Корея Ever-Power · Ръководство за приложно инженерство
Червяк и червячно колело за задвижвания на кофови елеватори — Ръководство за вертикално повдигане
Кофов елеватор с 40 пълни кофи, окачени на 25-метрова верига, съхранява достатъчно гравитационна енергия, за да ускори обратно до разрушителна скорост за по-малко от 3 секунди, ако задвижването не успее да задържи. Червячната зъбна предавка е компонентът, стоящ между контролираното повдигане и катастрофалното връщане назад. Разбирането на цикъла на натоварване не е по избор - то е основата за оразмеряване.
Кофичните елеватори изискват едноходови червячни зъбни двойки със силно самозаключване (ъгъл на водеща част от 2 до 5 градуса), тъй като всяко работно спиране поставя пълния окачен товар под гравитацията върху задвижващия вал. Цикълът на въртящия момент има четири отделни фази - пик на пълнене, постоянно вертикално повдигане, удар при разтоварване в горната част и връщане при леко натоварване при празен ход - и червячната зъбна двойка трябва да преживее пика на всяка фаза, а не само средния. Пусковият въртящ момент с напълно натоварена верига или ремък достига 2,0 до 3,0 пъти по-голям от постоянния въртящ момент на повдигане поради статично триене и уплътняване на материала. Опъването на веригата или ремъка също създава значително радиално натоварване върху изходния вал - обикновено 1,5 до 3 пъти по-голямо от тангенциалната движеща сила - което трябва да се провери спрямо номиналното радиално натоварване на червячната зъбна двойка. Материалната среда (зърнен прах, химически прах, циментов клинкер) определя сдвояването на материалите, вида на уплътнението, а при приложения със зърно може да се изисква корпус с ATEX сертификат.
Защо кофичните елеватори изискват самозаключващи се червячни зъбни колела
Кофовият елеватор е вертикален конвейер, който повдига насипни материали в отделни кофи, прикрепени към непрекъсната верига или колан. За разлика от лентовия конвейер, където ъгълът на наклон варира от 0 до 45 градуса, кофовият елеватор работи на или близо до 90 градуса - истинско вертикално повдигане. Гравитационната потенциална енергия, съхранена в натоварената възходяща верига, винаги е достатъчно голяма, за да задвижи системата назад, ако входното задвижване се освободи.
Да разгледаме типичен средноразмерен кофов елеватор за зърно: 40 кофи с капацитет 12 кг всяка, натоварени с приблизително 80 процента пълнеж (9,6 кг на кофа), на височина на повдигане 25 метра. Общият окачен товар от възходящата страна е 40 × 9,6 = 384 кг. Спускащата се празна страна тежи приблизително 40 × 2,5 кг (тегло на кофата) = 100 кг. Нетен гравитационен дисбаланс: 284 кг, действащи надолу от възходящата страна. При радиус на зъбното колело от 200 мм, гравитационният въртящ момент е 284 × 9,81 × 0,20 = 557 N·m — постоянно приложен към изходния вал, когато елеваторът е натоварен и неподвижен.
Червячната зъбна предавка трябва да устои на този въртящ момент, без да се плъзга назад. Многоходова зъбна предавка с ъгъл на водене над ъгъла на триене няма да се задържи — кофите се ускоряват назад, веригата се изплъзва, материалът се разсипва в секцията на обувката и механични повреди по веригата, зъбните колела и кофите следват в рамките на секунди. Едноходовите червячни зъбни предавки с ъгъл на водене под 5 градуса са стандартът за всички задвижвания на кофови елеватори. Намаляването на ефективността (обикновено от 40 до 55 процента) е приетата цена на гарантирано задържане под въздействието на гравитацията.
Цикълът на въртящия момент на четирифазния кофичен елеватор
За разлика от лентовия транспортьор, който работи с приблизително постоянен въртящ момент, кофовият елеватор налага цикличен модел на въртящия момент върху червячната зъбна двойка. Четири фази се повтарят с всяка кофа, преминаваща през точката на пълнене и изпускателната глава. Пиковият въртящ момент се получава по време на Фаза 1 (пик при пълнене) и Фаза 3 (удар при изпускане) - и червячната зъбна двойка трябва да бъде оценена за тези пикове, а не за средната стойност за Фаза 2.
