (1) del equilibrio de fuerzas y con el valor de la masa del contrapeso 42 asociado al tambor calculado se puede hallar la amplitud X_{D} (mostrada en la Fig. 5d) del movimiento de desequilibrio dinámico del grupo flotante, es decir, la amplitud del desplazamiento del eje geométrico M de rotación respecto del eje real de rotación N, que resulta:

Amplitud del movimiento de desequilibrio del grupo flotante

(4)X_{D}=\frac{m_{Q}}{m_{Q} + m_{T} + m_{E} + m_{CT} + m_{CE}} \cdot e

De la ecuación (3) del cálculo de la masa del contrapeso 42 asociado a la parte delantera del tambor 20 se deduce (teniendo en cuenta los signos positivos y negativos) que de una reducción del parámetro m_{CE} correspondiente al contrapeso 40 asociado a la cubeta envolvente 10 se deriva un aumento de la masa m_{CT} necesaria para el contrapeso 42 asociado a la parte delantera del tambor 20. Si, como se demostrará más abajo, una transferencia de masa desde el contrapeso 40 de la cubeta envolvente 10 hacia al contrapeso 42 de la parte delantera del tambor 20 libera en gran medida de tensiones estructurales las principales partes y componentes del grupo flotante, de manera que éstas pueden construirse y seleccionarse para que resulten más ligeras, los parámetros de las masas m_{E} y m_{T} de la cubeta y el tambor también se verán reducidos, lo que a su vez propiciará una menor necesidad de masas m_{CT} y m_{CE} en los contrapesos asociados a la parte delantera del tambor y de la cubeta, lo que a su vez alivia aún más de tensiones las estructuras de la cubeta y el tambor, y así sucesivamente.

Por "ligera" o "construcción ligera" se entiende un tipo de construcción con unas exigencias de resistencia mecánica, ya sea por forma, materiales o componentes, sensiblemente menores respecto a las que serían necesarias sin la implementación del principio constructivo de la presente invención para unas mismas prestaciones de altas velocidades de centrifugado.

De la expresión (4) de la amplitud X_{D} del movimiento de desequilibrio del grupo flotante se deduce que una transferencia de masas desde el contrapeso 40 fijado a la cubeta envolvente 10 hacia al contrapeso 42 fijado al tambor 20 no afectaría a dicha amplitud X_{D} a condición de que la suma de ambas masas m_{CE} + m_{CT} permaneciera constante. Esto llevado al límite supone que se puede llegar a eliminar completamente el contrapeso 40 asociado a la cubeta 10 transfiriendo toda su masa al contrapeso 42 asociado al tambor 20 sin que por ello aumente la amplitud del movimiento de desequilibrio, aunque en la práctica tal extremo no es necesario, ni siquiera aconsejable. La finalidad principal es la de reducir tensiones estructurales en el grupo flotante que permitan una construcción ligera del mismo, y se ha comprobado, como se verá más abajo, que se obtienen efectos particularmente beneficiosos en este sentido a partir de una relación [m_{CT} / (m_{CT} + m_{CE})] \times 100 = 55, o mayor.

Hay que destacar que la amplitud X_{D} máxima del movimiento vibratorio viene dada por las condiciones de diseño de la suspensión del grupo flotante, y que por consiguiente no resulta apenas ningún beneficio de la obsesión por disminuir este parámetro, puesto que la diferencia de coste que representa una suspensión capaz de absorber una mayor amplitud de desplazamiento no es significativa. Sin embargo, por razones que ya se han explicado más arriba, dicha amplitud X_{D} debe mantenerse dentro de un intervalo de valores razonable con relación al espacio libre alrededor del grupo flotante.

Como se ha dicho repetidamente, el objetivo final de la mencionada transferencia de masas desde el contrapeso 40 asociado a la cubeta envolvente 10 hacia al contrapeso 42 asociado al tambor 20 es propiciar una reducción de las tensiones estructurales que permitan una construcción más ligera, y por consiguiente más económica, del grupo flotante. Dicha reducción de tensiones se puede ejemplificar mediante las reacciones R_{A} y R_{B} de los rodamientos A y B, puesto que éstas afectan a los propios rodamientos A, B, a los momentos flectores sobre el árbol motriz 16, a los esfuerzos sobre la caja de rodamientos 30, y sobre las paredes de fondo 14, 24 de la cubeta envolvente 10 y del tambor 20, y así sucesivamente.

Para encontrar dichas reacciones R_{A} y R_{B} de los rodamientos A y B se puede partir independientemente de las ecuaciones de equilibrio de fuerzas centrífugas y momentos que se generan tanto sobre la cubeta envolvente 10 (ecuaciones (5), (6)) como sobre el tambor 20 (ecuaciones (9), (10)). Los resultados numéricos obtenidos en cualquiera de los dos casos deben ser idénticos, por lo que su comparación sirve además como comprobación de la bondad del cálculo.

