Cuplaje în sistemele de acționare ale morilor de ciment: cerințe inginerești, realități ale aplicațiilor și soluții de performanță

Un cuplaj de tip angrenaj — adesea denumit cuplaj dințat sau cuplaj dințat — funcționează pe principiul angrenării profilelor dinților evolvenți externi și interni pentru a transmite cuplul între două capete de arbore. Într-un design standard, fiecare arbore este prevăzut cu un butuc dințat extern, iar un manșon în formă de butoi cu dinți interni angajează simultan ambele butuci. Deoarece geometria dinților permite o mică deviere unghiulară și paralelă între cele două componente angajate, cuplajul preia în mod inerent nealinierea arborelui fără a genera momente de încovoiere distructive pe echipamentul conectat.

Într-un sistem de acționare al unei mori cu bile de ciment, acest principiu de funcționare se aplică la mai multe joncțiuni critice. Arborele de ieșire al motorului electric se conectează la arborele de intrare al unei cutii de viteze cu reductor printr-un cuplaj; ieșirea cutiei de viteze se conectează la arborele pinionului dințat al morii printr-o a doua etapă de cuplare. La fiecare joncțiune, cuplajul trebuie să transmită cupluri nominale care pot depăși 500.000 Nm la instalațiile mari, absorbind simultan oscilația unghiulară continuă care se dezvoltă pe măsură ce fundațiile grele se tasează, ciclurile termice provoacă alungirea arborelui, iar uzura rulmentului se acumulează de-a lungul lunilor de funcționare. Cuplajul de tip angrenaj gestionează toate acestea prin contactul controlat al dinților lubrifiați - atunci când flancurile dinților alunecă ușor în timpul fiecărei rotații pentru a compensa nealinierea, acestea distribuie sarcina uniform, în loc să concentreze stresul într-un singur punct.

Oțel aliat (42CrMo4 / 34CrNiMo6)

Materialul standard pentru butucii și bucșele de cuplare a roților dințate care funcționează în fabricile de ciment. Tratat termic pentru a obține o duritate a suprafeței de 55–62 HRC pe flancurile dinților, păstrând în același timp un miez ductil și rezistent. Această combinație rezistă la oboseala prin pitting sub tensiunile de contact hertziene ridicate care apar atunci când cuplul nominal complet este transmis printr-un număr mic de dinți de angrenaj încărcați simultan.

Fontă ductilă (EN-GJS-600-3)

Folosit pentru manșonul exterior al cilindrului și componentele flanșei în aplicațiile de acționare auxiliară pentru ciment de sarcină medie. Oferă caracteristici excelente de amortizare a vibrațiilor și este semnificativ mai puțin costisitor de prelucrat decât oțelul aliat, ceea ce îl face potrivit pentru aplicații în care vârfurile de cuplu sunt moderate, iar reducerea greutății este o prioritate secundară.

Elastomeri de etanșare de înaltă performanță (NBR / FKM)

Garniturile din cauciuc nitrilic (NBR) sunt standard acolo unde compatibilitatea cu unsoarea lubrifiantă este principala preocupare. În fabricile de ciment unde apar temperaturi ridicate în apropierea zonelor fierbinți din cuptor, sunt specificate garnituri din fluoroelastomer (FKM) cu rezistență la 200°C. Aceste materiale mențin lubrifiantul în interior și praful de ciment în exterior - un obiectiv simplu cu consecințe profunde asupra duratei de viață a cuplajului în practică.

01

Densitate excepțională a cuplului

Cuplajele cu angrenaje transmit cupluri mai mari pe unitatea de diametru exterior decât practic orice alt tip de cuplaj flexibil. Pentru morile cu bile de ciment, unde cuplurile nominale ale arborelui depășesc în mod obișnuit 200.000 Nm, iar spațiul de instalare este constrâns de geometria flanșei morii, acest avantaj al densității cuplului nu este un beneficiu marginal - este frecvent factorul decisiv care permite unui cuplaj cu angrenaje să se potrivească acolo unde un cuplaj cu fălci sau cu disc nu se poate potrivi.