Цикличната диаграма по-долу съпоставя всяка фаза с нейната характеристика на въртящия момент и конструктивния параметър на червячната зъбна двойка, който тя натоварва най-много.
Всяка кофа загребва материал от бункера. Внезапното добавяне на маса създава пик на въртящия момент от 1,3 до 1,8 пъти спрямо стационарното състояние, докато кофата преминава от празно към натоварено състояние, като същевременно продължава да се ускорява нагоре.
Заредените кофи се движат вертикално с постоянна скорост. Въртящият момент е постоянен и предвидим - базовата стойност за термично оразмеряване. Тази фаза представлява от 60 до 70 процента от общото време на цикъла.
При главното зъбно колело кофата се обръща и материалът се изхвърля под действието на центробежната сила и гравитацията. Внезапната загуба на маса създава временно намаляване на въртящия момент, последвано от преразпределение на опъването на веригата - кратък пик на въртящия момент от 1,2 до 1,5 пъти спрямо стационарното състояние.
Празните кофи се спускат по обратната верига. Необходимият въртящ момент спада до приблизително 30 до 40 процента от стационарното състояние, тъй като гравитацията подпомага спускащите се празни кофи. Тази фаза осигурява частично термично възстановяване.
Дизайнерско значение: Номиналният въртящ момент на двойката червячни зъбни колела трябва да надвишава пика на пренапрежение при пълнене във Фаза 1 (1,3 до 1,8 пъти стационарното състояние), а не средната стойност за Фаза 2. Използването само на въртящия момент при стационарно състояние във Фаза 2 за спецификация - най-често срещаният пряк път при оразмеряване - подценява двойката с 30 до 80 процента. След 8000 до 15 000 часа при това подценяване, бронзовото колело развива точкова корекция по натоварените страни и започва да се увеличава луфтът. Двойката в крайна сметка се поврежда не от единично претоварване, а от кумулативна умора при всеки цикъл на пълнене.
Стартовото състояние е още по-лошо. Кофов елеватор, който спира с напълно натоварена възходяща верига и се рестартира, получава начален въртящ момент от 2,0 до 3,0 пъти по-голям от установения въртящ момент на повдигане. Статичното триене на веригата върху зъбното колело, слягането на материала в кофите по време на периода на спиране и инерцията на натоварената верига се комбинират. Червячната зъбна предавка трябва да издържи на този начален пик при всяко стартиране на смяна, всяко прекъсване на захранването и всяко възстановяване след аварийно спиране. Коефициентът на обслужване за работата на кофовия елеватор трябва да бъде минимум 2,0 до 2,5.
Опъване на веригата и радиално натоварване на изходния вал на червячната предавка
Един от аспектите на спецификацията на червячната предавка на кофовия елеватор, с който приложенията на лентовия транспортьор рядко се сблъскват, е радиалното натоварване, оказвано от опъването на веригата или ремъка върху изходния вал. Изходният вал на червячната предавка носи зъбното колело на главата, а зъбното колело се издърпва надолу от комбинираното тегло на натоварените изкачващи се кофи и самата верига. Тази сила действа като радиално натоварване върху лагерите на изходния вал.
Радиалното натоварване е приблизително 1,5 пъти по-голямо от опъването на веригата от стегнатата страна, тъй като опъването от хлабавата страна добавя компонент в същата посока. Това радиално натоварване трябва да се провери спрямо носещата способност на изходния вал на червячната зъбна двойка. Двойка, оценена за адекватен въртящ момент, но недостатъчно радиално натоварване, ще се повреди при изходните лагери, а не при зъбите на зъбното колело – режим на повреда, който имитира дефект на лагера, но произтича от грешка в спецификацията.
За средни и големи кофови елеватори, където радиалното натоварване надвишава стандартния каталожен номинален капацитет на изходните лагери, решението е или червячна зъбна двойка с по-голям размер на рамата (което пропорционално увеличава носещата способност), или лагерна конструкция с точковиден блок извън корпуса на червячната зъбна колела, която поема радиалното натоварване на веригата отделно. Вторият вариант е по-често срещан при големи кофови елеватори за цимент и руднична промишленост, където натоварванията на веригата биха изисквали прекалено голяма и неикономична червячна зъбна двойка, която да поема само радиалната сила.
