Sprzęgła w układach napędowych młynów cementowych: zasady inżynierii, zastosowania w Wielkiej Brytanii i przewodnik po wyborze

Korpusy piast i tuleje sprzęgieł przekładni przemysłowych są kute ze stali stopowych chromowo-molibdenowych o średniej zawartości węgla, takich jak 42CrMo4, poddanych obróbce cieplnej do uzyskania wytrzymałości na rozciąganie 900–1100 MPa. Zapewnia to wytrzymałość niezbędną do wytrzymania wstrząsów rozruchowych młynów cementowych bez kruchego pękania, nawet w niskich temperaturach otoczenia, typowych dla obudów przekładni na wolnym powietrzu w północnej Anglii w miesiącach zimowych. Obróbka cieplna w połączeniu z hartowaniem indukcyjnym powierzchni bocznych zębów zapewnia trwałość mierzoną w dekadach, a nie latach.

W przypadku zębów kół zębatych w sprzęgłach zębatych, nawęglana stal 20CrMnTi o grubości warstwy 0,8–1,6 mm i twardości powierzchniowej HRC 58–64 zapewnia optymalne połączenie odporności na zużycie powierzchniowe i wytrzymałości rdzenia. Twarda warstwa wierzchnia jest odporna na ścieranie spowodowane pyłem wnikającym w zazębienie kół zębatych, a wytrzymały rdzeń absorbuje naprężenia zmęczeniowe przy zginaniu, wynikające z kątowego odchylenia osi. Ten materiał jest standardem w najbardziej wymagających zastosowaniach sprzęgieł w przemyśle cementowym na całym świecie i zapewnia długie okresy międzyserwisowe, których oczekują operatorzy nowoczesnych cementowni w Wielkiej Brytanii.

Sprzęgła sprężynowe typu Snake zawdzięczają swoją wyjątkową podatność na skręcanie elementom sprężynowym o kształcie serpentynu, wykonanym ze stali sprężynowej wysokokrzemowo-manganowej, zazwyczaj 60Si2Mn lub równoważnej klasy EN. Po obróbce cieplnej do twardości 42–48 HRC, powierzchnia sprężyny jest poddawana śrutowaniu, co wprowadza ściskające naprężenia szczątkowe, które znacząco wydłużają żywotność zmęczeniową pod wpływem obciążeń pulsujących występujących w młynach kulowych. Sprężyny te są precyzyjnie profilowane na centrach szlifierskich CNC, aby uzyskać spójne krzywe obciążenia i ugięcia w całej partii produkcyjnej, gwarantując tym samym spójną wydajność każdego zespołu sprzęgła.

Kołnierze sprzęgowe, pierścienie ochronne i przekładki pośrednie w pozycjach średnioobciążalnych są często produkowane z żeliwa sferoidalnego EN-GJS-500-7, które oferuje doskonałe połączenie podatności na formowanie dla złożonych geometrii, dobrej skrawalności i wystarczającej wytrzymałości na rozciąganie przy ciśnieniu co najmniej 500 MPa. W przypadku gdy redukcja masy ma znaczenie – na przykład w przypadku ruchomych elementów dystansowych sprzęgieł dystansowych o dużej rozpiętości łączących szerokie przekładnie – cienkościenne odlewy z żeliwa sferoidalnego stanowią ekonomiczną alternatywę dla stali kutej, bez obniżania wytrzymałości zmęczeniowej wymaganej w ciągłej pracy cementowni.

