Cuplaje în sistemele de acționare a morilor de ciment: principii inginerești, aplicații în Regatul Unit și ghid de selecție

Corpurile butucilor și manșoanele cuplajelor industriale pentru angrenaje sunt forjate din oțeluri aliate cu crom-molibden cu conținut mediu de carbon, cum ar fi 42CrMo4, tratate termic la rezistențe la tracțiune de 900–1.100 MPa. Aceasta oferă rezistența necesară pentru a rezista la șocurile de pornire ale fabricilor de ciment fără fracturi fragile, chiar și la temperaturile ambientale scăzute, comune în incintele exterioare ale angrenajelor din nordul Angliei în timpul lunilor de iarnă. Tratamentul de călire și revenire, combinat cu întărirea prin inducție a flancurilor dinților, oferă o durată de viață la uzură măsurată în decenii, mai degrabă decât în ​​ani.

Pentru dinții angrenajelor din cuplajele de tip angrenaj, oțelul 20CrMnTi carburat în carcasă, cu o adâncime a carcasei de 0,8–1,6 mm și o duritate a suprafeței de HRC 58–64, oferă combinația optimă de rezistență la uzură a suprafeței și tenacitate a miezului. Carcasa dură rezistă acțiunii abrazive a oricărei contaminări cu praf care pătrunde în angrenaj, în timp ce miezul dur absoarbe solicitările de oboseală la încovoiere care apar din cauza nealinierii unghiulare. Această alegere a materialului este standard în cele mai solicitante aplicații de cuplare din industria cimentului la nivel global și stă la baza intervalelor lungi de service pe care le solicită operatorii moderni de fabrici de ciment din Marea Britanie.

Cuplajele cu arc tip șarpe își obțin flexibilitatea torsională unică de la elementele arcului serpentine fabricate din oțel arc cu conținut ridicat de siliciu-mangan, de obicei 60Si2Mn sau clase EN echivalente. Tratamentul termic la o duritate de HRC 42–48 este urmat de jet de alice a suprafeței arcului pentru a introduce tensiuni reziduale de compresiune care prelungesc dramatic durata de viață la oboseală sub sarcinile pulsatorii ale funcționării morii cu bile. Aceste arcuri sunt profilate cu precizie pe centre de rectificare CNC pentru a obține curbe consecvente sarcină-deformare pe întregul lot de producție, asigurând performanțe corespunzătoare în cadrul fiecărui ansamblu de cuplare.

Flanșele de cuplare, inelele de protecție și distanțierele intermediare în poziții pentru sarcini medii sunt frecvent fabricate din fontă cu grafit sferoidal EN-GJS-500-7 (fontă ductilă), care oferă o combinație excelentă de formabilitate la turnare pentru geometrii complexe, prelucrabilitate bună și rezistență la tracțiune suficientă la minimum 500 MPa. Acolo unde reducerea greutății este importantă - de exemplu în elementele distanțiere flotante ale cuplajelor distanțiere cu deschidere lungă care leagă cutiile de viteze largi - piesele turnate din fontă ductilă cu pereți subțiri oferă o alternativă economică la oțelul forjat, fără a compromite performanța la oboseală necesară funcționării continue a morii de ciment.

În sectorul de fabricare a cimentului, morile de făină brută și morile de finisare a cimentului reprezintă principalele echipamente de măcinare. Aceste mașini apar în trei configurații principale în fabricile de ciment din Marea Britanie - moara cu bile clasică, moara verticală cu role (VRM) și presa cu role (RP) - și fiecare impune o semnătură de încărcare distinctă asupra cuplajului său de acționare. Moara cu bile, care rămâne tehnologia dominantă de măcinare la fabricile de ciment din Derbyshire până în County Durham, își trage puterea motorului principal printr-un lanț cuplaj-cutie de viteze-angrenaj deschis. Puterile motorului principal la fabricile moderne din Marea Britanie variază de la 1,5 MW la instalațiile mai mici până la 7,5 MW la cele mai mari poziții ale morii de finisare. Cuplarea trebuie să facă față nu doar acestui cuplu nominal continuu, ci și cuplului de vârf dramatic mai mare care apare la fiecare pornire a morii.