Корейска фабрика за фуражи поръча 25-метров кофов елеватор с производителност 45 тона на час. Червячната зъбна предавка беше специфицирана с междуосово разстояние 100 мм, модул 4, еднозахватна, предавателно число 50:1 — достатъчно за изчисления стационарен въртящ момент на повдигане от 320 N·m с SF 2.0, което дава изискване от 640 N·m. Избраната зъбна предавка беше номинална на 680 N·m. Елеваторът работеше 11 месеца, преди изходният лагер да се повреди. Анализът на повредата не разкри повреди по зъбите на зъбното предавка — зъбите бяха в отлично състояние. Основната причина беше радиалното натоварване на веригата: опъването на веригата от стегнатата страна беше 9200 N, което доведе до радиално натоварване от приблизително 13 800 N в центъра на изходния вал. Избраната 100-милиметрова зъбна предавка имаше номинално радиално натоварване на изхода само 8500 N. Лагерът работеше на 162 процента от номиналния си радиален капацитет в продължение на 11 месеца. Спецификацията за замяна се промени на двойка с междуосово разстояние 125 мм (радиално натоварване 15 000 N) с премия за цена от 280 USD - решение, което е трябвало да бъде взето на първоначалния етап на спецификация. Поуката за закупуване на червячна предавка за кофичен елеватор: винаги проверявайте радиалната товароносимост спрямо опъването на веригата, а не само товароносимостта спрямо повдигащата сила. Двете проверки са независими и всяка от тях може да бъде обвързващото ограничение.
Спецификация на материала и уплътнението според транспортирания материал
Кофичните елеватори обработват три основни категории насипни материали, всяка от които налага различни екологични изисквания към червячната зъбна предавка. Транспортираният материал определя не само изискванията за въртящ момент, но и металургията, уплътнението и в някои случаи съответствието на зъбното задвижване със законови изисквания.
Правилното сдвояване на материалите във времето на спецификацията предотвратява най-скъпия вид повреда - корозия или замърсяване, което едновременно унищожава червяка и колелото, което изисква пълна подмяна на чифта, а не само на колелото.
Червей: Стандартен закален стоманен, запечатан корпус.
Колело: Фосфорен бронз CuSn12Ni.
Печат: Двойно уплътнение + лабиринт, положително вътрешно налягане (без прах).
Специално: Сертификация по ATEX Зона 21/22 се изисква, ако концентрацията на зърнен прах надвишава LEL (долна граница на експлозивност). Корпусът трябва да е безискров или сертифициран за зоната. Смазка за хранителни цели (минимум NSF H2) за всеки елеватор, захранващ преработка на храна за хора.
Червей: Поцинкована или неръждаема стомана (AISI 304 за леки химикали, 316L за хлориди/киселини).
Колело: Алуминиев бронз CuAl10Fe5Ni5 (устойчив на корозия, без обезцинкване).
Печат: PTFE уплътнение + лабиринт под налягане (химично изключване на пари).
Специално: Проверете съвместимостта на смазочния материал с химически пари — някои отпадъчни газове от торове (амоняк, H₂S) бързо разграждат стандартното минерално масло.
Червей: Дълбоко закалена 42CrMo4 (удароустойчива, HRC 28-34).
Колело: Центробежно лят фосфорен бронз (по-плътна микроструктура, превъзходна износоустойчивост).
Печат: Троен лабиринтен + дишащ филтър (екстремна запрашеност, температурни цикли).
Специално: Корпус с принудително охлаждане или вентилатор за непрекъсната работа над 5 kW. Циментовият прах е алкален и хигроскопичен — проникването му в корпуса на редуктора емулгира грес в рамките на седмици.