W sektorze produkcji cementu, młyny do mąki surowcowej i młyny do wykańczania cementu stanowią podstawowe urządzenia do mielenia. Maszyny te występują w trzech głównych konfiguracjach w cementowniach w Wielkiej Brytanii – klasyczny młyn kulowy, pionowy młyn walcowy (VRM) i prasa walcowa (RP) – i każda z nich narzuca inny charakter obciążenia na sprzęgło napędowe. Młyn kulowy, który pozostaje dominującą technologią mielenia w cementowniach od Derbyshire do hrabstwa Durham, pobiera moc swojego głównego silnika poprzez sprzęgło-przekładnię-otwarty łańcuch przekładni. Moc głównych silników w nowoczesnych cementowniach w Wielkiej Brytanii waha się od 1,5 MW w mniejszych instalacjach do 7,5 MW w największych młynach wykańczających. Sprzęgło musi obsługiwać nie tylko ten ciągły moment znamionowy, ale także znacznie wyższy moment szczytowy, który występuje podczas każdego rozruchu młyna.

Charakter mechaniczny zapotrzebowania na moment obrotowy młyna kulowego zasadniczo różni się od zapotrzebowania pompy lub wentylatora. Gdy młyn jest załadowany klinkierem, gipsem lub surowym wapieniem, wsad wewnątrz bębna wytwarza duży moment oporu statycznego, który musi zostać pokonany podczas rozruchu. Wsad zmienia się również wraz z przyspieszaniem młyna, generując zmienne w czasie obciążenie, które wzbudza rezonanse skrętne w układzie napędowym. Inżynierowie z brytyjskich cementowni przekonali się na podstawie własnych doświadczeń, że sprzęgła zamontowane bez odpowiedniej analizy momentu obrotowego często ulegają uszkodzeniom zmęczeniowym przy pozornie zachowawczych wartościach momentu obrotowego, ponieważ dynamiczne wzmocnienie rezonansowego wzbudzenia podnosi rzeczywiste szczytowe naprężenie sprzęgła znacznie powyżej znamionowego współczynnika sprawności.

Sprzęgło między silnikiem głównym a przekładnią redukcyjną młyna kulowego do cementu jest prawdopodobnie najbardziej wymagającym technicznie zadaniem sprzęgieł w całym przemyśle przetwórczym. Pracując w pozycji, w której musi absorbować momenty szczytowe od 4 do 8 razy większe od momentu znamionowego podczas każdego rozruchu młyna, kompensować różnice rozszerzalności cieplnej między fundamentami silnika i przekładni oraz tolerować drgania skrętne wywołane przez wsad bębnowy, sprzęgło to musi być dobierane z wyjątkową starannością. Sprzęgła zębate z zębami wypukłymi są najszerzej stosowanym rozwiązaniem w cementowniach w Wielkiej Brytanii, a wiodący producenci specyfikują zęby zewnętrzne wypukłe w zakresie kąta nacisku od 14° do 20° i promienie wypukłości profilu od 3000 do 10 000 mm, aby kompensować niewspółosiowość kątową do 1,5° na każde zazębienie. W przypadku zakładów działających w przemysłowym sercu Staffordshire, gdzie fundamenty starych młynów mogły osiadać nierównomiernie przez dziesięciolecia, ta zdolność akomodacji kątowej nie jest jedynie teoretyczną rezerwą — to różnica między sprzęgłem wytrzymującym dziesięć lat a takim, które psuje się po dwóch latach. Sprzęgła sprężynowe typu snake zyskują na popularności w mniejszych zakładach w Wielkiej Brytanii, gdzie ich naturalna miękkość skrętna zmniejsza obciążenia dynamiczne łożysk przekładni i wydłuża okresy między przeglądami.