En la Fig. 3b se ilustran las fuerzas centrífugas sobre el tambor 20 y sus respectivas distancias al origen O de coordenadas.

Equilibrio de fuerzas del tambor: \sumF_{x} = 0

(5)R_{A} - R_{B} + [m_{Q} \cdot (e-X_{D}) - (m_{T}+m_{CT}) \cdot X_{D}] \cdot \omega^{2} = 0

Equilibrio de momentos del tambor: \SigmaM_{z} = 0

(6)-R_{B}\cdot Y_{B}+[m_{Q}\cdot Y_{Q}\cdot(e-X_{D})-(m_{T}\cdot Y_{T}+m_{CT}\cdot Y_{CT})\cdot X_{D}]\cdot \omega^{2}=0

Reacciones de los rodamientos a partir de las anteriores ecuaciones (5), (6) de equilibrio de fuerzas y momentos del tambor 20

(7)R_{A}=\left\{ m_{Q}\cdot\left(1-\frac{Y_{Q}}{Y_{B}}\right)\cdot(e-X_{D})-\left[m_{T}\cdot\left(1-\frac{Y_{T}}{Y_{B}}\right)+m_{CT}\cdot\left(1-\frac{Y_{CT}}{Y_{B}}\right)\right]\cdot X_{D} \right\}\cdot\omega^{2}

(8)R_{B}=\left[m_{Q}\cdot\frac{Y_{Q}}{Y_{B}}\cdot(e-X_{D})-\left(m_{T}\cdot\frac{Y_{T}}{Y_{B}}+ m_{CT}\cdot\frac{Y_{CT}}{Y_{B}}\right)\cdot X_{D}\right]\cdot\omega^{2}

En la Fig. 3c se ilustran las fuerzas centrífugas sobre la cubeta envolvente 10 y sus respectivas distancias al origen O de coordenadas.

Equilibrio de fuerzas de la cubeta envolvente: \SigmaF_{x} = 0

(9)R_{A}-R_{B}+(m_{E}+m_{CE})\cdot X_{D}\cdot \omega^{2}=0

Equilibrio de momentos de la cubeta envolvente: \SigmaM_{z} = 0

(10)-R_{B}\cdot Y_{B}-(m_{E}\cdot Y_{E}+m_{CE}\cdot Y_{CE})\cdot X_{D}\cdot\omega^{2}=0

Reacciones de los rodamientos a partir de las ecuaciones (9), (10) de equilibrio de fuerzas y de momentos de la cubeta envolvente 10

(11)R_{A}=\left[m_{E}\cdot\left(1-\frac{Y_{E}}{Y_{B}}\right)+m_{CE}\cdot\left(1-\frac{Y_{CE}}{Y_{B}}\right)\right]\cdot X_{D}\cdot\omega^{2}

(12)R_{B}=-\left(m_{E}\cdot\frac{Y_{E}}{Y_{B}}+m_{CE}\cdot\frac{Y_{CE}}{Y_{B}}\right)\cdot X_{D}\cdot\omega^{2}

De la ecuación (7) de la reacción R_{A} del rodamiento A a las fuerzas que ejercen sobre el tambor 20 se deduce (teniendo en cuenta los parámetros positivos y negativos) que un aumento de la masa m_{CT} del contrapeso 42 asociado a la parte delantera del tambor 20 comporta una disminución en dicha reacción R_{A}, y lo mismo ocurre respecto a la ecuación (8) de la reacción R_{B} del rodamiento B. Sin embargo, de las ecuaciones (11), (12) de las reacciones R_{A} y R_{B} de los respectivos rodamientos A y B a las fuerzas que están aplicadas sobre la cubeta envolvente 10 se deduce (teniendo en cuenta los parámetros positivos y negativos) que una disminución de la masa m_{CE} del contrapeso 42 asociado a la parte delantera de la cubeta envolvente 10 implica una disminución en dichas reacciones R_{A} y R_{B}.

Esto se puede comprobar ensayando con distintos valores, por ejemplo, disminuyendo el valor de la masa m_{CE} del contrapeso 40 asociado a la parte delantera de la cubeta envolvente 10 y aumentando en una cantidad equivalente la masa m_{CT} del contrapeso 42 asociado al tambor 20 manteniendo constante la amplitud X_{D} del movimiento vibratorio del grupo flotante y, lo que es más importante, proporcionando una reducción de las reacciones R_{A} y R_{B} de los rodamientos A y B, y por consiguiente de las tensiones estructurales del conjunto del grupo flotante que permiten una construcción más ligera del mismo.