Спецификации на двойки червячни зъбни колела с три кофови елеватора
Случай 1 — Корейски зърнен силоз: елеватор за оризови полета с производителност 35 т/ч с изискване ATEX
Корейски земеделски кооператив е определил червячни зъбни колела за шест 20-метрови кофови елеватора, приемащи оризища от камион до върха на силоза. Капацитет 35 тона на час на елеватор. Стъпка на кофата 350 мм, вместимост на кофата 8 литра, скорост на лентата 1,8 м/с. Въртящ момент при повдигане в стационарен режим: 280 N·m. Коефициент на пренапрежение при пълнене във фаза 1: 1,5×. Коефициент на стартиране с натоварена лента: 2,5×. Коефициент на експлоатация за умерен удар: 1,5. Въртящ момент в най-лошия случай: 280 × 2,5 × 1,5 = 1050 N·m. Радиално натоварване на опъването на ремъка на изходния вал: 7200 N. Спецификация: едноходова червячна зъбна колела, модул 5, междуосово разстояние 125 мм, предавателно число 40:1, q = 10, ъгъл на водеща връзка 5,7 градуса. Номинален въртящ момент 1200 N·m, изходно радиално усилие 12 000 N — и двете в рамките на допустимото. Материал: стандартен закален червяк, колело от фосфорен бронз, запечатан корпус за грес. Изисква се сертификат ATEX Зона 22 (зърнен прах в околната атмосфера, въпреки че корпусът на редуктора е запечатан). Специфицирана е смазка NSF H2, тъй като елеваторът захранва линия за преработка на ориз за консумация от човека. Очакван експлоатационен живот: от 6 до 8 години при работа на две смени (4800 часа/годишно). Цена за чифт: 520 USD. Сервиз на място на 6 елеватора в продължение на 4 години: нулеви повреди, без инциденти с връщане назад, шум, измерен на 68 dB(A) на 1 метър.
Случай 2 — Японски химически завод: Елеватор за торове с производителност 60 т/ч със защита от корозия
Японски производител на торове е определил червячни зъбни колела за два 30-метрови кофови елеватора, обработващи гранули амониев сулфат. Химическата среда е представлявала основното предизвикателство: концентрацията на амонячни пари около основата на елеватора е била достатъчна, за да корозира стандартната въглеродна стомана в рамките на 6 месеца. Постоянен въртящ момент на повдигане: 680 N·m. Пренапрежение във фаза 1: 1,6×. Фактор на стартиране: 2,0. SF: 2,0. Въртящ момент в най-лошия случай: 680 × 2,0 × 2,0 = 2720 N·m. Радиално натоварване на веригата: 22 000 N. Спецификация: едноходова червячна зъбна колела, модул 8, междуосово разстояние 200 mm, съотношение 50:1. Червяк: неръждаема стомана AISI 304 (устойчива на амоняк). Колело: алуминиев бронз CuAl10Fe5Ni5 (без обезцинковане в амонячна атмосфера). Уплътнение: PTFE маншетно уплътнение с лабиринт под налягане — положителното вътрешно въздушно налягане предотвратява проникването на амонячни пари. Смазка: синтетичен PAG с пакет антикорозионни добавки, проверено съвместим със следи от амоняк. Допълнителна цена в сравнение със стандартна стомана-бронз: 1400 щатски долара за чифт (приблизително 45 процента над стандартната). Очакван експлоатационен живот: от 5 до 7 години в амонячна среда в сравнение с очакваните 8 до 14 месеца със стандартна стомана-бронз. Допълнителната цена за материал от 1400 щатски долара се изплаща в рамките на първата година, като се избягва необходимостта от подмяна. Разгледайте червячна скоростна кутия за асансьор опции, които включват устойчиви на корозия двойки материали за кофови елеватори, работещи с химическа среда.
Случай 3 — Виетнамски циментов завод: елеватор за клинкер с производителност 120 т/ч с терморегулация
Виетнамски производител на цимент е определил червячни зъбни колела за 35-метров кофов елеватор, повдигащ горещ циментов клинкер (температура на материала от 80 до 120 градуса по Целзий) от изхода на охладителя до силоза за клинкер. Термичното предизвикателство е било двойно: високата температура на материала е излъчвала топлина в корпуса на елеватора, а непрекъснатата работа в тежки условия е генерирала значителна топлина от триене в червячната двойка с единичен пуск при приблизително 42 процента ефективност. Въртящ момент на повдигане в стационарен режим: 1800 N·m. Пик във фаза 1: 1,8×. Стартиране с уплътнен клинкер: 3,0×. Коефициент на претоварване: 2,5. Въртящ момент в най-лошия случай: 1800 × 3,0 × 2,5 = 13 500 N·m. Изискването от 13,5 kN·m надвишава капацитета на единична червячна двойка при стандартни междуосови разстояния — спецификацията е решена чрез използване на двустепенна редукция: първична червячна двойка на междуосово разстояние 250 mm (номинално 8000 N·m, предавателно число 25:1) с вторична верига за редуциране (3:1), осигуряваща останалото предавателно число. Общо предавателно число: 75:1. Червячната двойка е носила ефективни 4500 N·m — в рамките на номиналните 8000 N·m. Червяк: закален 42CrMo4. Колело: центробежно лят фосфорен бронз. Охлаждане: вентилатор с принудителна циркулация, монтиран директно върху корпуса на червячната предавка. Температурата на корпуса е стабилизирана на 82 градуса по Целзий — в рамките на 90 градуса за високотемпературната синтетична грес. Тройните лабиринтни уплътнения с вентилационен филтър предотвратяват проникването на циментов прах. Експлоатационен живот при непрекъсната работа на три смени: от 3 до 4 години на колело (червякът издържа на две смени на колелата).