Pionowe młyny walcowe, coraz częściej preferowane do mielenia surowca na cement w zakładach w Wielkiej Brytanii ze względu na przewagę energetyczną 30–40% nad młynami kulowymi, stanowią zupełnie nowe wyzwanie inżynieryjne w zakresie sprzęgieł. Układ napędowy VRM zazwyczaj ustawia silnik pionowo lub poziomo, napędzając przekładnię planetarną lub stożkowo-śrubową, która przekazuje moment obrotowy bezpośrednio na stół mielący poprzez pionowy wał wyjściowy. W tej konfiguracji sprzęgło między silnikiem a przekładnią musi kompensować rozszerzalność cieplną korpusu silnika w płaszczyźnie pionowej, zapewniając jednocześnie pewien stopień tłumienia skrętnego w przypadku obciążeń pulsacyjnych generowanych przez walce mielące. Sprzęgła uniwersalne serii SWC są powszechnie stosowane w tym zastosowaniu w konfiguracjach z poziomym wałem napędowym, gdzie niewspółosiowość kątowa między elementami napędowymi i napędzanymi może sięgać 5–10° ze względu na ograniczenia geometryczne instalacji VRM. W nowoczesnej cementowni w East Midlands, gdzie ograniczenia przestrzenne wymagają kompaktowych układów napędowych, możliwość kompensacji kątowej sprzęgła uniwersalnego na wejściu przekładni znacznie zmniejsza nakład pracy związany z ustawieniem położenia i zapewnia szerszy zakres tolerancji podczas przyszłych modyfikacji zakładu. Umiejętność inżyniera ds. konserwacji, pozwalająca na demontaż i ponowny montaż sprzęgła w warunkach panujących na miejscu — bez konieczności stosowania precyzyjnego sprzętu do ustawiania położenia lub nadzoru specjalistów — to czynnik coraz częściej brany pod uwagę przez zespoły w zakładach w Wielkiej Brytanii jako kryterium zamówień.

Prasy walcowe, używane do wstępnego mielenia lub mielenia półwykończeniowego w niektórych z cementowni o największej wydajności w Wielkiej Brytanii, generują intensywne obciążenia udarowe, gdy duże grudki klinkieru przechodzą między przeciwbieżnymi walcami. Nieprawidłowo umieszczony kawałek klinkieru o średnicy 150 mm może spowodować skok momentu obrotowego 5–8 razy większy od wartości znamionowej, trwający zaledwie 50–200 milisekund, jednak to krótkie zdarzenie jest wystarczające, aby spowodować odkształcenie plastyczne w niedostatecznie dobranym sprzęgle lub pęknięcie zmęczeniowe w nieprawidłowo utwardzonym zębie koła zębatego. Rozwiązanie sprzęgłowe napędów pras walcowych w brytyjskich cementowniach ewoluowało w kierunku konstrukcji ograniczających moment obrotowy — zazwyczaj wyposażonych w elementy z kołkami ścinanymi, które poświęcają wymienny element podczas przeciążenia, lub w układy z tarczami ciernymi, które ślizgają się przy ustalonym poziomie momentu obrotowego i automatycznie zazębiają się ponownie po usunięciu przeszkody. Te sprzęgła zabezpieczające przed przeciążeniem wymagają kalibracji wewnętrznego mechanizmu ograniczającego moment obrotowy na wartość od 1,5 do 2,5 razy większą od znamionowego momentu obrotowego, poniżej progu momentu obrotowego, który mógłby spowodować uszkodzenie obudów łożysk walców lub wewnętrznych elementów przekładni, oraz powyżej maksymalnego szczytowego momentu obrotowego, aby uniknąć uciążliwych wyłączeń podczas dopuszczalnych zmian obciążenia. Inżynierowie z brytyjskich cementowni, pracujący zgodnie z wymogami przepisów dotyczących dostarczania i użytkowania sprzętu roboczego (PUWER), cenią również sprzęgła ograniczające moment obrotowy jako urządzenie zabezpieczające, które zapobiega przedostawaniu się niebezpiecznych przeciążeń do personelu pracującego w pobliżu maszyny.

Sprzęgła z zębami koronowymi osiągają moment obrotowy do 3600 kNm w kompaktowej obudowie, co czyni je jedynym praktycznym wyborem dla silników dużej mocy w dużych cementowych młynach kulowych. Obciążenie rozkłada się na całą szerokość zęba, zapewniając poziom naprężeń znacznie poniżej granicy zmęczenia materiału, nawet przy szczytowych momentach rozruchowych.

