Tandwielkoppelingen in industriële toepassingen: van papierfabrieken tot zware industrie.

Een tandwielkoppeling brengt koppel over door de vertanding tussen de bolvormige uitwendige tandwielen op de naven en de rechte inwendige tandwielen op de helften van de huls. De bolling van de naaftanden is het cruciale geometrische kenmerk: het is een tonvormige aanpassing van het tandprofiel, waardoor elke tand enigszins kan kantelen in de bijbehorende groef wanneer de asassen niet perfect zijn uitgelijnd. Deze kantelbeweging maakt het mogelijk dat de koppeling een hoekafwijking tot ongeveer 1,5 graden per tandwieloverbrenging (en tot 3 graden in volledig flexibele configuraties met twee tandwieloverbrengingen) kan opvangen, zonder dat er destructieve buigspanningen aan de tandvoet ontstaan ​​of dat er overmatige radiale belastingen op de aangesloten lagers worden uitgeoefend.

Het koppel wordt overgebracht door het contactvlak tussen de tanden van de naaf en de bus over een relatief groot aantal tanden tegelijk. Dit geeft tandwielkoppelingen hun kenmerkende hoge koppel-gewichtsverhouding – doorgaans drie tot vijf keer zo hoog als die van een schijf- of klauwkoppeling met een equivalente boringdiameter. De bushelften worden bij elkaar gehouden door een flensboutverbinding en de interne tandholte vormt een afgesloten ruimte die de vetsmering vasthoudt. Bij toepassingen met hoge snelheden worden oliegesmeerde uitvoeringen met continue circulatie gebruikt om de warmte die door de glijsnelheden van de tanden wordt gegenereerd, af te voeren. Parallelle offset-uitlijningsfouten worden opgevangen door een combinatie van hoekverdraaiing bij elke tandvertanding in een volledig flexibele koppeling, waarbij de twee vertandingscentra ver genoeg uit elkaar liggen om de vereiste laterale verplaatsing mogelijk te maken. Onder belasting verschuift het tandcontactpatroon axiaal langs het bolvormige profiel, maar de volledige tandbreedte blijft beschikbaar voor lastverdeling, waardoor spanningsconcentratie aan de tandranden wordt voorkomen.

Papiermachines vormen een van de meest veeleisende omgevingen waarin een tandwielkoppeling kan functioneren. Ze combineren hoge processnelheden, een agressief vochtgehalte, strikte eisen aan de snelheidsynchronisatie en een operationele filosofie die is gebaseerd op continu draaien met minimale geplande stilstanden. Een moderne fourdrinier- of tweedraadsvormmachine is een lange constructie van onafhankelijk aangedreven secties – de draadsectie, de perssectie, de droogsectie, de lijmpers en de kalander – die in serie zijn geschakeld en een lengte van 150 meter of meer kunnen bereiken. Elke sectie moet met een nauwkeurig geregelde snelheidsverhouding worden aangedreven om de papierbaan onder de juiste spanning te houden terwijl deze sterker wordt en droogt in de machine. De aandrijvingen voor elke sectie bestaan ​​doorgaans uit een motor, een versnellingsbak en een tandwielkoppeling die de uitgang van de versnellingsbak verbindt met de rolas. De tandwielkoppeling op deze positie compenseert de uitlijningsafwijking tussen het uitgangslager van de versnellingsbak en het lagerhuis van de rol, die beide verschuiven tijdens het opwarmen en onder de rolbuigingsbelastingen die worden veroorzaakt door de baanspanning en de persdruk.

De luchtvochtigheid in de aandrijfruimte van een papiermachine is extreem hoog. Stoom uit de droogcilinders dringt door het gebouw, condenseert op koele oppervlakken en vormt plassen stilstaand water op de aandrijfvloer. Tandwielkoppelingen in deze omgeving moeten robuuste, vetbestendige afdichtingen hebben – de vochtverontreiniging van het koppelingsvet versnelt de corrosieve slijtage van de tandflanken aanzienlijk. Veel Britse papierfabrieken, waaronder die in de Schotse Caledonische papierregio en de fabrieken aan de Milford Haven-waterweg in Wales, schrijven nu koppelingen voor met roestvrijstalen naafmaterialen of, minimaal, met een dikke beschermende coating op de buitenoppervlakken. Deze koppelingen worden aangevuld met afgedichte tandholtes die alleen bij de jaarlijkse stilstand gesmeerd hoeven te worden. De trend naar voorspellende onderhoudsprogramma's in de Britse papierindustrie heeft de vraag naar tandwielkoppelingen met smeernippels die compatibel zijn met gecentraliseerde automatische smeersystemen aangewakkerd, waardoor handmatig smeren van meerdere koppelingspunten op elke machine niet meer nodig is.

