Korea Ever-Power · Руководство по применению инженерных решений
Червяки и червячные колеса для конвейеров печей и обработки теста
Пара червячных передач, приводящих в движение конвейер туннельной печи, находится на расстоянии 400 мм от камеры, работающей при температуре 230 градусов Цельсия. Излучение нагревает поверхность корпуса шестерни до 85-110 градусов Цельсия — значительно выше 80-градусного предела для стандартной минеральной смазки. В течение 6 недель стандартная смазка обугливается на резьбе червяка, увеличивается трение, возрастает люфт, и конвейер останавливается посреди выпечки, когда внутри находится 200 буханок хлеба. Выбор смазки — это то, что отличает 5-летнюю пару от поломки через 6 недель.
Конвейеры для хлебопекарных печей, приводы расстоечных шкафов и оборудование для обработки теста размещают червячную передачу во внешней нагреваемой среде — при температуре от 60 до 120 градусов Цельсия от лучистого тепла печи — вместо того, чтобы генерировать тепло внутри из-за неэффективности зубчатой передачи. Эта внешняя тепловая нагрузка требует использования смазки, рассчитанной на фактическую температуру корпуса, а не на эталонную температуру, указанную в каталоге. Матрица выбора высокотемпературных смазочных материалов сопоставляет температуру корпуса с соответствующим семейством смазок: стандартная литиевая для температур до 80 градусов Цельсия (обработка теста вдали от печей), синтетическая PAG для температур от 80 до 120 градусов Цельсия (приводы, расположенные рядом с печами), силиконовая смазка для температур от 120 до 150 градусов Цельсия (приводы, установленные в печах) и PFPE для температур выше 150 градусов Цельсия (механизмы, расположенные внутри печей). Тепловое расширение при повышенной температуре сдвигает межосевое расстояние червячной передачи на 0,03–0,08 мм на каждые 50 градусов Цельсия повышения температуры — этого достаточно, чтобы изменить люфт и схему контакта. В хлебопекарных цехах также скапливается мучная пыль (горючая — потенциальная опасность в зоне ATEX 22), и для приводов в производственной зоне требуется смазка, безопасная для пищевых продуктов (NSF H1).
Почему оборудование для пекарни представляет собой иную тепловую проблему по сравнению с другими областями применения
В большинстве случаев в системах с червячными передачами тепло передается наружу: зубчатая пара генерирует тепло трения, а корпус рассеивает его в окружающую среду. Зубчатая пара является источником тепла, а окружающая среда — его поглотителем. В хлебопекарных печах это соотношение меняется на противоположное: печь является источником тепла, а червячная пара — получателем внешнего лучистого и конвективного тепла. Зубчатая пара поглощает тепло из окружающей среды, а не генерирует его.
Это различие важно, поскольку стандартная тепловая модель (статья A08 об эскалаторе: T_housing = T_ambient + P_heat / (h × A)) предполагает, что температура окружающей среды постоянна и ниже температуры корпуса. В пекарне температура окружающей среды вокруг корпуса редуктора может составлять от 60 до 120 градусов Цельсия, а температура корпуса равна или превышает температуру окружающей среды, поскольку корпус не может рассеивать тепло в уже нагретый воздух.
Практический результат: червячная передача, рассчитанная на 2000 Н·м при температуре окружающей среды 20 градусов Цельсия, может обеспечить лишь 1400–1600 Н·м при температуре окружающей среды 100 градусов Цельсия, поскольку повышенная температура снижает вязкость смазки, увеличивает коэффициент трения, снижает предел текучести бронзы и ускоряет термическую деградацию смазки. Коэффициент снижения номинальной мощности червячной передачи при повышенной температуре окружающей среды обычно составляет от 15 до 30 процентов на каждые 50 градусов Цельсия выше каталожного значения (обычно 20 градусов Цельсия). Это снижение часто упускается из виду при проектировании хлебопекарного оборудования — червячная передача выбирается с учетом полной каталожной мощности, а затем устанавливается рядом с печью, разогретой до 230 градусов, где она работает на 70–80 процентах от своей номинальной мощности с первого дня.