Често задавани въпроси
В: Може ли червячна зъбна предавка на кофичен елеватор някога да използва двуходов червяк за по-добра ефективност?
На теория, двустъпална двойка с отделно устройство за задържане (обратен клапан) на изходния вал би могла да осигури както ефективност, така и предотвратяване на връщане назад. На практика тази конфигурация рядко се използва за кофови елеватори, тъй като обратният клапан добавя сложност, разходи и потенциална точка на повреда, която самозаключващата се едностъпална двойка избягва. Намаляването на ефективността на едностъпалната двойка (обикновено с 15 до 30 процентни пункта под двустъпалната) се приема като застрахователна премия за присъщо механично самозаключване без допълнителни компоненти. Малкото инсталации, които използват двустъпални двойки с обратни клапани, обикновено са циментови елеватори с много висок капацитет, където икономията на енергия оправдава добавената механична сложност, а екипът по поддръжката има експертизата да проверява редовно обратния клапан.
В: Как типът верига на кофения елеватор (ролкова верига или центробежен ремък) влияе върху спецификацията на червячната предавка?
Ролково-верижните елеватори създават по-голямо радиално натоварване на изходния вал от лентовите елеватори, тъй като веригите са по-тежки на единица дължина и работят с по-ниски скорости (изисквайки по-висок въртящ момент). Верижните елеватори също така създават по-изразени пикове на пълнене във Фаза 1, тъй като разстоянието между кофите е по-широко и всяка кофа се пълни по-рязко. Лентовите елеватори работят по-бързо (обикновено от 2 до 4 м/с спрямо 1 до 2 м/с за верижни), имат по-плавно пълнене и създават по-ниско радиално натоварване. Червячната зъбна предавка за верижен елеватор трябва да бъде с една рама по-голяма от лентов елеватор със същия капацитет на производителност - верижен елеватор с производителност 100 тона на час обикновено се нуждае от зъбна предавка с междуосово разстояние 200 мм, докато еквивалентният лентов елеватор може да използва 160 мм.
В: Какъв е очакваният експлоатационен живот на червячна зъбна предавка на кофов елеватор?
За правилно специфицирана двойка с адекватен коефициент на експлоатация, бронзовото колело обикновено издържа от 4 до 8 години при работа на една смяна (2500 часа годишно), от 2,5 до 5 години при работа на две смени (5000 часа годишно) и от 1,5 до 3,5 години при непрекъсната работа на три смени (7500 часа годишно). Стоманеният червяк обикновено издържа над 2 до 3 смени на колелата, тъй като по-твърдата стоманена повърхност не се износва измеримо в сравнение с по-мекия бронз. Следете луфта ежегодно - когато луфта достигне 1,5 пъти стойността от сертификата за доставка, планирайте подмяна на колелото през следващия прозорец за поддръжка. Основният фактор, ограничаващ живота, е непрекъснатото циклично натоварване от четирифазния цикъл на въртящия момент, което натрупва контактна умора върху страничните повърхности на зъбите на бронзовото колело по-бързо, отколкото при приложенията на конвейер в стационарно състояние.
В: Необходим ли е ATEX сертификат за червячната зъбна предавка за кофов елеватор за зърно?