⚠ Het drooggedeelte van de papiermachine introduceert een extra complicatie: de aandrijfrollen en cilinders werken op hoge temperaturen, en de thermische uitzetting van de cilinderlagers ten opzichte van de koude uitgaande assen van de versnellingsbak genereert een continue cyclische uitlijningsfout wanneer de machine 's ochtends opwarmt en 's weekends afkoelt. Een tandwielkoppeling die voor de aandrijving van het drooggedeelte wordt gekozen, moet een uitlijningstolerantie hebben die het volledige bereik van uitlijningsfouten dekt, van koude start tot warme stationaire toestand, met voldoende marge om rekening te houden met funderingsverzakking en lagerslijtage gedurende de verwachte levensduur van vijf tot tien jaar van de koppeling. Ondergedimensioneerde koppelingen die op of nabij hun uitlijningslimiet werken, ondervinden versnelde tandslijtage en degradatie van het smeermiddel, wat uiteindelijk leidt tot falen op een cruciaal moment tijdens een stilstand. Engineeringteams in Britse papierfabrieken gebruiken steeds vaker thermische eindige-elementenanalyse (FEA) van het frame van het drooggedeelte om het precieze uitlijningstraject te berekenen, waardoor de keuze van de tandwielkoppeling op een gekwantificeerde in plaats van een geschatte basis kan worden gemaakt.

De reputatie van Sheffield als centrum van de Britse staalproductie zorgt ervoor dat er nog steeds behoefte is aan hoogwaardige tandwielkoppelingen in de hoofdaandrijvingen van walserijen, waar de mechanische belastingen tot de zwaarste behoren die in roterende machines voorkomen. In een warmwalserij of plaatwalserij moet de aandrijfkoppeling het volledige walskoppel van de hoofdaandrijfmotor via een reductiekast naar de walsstand en van de walsstand via spindelkoppelingen naar de werkrollen zelf overbrengen. De spindeltandwielkoppelingen werken in deze positie met grote uitlijningshoeken – doorgaans 3° tot 5° continu – omdat de walsopening dynamisch moet worden aangepast tijdens het walsen om de dikte van de strip te regelen. Deze aanpassing van de opening verandert de verticale positie van de walslagers ten opzichte van de vaste uitgaande assen van de walsstand. De koppeling moet deze grote uitlijningshoeken continu kunnen weerstaan ​​en tegelijkertijd schokkoppels overbrengen die meer dan vijf keer het nominale motorkoppel kunnen bedragen wanneer de plak in de walsopening bijt.

De tandwielkoppelingen die als spindelkoppelingen in walserijen worden gebruikt, zijn een zeer gespecialiseerde variant van het standaardontwerp. Ze zijn specifiek ontworpen voor de combinatie van grote uitlijningsafwijkingen, zware schokbelastingen en continu bedrijf die deze toepassing vereist. De naven worden doorgaans gesmeed uit 42CrMo4V-materiaal met een minimale Charpy-slagvastheid om taaiheid te garanderen bij de bedrijfstemperaturen die optreden tijdens warmwalscampagnes, waarbij de stralingswarmte van de hete strip de temperatuur van het koppelingsoppervlak ver boven de omgevingstemperatuur brengt. De radius van de tandkroon is groter dan bij standaardkoppelingen om volledig contact te behouden bij de verhoogde uitlijningsafwijkingen. De tandmodule is zo gekozen dat zelfs bij piekkoppels de contactspanning op de tandflanken de vermoeiingsgrens van het geharde gelegeerde staal niet overschrijdt. Onderhoudsteams in Sheffield erkennen al lang dat het inplannen van inspectie en vervanging van tandwielkoppelingen een cruciaal onderdeel is van de planning van walscampagnes. De beschikbaarheid van in het VK op voorraad zijnde vervangende koppelingen voor gangbare walserijmaten is een belangrijk operationeel voordeel.