Матрица выбора высокотемпературных смазочных материалов — от температуры корпуса до класса смазки.
Выбор смазки для червячных передач хлебопекарного производства зависит от одного параметра: температуры поверхности корпуса в установившемся режиме во время работы печи. Эта температура определяет, какое семейство смазок выдерживает термическое воздействие. Приведенная ниже таблица сопоставляет диапазоны температур корпуса с соответствующими смазочными материалами, при этом для каждого из них указаны варианты, соответствующие стандартам безопасности пищевых продуктов (NSF H1).
Разница в стоимости существенная: ПФПЭ по цене от 250 до 600 долларов США за кг в 20-40 раз дороже стандартной литиевой смазки. Однако количество смазки на одну заправку червячной передачи невелико (от 50 до 200 грамм), поэтому абсолютная стоимость одной заправки составляет от 12 до 120 долларов США для ПФПЭ против от 0,50 до 3 долларов США для стандартной смазки — это значимо, но не является непомерно высокой ценой для оборудования, защищающего выпечку стоимостью в тысячи долларов за одну загрузку печи.
Внимание: используйте силиконовую смазку! Силиконовая смазка выдерживает высокие температуры, но обладает значительно более низкими противозадирными свойствами (EP) по сравнению с литиевыми или полиалюминиевыми (PAG) смазками. При высоких нагрузках, характерных для больших конвейеров туннельных печей (выходной крутящий момент от 200 до 500 Н·м), силиконовая смазка может не обеспечивать необходимую граничную смазку для предотвращения заедания бронзы о сталь. Для червячных передач с выходным крутящим моментом выше 100 Н·м в диапазоне температур от 120 до 150 градусов синтетическая полиалюминиевая смазка с более высокой вязкостью базового масла (ISO VG 680 или 1000) часто превосходит силиконовую, несмотря на номинально более низкий температурный диапазон — превосходная защита противозадирной пленки компенсирует несколько сниженный запас по тепловому режиму. Перед утверждением производственных спецификаций необходимо протестировать конкретную смазку под нагрузкой при заданной температуре на червячной передаче.
Тепловое расширение — как нагрев в печи изменяет межосевое расстояние и люфт.
Когда пара червячных передач нагревается от 20 градусов Цельсия (температура сборки) до 100 градусов Цельсия (рабочая температура, близкая к температуре печи), корпус червячной передачи и валы расширяются. Коэффициент теплового расширения стали и чугуна составляет приблизительно 11–12 мкм на метр на градус Цельсия. Для пары с межосевым расстоянием 100 мм при повышении температуры на 80 градусов межосевое расстояние увеличивается приблизительно на 0,09–0,10 мм. Бронза расширяется быстрее (18 мкм/м/°C), поэтому бронзовое колесо увеличивается в размерах больше, чем стальной червяк, что еще больше увеличивает зацепление.
Совокупный эффект: люфт увеличивается примерно на 0,03–0,08 мм на каждые 50 градусов Цельсия повышения температуры на типичной червячной передаче хлебопекарного размера (расстояние между центрами 80–125 мм). Этот тепловой люфт обратим — он исчезает, когда пара охлаждается до температуры сборки. Но во время работы увеличенный люфт изменяет схему контакта червячной передачи (смещая зону контакта к кончикам зубьев) и увеличивает шум при работе. Для хлебопекарного оборудования, где пара нагревается и охлаждается ежедневно (печь включена во время смены выпечки, выключена на ночь), ежедневный цикл люфта создает иную нагрузку на зону контакта зубьев, чем пара, работающая при постоянной температуре.
Меры по смягчению последствий проектирования. Укажите начальный зазор в нижней части диапазона допусков (а не в номинальном центре), чтобы тепловое расширение открывало зацепление до номинального рабочего зазора при температуре печи. Для пары, предназначенной для работы при температуре корпуса 100 градусов Цельсия, установите зазор при сборке на 0,05–0,08 мм меньше, чем указано в стандартной спецификации каталога. При сборке при комнатной температуре пара будет казаться немного жестковатой, но после нагрева до рабочей температуры будет работать с заданным зазором. Такой подход требует от поставщика зубчатых передач знания рабочей температуры, а это значит, что конструктор хлебопекарного оборудования должен сообщать не только крутящий момент и передаточное число, но и условия теплового режима.
