Соблюдение нескольких простых советов по проектированию мотор-редуктора поможет обеспечить его работу в самых экстремальных условиях.
Габриэль Венцин •Президент |ABM Drives Inc.
Разработка приложения для мотор-редукторов достаточно сложна в более или менее “нормальных” условиях, под «нормальными» в данном случае понимаются такие факторы, как комнатная температура и стабильная или типичная влажность и высота над уровнем моря. Перенесите это приложение в экстремальные условия, и дизайн усложнится. Но это не обязательно. Для тех, кто проектирует мотор-редуктор в экстремальных условиях окружающей среды, существуют некоторые рекомендации, соблюдение которых поможет обеспечить успех проекта.
Во-первых, основы
Мотор-редуктор представляет собой комбинацию зубчатого редуктора и электродвигателя. Двумя наиболее важными факторами, влияющими на выходной вал мотор-редуктора, являются частота вращения и крутящий момент. Прямоугольный редуктор с прямым или параллельным валом может быть объединен с двигателем переменного тока с постоянными магнитами, асинхронным двигателем переменного тока или бесщеточным двигателем постоянного тока.
Рассматриваемые здесь редукторные двигатели не подвержены воздействию водяных брызг под высоким давлением, например, в морозильных камерах, неотапливаемых помещениях или ограждениях. Они используются в таких областях применения, как вилочные погрузчики и электромобили, подъемная техника, строительное оборудование, упаковочное оборудование, а также в портовых кранах, приводах тележек и мостов и других.
Цель состоит в том, чтобы мотор-редуктор работал в течение десятилетий в экстремальных условиях окружающей среды с минимальными затратами на техническое обслуживание, поскольку они могут быть труднодоступными. Механические особенности мотор-редуктора для работы при экстремальных температурах и на большой высоте невелики; в основном это касается смазки, режимов работы, нагрева или охлаждения, а также выбора конструкционных материалов. Таким образом, эти советы можно использовать и для модернизации существующих систем.
К типичным типам мотор-редукторов, о которых мы говорим, относятся приводные двигатели подъемников, которые поднимают грузы весом от 3,2 до 40 метрических тонн. Они приводятся в действие асинхронным двигателем с цилиндрическим ротором мощностью от 2,5 до 38 кВт с 3-ступенчатыми редукторами с параллельным расположением валов, обеспечивающими скорость подъема от 4 до 8 м/мин при диаметре барабана от 140 до 405 мм и накатывании 4/1. Используются обычные двигатели с переключением полюсов (8/2-полюсные). С помощью инверторов программируются переменные скорости для ускорения и замедления при чрезвычайно медленном запуске и торможении, что сводит к минимуму колебания нагрузки.
Для начала стоит изучить данные о прошлых экстремальных температурных режимах, в которых будет работать данное устройство, и о любых других уникальных условиях, которые могут иметь отношение к конструкции. В следующих разделах мы рассмотрим температуру, высоту над уровнем моря и влажность, а также то, как эти факторы влияют на выбор мотор-редуктора.
Температура
При температуре от -40 °C до +60 °C метр ковкого чугуна расширяется на 0,123 мм. Это диапазон температур, который мы рассмотрим ниже.
Высота — это другая крайность, которую мы рассмотрим. Для двигателей внутреннего сгорания общим правилом является снижение мощности на 3-4% на каждые 1000 футов над уровнем моря. Таким образом, автомобиль мощностью 300 л.с. на высоте 10 000 футов потеряет от 30 до 40 л.с. Меньшая плотность означает меньшую компрессию. В цилиндры поступает меньше атмосферных веществ (в основном кислорода, азота и аргона), и, следовательно, компрессия меньше. Для мотор-редуктора это означает меньшее количество атмосферы для отвода тепла.
Как правило, экстремальные перепады температур возникают при перемещении погрузчика из морозильной камеры при температуре -30 °C в морозильную камеру при температуре +40°C. При работе как в очень холодных (-40°C), так и в очень жарких условиях (+60°C) вам необходимо учитывать следующее.
Трансмиссионное масло – Синтетические смазочные материалы используются, когда минеральные масла достигли предела своих эксплуатационных характеристик при частых пусках и остановках, высоких нагрузках, ударах в системе, эксплуатации при низких или высоких температурах, требованиях к увеличенному интервалу замены масла и снижении внутреннего трения, а также при пониженных рабочих температурах. Они также работают при более высоких температурах, не теряя вязкости, не образуя отложений и не пенясь. Нефтепродукты начинают разлагаться при температуре не ниже +100°C, в то время как синтетические углеводородные смазки хорошо работают при температуре не ниже +125°C. Синтетические смазки также обладают преимуществами при экстремально низких температурах. Кроме того, у них более низкое давление паров, чем у нефтепродуктов, что является важным фактором, гарантирующим сохранность смазочного материала. Химическая однородность синтетических смазочных материалов обеспечивает большую несущую способность, более высокие показатели вязкости, лучшую смазывающую способность, большую эффективность и длительный срок службы по сравнению с аналогами на основе нефти.
