Koppelingen in aandrijfsystemen van cementmolens: toepassingen, engineering en prestatienormen voor de Britse industrie

Een koppeling in de aandrijflijn van een cementmolen vervult gelijktijdig drie essentiële mechanische functies: koppeloverdracht, het opvangen van uitlijningsfouten en het dempen van schokbelastingen. Wat de koppeloverdracht betreft, moet de koppeling het nominale vermogen van de ene as naar de andere overbrengen zonder elastisch verlies, warmteontwikkeling of vermoeiingsbreuk gedurende de ontwerplevensduur, die in cementfabrieken in jaren in plaats van maanden wordt gemeten. Het rendement van een goed ontworpen tandwielkoppeling onder continue nominale belasting is hoger dan 99%, wat cruciaal is wanneer de totale aandrijfverliezen in een systeem van meerdere megawatt commercieel significant zijn.

Het opvangen van uitlijningsfouten is essentieel, omdat geen enkele installatie – hoe zorgvuldig ook uitgelijnd door een gecertificeerd werktuigbouwkundig ingenieur van een machinebouwbedrijf in Birmingham – een perfecte as-hartlijncoaxialiteit kan behouden gedurende de gehele levensduur van een fabriek. Thermische uitzetting van motorframes, verzakking van de fundering onder zware roterende massa's en lagerslijtage veroorzaken allemaal hoek- en parallelle afwijkingen tussen de verbonden assen. Een koppeling moet deze afwijkingen opvangen en tegelijkertijd koppel blijven overbrengen zonder destructieve radiale of axiale belastingen op het motorlager of de ingaande as van de reductiekast uit te oefenen. Tandwielkoppelingen bereiken dit door de bolvormige tandgeometrie van de tandwielbus, die zowel hoekafbuiging als een zekere mate van axiale speling mogelijk maakt, waardoor de contactspanning over een breed tandvlak wordt verdeeld.

Schokdemping is wellicht de meest cruciale functie specifiek voor cementmolens. Kogelmolens hebben een enorme rotatietraagheid – een volledig gevulde molentrommel kan honderden tonnen wegen – en tijdens het opstarten moet de motor deze massa vanuit stilstand versnellen tegen de weerstand van de maalkogel. De resulterende koppelpiek kan bij directe inschakeling drie tot vijf keer het nominale koppel bedragen. Deze piek zou, indien star overgebracht, catastrofale spanning veroorzaken op de reductietandwielen en de lagers van de molen. Flexibele tandwielkoppelingen absorberen en dempen deze pieken door de elasticiteit van hun vertanding en, in sommige uitvoeringen, door een geïntegreerd elastomeer element, waardoor de componenten van de aandrijflijn worden beschermd.

Toepassingsscenario 1: Primaire aandrijving van een kogelmolen — Tandwielkoppeling met hoog koppel bij de interface tussen motor en reductiekast

De primaire aandrijfkoppeling van de kogelmolen bevindt zich tussen de uitgaande as van de hoofdmotor en de hogesnelheids-ingangsas van de reductiekast. Dit is de positie met de hoogste snelheid en de grootste schokbelasting in de gehele aandrijflijn van de cementmolen, en de specificaties van de koppeling op deze plek behoren tot de meest technisch veeleisende in de fabriek. De motor kan draaien met 1000-1500 toeren per minuut, en bij elke directe start moet de koppeling de acceleratiekoppelpiek absorberen en overbrengen zonder de aspassing te beschadigen, de tandflanken te slijten of destructieve radiale belastingen op het aandrijflager van de motor uit te oefenen. Britse cementinstallaties van dit type, met name die in de Hope Valley en bij faciliteiten die de bouwsector van Manchester bedienen, zijn in deze positie geleidelijk overgestapt van zwevende schijfkoppelingen naar kroonwielkoppelingen vanwege de betere stofwering van de kroonwielkoppeling en de lagere gevoeligheid voor hoekafwijkingen veroorzaakt door thermische uitzetting van het motorframe.

Tandwielkoppelingen met kroonvertanding worden in deze toepassing doorgaans geleverd met een gesplitste behuizing om demontage te vergemakkelijken zonder de motor of reductiekast te hoeven demonteren. Dit is een praktische vereiste gezien de krappe toegangswegen van veel oudere Britse cementfabrieken die in de jaren 70 en 80 zijn gebouwd. De gesplitste behuizingshelften zijn nauwkeurig bewerkt en dynamisch gebalanceerd volgens G6.3-norm om trillingsoverdracht naar het ingangslager van de versnellingsbak te voorkomen tijdens langdurig continu bedrijf op het nominale toerental.