02

Toleranță la nealinierea unghiulară și paralelă

Cuplajele standard ale angrenajelor permit o nealiniere unghiulară de până la 1,5° per angrenaj și un decalaj paralel de câțiva milimetri, în funcție de dimensiunea alezajului. În mediile fabricilor de ciment, unde fundațiile vibrante și mișcările arborelui induse termic sunt realități continue, această capacitate de nealiniere protejează rulmenții cutiei de viteze și rulmenții motorului de sarcinile radiale și de încovoiere suplimentare pe care le-ar impune o conexiune rigidă. Inginerii de fabrici din Marea Britanie, din Sheffield și Birmingham, înțeleg bine costul defecțiunii premature a rulmenților cauzate de forțele de nealiniere transmise de cuplaj.

03

Capacitate mare de suprasarcină și șocuri

Morile cu bile creează sarcini de șoc puternice la pornire, pe măsură ce încărcătura de măcinare staționară este pusă în mișcare. Cuplajele cu angrenaje cu valori nominale de multipli de cuplu maxim de 2,0 până la 3,5 ori nominal absorb aceste evenimente tranzitorii fără acumularea de daune prin oboseală pe care o experimentează cuplajele cu elemente flexibile. Contactul oțel-oțel cu dinte oferă o traiectorie pozitivă a cuplului, fără ca niciun element de absorbție a energiei să se degradeze, ceea ce înseamnă că capacitatea de sarcină de șoc a cuplajului nu diminuează de-a lungul anilor de funcționare, așa cum se întâmplă inevitabil cu cuplajele elastomerice.

04

Intervale de întreținere extinse

Opririle programate pentru întreținere la fabricile de ciment au loc de obicei la intervale anuale sau bienale. Un cuplaj cu angrenaje cu lubrifiere inițială adecvată, garnituri calibrate corect și o unsoare selectată corespunzător poate funcționa în mod curent pe parcursul unei întregi campanii anuale fără intervenție - uneori prelungindu-se până la doi ani între relubrifieri în cazul modelelor bine etanșate. Această caracteristică de întreținere redusă se aliniază perfect cu modelul operațional al industriei cimentului din Marea Britanie, unde opririle neprogramate au un cost care depășește cu mult valoarea de capital a cuplajului în sine.

05

Rezistență la praf și contaminare

Designul închis și etanș al unui cuplaj de angrenaje specificat corect previne pătrunderea prafului de ciment - un material cu o duritate Mohs de aproximativ 6,0 - în zona critică a ochiului dințat. În cazul în care cuplajele de tip deschis sau alternativele slab etanșate permit pătrunderea prafului abraziv între suprafețele de încadrare, ratele de uzură accelerează exponențial, iar defectarea cuplajului devine o chestiune de luni, mai degrabă decât de ani. Sunt disponibile standard etanșări cu grad de protecție IP65 de la producătorii de calitate, îndeplinind cerințele de protecție ale majorității mediilor fabricilor de ciment din Marea Britanie.

Scenariul de aplicare 1: Sistemul principal de acționare al morii cu bile de ciment

Acționarea principală a morii cu bile este cea mai importantă aplicație de cuplare într-o fabrică de ciment. Motoarele principale din gama 1.000 kW - 6.000 kW transmit puterea printr-o cutie de viteze reductoare către arborele pinionului morii, care se angrenează cu o roată dințată mare, deschisă, fixată cu șuruburi pe cilindrul morii. Cuplarea de la interfața motor-cutie de viteze trebuie să gestioneze continuu cuplul complet al motorului, acomodând în același timp ușoara nealiniere unghiulară care se dezvoltă pe măsură ce cadrul de susținere din oțel structural al morii se flexează sub sarcini termice și dinamice pe parcursul unei campanii de producție.

În locațiile din West Midlands, unde se produce ciment pentru sectorul construcțiilor care deservește programe majore de infrastructură, programele de producție funcționează continuu, cu scurte întreruperi planificate. Un cuplaj de angrenaje specificat pentru această sarcină are de obicei un factor de serviciu de 1,8 până la 2,5 aplicat cuplului nominal al motorului, asigurând marje de funcționare sigure chiar și în timpul pornirii directe a motorului, unde cuplurile de aprindere pot depăși pentru scurt timp de 2,5 ori cuplul nominal. Capacitatea cuplajului de a face față acestui eveniment fără daune prin oboseală, zi de zi pe parcursul unei campanii anuale, este ceea ce justifică costul său premium în comparație cu alternativele cu putere nominală mai mică.