Caracterul mecanic al cuplului solicitat de o moară cu bile este fundamental diferit de cel al unei pompe sau ventilator. Atunci când moara este încărcată cu clincher, gips sau calcar brut, sarcina din interiorul tamburului creează un cuplu de rezistență static mare, care trebuie depășit la pornire. De asemenea, sarcina se modifică pe măsură ce moara accelerează, generând o sarcină variabilă în timp care excită rezonanțe torsionale în sistemul de acționare. Inginerii de la fabricile de ciment din Marea Britanie au învățat din experiență că cuplajele instalate fără o analiză torsională adecvată au obiceiul de a suferi defecțiuni la oboseală la valori de cuplu aparent conservatoare, deoarece amplificarea dinamică a excitației rezonante crește tensiunea de vârf reală a cuplajului cu mult peste calculul factorului de serviciu de pe plăcuța de identificare.

Cuplajul dintre motorul principal și cutia de viteze principală de la o moară cu bile de ciment este, fără îndoială, cea mai solicitantă sarcină de cuplare din întreaga industrie de procesare. Funcționând într-o poziție în care trebuie să absoarbă cupluri de vârf de 4 până la 8 ori cuplul nominal în timpul fiecărei porniri a morii, să acomodeze diferențele de dilatare termică dintre fundațiile motorului și ale cutiei de viteze și să tolereze vibrațiile de torsiune induse de încărcătura de rostogolire, acest cuplaj trebuie specificat cu o atenție excepțională. Cuplajele de tip angrenaj cu profiluri cu dinți coronați sunt soluția cea mai răspândită în fabricile de ciment din Marea Britanie, producătorii de top specificând dinți exteriori coronați în intervalul unghiului de presiune de 14° până la 20° și raze de bombare a profilului de 3.000–10.000 mm pentru a acomoda o nealiniere unghiulară de până la 1,5° per angrenaj. Pentru fabricile care funcționează în inima industrială a orașului Staffordshire, unde fundațiile morilor tradiționale s-ar fi putut așeza inegal de-a lungul deceniilor, această capacitate de acomodare unghiulară nu este doar o rezervă teoretică - este diferența dintre un cuplaj care durează zece ani și unul care se defectează în doi. Cuplajele cu arc tip șarpe câștigă teren în această poziție la fabricile mai mici din Marea Britanie, unde moliciunea lor torsională inerentă reduce sarcinile dinamice asupra rulmenților cutiei de viteze și prelungește intervalele de revizie generală a cutiei de viteze.

Morile cu role verticale, din ce în ce mai preferate pentru măcinarea făinii de ciment brute în fabricile din Marea Britanie datorită avantajului energetic de 30–40% față de morile cu bile, prezintă o provocare inginerească complet diferită în domeniul cuplajelor. Grupul de transmisie VRM dispune de obicei motorul vertical sau orizontal, acționând un reductor planetar sau conic-elicoidal care transmite cuplul direct în masa de măcinare printr-un arbore de ieșire vertical. În această configurație, cuplajul dintre motor și reductor trebuie să adapteze creșterea termică a corpului motorului în planul vertical, asigurând în același timp un grad de amortizare torsională împotriva sarcinilor pulsatorii generate de rolele de măcinare. Cuplajele universale din seria SWC sunt utilizate în mod obișnuit în această aplicație pe configurațiile arborelui de transmisie orizontal, unde nealinierea unghiulară dintre componentele motoare și cele acționate poate ajunge la 5–10° din cauza constrângerilor geometrice ale instalării VRM. La o instalație modernă de ciment din East Midlands, unde constrângerile de spațiu necesită grupuri de transmisie compacte, capacitatea de compensare unghiulară a unui cuplaj universal la poziția de intrare a cutiei de viteze reduce semnificativ munca de aliniere a instalării și oferă o fereastră de toleranță mai largă în timpul modificărilor viitoare ale instalației. Capacitatea inginerului de întreținere de a dezasambla și reasambla un cuplaj în condiții de la fața locului — fără echipamente de aliniere de precizie sau supraveghere specializată — este un factor pe care echipele de fabrici din Marea Britanie îl specifică din ce în ce mai mult ca criteriu de achiziții.

