Mechaniczne przeniesienie napędu a efektywność energetyczna

| Technika

Wprowadzenie w październiku 2009 r. przez Parlament Europejski i Radę Europejską dyrektywy 2009/125/WE, ustanawiającej ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących Ekoprojektu (EcoDesign) dla produktów związanych z energią, rozpoczęło długoterminowy projekt związany z ograniczeniem energochłonności produktów używanych w gospodarstwach domowych i przemyśle. W dokumencie stwierdzono, że wiele produktów związanych z energią można znacznie ulepszyć, redukując ich wpływ na środowisko i zwiększając energooszczędność. Dyrektywa ta zdefiniowała także Ekoprojekt jako podstawowy czynnik w strategii Wspólnoty dotyczącej zintegrowanej polityki produktowej. Jest to podejście zapobiegawcze, mające na celu optymalizację ekologiczności produktów przy zachowaniu ich cech funkcjonalnych.

Mechaniczne przeniesienie napędu a efektywność energetyczna

Kolejne zmiany zawarte w dyrektywie wejdą w życie już latem 2021 r. Podniosą one wymagania energochłonności dla standardowych silników asynchronicznych, wskutek czego użytkownik będzie zmuszony do zastosowania w swojej aplikacji modeli wysoko sprawnych.

Po jedenastu latach funkcjonowania dyrektywy oraz szeregu rozporządzeń wykonawczych polskie przedsiębiorstwa w coraz większej skali wykorzystują produkty efektywne energetycznie – choć w początkowej fazie inwestycji są one rozwiązaniem droższym. Mimo to potencjał ekonomiczny polskiej gospodarki w zakresie poprawy efektywności użytkowania energii elektrycznej jest nadal słabo wykorzystany. Powodem pozostaje nie tylko szereg istniejących barier wynikających z używanych technologii, ale także brak wiedzy potrzebnej do optymalnego doboru układów napędowych.

Dobrze przenieść napęd

Bardzo często spotykamy się w przemyśle z praktyką instalowania silników elektrycznych o wyższych sprawnościach w połączeniu z mało efektywnymi układami przeniesienia napędu, np. przekładniami ślimakowymi, nadal szeroko stosowanymi w różnego rodzaju przenośnikach. Tak dużą popularność zyskały one nie tylko dzięki swoim cechom technicznym, ale także dzięki prostej budowie oraz korzystnemu stosunkowi ceny do przenoszonej mocy z wału czynnego na bierny. W porównaniu z innymi rodzajami przekładni, modele ślimakowe pozwalają uzyskać duże przełożenia na jednym stopniu (od imin. = 5 do imax. = 100) oraz zapewniają korzystne warunki przenoszenia dużych obciążeń. Kinematyka pracy wszystkich przekładni ślimakowych charakteryzuje się wysokim udziałem poślizgów w zazębieniu, które w każdej parze elementów współpracujących ciernie tłumią drgania, co w rezultacie sprzyja cichobieżnej i płynnej pracy tych przekładni – oczywiście pod warunkiem optymalnego doboru do warunków działania.

Trzeba tu przypomnieć, że przekładnia ślimakowa należy do rodziny tzw. przekładni śrubowych, czyli zębatych o wichrowatych osiach kół. Można stwierdzić, że stanowi jak gdyby dalszy etap rozwoju przekładni śrubowych. Słabą jej stroną, w porównaniu do innych rozwiązań, jest jednak mniejsza sprawność, malejąca wraz ze wzrostem przełożenia.

W obecnych czasach, w których zwraca się uwagę na poprawę efektywności użytkowania energii elektrycznej – i to już nie tylko ze względu na ekonomię, ale także na uwarunkowania prawne – konieczne staje się zastępowanie przekładni ślimakowych o niższej sprawności droższymi przekładniami walcowymi lub walcowo-stożkowymi.

Jak połączyć korzystne cechy przekładni ślimakowej z pożądanymi cechami przekładni walcowych w dobrej cenie?