Toepassingsscenario 2: Uitgaande as van de reductiekast met lage snelheid — Zware tandwielkoppeling naar het rondsel van de freesmachine

De koppeling bij lage snelheden tussen de uitgaande as van de versnellingsbak en de as van het rondsel van het grote tandwiel is de koppelingspositie met het hoogste koppel in het gehele cementmolensysteem. Met motorvermogens van 3-5 MW en reductieverhoudingen die het koppel concentreren op het rondsel, verwerkt de koppeling op deze positie belastingen van honderdduizenden Newtonmeter. Tandwielkoppelingen in deze toepassing zijn ontworpen met aanzienlijk grotere tandbreedtes en een hogere tandmodule dan hun tegenhangers voor hoge snelheden, en de passing tussen boring en naaf is berekend volgens de DIN 7190-normen om slipvrije werking te garanderen, zelfs bij de zwaarste overbelasting.

Wat deze koppelingspositie bijzonder uitdagend maakt voor Britse fabrieken die werken onder de natte en wisselende temperatuursomstandigheden die typisch zijn voor Noord-Engeland, is de thermische cyclus die de koppeling ondergaat tussen productieruns en geplande stilstanden. Een cementfabriek in Sheffield die in drie ploegen draait, kan bijvoorbeeld schommelen tussen een omgevingstemperatuur van 5 °C tijdens een koude winterstop en een temperatuur van 70-80 °C op de tandwielen tijdens volledige productiebelasting. De koppeling moet deze thermische cyclus kunnen weerstaan ​​zonder dat de afdichtingen verslechteren of het smeervet weglekt. Beide factoren zouden ervoor kunnen zorgen dat cementstof tussen de onderhoudsbeurten de tandflanken bereikt.

Toepassingsscenario 3: Verticale walsmolen — Universele koppeling op hulpaandrijfas

Verticale walsmolens, die vanwege hun superieure energie-efficiëntie de kogelmolens in moderne Britse cementfabrieken grotendeels hebben vervangen bij het malen van grondstoffen, brengen een andere uitdaging met zich mee op het gebied van koppelingen. De hoofdaandrijving van de maaltafel, doorgaans een planetaire tandwielkast die direct onder de maaltafel is gemonteerd, verzorgt de primaire koppeloverdracht als een geïntegreerde eenheid met minimale as-koppelingen. Het hulpaandrijfsysteem – dat wordt gebruikt om de maaltafel tijdens onderhoud stapsgewijs te verplaatsen om de maalrollen te herpositioneren – maakt echter gebruik van een aparte motor en aandrijflijn die via een cardankoppeling zijn verbonden. Deze koppeling moet aanzienlijke hoekafwijkingen kunnen opvangen wanneer het tafelverstellingsmechanisme in werking is.

De universele koppeling uit de SWC-serie is bijzonder geschikt voor deze hulpaandrijvingsrol. Dankzij de grote draaihoek – die, afhankelijk van de serie, afbuighoeken tot 10-15° mogelijk maakt – kan de hulpmotor ruim buiten de hoofdaandrijving worden geplaatst zonder dat nauwkeurige uitlijning tijdens de installatie nodig is. In Britse fabrieken, waar onderhoudscorridors beperkt zijn door bestaande bouwwerken, reduceert deze flexibiliteit in motorpositionering de hijskosten en de stilstandtijd tijdens geplande onderhoudsstops aanzienlijk. De koppeling brengt het koppel bovendien soepel over bij indexeersnelheden van slechts 0,5 tpm, zonder de snelheidsfluctuaties die trillingen van de slijprollen tijdens het herpositioneren zouden veroorzaken.

