Alternatywa dla przekładni ślimakowej

Rys. 1.

W obecnych czasach, kiedy zwraca się uwagę na poprawę efektywności użytkowania energii elektrycznej, nie tylko ze względu na ekonomię, ale także na uwarunkowania prawne w tym zakresie (dyrektywy Unii Europejskiej z tzw. ekoprojektu), konieczne jest zastępowanie przekładni ślimakowej o niższej sprawności droższymi przekładniami walcowymi lub walcowo-stożkowymi.

Od 2010 roku pracowaliśmy nad projektem przekładni, która swoimi cechami technicznymi byłaby zbliżona do przekładni ślimakowej przy jednoczesnej poprawie sprawności. Naszym naturalnym wyborem były przekładnie należące do grupy przekładni o osiach nierównoległych, do której należą przekładnie:

1. stożkowe, przesunięcie a = 0,
2. hipoidalne, przesunięcie a ≤ 0,5R,
3. spiroidalne, przesunięcie a > 0,5R,
4. śrubowe (ślimakowe), przesunięcie a = R,

(gdzie R - średnia długość tworząca stożka podziałowego koła).

Fot. 1.

Jest to podział przekładni w zależności od przesunięcia osi zębnika do osi koła talerzowego (rys. 1). Przesunięcie to nazywane jest przesunięciem hipoidalnym. Szukając kompromisu pomiędzy funkcjonalnością i wysoką sprawnością przekładni stożkowej a prostą budową i korzystnemu stosunkowi ceny do przenoszonej mocy z wału czynnego na bierny, pod uwagę braliśmy dwie konstrukcje - przekładnie spiroidalne i hipoidalne.

Nasz wybór to przekładnie hipoidalne, nie tylko ze względu na uzyskany kompromis funkcjonalności, sprawności, prostej budowy i ceny, ale także ze względu na dostępne technologie produkcji (amerykańska technologia Gleasona i niemiecka Klingelnberga).

Te dwie technologie są z powodzeniem wykorzystywane w przemyśle samochodowym, gdzie przekładnie hipoidalne są obecnie szeroko stosowane w przekładni różnicowej (dyferencjał) - takiej jak na fotografii 1. Największym problemem, nad którym najdłużej pracowaliśmy, było pogodzenie cech technicznych z funkcjonalnością, rozumianą jako łatwość zamiany przekładni ślimakowej na naszą przekładnię hipoidalną, bez przeróbek mechanicznych.

Po niemal dwóch latach pracy udało się to nam uzyskać, teraz użytkownik przekładni ślimakowej bez zmian konstrukcyjnych może łatwo wymienić przekładnię ślimakową na naszą przekładnię hipoidalną.

Dlaczego warto wymienić przekładnię ślimakową na wersję hipoidalną THF?

TABELA. Porównanie motoreduktorów

Odpowiedź na to pytanie można podzielić na trzy kategorie:

1. Cechy techniczne przekładni hipoidalnych THF
2. Cechy funkcjonalne omawianych przekładni
3. Znacząca poprawa efektywności energetycznej układu napędowego

Najważniejsze cechy techniczne przekładni hipoidalnych THF:

• większa obciążalność niż przekładni stożkowej o takich samych wymiarach, dzięki wydłużeniu czynnej długości zęba (przesunięcie hipoidalne),
• większy moment wyjściowy niż w przekładniach ślimakowych o takich samych wymiarach gabarytowych,
• wysoka cichobieżność w porównaniu do innych przekładni o tych samych przełożeniach (dzięki zębom łukowo-skośnym),
• równomierność przekazywania momentu obrotowego (wydłużenie czynnej długości zębów),
• wysoka sprawność w stosunku do innych przekładni o tych samych przełożeniach (sprawność 94% dla przekładni dwustopniowych i 92% dla przekładni trójstopniowych),
• szeroki zakres dostępnych przełożeń dla jednej wielkości mechanicznej przekładni (od i=7,5 do i=300),
• korzystne warunki smarowania łożysk, zębnika, dzięki przesunięciu hipoidalnemu,
• moment wyjściowy do 500 Nm,
• korzystny stosunek gabarytów przekładni do przenoszonej mocy.

Materiały zastosowane w budowie przekładni hipoidalnych THF:

• Koła zębate wykonane są ze stali konstrukcyjnej stopowej chromowo- manganowej z dodatkiem tytanu - 20CrMnTiH1. Stal ta sprawdza się w częściach maszyn silnie obciążonych i narażonych na siły udarowe. W cyklu produkcyjnym koła zębate zostały poddane precyzyjnemu szlifowaniu, aby uzyskać nie tylko idealną powierzchnię styku zębów, ale także, aby zachować równomierną warstwę nawęgloną o grubości od 0,3 mm do 0,5 mm. Dzięki temu zwiększono odporność na ścieranie kół zębatych oraz uzyskano twardość w zakresie od 56 do 62HRC (twardość Rockwella).
• Obudowy przekładni wykonano z wysokiej jakości odlewu aluminiowego, dodatkowo pokryto je powłoką lakierniczą w kolorze RAL9022 (jasnoszara perła).
• Łożyska renomowanych firm cechujące się bardzo dużą nośnością w stosunku do innych łożysk o podobnych wymiarach wpływają znacząco na żywotność i poprawną pracę przekładni.
• Uszczelnienia wykonane z materiałów wysokiej jakości, takich jak NBR (kauczuk butadienowo- -akrylowy) charakteryzujący się wysoką odpornością termiczną, odpornością na działanie olejów oraz wysoką wytrzymałością na zerwanie.