Para ello, las anteriores ecuaciones se han implementado en un programa de simulación por computadora del comportamiento de una lavadora-centrifugadora del tipo referido, cuyos resultados han constatado ser altamente fiables al ser contrastados con ensayos reales. A modo de ejemplo, se ha tomado como referencia para la simulación una lavadora-centrifugadora de tipo industrial para 8 kg de ropa, capaz de centrifugar hasta un factor G de 300, con unas masa y dimensiones del tambor y de la cubeta envolvente correspondientes a un tipo de construcción "ligera". En dicha simulación se han introducido sucesivamente valores para las masas de los contrapesos asociados a la parte delantera del tambor 20 y de la cubeta envolvente 10 manteniendo el valor de la suma de sus masas constante, en este ejemplo, m_{CE} + m_{CT} = 40 kg = cte., de manera que la masa m_{CT} del tambor se ha iniciado en 0 kg aumentando progresivamente hasta 40 kg, al tiempo que la masa m_{CE} de la cubeta envolvente se ha iniciado en 40 kg para disminuir, en concordancia, hasta 0 kg. Los resultados se muestran en la Tabla 1, y en la Fig. 4 se muestra una gráfica trazada a partir de dichos resultados, en la que se ha sombreado el intervalo de valores de la relación [m_{CT} / (m_{CE} + m_{CT})] \times 100 (en %) entre las masas de los contrapesos 40, 42 respectivamente asociados a las partes delanteras de la cubeta envolvente 10 y del tambor 20 que reivindica la presente invención.

TABLA 1

Masa de Contrapeso	Masa de Contrapeso	Relación de Masas de	Momento Flector
en el Tambor (Kg)	en la Cubeta	Contrapeso [Tambor /	Máximo en el Árbol
	Envolvente(Kg)	(Tambor + Cubeta)] (%)	Motriz (Nm)
0	40	0	181,7
22	18	55	95,7
26,5	13,5	66,25	77,7
30	10	75	63,3
32	8	80	55,3
34	6	85	47,3
36	4	90	39,2
38	2	95	31,5
40	0	100	22,7

Los anteriores resultados, así como la gráfica de la Fig. 4, demuestran que una transferencia de la masa m_{CE} del contrapeso 40 asociado a la parte delantera de la cubeta envolvente 10 hacia la masa m_{CT} del contrapeso 42 asociado a la parte delantera del tambor 20 resulta altamente beneficiosa en cuanto a una disminución de tensiones estructurales en el grupo flotante, cuya disminución de tensiones está ejemplificada por una disminución en el momento flector máximo (que se da en la posición del rodamiento A) del árbol motriz 16. Los presentes inventores consideran especialmente beneficioso que la relación entre la masa m_{CT} del contrapeso de la parte delantera del tambor respecto a la masa total de los contrapesos asociados a la parte delantera del grupo flotante (tambor y cubeta envolvente) sea al menos del 55% o mayor (la zona sombreada en la gráfica de la Fig. 4).

Sin embargo, tal como se ha explicado más arriba, la introducción de un contrapeso en el tambor conlleva inconvenientes, sobre todo económicos, asociados a la necesidad de utilizar materiales resistentes a la corrosión debido a que dicho contrapeso se verá sometido a los baños de los procesos de lavado y aclarado, incluyendo detergentes y lejías a temperaturas relativamente elevadas. Si dicha masa m_{CT} se aporta en forma de una masa m_{PE} "real", sólida, centrada con el eje geométrico M del tambor 20, su coste puede ser considerable.

Para evitar dichos inconvenientes se pueden instalar anillos equilibradores de fluido 60, como los descritos en la citada patente US-A-2.525.781, de Jey Grant De Remer, que según se expondrá a continuación permiten obtener ventajosamente unos efectos equivalentes a los de la masa m_{PE} "real" mediante una masa m_{A} "equivalente" mucho menor, que corresponde a la masa efectiva del fluido contenido en las cámaras, cuyos anillos de fluido 60 pueden ser construidos económicamente, de una manera clásica, mediante moldeo de plástico por inyección.

Por consiguiente, a efectos de definición de la presente invención es esencial disponer de una función matemática que permita establecer con exactitud una relación entre "masa equivalente" y "masa real", es decir, una relación entre aquella masa efectiva m_{A} de líquido contenida en unos anillos de fluido que produce unos efectos dinámicos equivalentes a los de una determinada masa m_{PE}, generalmente sólida, centrada con el eje geométrico del tambor 20 y la propia masa m_{PE}, al ser ambas sometidas a una misma aceleración centrípeta.