Przekładnie, które spełniają ten warunek, są znane od lat. Jednak dopiero współczesne metody wykonywania uzębienia pozwalają uzyskać korzystny stosunek ceny do przenoszonej mocy z wału czynnego na bierny – podobnie jak w przekładniach ślimakowych. W 2010 r. pracowaliśmy nad projektem modelu, który swoimi cechami technicznymi byłby zbliżony do przekładni ślimakowej przy jednoczesnej poprawie sprawności. Naszym naturalnym wyborem były rozwiązania należące do grupy przekładni o osiach nierównoległych, do której należą przekładnie:

1. stożkowe, przesunięcie a = 0
2. hipoidalne, a ≤ 0,5R
3. spiroidalne, a > 0,5R
4. śrubowe (ślimakowe), a = R (gdzie R – średnia długość tworząca stożka podziałowego koła).

Jest to podział przekładni w zależności od przesunięcia osi zębnika do osi koła talerzowego (rys. 1). Przesunięcie to nazywane jest przesunięciem hipoidalnym.

 
Rys. 1 Podział przekładni o osiach nierównoległych

Szukając kompromisu między funkcjonalnością i wysoką sprawnością przekładni stożkowej a prostą budową i korzystnym stosunkiem ceny do przenoszonej mocy z wału czynnego na bierny, pod uwagę braliśmy dwie konstrukcje – spiroidalne oraz hipoidalne. Nasz wybór padł na te drugie, nie tylko ze względu na uzyskany kompromis dotyczący wspomnianych elementów, ale także z powodu dostępnych technologii produkcji: amerykańskiej Gleasona i niemieckiej Klingelnberga. Obie z powodzeniem wykorzystuje się w przemyśle samochodowym, w którym przekładnie hipoidalne są szeroko stosowane w przekładni różnicowej (dyferencjał) (fot. 1).

 
Fot. 1 Dyferencjał (źródło: Wikipedia)

Największym problemem, nad którym najdłużej pracowaliśmy, było pogodzenie cech technicznych z funkcjonalnością, rozumianą jako łatwość zamiany przekładni ślimakowej na naszą przekładnię hipoidalną THF (fot. 2), bez przeróbek mechanicznych. Ostatecznie w 2012 r. wprowadziliśmy na polski rynek gotowy produkt. Odtąd użytkownik przekładni ślimakowej bez zmian konstrukcyjnych może łatwo wymienić ją na hipoidalną THF.

 
Fot. 2 Motoreduktor hipoidalny THF

Przekładnie hipoidalne THF – konstrukcja

Przekładnie hipoidalne należą do przekładni zębatych o osiach wichrowatych i łukowym zarysie zęba, w ramach rodziny przekładni stożkowych. Różnią się od stożkowych poprzecznym przesunięciem osi zębnika (przesunięcie hipoidalne) w stosunku do osi koła talerzowego. Dzięki przesunięciu hipoidalnemu uzyskuje się wydłużenie czynnej długości zębów (podobnie jak w parze kół ślimak-ślimacznica przekładni ślimakowej), co ma wpływ na wytrzymałość i obciążalność przekładni. Sprawność przekładni hipoidalnej jest odwrotnie proporcjonalna do przesunięcia hipoidalnego i maleje wraz z jego zwiększeniem. Standardowo dla przekładni hipoidalnych THF wynosi ona 94%.

Cechy techniczne przekładni hipoidalnych THF

Do najważniejszych cech przekładni hipoidalnych THF należą:

  • większa obciążalność niż dla przekładni stożkowej o takich samych wymiarach – możliwa dzięki wydłużeniu czynnej długości zęba (przesunięcie hipoidalne);
  • większy moment wyjściowy niż w przekładniach ślimakowych o takich samych wymiarach gabarytowych;
  • duża 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 trójstopniowych);
  • szeroki zakres dostępnych przełożeń dla jednej wielkości mechanicznej przekładni (od i = 7,5 do i = 300);
  • korzystne warunki smarowania łożysk i zębnika – dzięki przesunięciu hipoidalnemu;
  • moment wyjściowy do 500 Nm;
  • korzystny stosunek gabarytów przekładni do przenoszonej mocy.