Rys. 2.

Cechy funkcjonalne omawianych przekładni:

• Identyczne wymiary montażowe z przekładniami ślimakowymi dostępnymi na rynku.
• Pasują takie same akcesoria montażowe (wałki zdawcze, kołnierze wyjściowe, ramiona reakcyjne), jak dla przekładni ślimakowych dostępnych na rynku.
• Mają wyższą sprawność niż przekładnia ślimakowa o takim samym przełożeniu.
• Uzyskuje się większy moment wyjściowy na wale biernym niż w przekładni ślimakowej o takim samym przełożeniu.
• Dużo większa żywotność kół zębatych zastosowanych w przekładni hipoidalnej niż ślimaka i ślimacznicy zastosowanych w przekładni ślimakowej.
• Wyższa cichobieżność przekładni hipoidalnej niż przekładni ślimakowej.
• Wyższe przełożenie (i>100, maks. i=300) bez konieczności łączenia dwóch przekładni lub stosowania dodatkowego stopnia walcowego, tak jak ma to miejsce w przekładni ślimakowej.
• Przekładnia hipoidalna podczas pracy nie grzeje się w takim stopniu jak przekładnia ślimakowa o takim samym przełożeniu dzięki korzystnym warunkom smarowania.

Znacząca poprawa efektywności energetycznej układu napędowego

Fot. 2.

Na wykresie przedstawiono porównanie sprawności dynamicznych przekładni ślimakowych, walcowo-ślimakowych i przekładni z podwójnym ślimakiem do przekładni hipoidalnych THF. Sprawność dynamiczna wpływa na roczne koszty eksploatacji układu napędowego. Roczne koszty eksploatacji można w łatwy sposób oszacować już na poziomie podejmowania decyzji o rodzaju zastosowanej przekładni według poniższego wzóru:

K_e - koszt energii elektrycznej [PLN] Mw - moc wejściowa [kW]
t_p - czas pracy napędu [h/rok]
η_p - sprawność dynamiczna przekładni
η_s - sprawność silnika elektrycznego
η_m - sprawność ze względu na sposób przekazania mocy na maszynę (do wyliczeń można przyjąć: dla sprzęgła 98%, montaż bezpośrednio na wale 99%)
P_o - procentowa obciążalność napędu (zwykle jest to wartość 80%).

Korzystając z powyższej zależności, można porównać motoreduktor ślimakowy z motoreduktorem hipoidalnym THF: Na jednym motoreduktorze w ciągu roku eksploatacji (stosując już silnik o wyższej sprawności) zaoszczędzono 389,53 zł. Oczywiście wartość ta będzie dużo wyższa, gdy pomnożymy ją przez liczbę stosowanych w zakładzie takich motoreduktorów.

Dodatkowo należy także pamiętać o rocznych kosztach związanych z tzw. obsługą serwisową związaną z wymianą oleju, uszczelniaczy, itp. Użyte materiały konstrukcyjne i środki smarujące w przekładni hipoidalnej THF znacząco także i te koszty obniżają, zostawiając daleko za sobą przekładnie ślimakowe. Na naszej stronie internetowej można pobrać kalkulator do wyliczeń kosztów eksploatacji motoreduktora ślimakowego w porównaniu do motoreduktora hipoidalnego.

Podsumowanie

Zamieniając już teraz swoje nieefektywne przekładnie ślimakowe na nasze przekładnie hipoidalne THF, otrzymuje się poprawę efektywności energetycznej, lepsze parametry techniczne, co ma wpływ na obniżenie rocznych kosztów eksploatacji i to bez dodatkowej pracy związanej z przeróbkami mechanicznymi.

Optymalizacja procesów przemysłowych na wielu jego płaszczyznach znacząco wpływa na poprawę efektywności wykorzystania energii elektrycznej, a tym samym w perspektywie czasu na poprawę wyników ekonomicznych przedsiębiorstwa.

Specjaliści pracujący w firmie HF Inverter Polska dzięki swojemu długoletniemu doświadczeniu są w stanie optymalnie dobrać układ napędowy bezawaryjnie pracujący w warunkach procesu technologicznego w dowolnej branży. Zapraszamy.

Mariusz Snowacki
HF Inverter Polska
www.hfinverter.pl