Ако корпусът на червячната зъбна предавка е разположен в зона, класифицирана като ATEX Зона 21 (възможен е облак прах по време на нормална работа) или Зона 22 (възможен е облак прах по време на анормална работа), корпусът трябва да отговаря на съответната категория ATEX оборудване. На практика повечето червячни зъбни предавки на кофови елеватори са запечатани и нямат вътрешен източник на запалване (няма електрически компоненти, няма искрящи повърхности), така че те обикновено отговарят на изискванията на Зона 22 без модификации. Зона 21 може да изисква допълнителна документация за сертифициране или проверка на температурата на повърхността на корпуса (температурата на корпуса трябва да остане под температурата на самозапалване на праха, която за зърнен прах обикновено е от 400 до 500 градуса по Целзий - доста над нормалните работни температури). Консултирайте се с вашия ATEX оценител с данните за температурата на корпуса на зъбната предавка от спецификационния лист.
В: Как да предотвратя навлизането на циментов прах в корпуса на червячна предавка на клинкерен елеватор?
Три слоя защита. Първо, тройни лабиринтни уплътнения както на входния, така и на изходния вал — лабиринтите създават криволичещ път, по който центробежната сила и гравитацията предотвратяват движението на фините частици. Второ, вентилационен филтър със синтерован бронзов или филцов елемент, който позволява на въздуха да се разширява и свива с температурни цикли (промените в околната среда през деня и нощта могат да създадат отрицателно налягане вътре в корпуса, което засмуква прах покрай уплътненията), като същевременно блокира частиците. Трето, положително вътрешно налягане — някои инсталации използват малко непрекъснато продухване с въздух (0,5 до 1 литър филтриран сгъстен въздух в минута), инжектирано в корпуса, за да се поддържа леко положително налягане, предотвратявайки навлизането на прахообразен околен въздух. Тройният подход удължава живота на уплътнението от 6 до 12 месеца (едностранно уплътнение в цимент) до 3 до 5 години (троен лабиринт + вентилатор + налягане).
Кофичните елеватори са най-взискателното приложение за вертикален транспорт за червячни зъбни колела - съчетавайки абсолютното изискване за самоблокираща се защита против търкаляне с цикличен профил на въртящия момент, който достига пик от 1,3 до 1,8 пъти стационарно състояние по време на пълнене, начален въртящ момент, който достига 2,0 до 3,0 пъти стационарно състояние с натоварена верига, и радиално натоварване на веригата, което може да надвиши значително оразмеряването, определяно от въртящия момент. Определянето на червячна зъбна колела на кофичен елеватор само от стационарния въртящ момент на повдигане - най-често срещаният пряк път - пропуска пика на пълнене, началния множител и проверката на радиалното натоварване, всеки от които може да бъде обвързващото ограничение. Четирифазният цикъл на въртящия момент е основата за оразмеряване, наклонът винаги е почти вертикален (задължително е еднократно пускане), а материалната среда определя металургията и уплътнителния пакет. Корейските, японските и виетнамските производители на оригинално оборудване, обслужващи зърнената, химическата и циментовата промишленост, рутинно се сблъскват и с трите категории материали в едно съоръжение - и спецификацията на червячната зъбна колела трябва да съответства на всеки елеватор поотделно.
За екипите по проектиране и снабдяване, които специфицират червячни зъбни колела за кофови елеватори, нашето инженерно бюро извършва четирифазен анализ на въртящия момент и проверка на радиалното натоварване на опъването на веригата спрямо параметрите на вашия асансьор. Стандартен каталог комплекти червячни зъбни колела от фосфорен бронз Покриват междуосови разстояния от 80 до 250 мм в едноходови конфигурации с пълна DIN документация. Предлагат се персонализирани комбинации от материали (неръждаема стомана, алуминиев бронз, центробежно лят материал) и ATEX-съвместими корпуси със срок на изпълнение от 4 до 6 седмици — изпратете заявка Спецификация на задвижването на кофовия асансьор с данните за опъването на веригата и нашият екип ще ви върне препоръка в рамките на един работен ден.
Оразмеряване на червячна зъбна двойка за задвижване на кофов елеватор?
Изпратете височина на повдигане на елеватора, капацитет (т/ч), размер на кофата, тип верига или ремък, транспортиран материал и всички екологични ограничения (ATEX, химикали, висока температура). Ще извършим четирифазен анализ на въртящия момент, ще проверим радиалната товароносимост и ще препоръчаме правилната комбинация от материали — обикновено в рамките на един работен ден.
редактирано от Cxm
