Cuplaje tip angrenaj în sistemele de acționare ale mașinilor de hârtie: Precizia inginerească întâlnește realitatea industrială

Sisteme de acționare industriale · Perspectivă asupra pieței din Marea Britanie

Cuplaje tip angrenaj în sistemele de acționare ale mașinilor de hârtie: Precizia inginerească întâlnește realitatea industrială

O analiză tehnică aprofundată a modului în care cuplajele angrenate mențin în funcțiune liniile continue de producție a mașinilor de hârtie - de la fabricile specializate din Sheffield până la complexele integrate de ambalare de-a lungul estuarului Tamisei.

Fabricarea hârtiei se numără printre cele mai solicitante industrii cu procese continue din lume din punct de vedere mecanic. O mașină modernă de hârtie de mare viteză - care funcționează la viteze de suprafață de peste 2.000 de metri pe minut - este în esență un lanț de zone de acționare independente, fiecare necesitând rapoarte de viteză precise pentru a menține tensiunea benzii și calitatea produsului. Secția de formare, secțiunea de presă, secțiunea de uscare și secțiunea de calandru funcționează toate la viteze subtil diferite, iar cuplajele dintre motoare, cutii de viteze și role trebuie să transmită cuplul în mod fiabil, tolerând în același timp nealinierea, încărcarea cu șocuri și umiditatea cronică care saturează un mediu de fabricare a hârtiei. În acest context neiertător, cuplajul de tip angrenaj s-a impus ca cuplajul preferat pentru aplicațiile de acționare a mașinilor de hârtie de mare viteză și cu sarcină mare. Profilul său dinților în evolventă, capacitatea sa de compensare a decalajului unghiular și paralel și sistemul său de lubrifiere etanșat îl fac unic pentru a transmite cuplurile enorme generate de mașinile moderne de hârtie tissue, hârtie de ziar și carton. În Regatul Unit — unde fabricile din Kemsley, Shotton și Workington funcționează non-stop pentru a satisface cererea națională — fiabilitatea fiecărui cuplaj de pe o linie de producție a mașinilor de hârtie afectează direct producția și profitabilitatea.

Un cuplaj de tip angrenaj este alcătuit din două butuci cu flanșă, fiecare purtând un manșon dințat exterior și o pereche de inele exterioare dințate interior - de obicei combinate într-un singur cilindru sau împărțite în două semicarcase cu flanșă. Dinții exteriori sunt încoronați, ceea ce înseamnă că profilul lor este ușor convex pe lungimea lor. Această încoronare este caracteristica inginerească definitorie: pe măsură ce arborii conectați dezvoltă o nealiniere sub influența expansiunii termice, a deformării prin rostogolire sau a tasării fundației, contactul dinților se deplasează pur și simplu de-a lungul coroanei, în loc să concentreze tensiunea pe o singură margine. Rezultatul este un cuplaj care poate suporta o nealiniere unghiulară de până la 1,5 grade per angrenaj, un decalaj paralel de câțiva milimetri și un anumit grad de flotare axială - toate simultan și toate fără o creștere semnificativă a forței transmise. Cuplul trece prin cuplaj în întregime prin dinții angrenajului angrenat, ceea ce înseamnă că nu există elemente elastomerice supuse oboselii, nu există flanșe șurubate supuse frecării și nu există elemente flexibile metalice predispuse la fisuri sub îndoire ciclică. Lubrifierea este esențială: plasa dințată este inundată cu grăsime sau ulei, fiind reținută într-o carcasă etanșă care ține umezeala din proces, condensul de abur și particulele fine de hârtie departe de suprafețele de rulare. Într-o fabrică de hârtie, acest design etanș nu este un lux - este o condiție prealabilă pentru o durată de viață fiabilă, măsurată în ani și nu în luni.