Las Figs. 5a-5d son esquemas que ilustran la deducción del valor de la masa equivalente producida por un anillo equilibrador de fluido conteniendo una determinada masa de fluido, equiparable a una masa de un contrapeso sólido situado en la misma posición. En las Figs. 5a-5d y/o en las ecuaciones siguientes se utilizan las designaciones siguientes:

PE:

Pared exterior cilíndrica de un anillo equilibrador de fluido

H:

Horizonte circular producido en el fluido dentro del anillo al girar

R_{PE}:

Radio de la pared exterior del anillo equilibrador

R_{H}:

Radio del horizonte circular del fluido

b:

Anchura axial del anillo equilibrador (no mostrada en las Figs. 5a-5d)

m_{A}:

Masa efectiva del fluido que llena parcialmente el anillo equilibrador

m_{PE}:

Masa del fluido hipotéticamente comprendido dentro de un cilindro limitado por la pared exterior del anillo equilibrador y de profundidad b

m_{H}:

Masa del fluido hipotéticamente comprendido dentro de un cilindro limitado por el horizonte circular y de profundidad b

M:

Eje geométrico del tambor = centro de masas de m_{PE}

N:

Eje real de giro del tambor = centro de masas de m_{H}

G_{A}:

Centro de masas de la masa m_{A}

X_{D}:

Amplitud del movimiento de desequilibrio dinámico del grupo flotante = distancia desde M hasta N

X_{A}:

Distancia desde G_{A} hasta N

X_{H}:

Distancia desde el centro de masas de m_{H} hasta N

\gamma:

Densidad del fluido

Se parte de la definición de la masa m_{A} del fluido contenido dentro del anillo equilibrador, que cuando gira junto con el tambor durante un centrifugado se dispone entre la pared exterior PE del anillo y el horizonte circular H (zona sombrada en la Fig. 5a), como la sustracción booleana de la masa m_{H} del fluido hipotéticamente comprendido dentro del disco limitado por el horizonte circular H (zona sombrada en la Fig. 5c) de la masa m_{PE} del fluido hipotéticamente comprendido dentro de un disco limitado por la pared exterior PE (zona sombrada en la Fig. 5b) del anillo equilibrador, todos con una misma anchura b.

(13)m_{A}=m_{PE}-m_{H}

La distancia X_{A} (ver la Fig. 5d) desde el centro de masas G_{A} de la masa m_{A} hasta el eje real de rotación N es:

(14)X_{A}=\frac{m_{PE}\cdot X_{D}-m_{H}\cdot X_{H}}{m_{PE}-m_{H}}

pero, teniendo en cuenta que X_{H} = 0, puesto que el horizonte circular H se ha creado precisamente por el efecto de la aceleración centrípeta generado por la rotación del tambor alrededor del eje real de rotación N, y por lo tanto es coaxial con el mismo, la anterior expresión queda:

(15)X_{A}=\frac{m_{PE}\cdot X_{D}}{m_{PE}-m_{H}}

\newpage

arreglando e igualando con la primera ecuación se obtiene la equivalencia del efecto de contrapeso entre una masa real y una masa equivalente obtenido por un anillo de fluido.

Efecto equivalente de la "masa equivalente"

(16)m_{A} \cdot X_{A}=m_{PE}\cdot X_{D}

Esta ecuación demuestra que el efecto producido por la masa m_{A} del fluido contenido en el anillo equilibrador por la distancia X_{A} de su centro de masas G_{A} al eje real de rotación N es equivalente al que produciría la masa m_{PE} del fluido hipotéticamente contenido dentro del cilindro limitado por la pared exterior PE del anillo por la distancia X_{D} de su centro de masas (que coincide con el centro geométrico M del tambor) al eje real de rotación N, ambos con una misma profundidad axial b. Por consiguiente, la masa equivalente sería:

Masa equivalente

(17)m_{A}\equiv m_{PE}=\pi\cdot R^{2}_{PE}\cdot b\cdot \gamma

Esta masa equivalente m_{PE} es generalmente de 12 a 20 veces mayor que la masa de fluido m_{A} efectivamente utilizada, lo que demuestra las ventajas del equilibrado mediante anillos de fluido cara a la aportación de una masa de contrapeso principal asociada al tambor 20 que genera unos efectos significativos que permiten substituir gran parte de la masa del contrapeso asociado a la cubeta envolvente 10, según el principio básico de la presente invención.

También resulta evidente que cuanto más elevada sea la densidad \gamma del fluido más acusado será el efecto de contrapeso. Sin embargo, la mayoría de fluidos de densidad significativamente mayor que la del agua son altamente contaminantes o corrosivos, y desde luego más costosos que el agua. Por consiguiente, se recomienda en la medida de lo posible la utilización de agua como fluido equilibrador.

Haciendo ahora referencia a la Fig. 6, en ella se muestra de manera muy simplificada un ejemplo de realización no limitativo de una máquina centrifugadora de acuerdo con la presente invención, tal como una máquina lavadora-centrifugadora de ropa, de la que se han eliminado aquellos elementos que no tienen relación con el principio constructivo de la presente invención, cuya máquina incorpora dicha construcción "ligera" del grupo flotante.