Presele cu role, utilizate pentru pre-șlefuire sau măcinare semifinisată la unele dintre fabricile de ciment cu cea mai mare capacitate din Marea Britanie, generează sarcini de șoc intense atunci când noduli mari de clincher trec printre rolele care se rotesc în sens invers. O bucată de clincher neregulată cu o dimensiune de 150 mm poate provoca un vârf de cuplu de 5-8 ori valoarea nominală, care durează doar 50-200 de milisecunde, însă acest eveniment scurt este suficient pentru a provoca deformare plastică într-un cuplaj sub specificație sau o fisură de oboseală într-un dinte de angrenaj călit necorespunzător. Soluția de cuplare pentru acționările preselor cu role din fabricile de ciment din Marea Britanie a evoluat către modele cu limitare a cuplului - de obicei, prezentând fie elemente cu știft de forfecare care sacrifică o componentă înlocuibilă în timpul supraîncărcării, fie aranjamente cu disc de frecare care alunecă la un nivel de cuplu prestabilit și se reangrenează automat odată ce obstrucția dispare. Aceste cuplaje de protecție la suprasarcină necesită ca mecanismul intern de limitare a cuplului să fie calibrat la o setare între 1,5 și 2,5 ori cuplul nominal de funcționare, sub pragul de cuplu care ar provoca deteriorarea carcaselor rulmenților rolelor sau a componentelor interne ale cutiei de viteze și peste vârful maxim de cuplu funcțional pentru a evita declanșările nedorite în timpul variațiilor legitime de sarcină. Inginerii fabricilor de ciment din Marea Britanie care lucrează în conformitate cu cerințele Regulamentului privind furnizarea și utilizarea echipamentelor de lucru (PUWER) apreciază, de asemenea, cuplajele limitatoare de cuplu ca dispozitiv de siguranță care previne ca suprasarcinile periculoase să ajungă la personalul care lucrează în apropierea mașinii.

Cuplajele cu dinți coronați ating cupluri de până la 3.600 kNm într-o anvelopă compactă, ceea ce le face singura alegere practică pentru pozițiile motorului de mare putere ale morilor cu bile de ciment mari. Sarcina este distribuită pe întreaga lățime a dintelui, rezultând niveluri de solicitare mult sub limita de oboseală a materialului chiar și la cupluri de pornire maxime.

Compensarea nealinierii unghiulare de 0,5°–1,5° per angrenaj (cuplaje cu dublă angrenare) și decalajul paralel de până la 3 mm la viteza nominală acoperă deplasările arborelui care apar din cauza creșterii termice și a tasării structurale, fără a impune sarcini corective care scurtează durata de viață a rulmenților pe mașinile conectate.

Caracteristica progresivă a arcurilor cu arc tip spirală deplasează frecvențele de rezonanță torsională departe de intervalele de viteză de funcționare, reducând dramatic amplificarea dinamică a armonicelor periodice de sarcină. Intervalele de revizie generală a rulmenților cutiei de viteze au fost extinse cu 40% sau mai mult în fabricile din Regatul Unit, în urma conversiei de la cuplaje rigide la cuplaje cu arc tip spirală pentru aplicații cu inerție ridicată.

Garniturile cu buză dublă din nitril sau elastomer fluorocarbon, combinate cu camere de retenție a unsorii cu labirint, previn pătrunderea prafului de ciment, reținând în același timp unsoarea de angrenaje cu vâscozitate ridicată pe tot parcursul ciclului de întreținere. Performanța de etanșare echivalentă cu IP55 menține integritatea peliculei de lubrifiere chiar și în condiții de concentrații mari de praf întâlnite la capetele de descărcare a morilor din mediile fabricilor de ciment din Marea Britanie.

Regrosarea anuală în timpul opririlor programate ale instalațiilor — cadența standard de întreținere la fabricile de ciment din Marea Britanie — este singura intervenție de rutină necesară pentru cuplajele dințate selectate și instalate corect. Elementele arcului tip șarpe necesită doar o inspecție periodică a uzurii arcurilor, înlocuirea arcului putând fi realizată într-o singură tură, reducând la minimum durata întreruperilor planificate și menținând sub control costurile forței de muncă pentru întreținere.

Ansamblurile de cuplare echilibrate cu precizie ating viteze nominale de 1.000–3.000 rpm în poziția de pe partea motorului acționărilor morilor de ciment, fără a genera amplitudini de vibrații care ar depăși limitele de vibrații ale mașinilor conform ISO 10816. Această cerință de calitate a echilibrării este specificată ca standard la gradul G6.3 sau superior, G2.5 fiind disponibil pentru viteze peste 1.500 rpm pe acționările motorului cu 2 poli.

Cuplajul cu arc tip șarpe din seria JSA utilizează un element arc serpentin din 60Si2Mn, profilat cu precizie, pentru a oferi o caracteristică de rigiditate torsională progresivă ce reduce sarcinile dinamice asupra cutiilor de viteze și motoarelor conectate în aplicațiile pentru mori de ciment. Evaluată de la 0,1 la 355 kNm, seria JSA este ideală pentru acționări auxiliare ale morilor cu bile, acționări ale cuptoarelor și scripeți ai capului transportorului din fabricile de ciment din Marea Britanie. Elementul arc poate fi înlocuit la fața locului fără a perturba alinierea arborelui, reducând timpul de nefuncționare planificat pentru întreținere la un minim absolut.