Корейская промышленная пекарня установила новую 25-метровую туннельную печь для производства хлеба для сэндвичей. Печь работала при температуре 210 градусов Цельсия. Привод конвейера печи располагался на разгрузочном конце, на расстоянии 400 мм от стенки печи, без теплозащиты. Технические характеристики червячной передачи: однозаходная, модуль 4, межосевое расстояние 100 мм, передаточное отношение 30:1 — заполнена стандартной минеральной литиевой смазкой (NLGI 2, максимальная непрерывная температура 80 градусов Цельсия). Температура поверхности корпуса, измеренная на третий день производства: 95 градусов Цельсия. Стандартная смазка начала окисляться в течение 2 недель — на резьбе червяка образовалась коричневая корка, видимая через смотровое стекло. К 6-й неделе смазка обуглилась, коэффициент трения увеличился примерно вдвое, ток двигателя вырос на 40 процентов, и конвейер остановился с 200 буханками хлеба в камере печи. Аварийный ремонт: промывка корпуса растворителем, заправка синтетической смазкой PAG H1 (рассчитанной на температуру до 120 градусов Цельсия). Стоимость замены смазки: 180 долларов США (включая растворитель, смазку PAG и 3 часа работы техника). Стоимость 200 сгоревших буханок хлеба плюс 4 часа потерянного производства: приблизительно 3200 долларов США. Общая стоимость поломки — 3380 долларов США — возникла из-за ошибки в выборе смазки, предотвращение которой на этапе спецификации обошлось бы в 35 долларов США (разница в цене между стандартной минеральной смазкой и смазкой PAG H1 для заправки одной пары червячных передач). Впоследствии пекарня установила теплозащитный экран из нержавеющей стали между стенкой печи и корпусом редуктора, снизив температуру корпуса до 72 градусов Цельсия — в пределах стандартного диапазона смазки. Стоимость теплозащитного экрана составила 85 долларов США. Общая стоимость предотвращения поломки: 120 долларов США против 3380 долларов США стоимости ремонта.
Классификация пищевых зон для червячных передач и учет пыли от муки
В условиях хлебопекарного производства сочетаются два нормативных аспекта: безопасность пищевых продуктов (смазка NSF H1 для приводов в производственной зоне) и горючая пыль (мучная пыль может образовывать взрывоопасную атмосферу при минимальной взрывоопасной концентрации, составляющей приблизительно 60 г/м³).
Не все червячные передачи в хлебопекарной промышленности должны соответствовать требованиям пищевой безопасности. Червячные передачи, расположенные перед зоной выпечки (тестомесильная машина, делитель теста, формовочная машина, расстоечная камера), находятся в пищевой зоне и требуют соответствия стандарту NSF H1. Приводы конвейера печи и конвейера охлаждения обычно расположены после зоны выпечки — продукт выпекается и не контактирует с приводным механизмом. В этих приводах может использоваться стандартная промышленная смазка, если оценка HACCP подтвердит отсутствие путей загрязнения.
Приводы: Тестомес, делитель теста, формовочная машина, расстоечная камера, конвейер.
Смазка: Обязательный сертификат NSF H1 (риск контакта с тестом).
Температура: Температура окружающей среды 20-35°C (подходит стандартная смазка).
Пыль: Присутствует мучная пыль — герметичный корпус, зона ATEX 22, если концентрация превышает нижний предел взрываемости. Поверхность корпуса искробезопасна.
Приводы: Конвейер туннельной печи, ленточный привод, индексатор каменной плиты.
Смазка: PAG, силикон или PFPE — выбор зависит от температуры в помещении. Предпочтительно использовать материал, соответствующий стандарту NSF H1, но это не всегда обязательно (зона после запекания).
Температура: Температура корпуса составляет 60-150 °C в зависимости от близости и экранирования.
Пыль: Минимальное количество мучной пыли (выгорает в зоне печи). Сертификат ATEX обычно не требуется.