Scenariul de aplicație 2: Transmisie de acționare a morii verticale cu role (VRM)

Morile verticale cu role reprezintă standardul modern pentru măcinarea materiilor prime și a cimentului în instalațiile noi din Marea Britanie și Europa. Spre deosebire de morile cu bile, morile cu role VRM transmit cuplul de acționare în jos printr-un aranjament vertical al arborelui, masa de măcinare fiind așezată direct pe trejul de ieșire al cutiei de viteze. Cuplajul dintre motorul electric și intrarea cutiei de viteze VRM funcționează într-o orientare verticală și trebuie să suporte nu numai cuplul nominal continuu, ci și impulsurile de șoc intermitente generate pe măsură ce fragmentele de minerale dure - nodulii de silex sunt o provocare cunoscută în mai multe cariere de cretă din Marea Britanie - trec prin zona de măcinare și creează vârfuri bruște de sarcină.

Cuplajele cu roți dințate pentru aplicații VRM în Regatul Unit sunt adesea specificate cu un profil dentar coronat pe întreaga lățime a feței roții dințate, mai degrabă decât o simplă coroană la vârfurile dinților. Această geometrie a coroanei complete distribuie tensiunea de contact mai uniform sub deformarea unghiulară, reducând presiunea hertziană de vârf la marginile dinților - o considerație critică de proiectare, deoarece contactul pe muchii este cauza principală a defecțiunii premature a cuplajului în instalațiile orientate vertical, unde efectele gravitaționale creează o distribuție neuniformă a sarcinii pe întreaga față a roții dințate.

Scenariul de aplicare 3: Cuplaj de acționare pentru pre-rectificarea presei cu role

Presele cu role — numite și role de măcinare de înaltă presiune (HPGR) — sunt din ce în ce mai des utilizate înaintea morilor cu bile în fabricile de ciment din Marea Britanie, ca etapă de pre-măcinare care reduce consumul specific de energie. Fiecare rolă dintr-un HPGR este acționată de un motor și o cutie de viteze dedicate prin intermediul unui cuplaj, iar condițiile de funcționare sunt caracterizate de un cuplu ridicat, o viteză moderată și o sarcină radială extrem de mare pe rulmenții cu role din cauza forțelor de compresie interparticule. Prin urmare, cuplajul trebuie să transmită cuplul nominal în timp ce arborele de ieșire al cutiei de viteze conectat se deformează sub sarcinile radiale ale rulmenților — o condiție care generează o nealiniere unghiulară continuă la angrenajul cuplajului, care trebuie acomodată fără a genera momente de încovoiere excesive înapoi în rulmentul de ieșire al cutiei de viteze.

Inginerii de la oțelăria din Sheffield, implicați în consultanță în întreținere pentru grupuri de ciment din Marea Britanie, au observat că cuplajele de acționare a preselor cu role sunt printre componentele cel mai frecvent specificate greșit în instalațiile HPGR. Selectarea unui cuplaj cu o capacitate de nealiniere insuficientă pentru deformarea reală de rulare - care poate diferi semnificativ de alinierea obținută în timpul instalării la rece - este responsabilă pentru o proporție semnificativă de defecțiuni premature ale rulmenților cutiei de viteze la aceste instalații. Un cuplaj de angrenaje specificat corect, cu un grad de nealiniere adecvat, elimină complet acest mod de defecțiune.

Scenariul de aplicație 4: Acționare auxiliară a cuptorului și cuplajul ventilatorului morii de materii prime

Dincolo de acționările principale ale morii, fabricile de ciment au numeroase aplicații de transmisie secundară a puterii, unde cuplajele cu angrenaje oferă performanțe valoroase. Acționările auxiliare ale cuptorului - utilizate pentru rotație lentă în timpul întreținerii și pentru răcirea controlată după oprirea cuptorului - funcționează la viteze foarte mici cu sarcini de cuplu intermitente ridicate, necesitând cuplaje care rămân fiabile și rețin lubrifiantul chiar și în timpul utilizării rare. Ventilatoarele de tiraj indus pentru morile de materii prime care funcționează la debite de 200.000 până la 600.000 m³/h sunt acționate de motoare în intervalul 300 kW până la 2.000 kW prin cuplaje care trebuie să gestioneze funcționarea cu viteză variabilă a acționărilor cu frecvență variabilă, rămânând în același timp stabile în toate punctele de funcționare pe întreg intervalul de viteză.