Kompensacja odchylenia kątowego wynosząca 0,5°–1,5° na każde zazębienie (sprzęgła dwukierunkowe) i przesunięcie równoległe do 3 mm przy prędkości znamionowej kompensują przemieszczenia wału wynikające z rozszerzalności cieplnej i osiadania strukturalnego, bez nakładania obciążeń korekcyjnych, które skracają żywotność łożysk w podłączonych maszynach.

Progresywna charakterystyka sprężyny w sprzęgłach sprężynowych typu „snake” przesuwa częstotliwości rezonansowe poza zakresy prędkości roboczych, radykalnie zmniejszając dynamiczne wzmocnienie okresowych harmonicznych obciążenia. Okresy między przeglądami łożysk przekładni zostały wydłużone o 40% lub więcej w zakładach w Wielkiej Brytanii po przejściu ze sprzęgieł sztywnych na sprzęgła sprężynowe typu „snake” w zastosowaniach o dużej bezwładności.

Dwuwargowe uszczelki z nitrylu lub elastomeru fluorowęglowego, w połączeniu z labiryntowymi komorami zatrzymującymi smar, zapobiegają przedostawaniu się pyłu cementowego, jednocześnie zatrzymując smar przekładniowy o wysokiej lepkości przez cały cykl konserwacji. Uszczelnienia o stopniu ochrony IP55 zapewniają integralność filmu smarnego nawet przy wysokim stężeniu pyłu występującym na wylotach młynów w cementowniach w Wielkiej Brytanii.

Coroczne smarowanie podczas planowych przestojów – standardowa częstotliwość konserwacji w cementowniach w Wielkiej Brytanii – to jedyna rutynowa interwencja wymagana w przypadku prawidłowo dobranych i zainstalowanych sprzęgieł zębatych. Elementy sprężynowe typu snake wymagają jedynie okresowej kontroli zużycia sprężyn, a wymiana sprężyn jest możliwa w ciągu jednej zmiany, co minimalizuje czas planowanego przestoju i pozwala utrzymać koszty robocizny konserwacyjnej pod kontrolą.

Precyzyjnie wyważone zespoły sprzęgłowe osiągają prędkości znamionowe 1000–3000 obr./min po stronie silnika napędów młynów cementowych, nie generując amplitud drgań przekraczających limity drgań maszyn określone w normie ISO 10816. To wymaganie jakości wyważenia jest standardowo określone dla klasy G6.3 lub wyższej, a G2.5 jest dostępne dla prędkości powyżej 1500 obr./min w napędach silników dwubiegunowych.

Sprzęgło sprężynowe wężowe serii JSA wykorzystuje precyzyjnie wyprofilowany element sprężynowy 60Si2Mn, który zapewnia progresywną sztywność skrętną, redukując obciążenia dynamiczne połączonych przekładni i silników w cementowniach. Zakres momentów obrotowych od 0,1 do 355 kNm sprawia, że ​​seria JSA idealnie nadaje się do napędów pomocniczych młynów kulowych, napędów pieców i kół pasowych przenośników w cementowniach w Wielkiej Brytanii. Element sprężynowy można wymienić na miejscu bez zakłócania osiowania wału, co minimalizuje planowane przestoje konserwacyjne.

Zobacz szczegóły produktu →

Uniwersalne sprzęgło serii SWC zapewnia przenoszenie wysokich momentów obrotowych przy przemieszczeniach kątowych do 45°, co czyni je idealnym rozwiązaniem do połączeń wałów napędowych VRM, wałów napędowych pierścieni pieców oraz przenośników podających prasy rolkowej, gdzie ograniczenia geometryczne uniemożliwiają wyrównanie wałów. Konstrukcja przegubu krzyżowego z łożyskami igiełkowymi minimalizuje tarcie i straty mocy, zapewniając jednocześnie trwałość porównywalną ze sprzęgłami zębatymi w zastosowaniach o umiarkowanej prędkości. Sprzęgła SWC o momentach obrotowych do 2000 kNm są dostępne z niestandardowymi średnicami otworów i profilami rowków wpustowych, pasującymi do każdej specyfikacji przekładni w cementowniach w Wielkiej Brytanii.