Secția de formare este locul unde începe cu adevărat fabricarea hârtiei: o suspensie diluată de fibre și apă - materialul de fabricație - este livrată cu viteză mare pe o sârmă în mișcare sau între două sârme convergente într-o mașină de format hârtie cu sârmă dublă. Rolele de sârmă, rola de piept și rolele mesei care ghidează și drenează banda trebuie toate acționate la viteze precis adaptate, deoarece orice diferență de viteză provoacă defecte de striație sau uzură a sârmei care perturbă calitatea producției. Cuplajele de tip angrenaj care conectează cutiile de viteze ale secțiunii de formare la arborii rolelor trebuie să facă față nealinierii unghiulare continue care rezultă din coroana rolei, dilatarea termică a cadrului mașinii și deformarea dinamică a rolelor sub forțele de tensiune a benzii. Fabricile care operează de-a lungul râului Mersey și în coridorul Manchester își rulează de obicei secțiunile de formare la viteze între 1.200 și 2.000 m/min, iar cuplajele de acționare trebuie să fie echilibrate dinamic la G2.5 sau mai bine pentru a evita introducerea vibrațiilor în procesul sensibil de formare a benzii. Designul etanș protejează, de asemenea, plasa dințată de picăturile de apă și ceața caracteristice mediului din capătul umed, prevenind spălarea lubrifiantului care provoacă uzura accelerată a dinților la modelele neetanșate.

Secțiunea de presare elimină mecanic apa de pe bandă prin trecerea acesteia prin nișe formate între rolele grele care se sprijină unul pe celălalt sub sarcină hidraulică. Forțele de nișare într-o secțiune de presă modernă pot ajunge la 1.200 kN/m de față a rolei, generând cupluri enorme în arborii rolelor. Rolele de presare sunt de obicei acționate prin acționări secționale individuale, fiecare conectată la un arbore al rolei de presare printr-un cuplaj de tip angrenaj care trebuie să transmită câteva sute de kilonewton-metri de cuplu, în timp ce suportă pulverizarea continuă a apei, a aburului și cocktailul chimic utilizat pentru condiționarea rolelor. În segmentul de ambalaje și carton ondulat din Marea Britanie - care are centre de producție în Birmingham și East Midlands - secțiunile de presare ale mașinilor de caneluri și teste de imprimare funcționează la greutăți de bază mai mari și sarcini de nișare mai mari decât mașinile de hârtie fină, ceea ce impune cerințe și mai mari asupra capacității de cuplu a cuplajului și integrității etanșării. Capacitatea cuplajului de tip angrenaj de a transmite un cuplu ridicat printr-un diametru exterior compact este neprețuită aici, deoarece anvelopa spațială dintre rola de presare și cutia de viteze a motorului este strâns constrânsă de dispunerea transversală a mașinii a cutiilor de aspirație, a pâslelor și a sistemelor de încărcare a rolelor de presare. Ruperea benzii de rulare în secțiunea de presare generează, de asemenea, vârfuri severe de cuplu — construcția integrală din oțel a cuplajului dințat absoarbe aceste supraîncărcări tranzitorii fără deformarea sau modurile de defectare care afectează tipurile de cuplaje elastomerice.

Secțiunea de uscare a unei mașini mari de hârtie constă dintr-o serie de cilindri din fontă încălziți cu abur - de obicei 60 până la 200 de cilindri aranjați în rânduri superioare și inferioare - peste care trece banda pentru a evapora umiditatea rămasă. Fiecare grup de uscătoare este acționat ca o secțiune independentă, cu o tragere (diferențial de viteză) atent calibrată față de secțiunea precedentă, pentru a menține banda sub o tensiune controlată și a preveni ruperea. Cuplajele de tip angrenaj care conectează acționările angrenajelor uscătorului la arborii cilindrilor funcționează într-un mediu saturat cu abur la temperaturi de până la 140°C, necesitând formulări de unsoare rezistente la căldură și etanșări proiectate pentru funcționare continuă la temperaturi ridicate. Secțiunea lungă a uscătorului înseamnă, de asemenea, că cadrul mașinii suferă o dilatare termică semnificativă longitudinal, determinând deplasarea alinierii acționărilor individuale ale cilindrilor în timpul ciclurilor de încălzire și răcire. Cuplajele de tip angrenaj acomodă această mișcare termică cu grație prin capacitatea lor de flotare axială, prevenind dezvoltarea forțelor de împingere pe rulmenții cilindrilor care altfel ar necesita carcase de rulmenți supradimensionate sau înlocuirea frecventă a rulmenților. Pentru operațiunile integrate de celuloză și hârtie din Scoția — de exemplu, Caledonian Paper din Irvine sau fabricile din Highland care deservesc piața hârtiei kraft — fiabilitatea secțiunii uscătorului este factorul dominant în disponibilitatea generală a mașinilor, iar performanța dovedită a cuplajului dințat în această aplicație îl face alegerea inginerească implicită.

