Worm en wormwiel voor aandrijvingen van bovenloopkranen en hijsinstallaties

Waarom kraantakels afhankelijk zijn van zelfvergrendelende wormwieloverbrengingen

Elke bovenloopkraan, portaalkraan, zwenkkraan en verplaatsbare takel die een last boven de grond tilt, heeft één ononderhandelbare veiligheidseis: de last mag niet vallen als de aandrijving uitvalt. Deze eis is al meer dan een eeuw bepalend voor de keuze van de aandrijving van takels, en de wormwieloverbrenging blijft de meest gebruikte oplossing omdat deze een mechanische zelfvergrendeling biedt als inherente geometrische eigenschap in plaats van als een later toegevoegde component.

De natuurkundige principes zijn eenvoudig: een hangende last oefent een constant zwaartekrachtkoppel uit op de as van de hijstrommel. Als het tandwielpaar tussen de motor en de trommel achterwaartse rotatie (terugdraaien) toelaat, versnelt de last naar beneden. Een wormwielpaar met één aanloop en een spoedhoek kleiner dan de wrijvingshoek kan fysiek niet achterwaarts draaien – de wrijving bij het tandcontact is groter dan de aandrijfcomponent van de zwaartekracht, waardoor het systeem blokkeert.

Deze geometrische vergrendeling is onafhankelijk van de elektrische voeding, de status van het besturingssysteem of de remconditie. Hij functioneert zelfs wanneer alle andere veiligheidssystemen uitvallen – daarom beschouwen kraannormen (EN 13001, ISO 4301, FEM-regels) hem als het primaire vergrendelingsmechanisme en vereisen ze een aparte mechanische rem alleen als redundantie.

Tandwieloverbrengingen met spiraalvormige vertanding bieden een rendement van meer dan 95 procent, maar kunnen zichzelf niet vergrendelen. Elke hijsinstallatie met spiraalvormige vertanding is volledig afhankelijk van een elektrisch ontgrendelde rem als enig vergrendelingsmechanisme. Planetaire tandwieloverbrengingen zijn eveneens niet vergrendelbaar. De wormwieloverbrenging met een rendement van 40-55 procent is de minst efficiënte optie, maar het is de enige waarbij de geometrie zelf voorkomt dat de last valt. Voor kraantoepassingen weegt deze veiligheidseigenschap op tegen het lagere rendement, omdat de gevolgen van een storing (vallende last, mogelijk dodelijk ongeval) veel groter zijn dan de energiekosten.

FEM-gebruiksgroep — koppeling van kraangebruik aan specificaties van wormwieloverbrenging

Het classificatiesysteem van de Fédération Européenne de la Manutention (FEM), opgenomen in ISO 4301, verdeelt kranen in gebruiksgroepen op basis van twee factoren: het totale aantal bedrijfscycli gedurende de levensduur van de kraan en het belastingspectrum (het percentage hijsbewegingen op of nabij de veilige werklast versus lichte lasten). De gebruiksgroep bepaalt direct de servicefactor, materiaalkwaliteit en inspectiefrequentie voor het wormwielpaar van de takel.

De onderstaande tabel koppelt FEM-gebruiksgroepen aan specificatieparameters voor wormwieloverbrengingen. Dit is het selectiehulpmiddel waarmee de kraantoepassing aan de juiste bestelling van de wormwieloverbrenging wordt gekoppeld.

De overgang van groep 1Bm naar 5m verdubbelt de servicefactor (van 1,5 naar 3,0), verbetert de overgang van zwaartekrachtgieten naar centrifugaalgieten van brons, verandert de worm van gehard staal naar doorgehard staal en verkort de inspectie-interval van jaarlijks naar maandelijks. Elke stap weerspiegelt een reële toename van de cumulatieve vermoeiingsbelasting: een 5m schrootkraan ondergaat meer belastingcycli in één maand dan een 1Bm werkplaatskraan in een jaar. De wormwieloverbrenging moet voor elk type kraan proportioneel robuust zijn.