Dlaczego warto zamienić przekładnię ślimakową na naszą hipoidalną THF?

Powodów jest kilka:

  • identyczne wymiary montażowe jak w przypadku przekładni ślimakowych dostępnych na rynku;
  • pasują do niej takie same akcesoria montażowe (wałki zdawcze, kołnierze wyjściowe, ramiona reakcyjne), jak dla modeli ślimakowych znajdujących się w sprzedaży;
  • wyższa sprawność niż przekładnia ślimakowa o takim samym przełożeniu;
  • większy moment wyjściowy na wale biernym niż w przekładni ślimakowej o takim samym przełożeniu;
  • dużo dłuższa żywotność kół zębatych niż ślimak i ślimacznica zastosowane w modelu ślimakowym;
  • większa cichobieżność przekładni hipoidalnej niż ślimakowej;
  • wyższe przełożenie (i > 100, max. i = 300) bez konieczności łączenia dwóch przekładni lub stosowania dodatkowego stopnia walcowego, jak ma to miejsce w przekładni ślimakowej;
  • dzięki korzystnym warunkom smarowania przekładnia hipoidalna podczas pracy nie grzeje się w takim stopniu co ślimakowa o takim samym przełożeniu;
  • wydajna praca z serwonapędami

A może kombinacja?

W przemyśle szerokie zastosowanie mają również przekładnie kombinowane – dla uzyskania bardzo dużych przełożeń łączy się w nich dwie przekładnie w jeden agregat napędowy. Najczęściej spotykanym rozwiązaniem jest stosowanie podwójnych przekładni ślimakowych (fot. 3).

 
Fot.3 Podwójny motoreduktor ślimakowy SHF

W takim przypadku możemy uzyskać zakres przełożeń od i = 100 do i = 5000, ale kosztem większych gabarytów napędu i niskiej sprawności. Na rynku dostępne są rozwiązania, które da się z powodzeniem zastosować w miejsce podwójnych przekładni ślimakowych – np. podwójne przekładnie ślimakowe w jednej obudowie (tzw. monobloki) lub przekładnie walcowo-ślimakowe. Takie napędy mają jednak inną konstrukcję korpusu, który odbiega wymiarami gabarytowymi od wymiarów standardowych modeli ślimakowych.

W bieżącym roku uzupełniliśmy naszą ofertę produktową o nowy model przekładni walcowo-ślimakowej typu SWHF (fot. 4). Dostępne są cztery wielkości mechaniczne, które odpowiadają wielkością pojedynczej przekładni ślimakowej: 063, 075, 090 i 110. Zakres przełożeń wynosi od i = 80 do i = 4000, a sprawność sięga 82%.

 
Fot. 4 Motoreduktor typu SWHF

Żywotność, sprawność, efektywność

Podejmując decyzję dotyczącą zakupu przekładni ślimakowej, warto rozważyć zakup w to miejsce przekładni hipoidalnej THF lub walcowo-ślimakowej SWHF. Wpłynie to znacząco na żywotność układu napędowego, a co najważniejsze – na jego sprawność, czyli tym samym na efektywność energetyczną całego napędzanego urządzenia.

Optymalizacja procesów przemysłowych na wielu płaszczyznach znacząco zwiększa efektywność wykorzystania energii elektrycznej, a w perspektywie czasu poprawia wyniki ekonomiczne przedsiębiorstwa. Dzięki swojemu długoletniemu doświadczeniu specjaliści pracujący w firmie HF Inverter Polska są w stanie optymalnie dobrać układ napędowy działający bezawaryjnie w warunkach procesu technologicznego w dowolnej branży.

Na naszej stronie internetowej udostępniliśmy również kalkulator efektywności energetycznej, dzięki któremu możliwe jest oszacowanie i porównanie kosztów eksploatacyjnych przekładni ślimakowych z hipoidalnymi, zainstalowanymi w aplikacjach przenośnikowych. Zapraszamy do wypróbowania tego rozwiązania pod adresem: www.hfinverter.eu.

 

Mariusz Snowacki

HF Inverter Polska
www.hfinverter.eu

Zobacz również