Технические характеристики трех червячных передач для пекарских печей
Пример 1 — Корейская промышленная пекарня: туннельная печь длиной 25 м, хлеб, привод с теплозащитой.
Корейская промышленная пекарня (30 000 буханок в день) выбрала червячную передачу для привода разгрузочного конвейера 25-метровой газовой туннельной печи, работающей при температуре камеры 210 градусов Цельсия. Привод располагался на выходе из печи, первоначально на расстоянии 400 мм от стенки печи — температура корпуса, измеренная в ходе испытаний, составляла 95 градусов Цельсия (см. примечание инженерного отдела). После установки теплозащитного экрана из нержавеющей стали (85 долларов США) температура корпуса снизилась до 72 градусов Цельсия. Окончательные характеристики червячной передачи: однозаходная, модуль 4, межосевое расстояние 100 мм, передаточное отношение 30:1. Двигатель: 2,2 кВт, 1450 об/мин. Выходной крутящий момент: 180 Н·м (натяжение ремня + трение от веса буханки). Смазка: синтетическая PAG NSF H1 (рассчитана на температуру до 120 градусов Цельсия — обеспечивает запас в 48 градусов выше рабочей температуры 72 градуса). Интервал повторной смазки: 12 месяцев (с поправкой Аррениуса для 72 градусов Цельсия от эталонной температуры 40 градусов). Материал: червяк из нержавеющей стали AISI 304, колесо из фосфористой бронзы. Уплотнение: FKM (Viton) — термостойкое. Стоимость пары: 195 долларов США. Общая стоимость привода печи (пара + теплозащитный экран + смазка PAG): 315 долларов США. Годовой объем производства хлеба в этой печи: приблизительно 1,8 миллиона долларов США в оптовой стоимости.
Вариант 2 — Японская фабрика по производству лапши быстрого приготовления: печь для быстрой обжарки, корпус при температуре 160°C, силиконовая смазка.
Японский производитель лапши быстрого приготовления выбрал червячную передачу для привода конвейера внутри печи для быстрой обжарки, в которой лапша обжаривается во фритюре при температуре масла 150 градусов Цельсия. Привод был установлен внутри печи — на раме печи внутри нагреваемой камеры. Теплозащита была невозможна. Температура корпуса во время установившегося режима работы составляла 135 градусов Цельсия. Стандартная смазка PAG (рассчитанная на 120 градусов Цельсия) при температуре 135 градусов Цельсия вышла бы из строя в течение нескольких месяцев. Технические характеристики: однозаходная, модуль 3, межосевое расстояние 80 мм, передаточное отношение 25:1. Смазка: высокотемпературная силиконовая смазка, рассчитанная на 180 градусов Цельсия, зарегистрирована NSF H1. Силиконовая смазка имела более низкие противозадирные свойства, чем PAG — подтверждено, что она приемлема при выходном крутящем моменте 85 Н·м (в пределах сниженной противозадирной способности пленки). Материал: червяк из стали AISI 316L (брызги масла для жарки со временем становятся кислыми), колесо из алюминиевой бронзы. Интервал повторной смазки: 3 месяца (силикон изнашивается быстрее, чем полиакриловая кислота, из-за летучести базового масла при длительном воздействии высоких температур). Стоимость за пару: 165 долларов США. Стоимость силиконовой смазки H1 за одну заправку: 18 долларов США. Ежегодное обслуживание смазки (4 заправки): 72 доллара США. Просмотреть высокотемпературный червячный редуктор Варианты, предназначенные для использования в хлебопекарных цехах, расположенных рядом с печью и внутри нее.
Пример 3 — Вьетнамская фабрика по производству багетов: загрузчик подовой печи, оптимизация затрат, умеренный нагрев.