De meest voorkomende specificatiefout bij de aanschaf van kranen is het toepassen van een lichte-belastingsfactor op een kraan voor middelzware of zware toepassingen. Een fabriekskraan die twee ploegen per dag draait met frequente hijsbewegingen die dicht bij de maximale werklast liggen, is geen 1Am-kraan – die is minstens 2 meter, mogelijk 3 meter. Door de belastingsgroep met één of twee stappen te onderclassificeren, wordt het wormwielpaar 25 tot 50 procent onder de werkelijke vermoeiingssterkte gedimensioneerd. Het paar doorstaat de inbedrijfstellingstests met gemak (nieuwe paren hebben altijd een marge), maar vertoont versnelde slijtage na 18 tot 36 maanden, omdat de cumulatieve vermoeiingsschade de ondergedimensioneerde specificatie inhaalt.

Noodstopschok — de transiënte factor die vaak bepalend is voor de dimensionering.

Het hijskoppel bij constante belasting is niet het ergste scenario voor een wormwieloverbrenging van een kraan. Het ergste scenario is de noodstop: de kraan laat een last op volle snelheid zakken, de machinist drukt op de noodstopknop, de motorrem grijpt aan en de roterende massa van de hijstrommel, koppeling en wormas vertraagt ​​van volle snelheid naar stilstand in 0,5 tot 1,5 seconden.

De koppelpiek tijdens deze vertraging wordt berekend op basis van het rotatietraagheidsmoment en de vertragingssnelheid: T_shock = J_totaal × (ω / t_stop) + T_gravity, waarbij J_totaal het traagheidsmoment van alle roterende onderdelen is, ω de hoeksnelheid op het moment van remmen, t_stop de remtijd en T_gravity het constante zwaartekrachtkoppel van de hangende last. Voor typische aandrijvingen van bovenloopkranen is de schokfactor bij een noodstop 2,5 tot 3,0 keer het stationaire hijskoppel.

Uitgewerkt voorbeeld. Een bovenloopkraan van 10 ton, trommeldiameter 400 mm, wormwieloverbrengingsverhouding 50:1, rendement 45 procent. T_lift = (10.000 × 9,81 × 0,4) / (2 × 50 × 0,45) = 871 N·m. Noodstopfactor K_e = 2,5. T_shock = 871 × 2,5 = 2.178 N·m. FEM-groep 3m, SF = 2,25. T_required = 2.178 × 2,25 = 4.900 N·m. Het wormwielpaar moet een nominale waarde hebben van meer dan 4.900 N·m — ongeveer 5,6 keer het stationaire hijskoppel van 871 N·m. Als men alleen op basis van het stationaire koppel een paar selecteert (bijvoorbeeld een paar met een nominale waarde van 1200 N·m), dan zou het paar tijdens elke noodstop 408 procent van zijn nominale capaciteit benutten. Het paar zou de eerste paar noodstops overleven, maar na 2 tot 4 jaar intensief gebruik zouden er scheuren in de tandwortels ontstaan.

Materiaal en warmtebehandeling voor wormwieloverbrengingen van kraantakels

Het gebruik van een kraan bij het hijsen verschilt in één cruciaal opzicht van het gebruik bij transportbanden of verpakkingsmachines: de schokbelasting bij een noodstop belast de tandwortel in buiging met een impulssterkte die vermoeiingsschade 5 tot 10 keer sneller veroorzaakt dan bij een constante belasting met hetzelfde gemiddelde koppel. Bij de materiaalkeuze moet prioriteit worden gegeven aan slagvastheid en vermoeiingsweerstand boven statische belastbaarheid.

Specificatiegevallen van drie wormwieloverbrengingparen voor kraantakels

De drie onderstaande voorbeelden bestrijken het FEM-belastingsbereik van een gemiddelde fabriekskraan tot een extreme havenkraan. Elk voorbeeld laat zien hoe de FEM-belastingsgroepclassificatie elke specificatieparameter bepaalt – van servicefactor en materiaal tot inspectie-interval en vervangingsplanning.

De specificaties zijn reëel, de cijfers zijn representatief voor de daadwerkelijke inkoop en de lessen zijn van toepassing op de Koreaanse, Japanse en Zuidoost-Aziatische markten voor de productie en het onderhoud van kranen.