Уплотнения вала – Если мотор-редуктор длительное время работает при низких температурах, замените уплотнения вала двигателя на NBR (эластомерные) или используйте высококачественную консистентную смазку для смазки уплотнений вала. Эластомерные материалы состоят из полимера, наполнителя, вспомогательных веществ для обработки, протекторов и отвердителей. Часто стандартные сальники изготавливаются из нитрила или резины и рассчитаны на температуру до +125 °C. Если температура окружающей среды или масла поднимется выше этого уровня, вам придется использовать материалы с более высокими эксплуатационными характеристиками.
Вентилятор охлаждения двигателя – Они должны быть изготовлены из алюминия, GGG (чугуна с шаровидным графитом) или специального пластика.
Для правильной работы и использования при температурах от -20° до -40°C
Корпуса – Замените материал торцевого экрана с GG (серый чугун) на GGG (чугун с шаровидным графитом). Чугун с шаровидным графитом обладает высокой прочностью, пластичностью и устойчивостью к ударам. Отожженный чугун с шаровидным графитом можно гнуть, скручивать или деформировать без образования трещин. По прочности, вязкости и пластичности он аналогичен многим сортам стали, но при этом отличается низкой стоимостью литья, как и серый чугун. Обычный серый чугун имеет случайный рисунок чешуйчатого графита. Чугун с шаровидным графитом имеет в своем составе несколько сотых процента магния или церия, что приводит к образованию мелких сфероидных “конкреций”, а не чешуек. Они создают меньше неоднородностей в структуре металла, что делает чугун более прочным и “пластичным”. Вы также можете использовать алюминий, если не превышено допустимое напряжение.
Вал ротора – Замените сталь 1045 на легированную сталь, например, 42CrMo4 или аналогичную. 1045 — это углеродистая сталь с низкой прокаливаемостью и типичным средним пределом прочности при растяжении от 570 до 700 Мпа или твердостью по Бринеллю от 170 до 210. Она характеризуется довольно хорошими прочностными и ударными свойствами. Легированная сталь 42CrMo4 — это хромомолибденовая сталь с высокой прочностью и прокаливаемостью. Она обладает высокой усталостной прочностью и хорошей ударной вязкостью при низких температурах.
Нагрев двигателя – Это может быть кожух обогревателя, нагревательные ленты двигателя или обмотка, на которую подается питание для поддержания определенной температуры (это также используется для предотвращения накопления влаги в условиях высокой влажности). Крановщики часто устанавливают наружные нагревательные рубашки, крышки или кожухи, поскольку они также должны защищать редуктор и другие компоненты.
Распределительные коробки – Переход с пластика на алюминий
Кожух вентилятора – Переход с версии из пластика на версию из листового металла
Конструкция тормоза – Полностью закрытый дизайн вместо открытого
Понижающий крутящий момент – Возможно, даже потребуется снизить максимально допустимый крутящий момент коробки передач или использовать коробку передач большего размера.
Обратите внимание, что температура, превышающая эту, должна регулироваться в каждом конкретном случае и не может быть достигнута простой заменой определенных компонентов.
Если мотор-редуктор установлен внутри корпуса рядом с двигателями внутреннего сгорания или другими системами, которые выделяют тепло или подвергаются воздействию прямых солнечных лучей, для этого потребуются внутренние компоненты двигателя с более высокими температурными характеристиками. Высокие температуры окружающей среды также могут отрицательно сказаться на крутящем моменте двигателя, а прямые солнечные лучи приведут к повреждению уплотнительных элементов.
Распределительная коробка – Переход с пластика на алюминий
Кожух вентилятора – Переход с версии из пластика на версию из листового металла
С высотой рассеивание тепла на поверхности двигателей и редукторов уменьшается. Тепловые характеристики снижаются из-за разрежения воздуха. Обычно расчетная высота установки составляет не более 1000 м над уровнем моря. При работе на больших высотах следует учитывать следующее.
Проверьте фактический рабочий цикл вашего устройства и спросите себя, действительно ли здесь необходим двигатель непрерывного действия? Если окажется, что для применения требуется тот же рабочий цикл, что и для двигателя, работающего на высоте 1000 м над уровнем моря, вы можете установить двигатель большего размера или добавить систему принудительного воздушного охлаждения, чтобы компенсировать снижение холодопроизводительности за счет разреженного воздуха. Во многих случаях имеет смысл обсудить возможные варианты с производителем двигателя.