Вьетнамская фабрика по производству багетов заказала червячные передачи для двух механизмов загрузки подов в трехъярусную печь, работающую при температуре 240 градусов Цельсия. Привод загрузки располагался на расстоянии 1,2 метра от передней части печи, за кирпичной теплоизоляционной стенкой. Температура корпуса: 58 градусов Цельсия — ниже стандартного предела для смазки в 80 градусов. Это позволило использовать стандартную литиевую комплексную смазку NSF H1, избежав доплаты за синтетическую смазку на основе полиалюминия или силикона. Червячная передача: однозаходная, модуль 2,5, межосевое расстояние 63 мм, передаточное отношение 20:1. Выходной крутящий момент: 55 Н·м (вес подов плюс трение скольжения на каменной поверхности). Мощность двигателя: 0,75 кВт. Материал: червяк из оцинкованной углеродистой стали, колесо из фосфористой бронзы. Интервал повторной смазки: 12 месяцев (стандартный график при 58 градусах Цельсия). Стоимость пары: 72 доллара США. Данный случай демонстрирует, что не всем червячным передачам в хлебопекарной промышленности требуется высокотемпературная смазка — решение зависит от фактической температуры корпуса, которая определяется расстоянием до печи и наличием теплозащитного экрана. 30-секундное измерение температуры инфракрасным термометром во время работы печи позволяет определить, требуется ли стандартная или синтетическая смазка.
Часто задаваемые вопросы
В: Как измерить температуру корпуса для выбора смазочного материала?
Во время работы печи в стационарном режиме (не менее чем через 2 часа после запуска печи для достижения полного теплового равновесия) используйте инфракрасный термометр, направленный на поверхность корпуса червячной передачи. Измеряйте температуру в точке, ближайшей к печи. Запишите температуру в самый жаркий производственный день (летняя температура окружающей среды усиливает лучистое тепло, выделяемое печью). Это измерение в наихудшем случае определяет семейство смазочных материалов. Если корпус еще не установлен (новая конструкция оборудования), оцените температуру с помощью теплового моделирования или установите временный термоэлемент во время ввода в эксплуатацию, прежде чем указывать тип производственной смазки. Никогда не предполагайте температуру корпуса червячной передачи по температуре печи — это соотношение зависит от расстояния, экранирования, изоляции и воздушного потока, которые различаются в зависимости от установки.
В: Может ли теплозащитный экран решить проблему с перегревом вместо дорогостоящей смазки?
Во многих случаях — да, и это наиболее экономически выгодное решение. Полированный теплоотражатель из нержавеющей стали, расположенный между стенкой печи и корпусом червячной передачи, отражает от 70 до 90 процентов излучаемого тепла. Полированный лист нержавеющей стали марки 304 толщиной 1 мм, нарезанный по размеру и прикрепленный болтами к раме печи, стоит от 50 до 150 долларов США и обычно снижает температуру корпуса на 20–40 градусов Цельсия. Это снижение часто возвращает температуру корпуса из диапазона PAG (80–120 градусов Цельсия) в стандартный диапазон литиевых смазок (ниже 80 градусов Цельсия), полностью исключая необходимость в дорогостоящей синтетической смазке. Теплозащитный экран плюс стандартная смазка стоят дешевле, чем отсутствие экрана плюс смазка PAG, а стандартная смазка обладает лучшими противозадирными свойствами. Всегда оценивайте необходимость защиты, прежде чем выбирать высокотемпературную смазку.
В: Требуется ли соответствие требованиям ATEX для пыли, образующейся вблизи червячных передач в хлебопекарном производстве?
Пшеничная пыль горюча (минимальная взрывоопасная концентрация приблизительно 60 г/м³, минимальная температура воспламенения приблизительно 380-440 градусов Цельсия в зависимости от типа муки). Если червячная передача работает в зоне, классифицированной как зона ATEX 21 или 22 (пылевое облако может образовываться во время нормальной или ненормальной работы), корпус должен соответствовать соответствующей категории оборудования ATEX. На практике большинство корпусов червячных передач для хлебопекарной промышленности герметичны и не имеют внутреннего источника воспламенения — они, как правило, соответствуют требованиям зоны 22 без модификаций, поскольку температура поверхности герметичного корпуса (даже при 120 градусах Цельсия) значительно ниже температуры самовоспламенения мучной пыли. Главная мера предосторожности — предотвращение накопления муки на внешней поверхности корпуса, которая может воспламениться от горячей поверхности — регулярная очистка поверхности корпуса во время производства позволяет поддерживать слой пыли ниже критической глубины.