De scheepswerven en maritieme werkplaatsen in de Tyne-corridor in Noordoost-Engeland hebben een lange geschiedenis met tandwielkoppelingen in aandrijfassen. Een scheepsaandrijfas verbindt de hoofdmotor of elektromotor met de schroefas via een reeks tussenassen die worden ondersteund door lagerblokken. De tandwielkoppelingen bij de flensverbindingen tussen de asdelen vangen de doorbuiging en hoekverdraaiing op die optreden wanneer de scheepsromp buigt onder invloed van golven. De maritieme omgeving stelt strenge eisen aan materialen: het binnendringen van water in de romp en zoute lucht creëren een zeer corrosieve atmosfeer in de schachttunnel, en elk onbedekt stalen oppervlak zal snel oxideren zonder adequate bescherming. Scheepstandwielkoppelingen worden doorgaans afgewerkt met een dikke epoxyprimer en -toplaag, of in veeleisende gevallen met thermisch gespoten aluminiumcoatings, aangevuld met een opofferingszinkanode op de flens van de koppeling voor kathodische bescherming.

De filosofie achter de uitlijning van de aandrijfas in maritieme installaties verschilt van die in machines aan land: de aandrijfas van een schip wordt doelbewust uitgelijnd volgens een berekend doorbuigings- en spelingpatroon dat rekening houdt met de relatieve doorbuiging tussen de kiellagers van de motor en het schroefaslager wanneer het schip met volle brandstoftank drijft. De tandwielkoppelingen moeten de resterende uitlijningsafwijking die in deze geïnstalleerde toestand bestaat, opvangen, evenals de extra dynamische uitlijningsafwijking als gevolg van door golven veroorzaakte buiging van de romp tijdens gebruik op open zee. Regelgeving van classificatiebureaus (Lloyd's Register, Bureau Veritas) vereist dat tandwielkoppelingen in voortstuwingstoepassingen een ontwerpveiligheidsfactor op het nominale koppel hebben van ten minste 2,5, rekening houdend met de tijdelijke koppelpieken die worden gegenereerd door ijsvorming of cavitatie van de schroef. Tandwielkoppelingen die worden gebruikt in schroefaandrijvingen met verstelbare spoed moeten ook in staat zijn om omgekeerd koppel over te brengen zonder speling of terugslag, waardoor koppelingstypes met asymmetrische tandprofielen die slechts voor één belastingsrichting zijn ontworpen, worden uitgesloten.

De verwerking van aggregaten en de handling van bulkmaterialen in de Engelse Midlands en de steengroevegebieden van het Peak District en Derbyshire zijn sterk afhankelijk van tandwielkoppelingen in transportbandaandrijvingen, breekinstallaties en emmerliften. Deze toepassingen hebben een gemeenschappelijk kenmerk: ze worden blootgesteld aan schurend stof, vaak in combinatie met vocht, en ze worden regelmatig blootgesteld aan hoge koppels bij het opstarten van beladen transportbanden of breekinstallaties. Het aanloopkoppel kan drie tot vijf keer zo hoog zijn als het bedrijfskoppel, en in sommige toepassingen met breekinstallaties veroorzaken verstoppingen in de stortkoker koppelpieken die de maximale belastbaarheid van de koppeling benaderen. De metalen constructie van de tandwielkoppeling geeft deze een inherent piekkoppelvermogen dat elastomere of schijfkoppelingen simpelweg niet kunnen evenaren zonder een aanzienlijke vergroting, waardoor het de standaardkeuze is voor krachtige aandrijvingen van breekinstallaties en maalinstallaties in de gehele Britse mijnbouw- en steengroeve-industrie.