Несколько слов о рабочих циклах
Рабочие циклы влияют не только на номинальную производительность двигателя, например, двигатель S1 с непрерывным рабочим циклом обеспечивает более высокую мощность, если он используется с прерывистым рабочим циклом S3, но и особенно для коробок передач, используемых в чрезвычайных ситуациях, где возможны пики крутящего момента и сбои в работе системы. В таких ситуациях крайне важно тщательно определить, какой рабочий цикл и какие пики/толчки наблюдаются в течение определенного периода времени, чтобы команда инженеров производителя двигателя/коробки передач могла выбрать и порекомендовать подходящую систему привода. Таким образом, даже если в данной области применения не предъявляются высокие требования к номинальному крутящему моменту и рабочему циклу, другие эксплуатационные факторы могут привести к необходимости использования гораздо более крупного и мощного мотор-редуктора для обеспечения удовлетворительного срока службы. И в заключение, всегда сообщайте производителю двигателей, если ваше оборудование используется в экстремальных условиях окружающей среды – это может кардинально изменить ситуацию.
Более подробная информация о рекомендуемых сроках службы для различных областей применения была опубликована Американской ассоциацией производителей редукторов (AGMA). Эти рекомендации по рабочему циклу были разработаны на основе опыта многих производителей мотор-редукторов. В стандарте AGMA 6009 перечислены многие приложения в соответствии с классом обслуживания (I (от 1 до 1,39), II (от 1,40 до 1,99), III (от 2 и выше)), при этом класс I относится к самым простым приложениям, а класс III — к самым сложным. Как правило, общий рабочий цикл для конкретного приложения учитывает температуру окружающей среды, продолжительность цикла, массовое ускорение, время работы и количество циклов в час.
Как определить рабочий цикл
Во-первых, вам необходимо установить целевой срок службы. Не календарное время, а время работы. Вам необходимо знать рабочий цикл приложения во время работы и количество часов, в течение которых машина работает в течение дня.
Например, мотор-редуктор приводит в движение конвейер короткими рывками, по 2 минуты за раз, с перерывом в 2 минуты перед повторением, снова и снова, в течение двух 10-часовых смен, пять дней в неделю. Он необходим для бесперебойной работы в течение как минимум пяти лет или 13 000 часов.
Номинальный срок службы составляет 25 000 часов с коэффициентом полезного действия 1,0 в соответствии со стандартом AGMA. 25 000 часов — это номинальный показатель, поэтому 50% не прослужат так долго. Используйте показатели срока службы L10, что означает, что 10% редукторов, работающих при такой нагрузке, как ожидается, выйдут из строя до истечения срока службы L10, а 90%, как ожидается, прослужат дольше. Таким образом, редуктор с номинальным сроком службы 25 000 часов будет иметь ресурс L10 в 5000 часов. Согласно рекомендациям AGMA, коэффициент полезного действия конвейера с неравномерной подачей и работой более 10 часов в день должен составлять 1,50. Аналогичный расчет необходимо будет произвести и для двигателя.
Влажность
Наиболее распространенной системой, используемой для определения совместимости продукта с защитой от проникновения и воды, является рейтинг IP, который публикуется Международной электротехнической комиссией (IEC). (IP означает «Международная защита», но иногда его называют «Защита от проникновения»). Сегодня асинхронные двигатели переменного тока и двигатели с постоянными магнитами переменного тока, как правило, соответствуют классам защиты IP54 или 55, а при определенных условиях могут даже соответствовать требованиям IP65 или 67. Таким образом, класс защиты IP не обеспечивает надлежащей защиты в условиях высокой влажности, и для защиты мотор-редуктора необходимы другие меры. Для предотвращения коррозии защитите все металлические поверхности. Кроме того, необходимо покрасить пластины двигателя. Подключайте обмотку к источнику постоянного низкого напряжения и тока, чтобы предотвратить образование конденсата, когда двигатель не используется. Что касается тормозов, то все изнашиваемые поверхности должны быть изготовлены из нержавеющей стали, и иногда лучшим решением является полностью закрытый наружный тормоз.
Обратная связь и улучшения
Анализ затрат на жизненный цикл — это инструмент управления, который может помочь компаниям минимизировать потери и повысить энергоэффективность многих типов систем. Полное понимание всего, что составляет общую стоимость системы на протяжении всего срока ее службы, дает возможность снизить затраты на электроэнергию, эксплуатацию и техническое обслуживание.
Проанализируйте каждый элемент жизненного цикла и определите реалистичную стоимость для использования при расчете общей стоимости срока службы, включая цену покупки; затраты на установку и ввод в эксплуатацию (включая обучение); затраты на электроэнергию; эксплуатационные расходы; затраты на техническое обслуживание и ремонт; затраты на время простоя; экологические затраты (утилизация загрязняющих жидкостей и загрязненных использованных деталей, например, пломбы); и расходы на вывод из эксплуатации/утилизацию (включая восстановление местной окружающей среды и вспомогательных служб).
Помимо поддержки проектного решения, анализ LCC может использоваться для отражения изменений в объеме, графике или применении. Этот процесс может стать ценным инструментом для постоянного совершенствования.
ABM Drives, Inc.
www.abm-drives.com
Вам также может понравиться:
Свежие комментарии