В: Как циклы изменения температуры (ежедневное включение/выключение духовки) влияют на червячную передачу?
Ежедневные температурные колебания (от 20 градусов Цельсия до более 90 градусов Цельсия и обратно) приводят к двум эффектам. Во-первых, тепловое расширение и сжатие корпуса создают микронасосы в местах уплотнений — воздух втягивается при охлаждении и выталкивается при нагреве, — что в течение нескольких месяцев приводит к проникновению атмосферной влаги и мучной пыли через уплотнения. Во-вторых, во время фазы охлаждения, когда температура корпуса проходит точку росы, внутри корпуса образуется конденсат. Этот конденсат эмульгирует смазку и вызывает коррозию непокрытых стальных поверхностей. Профилактика: установите небольшой вентиляционный клапан с картриджем с осушителем, который обеспечивает выравнивание давления, предотвращая при этом попадание влаги и пыли. Заменяйте картридж с осушителем каждые 6 месяцев. Этот аксессуар стоимостью 15 долларов предотвращает деградацию смазки, вызванную влагой, которая в противном случае сокращает срок службы смазки на 30–50 процентов в условиях термических колебаний в хлебопекарных цехах.
В: Каков срок службы червячной передачи в хлебопекарной печи?
При использовании правильной смазки, соответствующей фактической температуре корпуса: от 4 до 8 лет при работе в односменном режиме на хлебопекарном производстве (2500–3000 часов в год). Износостойким элементом является бронзовое колесо; стальной червяк служит более 10 лет. При использовании неправильной смазки (стандартная смазка в условиях высоких температур): от 3 до 12 месяцев до того, как карбонизация смазки приведет к ускоренному износу и потенциальному заклиниванию. Выбор смазки является наиболее важным фактором, определяющим срок службы в хлебопекарной промышленности — пара с правильной смазкой служит в 5 раз дольше, чем та же пара с неправильной смазкой при повышенной температуре. Ежегодная проверка должна включать измерение температуры корпуса, проверку состояния смазки (цвет, консистенция) и измерение люфта.
Конвейеры для хлебопекарных печей и оборудование для обработки теста создают уникальную для червячных передач тепловую проблему: внешнее тепло от близости к печи, а не внутреннее тепло от трения зубчатых передач. Матрица выбора высокотемпературной смазки — от температуры корпуса до семейства смазок — является наиболее важным инструментом для определения характеристик червячных передач в хлебопекарной промышленности, поскольку от смазки зависит, прослужит ли пара 5 лет или 5 недель при повышенной температуре. Тепловое расширение при температуре от 60 до 120 градусов Цельсия заметно изменяет межосевое расстояние и люфт, что компенсируется указанием более малого начального люфта при температуре сборки. Теплозащита между печью и корпусом редуктора часто является наиболее экономически эффективным решением, снижая температуру корпуса на 20–40 градусов Цельсия и потенциально устраняя необходимость в дорогостоящей синтетической смазке. Классификация пищевой зоны (предпечная зона или зона печи) определяет, является ли смазка NSF H1 обязательной или необязательной, а оценка пыли от муки определяет, требуется ли соответствие корпуса требованиям ATEX.
Для производителей хлебопекарного оборудования и инженеров предприятий наш инженерный отдел подбирает смазочные материалы, исходя из измеренной или расчетной температуры корпуса. Стандартный каталог червячные передачи пищевого качества Поставляется со стандартной, PAG и силиконовой смазкой для межосевого расстояния от 63 до 160 мм. Отправьте запрос. Технические характеристики подъездной дороги к пекарне с указанием температуры печи, положения привода (расстояние от печи) и, если имеется, температуры корпуса.
Выбираете червячные передачи для печей или оборудования для обработки теста в пекарне?
Укажите температуру печи, положение привода относительно печи, температуру корпуса (или мы оценим ее), а также находится ли привод в зоне приготовления пищи или в зоне после выпечки. Мы порекомендуем подходящий смазочный материал, материал и подход к терморегулированию.
Редактор: Cxm