Casus 1 — Koreaanse autofabriek: 8-tons bovenloopkraan, FEM 3m

Een Koreaanse fabriek voor het persen van auto-onderdelen heeft wormwieloverbrengingen gespecificeerd voor vier 8-tons dubbelbalkige bovenloopkranen die worden gebruikt voor het wisselen van matrijzen. Bedrijfscyclus: 15 tot 20 hijsbewegingen per ploegendienst, twee ploegendiensten per dag, 300 werkdagen per jaar. De meeste hijsbewegingen vinden plaats bij 60 tot 80 procent van het veilige werklast (de persmatrijzen wegen 5 tot 6,5 ton). FEM-classificatie: 3m (zwaar) op basis van circa 2.500 jaarlijkse bedrijfsuren en een belastingspectrum dat geconcentreerd is boven 60 procent van het veilige werklast. Diameter van de hijstrommel: 350 mm, overbrengingsverhouding: 50:1, rendement van de wormwieloverbrenging: 44 procent. T_lift = (8.000 × 9,81 × 0,35) / (2 × 50 × 0,44) = 624 N·m. Noodstopfactor K_e = 2,5. T_shock = 1.560 N·m. SF (FEM 3m) = 2,25. T_required = 3.510 N·m. Specificatie: enkelvoudige start, module 6, hartafstand 160 mm, nominaal koppel 3.800 N·m. Materiaal: geharde 16MnCr5 wormwiel met een ruwheid van Ra 0,4 µm, centrifugaal gegoten CuSn12Ni wiel. Aparte, veerbediende elektromagnetische rem op de hogesnelheids-ingangsas. Inspectie: spelingmeting en contactpatrooncontrole om de 6 maanden. Behaalde levensduur: gemiddelde wiellevensduur van 6,5 jaar bij 2-ploegendienst, waarmee de begroting van 5 jaar is overschreden. Wormwiel heeft twee wielwissels doorstaan.

Casus 2 — Japanse havencontainerhandler: 40-tons portaalkraan, FEM 4m, corrosie door zeewater.

Een Japanse havenautoriteit heeft wormwieloverbrengingen gespecificeerd voor twee containerkranen van 40 ton die in een kustgebied met directe blootstelling aan zoutnevel opereren. FEM-classificatie: 4m (zeer zwaar) — 18 uur per dag in bedrijf, 350 dagen per jaar, bijna alle hijsbewegingen met 80 tot 100 procent van het veilige laadvermogen (geladen 20-voets containers wegen 24 tot 30 ton). Diameter van de hijstrommel 600 mm, verhouding 60:1, rendement van de wormwieloverbrenging 42 procent. T_lift = (40.000 × 9,81 × 0,6) / (2 × 60 × 0,42) = 4.672 N·m. K_e = 3,0 (zware dynamische remwerking bij het stapelen van containers). T_shock = 14.016 N·m. SF (FEM 4m) = 2,5. Vereist koppel = 35.040 N·m. Dit overtreft ruimschoots de capaciteit van een enkel paar — opgelost door een dubbele wormwieloverbrenging (twee paren delen de belasting via een gemeenschappelijke uitgaande tandwieloverbrenging, waarbij elk paar de helft van het koppel draagt, namelijk 17.520 N·m). Elk paar: module 10, hartafstand 250 mm, nominaal koppel 18.000 N·m. Materiaal: verzinkte, geharde worm (zoutnevelbestendigheid volgens ISO 12944 C4), aluminiumbrons CuAl10Fe5Ni5 wiel (geen risico op ontzinking). Alle bevestigingsmiddelen van roestvrij staal A4. Inspectie: driemaandelijkse spelingmeting, maandelijkse visuele controle van de afdichting, jaarlijkse controle van het contactpatroon. zware wormwielreductor Opties die onder meer corrosiebescherming van maritieme kwaliteit bieden voor kraantoepassingen in havens en aan de kust.