La máquina de la Fig. 6 comprende un bastidor o bancada 50 de la que va suspendido un grupo flotante formado en esencia por una cubeta envolvente 10 para contener y/o recoger un baño, un tambor 20 para una carga de materia a centrifugar Q (no mostrada en la Fig. 6) montado de manera que puede girar dentro de la cubeta envolvente 10 y un motor 32 fijado a la cubeta 10 y conectado a dicho tambor 20 para hacerlo girar. La suspensión comprende un sistema de muelles 52 y amortiguadores 54 dispuestos entre la bancada 50 y el grupo flotante. La cubeta envolvente 10 y el tambor 20 disponen, en uno de sus extremos, de unas respectivas bocas de carga/descarga 18, 28 de acceso axial, sustancialmente coincidentes entre sí y con una boca de carga/descarga del bastidor provista de una puerta 56, preferiblemente de un material transparente. Con el fin de aislar el interior de la cubeta envolvente del exterior se ha dispuesto, entre la boca de carga/descarga 18 de la cubeta envolvente 10 y el marco de la puerta 56 del bastidor 50, un manguito elástico 58 capaz de absorber los movimientos vibratorios relativos entre bastidor 50 y cubeta envolvente 10.

La cubeta envolvente 10 puede estar obtenida, por ejemplo, por moldeo de inyección de plástico esencialmente en dos partes, una parte delantera 10a, y una parte trasera 10b. La parte delantera 10a comprende una primera semipared envolvente exterior 12a y una pared frontal 13 con un borde periférico exterior rígidamente unido a un extremo de dicha primera semipared envolvente 12a y un borde periférico interior que delimita dicha boca de carga/descarga 18. Sobre dicha pared frontal 13 de la cubeta envolvente 10 está fijado un contrapeso 40 de un material sólido y denso, tal como un metal relativamente pesado u hormigón, que puede adoptar una forma anular, cuadrangular con una gran abertura central, o cualquier otra forma conveniente. La parte trasera 10b comprende una segunda semipared envolvente 12b y una pared de fondo 14 con un borde periférico exterior rígidamente unido a un extremo de dicha segunda semipared envolvente exterior 12b, cuya pared de fondo 14 incluye una pluralidad de costillas de refuerzo 14a, combinadas en direcciones tanto axiales como radiales, que se rematan en una zona central en un cubo 14b para una caja de rodamientos 30, formada por un mero casquillo de acero, para unos rodamientos A y B. Las dos partes delantera y trasera 10a y 10b de la cubeta envolvente 10 se unen por los extremos libres de las respectivas primera y segunda semiparedes envolventes exteriores 12a y 12b mediante un encaje de forma 15 consolidado por unos medios de fijación ya sean mecánicos, como una brida de apriete, o por adhesión o soldadura.

Por su parte, el tambor 20 comprende una pared envolvente exterior 22, de revolución respecto a un eje geométrico M, típicamente cilíndrica y provista de perforaciones, una pared frontal 23, con un borde periférico exterior rígidamente unido a un extremo de dicha pared envolvente exterior 22 y un borde periférico interior que delimita dicha boca de carga/descarga 28 del tambor 20, y una pared de fondo 24 con un borde periférico exterior rígidamente unido a un extremo de dicha pared envolvente exterior 22, cuya pared de fondo 24 incluye una pluralidad de costillas de refuerzo 24a, combinadas en direcciones tanto axiales como radiales, que se rematan en una zona central en un cubo 24b para un árbol motriz 16, alineado con dicho eje geométrico M, rígidamente unido a dicho cubo 24b. El árbol motriz 16 está insertado en los citados rodamientos A y B de manera que un extremo del mismo sobresale por el extremo exterior de la caja de rodamientos 30, sobre cuyo extremo sobresaliente del árbol motriz 16 va solidariamente unida una polea conducida 34 conectada mediante una correa 35 a una polea conductora 36 solidaria del eje de salida 38 del motor 32, el cual está rígidamente unido a la cubeta envolvente 10 mediante unos soportes 39. La pared citada frontal 23 del tambor 20 tiene una sección troncocónica 23b que habilita un espacio en el que va ubicado y fijado un contrapeso 42 formado por una pluralidad de anillos equilibradores de fluido 60 concéntricos que serán descritos en detalle más abajo con relación a la Fig. 7, junto con otros detalles constructivos del tambor. En el interior del tambor 20 se hallan dispuestas unas palas 29 para remover la carga de ropa en las etapas de lavado y aclarado, cuyas palas 29 son sustancialmente paralelas al eje geométrico M y se extienden en dirección radial una determinada longitud hacia el centro del tambor, y adoptan típicamente una sección transversal triangular hueca.