Tandwielkoppelingen in steengroeven en grindverwerkingsomgevingen worden doorgaans gespecificeerd met stofwerende hoezen of behuizingsafdichtingen over de standaard tandholteafdichting. Dit voorkomt dat schurende kalksteen- of granietdeeltjes het smeermiddel vervuilen en versnelde slijtage van de tanden veroorzaken. De in Birmingham gevestigde grindverwerkingssector, die de bouwsector in de hele West Midlands bedient, heeft programma's voor het vervangen van tandwielkoppelingen ingevoerd. Hierdoor kunnen versleten koppelingen tijdens geplande weekendstops worden vervangen door gereviseerde exemplaren, waardoor de beschikbaarheid van de installatie behouden blijft en de kosten voor reserveonderdelen beheersbaar blijven. De mogelijkheid om een ​​tandwielkoppeling ter plaatse te demonteren – iets wat niet mogelijk is met permanent gelaste of gelijmde koppelingen – is een belangrijk operationeel voordeel in afgelegen steengroeven waar de werkplaatsfaciliteiten beperkt kunnen zijn. Goed onderhouden tandwielkoppelingen in dit type toepassing bereiken doorgaans een levensduur van vijf tot acht jaar tussen revisies, wat een aantrekkelijk argument oplevert voor de totale levenscycluskosten in vergelijking met elastomere alternatieven die vaker vervangen moeten worden.

Een al lang bestaande papier- en kartonfabrikant in Dundee, Schotland, die een Fourdrinier-persmachine gebruikte, had te maken met terugkerende storingen aan de tandwielkoppelingen van de aandrijvingen in het persgedeelte, ongeveer elke 14 tot 18 maanden. De storingen werden gekenmerkt door versnelde slijtage van de tanden en lekkage van vet, wat uiteindelijk leidde tot vastlopen van de koppeling en ongeplande productiestops. Deze stops kostten de fabriek doorgaans 18 tot 24 uur aan verloren productie per keer – een aanzienlijke financiële impact in een markt waar de fabriek met krappe marges en leveringsverplichtingen aan klanten werkte.

Het engineeringteam van de fabriek nam contact op met Ever Power met een gedetailleerde beschrijving van de storing en de bedrijfsomstandigheden: een perssnelheid van circa 1050 m/min, aanzienlijke belasting van de persnippel waardoor dynamische rolbuiging optrad, een aandrijfruimte met een hoge luchtvochtigheid door stoominfiltratie en een onderhoudsregime dat door personeelsgebrek niet in staat was gebleken het voorgeschreven jaarlijkse smeerinterval te handhaven. De applicatie-ingenieurs van Ever Power brachten een bezoek ter plaatse om gegevens te verzamelen – ze maten de daadwerkelijke asuitlijning onder bedrijfsomstandigheden met behulp van laseruitlijnapparatuur, beoordeelden de staat van de afdichting van de bestaande koppeling en bekeken de smeergegevens.

De analyse bracht drie factoren aan het licht die bijdroegen aan het falpatroon. De bestaande koppelingen waren geselecteerd met een hoekafwijking van 0,75° per mesh, wat onvoldoende was voor de werkelijke operationele afwijking van 1,1° die werd veroorzaakt door de thermische uitzetting van het persgedeelte tijdens de opwarmperiode. Het afdichtingsontwerp was een eenvoudig O-ringtype, dat was verslechterd door de combinatie van blootstelling aan stoom en de dynamische buiging bij de operationele afwijking, waardoor vocht kon binnendringen en vetverontreiniging kon optreden. Het smeermiddel dat in het oorspronkelijke ontwerp was gespecificeerd, was een standaard lithiumvet, dat onvoldoende waterbestendigheid bood voor de omgeving met hoge luchtvochtigheid.

Ever Power stelde een vervangende koppeling voor met een hoekclassificatie van 1,5° per mesh, een PTFE-beklede lipafdichting met secundaire labyrintgeometrie en een overstap naar een polyureum-gebaseerd koppelingsvet met superieure waterbestendigheid en een smeerinterval van 24 maanden. De boringafmetingen en flensconfiguraties werden exact afgestemd op de bestaande afmetingen van de tandwielkast en de rollagers. De vervangende koppelingen werden binnen vier weken geproduceerd en geleverd, precies op tijd voor de geplande kerstsluiting van de fabriek. Sinds de installatie heeft de fabriek in Dundee twee volledige jaarlijkse productiecycli gedraaid zonder één enkele ongeplande stilstand als gevolg van koppelingsproblemen. Dit elimineert de terugkerende kosten van storingen en levert naar schatting 42 uur productieve machinetijd op die anders verloren zou zijn gegaan.