Casus 3 — Vietnamese bouwplaats: torenkraan van 6 ton, FEM 2m, kostengeoptimaliseerd

Een Vietnamese fabrikant van bouwmachines heeft wormwieloverbrengingen gespecificeerd voor een vloot van 30 torenkranen met een hefvermogen van 6 ton voor de bouw van woonhuizen. FEM-classificatie: 2m (matig) — 8 tot 10 hijsbewegingen per uur tijdens actieve bouw, maar slechts 200 tot 250 werkdagen per jaar, en de meeste hijsbewegingen ruim onder het hefvermogen (betonbakken van 2 tot 3 ton, wapeningsbundels van 1 tot 2 ton, hijsbewegingen op het volledige hefvermogen komen zelden voor). Hefkracht bij hefvermogen: (6.000 × 9,81 × 0,30) / (2 × 40 × 0,46) = 480 N·m. K_e = 2,5. Schokkracht = 1.200 N·m. SF (FEM 2m) = 2,0. Vereist vermogen = 2.400 N·m. Specificaties: enkelvoudige start, module 5, hartafstand 125 mm, nominaal koppel 2.600 N·m. Materiaal: standaard gehard 16MnCr5 wormwiel, zwaartekrachtgegoten CuSn12Ni wiel (kostengeoptimaliseerd – centrifugaal gieten niet vereist bij een werkhoogte van 2 meter). Kosten per paar: 380 USD. Voor een vloot van 30 kranen bedroeg de besparing ten opzichte van de centrifugaal gegoten specificatie (geschat op 580 USD per paar) 6.000 USD – een aanzienlijk bedrag in een prijsgevoelige bouwmarkt. Inspectie: jaarlijks, in lijn met de jaarlijkse kraancertificering. Doellevensduur: 4 jaar per wiel (overeenkomend met de typische huurcyclus van 4 jaar van de kraan). Behaald: gemiddeld 4,2 jaar voor de gehele vloot, waarmee de doelstelling met een kleine marge is gehaald.

Veelgestelde vragen

Wormwieloverbrengingen voor kranen en hijssystemen werken onder het strengste veiligheidskader van alle industriële tandwieltoepassingen. De FEM-classificatie koppelt de werkelijke levensduur van de kraan – het aantal bedrijfsuren, het belastingspectrum en het aantal cycli – aan de servicefactor, materiaalkwaliteit en inspectie-interval van de wormwieloverbrenging. De noodstopschokfactor (2,5 tot 3,0 keer het stationaire koppel) is vaak de beperkende factor die de minimale framegrootte bepaalt – en specificeren op basis van alleen het stationaire hijskoppel leidt tot een onderschatting van de wormwieloverbrenging met een factor 4 tot 6. De materiaalkeuze volgt de bedrijfsgroep: zwaartekrachtgegoten brons voor lichte toepassingen, centrifugaal gegoten brons voor zware toepassingen en aluminiumbrons voor maritieme omgevingen. De inspectiefrequentie neemt af van jaarlijks tot maandelijks naarmate de bedrijfsgroep hoger wordt. De enige universele regel voor alle bedrijfsgroepen is dat wormwieloverbrengingen voor kraanhijssystemen enkelvoudig moeten starten, sterk zelfvergrendelend moeten zijn en ondersteund moeten worden door een aparte mechanische rem – geometrische zelfvergrendeling is op zich noodzakelijk, de rem biedt de redundantie die de veiligheidsvoorschriften vereisen.

Voor kraanfabrikanten en onderhoudsteams die hijswormwielparen specificeren, controleert onze engineeringafdeling de FEM-belastingsgroepclassificatie en voert de noodstopschokberekening uit op basis van uw kraanparameters. Standaardcatalogus fosforbrons wormwielsets Dekkingsafstanden van 80 tot 250 mm in enkelvoudige uitvoeringen met volledige DIN 3974-inspectiedocumentatie. Aangepaste materiaalcombinaties (aluminiumbrons, roestvrij staal, doorgehard) en niet-standaard vervangingsparen voor oudere modellen zijn beschikbaar met een levertijd van 4 tot 6 weken — dien een aanvraag in. Specificaties van de aandrijving van de kraantakel met uw SWL, trommeldiameter en FEM-groepclassificatie.

bewerkt door cxm