Es característico de la máquina lavadora-centrifugadora de la presente invención que la proporción de la masa, ya sea real o equivalente obtenida por anillos equilibradores de fluido, del contrapeso 42 asociado a la parte delantera del tambor 20 es al menos del 55% de la suma total de las masas de contrapeso 40 y 42 asociadas respectivamente a las partes delanteras de la cubeta envolvente 10 y tambor 20, es decir, que una mayor parte de la masa total de los citados contrapesos 40 y 42, resultante de la adición de sus respectivas masas m_{CE} y m_{CT}, se halla concentrada en el contrapeso 42 asociado a la parte delantera del tambor 20.

La Fig. 7 es un detalle ampliado que muestra un ejemplo de realización preferido del tambor 20, del que sólo se ha representado la mitad superior puesto que es sustancialmente simétrica a la mitad inferior. El recinto del tambor 20 comprende la pared exterior envolvente 22, la pared frontal 23 y una pared interior de fondo 27 construidas en una chapa metálica delgada, típicamente de acero inoxidable, y unidas por sus respectivos bordes por unos rebordonados 22a. Un soporte exterior 24 del tambor 20, obtenido mediante moldeo por inyección de una aleación metálica ligera, tal como aluminio, está adosado exteriormente a la pared interior de fondo 27, cuyo soporte 24 incluye una pluralidad de costillas de refuerzo 24a, combinadas en direcciones tanto axiales como radiales, que se rematan en una zona central en un cubo 24b para un árbol motriz 16, de acero, alineado con dicho eje geométrico M y rígidamente unido a dicho cubo 24b por encajes de forma obtenidos disponiendo dicho árbol motriz 16 como una inclusión metálica en la pieza moldeada de aluminio. Por su parte la cara frontal 23 incluye una sección troncocónica 23b que habilita un espacio para dichos anillos equilibradores de fluido 60 concéntricos, cuya sección troncocónica 23b se remata en un borde periférico interior con una acanaladura cerrada 23a que delimita la boca de carga/descarga 28. Los anillos equilibradores de fluido 60 están obtenidos de una manera clásica mediante moldeo de plástico por inyección en dos piezas; una primera pieza 60a, que comprende una pared lateral 62, en forma de corona circular, de la que se proyectan una pluralidad de paredes anulares cilíndricas 64, y una segunda pieza 60b, a modo de tapa, provista de una pluralidad de tapones (no mostrados), cada uno correspondiendo a uno de los anillos 60, para el llenado/vaciado de los mismos, y que eventualmente puede incluir unos tabiques 66 o ranuras anulares para acoplar o encajar con las paredes anulares cilíndricas 64 de la primera pieza 60a. Ambas piezas están solidariamente unidas mediante adhesivo o soldadura formando una pluralidad de cámaras estancas concéntricas adaptadas pare ser llenadas parcialmente con un fluido equilibrador. Para un mayor aprovechamiento del espacio disponible, el anillo situado en la posición más interior se adapta a dicha sección troncocónica 23b de la pared frontal 23. En cualquiera de las primera y segunda piezas 60a y 60b, preferiblemente en la primera, se hallan unos pequeños deflectores (no mostrados) dispuestos en el interior de cada una de las cámaras estancas, cuya finalidad es la de propiciar el arrastre del fluido junto con las paredes anulares cilíndricas 64, especialmente durante el inicio de la aceleración para alcanzar una velocidad de centrifugado. Tales deflectores no deben impedir, sin embargo, la libre distribución del agua para formar dicho horizonte circular.

En el ejemplo de realización arriba descrito, todo el conjunto de tambor 20 está empaquetado y rigidizado por unos tirantes 80 paralelos al eje geométrico M que atraviesan las citadas paredes exterior e interior de fondo 24, 27, la pared frontal 23 y las primera y segunda piezas 60a, 60b de los anillos equilibradores de fluido 60, atravesando el tambor 20 por el interior de cada una de las citadas palas 29 de perfil de sección transversal triangular, las cuales trabajan a compresión como elementos de rigidización. Cada tirante 80 tiene una cabeza 82 retenida en un rebajo de la pared exterior de fondo 24 y un extremo fileteado que sobresale de los anillos equilibradores de fluido 60 para recibir una tuerca 84 de apriete y bloqueo. Una pieza de refuerzo 86, en forma de corona circular, está interpuesta entre dichas tuercas 82 y los anillos equilibradores de fluido 60 para repartir mejor la presión ejercida por los tirantes sobre una mayor superficie exterior de dichos anillos equilibradores de fluido 60. Para permitir el paso de los tirantes 80, los anillos equilibradores de fluido 60 incluyen unos orificios de paso, no mostrados, de manera que una de sus cámaras estancas concéntricas queda sacrificada, lo que permite habilitar unas paredes anulares 68 de mayor grosor adyacentes a dichos orificios de paso para resistir la presión ejercida por los tirantes.