Zobacz szczegóły produktu →

Ever Power posiada nowoczesny zakład produkcyjny sprzęgieł, wyposażony w najnowszej generacji centra obróbcze CNC, precyzyjne szlifierki do kół zębatych oraz zautomatyzowane linie obróbki cieplnej. Każde sprzęgło opuszczające halę produkcyjną Ever Power jest produkowane zgodnie z procedurami zarządzania jakością ISO 9001:2015, z pełną identyfikowalnością materiałów, od surowego wlewka stalowego po gotowy, przetestowany zespół. Dla operatorów cementowni w Wielkiej Brytanii, którzy kupują sprzęgła zamienne lub modernizujące, ta identyfikowalność zapewnia ścieżkę audytu wymaganą w ramach systemu zapewnienia jakości BS EN ISO 9001 i wspiera oczekiwania brytyjskiej Agencji ds. Bezpieczeństwa i Higieny Pracy (BHP) w zakresie udokumentowanej integralności mechanicznej w zakładach przetwórczych.

Siłą zespołu inżynierów Ever Power jest dostosowywanie rozwiązań do indywidualnych potrzeb. Gdy cementownia w Birmingham lub operator kamieniołomu w Peak District ma zastosowanie sprzęgła, które wykracza poza standardowe parametry katalogowe – niestandardowa średnica otworu, nietypowy profil rowka wpustowego pasujący do starszej przekładni, specjalny wymiar czoła do czoła, aby dopasować istniejącą osłonę sprzęgła lub wymóg określonego układu śrub kołnierzowych – inżynierowie Ever Power współpracują bezpośrednio z zespołem mechanicznym klienta, aby opracować rozwiązanie, które idealnie pasuje, bez konieczności modyfikacji podłączonych maszyn. Czas realizacji sprzęgieł projektowanych na zamówienie wynosi zazwyczaj od 4 do 8 tygodni od zatwierdzenia rysunku do dostawy, a przyspieszona produkcja jest dostępna w przypadku zamówień na pilną wymianę, gdy koszty przestoju zakładu uzasadniają szybsze planowanie.

📩 Uzyskaj wycenę od zespołu Ever Power Engineering

„Podejście zespołu Ever Power było zupełnie inne niż wszystko, z czym mieliśmy do czynienia u innych dostawców złączy. Nie tylko wysłali katalog – przyjechali na miejsce, zmierzyli wszystko i dostarczyli raport techniczny przed wyceną. Złącza działają już 26 miesięcy bez żadnych usterek. Całkowity koszt posiadania jest znacznie niższy niż to, co wydawaliśmy na częste wymiany”.

„Określiliśmy niestandardową średnicę otworu i nietypową geometrię rowka wpustowego, aby dopasować je do wału wyjściowego naszej skrzyni biegów. Zespół inżynierów Ever Power dostarczył zatwierdzone rysunki techniczne w niecały tydzień i dostarczył gotowe sprzęgła w podanym sześciotygodniowym terminie realizacji. Dokładność wymiarowa była wyjątkowa — średnica otworu była z dokładnością do 0,01 mm od docelowej, a sprzęgło zostało idealnie osadzone od razu”.

„Sprzęgło sprężynowe typu snake zainstalowane w napędzie pomocniczym naszego pieca całkowicie rozwiązało problem wibracji, z którym zmagaliśmy się przez trzy lata. Miękkie pod względem skręcania sprzęgło serii JSA absorbuje pulsujące obciążenie wynikające z drgań płaszcza pieca, nie przenosząc go na przekładnię. Temperatura oleju w naszej przekładni spadła o 8°C, a poziom drgań tła w obudowach łożysk silnika spadł o ponad 50%.”