Vezi detalii produs →

Cuplajul universal din seria SWC asigură transmiterea unor cupluri mari pe deplasări unghiulare de până la 45°, ceea ce îl face soluția ideală pentru conexiunile arborilor de acționare VRM, arborii de acționare cu anvelope de cuptor și pantele transportoarelor de alimentare ale preselor cu role, unde constrângerile geometrice împiedică alinierea arbore-ax. Designul articulației transversale cu rulmenți cu ace minimizează frecarea și pierderea de putere, oferind în același timp o durată de viață comparabilă cu cea a cuplajelor dințate în aplicații cu viteză moderată. Cuplajele SWC cu o putere nominală de 2.000 kNm sunt disponibile cu diametre de alezaj personalizate și profile de canal pentru a se potrivi oricărei specificații a cutiei de viteze a fabricii de ciment din Marea Britanie.

Vezi detalii produs →

Ever Power operează o unitate de producție de cuplaje de ultimă generație, echipată cu centre de prelucrare CNC de ultimă generație, mașini de rectificat roți dințate de precizie și linii automate de tratament termic. Fiecare cuplaj care părăsește secția de producție Ever Power este fabricat conform procedurilor de management al calității ISO 9001:2015, cu trasabilitate completă a materialelor, de la țagla de oțel brută până la ansamblul finit și testat. Pentru operatorii de fabrici de ciment din Marea Britanie care achiziționează cuplaje de schimb sau modernizare, această trasabilitate oferă pista de audit necesară conform cadrelor de asigurare a calității BS EN ISO 9001 și susține așteptările Autorității Executive pentru Sănătate și Securitate din Marea Britanie privind integritatea mecanică documentată în instalațiile de procesare grea.

Punctul forte al echipei de ingineri Ever Power constă în personalizarea personalizată. Atunci când o fabrică de ciment din Birmingham sau un operator de carieră din Peak District are o aplicație de cuplare care nu se încadrează în parametrii standard din catalog - un diametru al alezajului non-standard, un profil neobișnuit al canalei de pană pentru a se potrivi cu o cutie de viteze veche, o dimensiune specială față-față pentru a se potrivi cu o protecție de cuplare existentă sau o cerință pentru un model specific de șuruburi de flanșă - inginerii de aplicații Ever Power lucrează direct cu echipa mecanică a clientului pentru a dezvolta o soluție care se potrivește perfect, fără a necesita modificări ale niciuneia dintre utilajele conectate. Timpii de livrare pentru cuplajele personalizate sunt de obicei de 4-8 săptămâni de la aprobarea desenului până la livrare, cu producție accelerată disponibilă pentru comenzi de înlocuire de urgență, unde costurile de oprire a fabricii justifică programarea premium.

📩 Obțineți o ofertă de la echipa Ever Power Engineering

„Abordarea echipei Ever Power a fost complet diferită de orice am experimentat cu alți furnizori de cuplaje. Nu au trimis doar un catalog - au venit la fața locului, au măsurat totul și au livrat un raport tehnic înainte de a oferi o ofertă de preț. Cuplajele funcționează acum 26 de luni fără nicio problemă. Costul total de proprietate este mult mai mic decât ceea ce cheltuiam pentru înlocuiri frecvente.”

„Am specificat un diametru al alezajului personalizat și o geometrie neobișnuită a canalei de pană pentru a se potrivi cu arborele nostru de ieșire existent al cutiei de viteze. Echipa de ingineri Ever Power a finalizat desenele aprobate în mai puțin de o săptămână și a livrat cuplajele finite în termenul de șase săptămâni menționat. Precizia dimensională a fost excepțională - alezajul a fost la 0,01 mm față de țintă, iar cuplajul s-a așezat perfect de la prima încercare.”

„Cuplajul cu arc tip șarpe instalat pe acționarea auxiliară a cuptorului nostru a rezolvat complet problema vibrațiilor cu care ne confruntam de trei ani. Moliciunea torsionistă a seriei JSA absoarbe sarcina pulsatorie a oscilației carcasei cuptorului fără a o transmite în cutia de viteze. Temperatura uleiului din cutia de viteze a scăzut cu 8°C, iar nivelul vibrațiilor de fond la carcasele rulmenților motorului a scăzut cu peste 50%.”