Un experto en la técnica del sector será capaz de introducir numerosos cambios y variaciones sin que estos se salgan del alcance de la presente invención, el cual está definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (15)

1. Máquina centrifugadora con grupo flotante en suspensión y tambor en voladizo, tal como una máquina lavadora-centrifugadora prevista para altas velocidades de centrifugado con factores G elevados, cuyo grupo flotante en suspensión comprende:

una cubeta envolvente (10) para contener y/o recoger un baño;

un tambor (20) de paredes perforadas para una carga de materia a centrifugar (Q) montado de manera que puede girar dentro de dicha cubeta envolvente (10);

un motor (32) fijado a la cubeta (10) y conectado a dicho tambor (20) para hacerlo girar,

cuyo tambor (20) está provisto en uno de sus extremos de un árbol motriz (16) alineado con un eje geométrico (M), soportado y guiado por unos rodamientos (A, B) alojados en una caja de rodamientos (30) fijada a la cubeta envolvente (10), y en el cual al girar se crea, por un efecto de desequilibrio de masas producido por dicha carga de materia a centrifugar (Q), un eje real de rotación (N) distinto de dicho eje geométrico (M), mútuamente separados por una distancia correspondiente a una amplitud (X_{D}) de desplazamiento dinámico;

un contrapeso (40), de una predeterminada masa (m_{CE}), de equilibrado asociado a una parte de la cubeta envolvente (10) distal de dichos rodamientos (A, B); y

un contrapeso (42), de una predeterminada masa (m_{CT}), de equilibrado asociado a una parte de dicho tambor (20) distal de los rodamientos (A, B),

caracterizada porque:

la mayor parte de la masa total de los citados contrapesos (40 y 42), resultante de la adición de sus respectivas masas (m_{CE} y m_{CT}), se halla concentrada en el contrapeso (42) asociado al tambor (20), siendo dicha masa (m_{CT}) del contrapeso (42) o bien de una magnitud (m_{PE}) dada y centrada con dicho eje geométrico (M) del tambor (20) o de una magnitud (m_{A}) muy inferior y en forma de uno o más anillos de fluido (60) que, al girar a una velocidad tal que produce un factor G superior a 1 y por encima de la frecuencia de resonancia del grupo flotante, queda descentrada a una distancia muy superior a dicha amplitud (X_{D}) de desplazamiento dinámico produciendo unos efectos dinámicos equivalentes a los de dicha magnitud (m_{PE}) dada,

de manera que las tensiones estructurales a que está sometido el grupo flotante resultan sustancialmente reducidas; y porque

varias partes de dicho grupo flotante, como la cubeta envolvente (10), el tambor (20), dicha caja de rodamientos (30), los rodamientos (A, B) y dicho árbol motriz (16), están construidas con unas exigencias de resistencia mecánica, ya sea por forma, materiales o componentes, sensiblemente menores respecto a las que serían necesarias si dicha mayor parte de la masa total de los citados contrapesos (40 y 42) se hallara concentrada en el contrapeso (40) asociado a la cubeta envolvente (10).

2. Máquina, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la relación de la masa (m_{CT}) asociada al tambor (20) respecto a dicha masa total de los citados contrapesos (40 y 42), resultante de la adición de sus respectivas masas (m_{CE} y m_{CT}), es de al menos un 55%, es decir, que se cumple la relación [m_{CT} / (m_{CE} + m_{CT})] \times 100 \geq 55.

3. Máquina, de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque dichos anillos de fluido (60) comprenden una pluralidad de cámaras concéntricas susceptibles de albergar un líquido que las llena parcialmente, cuyas cámaras se hallan dispuestas en una zona periférica de una pared frontal (23) del tambor (20), siendo cada una de dichas cámaras de una altura radial interior sustancialmente igual al doble de una distancia correspondiente a la máxima amplitud (X_{D}) del desplazamiento dinámico del grupo flotante, es decir, la distancia entre dicho eje geométrico (M) y dicho eje real de rotación (N) a la máxima velocidad de centrifugado.

4. Máquina, de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada porque cada una de dichas cámaras concéntricas es estanca y está parcialmente llena con una cantidad de un fluido suficiente para formar, a la máxima velocidad de centrifugado, un horizonte circular (H) tangente a un punto de una pared exterior (PE) cilíndrica de la cámara y separado de la misma una distancia dos veces dicha amplitud (X_{D}) en un punto diametralmente opuesto al de dicha tangencia.

5. Máquina, de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada porque dichos anillos de fluido (60) comprenden al menos tres de dichas cámaras concéntricas.

6. Máquina, de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizada porque dichos anillos de fluido (60) comprenden cuatro de dichas cámaras concéntricas.

7. Máquina, de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizada porque dichos anillos de fluido (60) comprenden cinco de dichas cámaras concéntricas.