În contextul Regatului Unit, legislația privind eficiența energetică și mecanismele de stabilire a prețului carbonului care afectează producătorii de ciment din Marea Britanie au accelerat adoptarea sistemelor de acționare cu frecvență variabilă (VFD) în aplicațiile cu ventilatoare și pompe. Cuplajele cu angrenaje utilizate cu echipamente acționate de VFD trebuie verificate pentru rezonanță torsională pe întregul interval de viteză de funcționare, deoarece ieșirile VFD conțin conținut armonic care poate excita frecvențele naturale torsionale și poate provoca daune la oboseală în cuplajele care sunt adecvate la funcționarea la viteză fixă. Această cerință de analiză adaugă un nivel de sofisticare inginerească pe care echipele experimentate de inginerie a instalațiilor din Marea Britanie îl încorporează acum în mod curent în procesul lor de specificare a cuplajelor.

Cuplaj cu arc tip șarpe seria JSA

Seria JSA utilizează un element de arc din oțel serpentinat special înfășurat, care se înfiletează prin fante alternante în două flanșe opuse. Această geometrie unică a arcului oferă o flexibilitate torsională excepțională, amortizând semnificativ încărcările de șoc și fluctuațiile ciclice de cuplu care apar în timpul evenimentelor de pornire a morii cu bile. Designul este deosebit de apreciat în aplicațiile în care izolarea vibrațiilor dintre acționare și echipamentul acționat este o prioritate, alături de o transmitere fiabilă a cuplului.

Vizualizați seria JSA →

Cuplaj universal seria SWC

Cuplajul universal din seria SWC este conceput pentru aplicații care necesită o compensare unghiulară mare între arbori neparaleli - o provocare comună în sistemele auxiliare ale fabricilor de ciment, unde componentele de acționare sunt decalate de constrângeri arhitecturale sau unde arborele acționat urmează o traiectorie neorizontală. Cu unghiuri de lucru de până la 25° și o construcție robustă a articulației cardanice transversale din oțel aliat, seria SWC oferă o transmisie fiabilă și de lungă durată a cuplului, indiferent de abaterile unghiulare care ar fi imposibil de acomodat cu cuplajele flexibile convenționale.

Vezi seria SWC →

Putere permanentă: Fabricație de precizie și capacitate de personalizare

Rezistența fabricii și inginerie personalizată

Sunteți gata să discutați o soluție personalizată de cuplare pentru fabrica dumneavoastră de ciment? Echipa noastră de ingineri răspunde în termen de 24 de ore.

📩 Obțineți o ofertă personalizată de la Ever Power

★★★★★★

„Considerasem acea acționare a frezei drept o problemă cronică. Cuplajul de angrenaj Ever Power a schimbat complet acest lucru. După optsprezece luni, nu a existat nicio oprire neplanificată atribuibilă cuplajului - iar starea unsorii la inspecția de la 12 luni arăta aproape ca nouă. Alezajul personalizat și specificațiile pentru canelură au fost prelucrate exact conform desenelor noastre.”

James R., inginer mecanic șef

Instalație de măcinare a cimentului, West Midlands, Marea Britanie

★★★★★★

„Asistența tehnică oferită de Ever Power înainte și în timpul selecției cuplajului a fost la fel de impresionantă ca produsul în sine. Ne-au pus întrebările potrivite despre frecvența de pornire, istoricul unsorului utilizat și condițiile ambientale - întrebări pe care furnizorii de produse generice nu se gândesc niciodată să le pună. Cuplajul specificat de ei gestionează acționarea presei noastre cu role fără probleme de vibrații în niciun punct de sarcină.”

Sarah T., Manager de întreținere a fabricii

Instalație de producție de clincher, Yorkshire, Marea Britanie

★★★★★★

„Livrarea la sediul nostru din Sheffield a fost efectuată în termenul de livrare convenit, chiar dacă comanda noastră includea alezaje nestandardizate. Precizia dimensională a butucilor a fost excelentă — montați direct pe arborele cutiei de viteze, fără a fi necesare prelucrări de remediere la fața locului, ceea ce este important atunci când lucrați într-un interval de timp limitat pentru întreținere planificată. Vom reveni la Ever Power pentru următorul nostru ciclu de achiziții.”

Mike H., Superintendent Echipamente Rotative

Prelucrarea mineralelor și ciment, Sheffield, Marea Britanie