Toepassingsscenario 4: Voorslijpmachine voor walsenpers — Slangenveerkoppeling voor schokbelastingisolatie

Voorvermalers met walsen, die in Britse cementfabrieken steeds vaker vóór kogelmolens worden ingezet om het specifieke energieverbruik in het gecombineerde maalcircuit te verlagen, leggen een totaal ander belastingsprofiel op hun aandrijflijnkoppelingen. In tegenstelling tot het gelijkmatige, continue koppel van een roterende molen, wordt het aandrijfsysteem van een walsenpers blootgesteld aan herhaalde koppelpulsen met hoge amplitude telkens wanneer een klomp klinker of harde minerale insluiting tussen de maalrollen passeert. Deze pulsen – die drie tot vijf keer het gemiddelde bedrijfskoppel kunnen bereiken met frequenties van enkele keren per seconde – zouden een starre tandwielkoppeling die direct tussen de motor en de reductiekast van de walsenpers is gemonteerd, snel doen slijten.

De JSA-serie slangveerkoppeling is het technische antwoord op deze specifieke uitdaging. Het koppelelement met spiraalveer, dat tussen de koppelingshelften is geplaatst op een manier die een gecontroleerde torsie-elasticiteit biedt, egaliseert het koppelimpulsprofiel dat de reductiekast en motor bereikt door de piekenergie van elke impuls te absorberen in elastische vervorming van het veerelement. De vrijgekomen energie wordt vervolgens over een langere tijdsperiode met een lagere piekwaarde naar de aandrijflijn overgebracht. Bij een fabriek voor bouwmaterialen in Birmingham, die onlangs de aandrijving van zijn walsenpers heeft gemoderniseerd, verminderde de overstap van een starre schijfkoppeling naar een JSA-slangveerkoppeling het buigmoment van de ingaande as van de versnellingsbak met ongeveer 40% onder de meest ongunstige omstandigheden met klinkerpulsen, waardoor de levensduur van het ingaande lager van de versnellingsbak navenant werd verlengd.

Sheffield Building Materials Group exploiteert een cementmaalinstallatie met hoge capaciteit in South Yorkshire, waar geïmporteerde klinker wordt verwerkt tot afgewerkte cementproducten voor de regionale bouw- en civieltechnische sector. De installatie beschikt over een kogelmolen van 3000 kW die continu in drie ploegen draait, met geplande onderhoudsstops volgens een jaarlijkse cyclus. In 2023 constateerde het engineeringteam van de installatie dat de bestaande hogesnelheidskoppeling tussen de primaire motor en de eerste-traps reductiekast versnelde slijtage van de tanden vertoonde. Dit werd toegeschreven aan het binnendringen van cementstof via een verouderde labyrintafdichting. Bij de inspectie na 6000 uur waren er al krassen op het tandoppervlak zichtbaar, die voorheen pas na 10.000 uur verschenen.

Het inkoopteam nam via de technische ondersteuningsafdeling van Ever Power in het Verenigd Koninkrijk contact met het bedrijf op en leverde maattekeningen van de koppeling, gegevens over de bedrijfssnelheid en het koppel, en een beschrijving van de stoffige werkomgeving. Het applicatieteam van Ever Power beoordeelde de bestaande afdichting en stelde een vervangende koppeling voor met een verbeterde tweetraps labyrintafdichting in combinatie met een polytetrafluorethyleen (PTFE) wisser, samen met een overstap naar een EP-additief vet met verbeterde stofbestendigheid. De op maat gemaakte koppeling werd geproduceerd, dynamisch gebalanceerd en binnen twaalf weken na de bestelling naar Sheffield verzonden, zodat deze op tijd aankwam voor de geplande jaarlijkse onderhoudsstop van de fabriek.

Na installatie door het mechanisch onderhoudsteam van de fabriek – met ondersteuning op afstand door de applicatietechnicus van Ever Power via een videogesprek – werd de nieuwe koppeling in januari 2024 in gebruik genomen. Bij de eerste inspectie na 6.000 uur, medio 2024, werden geen tandbeschadigingen geconstateerd en vertoonde de afdichting geen sporen van stof. De technisch manager van de fabriek bevestigde dat de koppeling in alle opzichten aan de prestatiespecificaties voldeed of deze zelfs overtrof, en het onderhoudsinterval werd verlengd tot 10.000 uur, waardoor de onderhoudsgerelateerde stilstand en de bijbehorende arbeidskosten aanzienlijk werden verlaagd. Sheffield Building Materials Group plaatste vervolgens een vervolgorder voor een vervangende koppeling in de equivalente langzame-snelheidspositie, vanwege het vertrouwen in de productkwaliteit en de technische ondersteuning van Ever Power.