8. Máquina, de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada porque dicha pared frontal (23) comprende un borde periférico exterior rígidamente unido a un extremo de una pared envolvente (22) del tambor (20) y una boca de carga/descarga (28) de acceso axial al mismo, y una zona escalonada que habilita un espacio para dichos anillos de fluido (60) entre dicho borde exterior y dicha boca de carga/descarga (28).

9. Máquina, de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizada porque dichos anillos de fluido (60) tienen una anchura axial que no sobresale del plano de dicha boca de carga/descarga (28), y porque dicha zona escalonada comprende una sección troncocónica (23b) estando la más interior de dicha pluralidad de cámaras concéntricas de los anillos de fluido (60) adaptada a la forma de dicha sección troncocónica (23b).

10. Máquina, de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizada porque los anillos de fluido (60) comprenden unas primera y segunda piezas (60a y 60b) obtenidos mediante moldeo de plástico por inyección, cuya primera pieza (60a) comprende una pared lateral (62), en forma de corona circular, de la que se proyectan una pluralidad de paredes anulares cilíndricas (64) y unos pequeños deflectores dispuestos entre las mismas para propiciar un arrastre del fluido sin impedir una libre distribución del mismo, mientras que dicha segunda pieza (60b) es susceptible de ser fijada herméticamente a modo de tapa sobre dicha primera pieza (60a) para formar dicha pluralidad de cámaras concéntricas estancas, incluyendo una pluralidad de tapones, cada uno correspondiendo a una de dichas cámaras, para el llenado/vaciado de las mismas.

11. Máquina, de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizada porque el tambor (20) comprende, además de dicha pared envolvente (22) y de la pared frontal (23) una pared interior de fondo (27), estando dichas tres paredes (22, 23, 27) construidas de chapa delgada de acero inoxidable y unidas por sus respectivos bordes mediante unos rebordonados 22a, y un soporte exterior de fondo (24), obtenido por moldeo de un material ligero, tal como aluminio, adosado exteriormente a dicha pared interior de fondo (27), cuyo soporte exterior de fondo (24) incluye una pluralidad de costillas de refuerzo (24a) combinadas en direcciones tanto axiales como radiales que se rematan en una zona central en un cubo (24b) de soporte de dicho árbol motriz (16), alineado con dicho eje geométrico (M), el cual es de un material más resistente y está rígidamente unido a dicho cubo (24b) por encajes de forma, como una inclusión en la pieza de la pared exterior de fondo (24) moldeada.

12. Máquina, de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizada porque el tambor (20) comprende, además, unos tirantes (80) paralelos a su eje geométrico (M) que lo atraviesan de un extremo a otro por el interior de unas palas (29), de perfil de sección transversal triangular y fijadas a la pared envolvente (22), formando un empaquetado con dichas paredes interior y exterior de fondo (24, 27), la pared envolvente (22), la pared frontal (23) y las primera y segunda piezas (60a, 60b) de los anillos equilibradores de fluido (60), donde dichas palas (29) trabajan a compresión como elementos de rigidización del tambor (20).

13. Máquina, de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizada porque cada uno de dichos tirantes (80) tiene una cabeza (82) retenida en un correspondiente rebajo del soporte exterior de fondo (24) y un extremo fileteado que sobresale de los anillos de fluido (60) para recibir una tuerca (84) de apriete y bloqueo, estando unas arandelas de refuerzo (86) interpuesta entre dichas tuercas (82) y los anillos de fluido (60) para repartir la presión ejercida por los tirantes (80) sobre una mayor superficie exterior de dichos anillos equilibradores de fluido (60).

14. Máquina, de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizada porque los anillos de fluido (60) incluyen además, entre dos de sus cámaras concéntricas estancas, unas paredes anulares (68) de mayor grosor que tienen formados unos orificios para permitir el paso de los tirantes (80) a su través, cuyas paredes anulares (68) están adaptadas para resistir la presión ejercida por los tirantes (80).

15. Máquina, de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada porque la cubeta envolvente (10) comprende una parte delantera (10a) y una parte trasera (10b) obtenidas por moldeo de inyección de plástico, cuya parte delantera (10a) comprende una primera semipared envolvente exterior (12a) y una pared frontal (13) que incluye una boca de carga/descarga (18), mientras que la parte trasera (10b) comprende una segunda semipared envolvente (12b) y una pared de fondo (14) que incluye una pluralidad de costillas de refuerzo (14a) combinadas en direcciones tanto axiales como radiales, que se rematan en una zona central en un cubo (14b) para dicha caja de rodamientos (30), formada por un casquillo metálico, estando ambas partes delantera y trasera (10a y 10b) unidas por unos extremos libres de sus respectivas primera y segunda semiparedes envolventes (12a y 12b) mediante un encaje de forma (15) consolidado por unos medios de fijación ya sean mecánicos, por adhesivo o soldadura.