La capătul uscat al mașinii de hârtie, stiva de calandru conferă netezime suprafeței și uniformitate a grosimii benzii înainte de a fi înfășurată pe o bobină. Rolele de calandru sunt acționate individual sau în perechi prin acționări secționale, iar potrivirea vitezei dintre rolele succesive trebuie să fie extrem de precisă pentru a evita întinderea hârtiei, înnegrirea calandrului sau defectele de marcare. Cuplajele de tip angrenaj din acționările calandrui sunt de obicei unități de înaltă precizie, echilibrate dinamic, cu profile ale dinților rectificați și etanșări cu frecare redusă, care minimizează orice neregularitate ciclică a vitezei (măsurată în mod obișnuit ca ondulație a cuplului) care ar putea introduce variații de microviteză în viteza suprafeței rolei. La bobină, rola de hârtie în creștere trebuie accelerată de la repaus la viteza mașinii și controlată pe tot parcursul acumulării sale - o sarcină care aplică cupluri mari, variabile ciclic, pe arborele de acționare al tamburului bobinei. Cuplajul angrenajului care conectează cutia de viteze a bobinei la tamburul bobinei trebuie să gestioneze atât cuplul de accelerare, cât și cuplul de rulare lin, acomodând în același timp deplasarea axială treptată a tamburului bobinei pe măsură ce rola crește în diametru. Producătorii de hârtie textilă din Aylesford, Kent, din Marea Britanie, și producătorii de ambalaje din Midlands raportează în mod constant că trecerea de la cuplajele cu discuri la cuplaje cu angrenaje în acționările secțiunilor de bobină prelungește durata de viață a rulmenților tamburului bobinei cu 30–50%, o economie care justifică costul modest suplimentar al cuplajului cu angrenaje într-un singur ciclu de întreținere planificat.

Excelență în producție

Ever Power — Cuplaje de precizie pentru mașini de hârtie

Soluții de cuplare a angrenajelor proiectate la comandă, susținute de producție integrată vertical, cotații rapide și un lanț de aprovizionare global care deservește fabricile de hârtie din Marea Britanie, de la Aberdeen până la Kent.

Kemsley Paper Mill, una dintre cele mai mari fabrici de hârtie cu un singur amplasament din Europa, operează mai multe mașini de hârtie care produc hârtie de ziar reciclată și material ondulat pentru lanțul de aprovizionare cu ambalaje din Marea Britanie. În 2023, echipa de inginerie a identificat defecțiuni cronice premature ale cuplajului pachetelor de discuri la acționarea secțiunii de presă a Mașinii 2 - o mașină de carton reciclat de mare viteză care funcționează cu 1.400 m/min. Pachetele de discuri au început să se defecteze în termen de șase până la nouă luni de la înlocuire din cauza fisurării prin oboseală, accelerată de efectul combinat al nealinierii unghiulare la nivelul prizei presei și al încărcării cu șoc în timpul ruperii benzii. Departamentul de inginerie a contactat Ever Power pentru a furniza un cuplaj de tip angrenaj de înlocuire directă, adaptat dimensiunilor existente ale cercului șuruburilor de alezaj și flanșă.

Inginerii de aplicații de la Ever Power au analizat desenele originale de instalare și datele studiului de nealiniere și au propus un sistem de prindere cu dinți încoronați de tip GIICL cuplaj dințat cu etanșări cu dublu labirint și vaselină pentru temperaturi înalte preambalată pentru un interval de service de 6.000 de ore. Unitatea a fost fabricată pentru a se potrivi exact dimensiunilor existente ale alezajului arborelui, canalului de pană și flanșei, astfel încât nu a fost necesară nicio modificare a cutiei de viteze a presei sau a arborelui cilindrului. Livrarea cuplajului finit s-a efectuat în termen de șapte zile lucrătoare, respectând fereastra de oprire planificată disponibilă echipei de ingineri a fabricii Kemsley.

Cuplajul dințat este în funcțiune de peste optsprezece luni fără nicio intervenție de întreținere. Echipa de ingineri raportează zero opriri neplanificate la acționarea secțiunii de presare de la punerea în funcțiune, iar etanșarea cu dublu labirint a menținut integritatea unsorii în ciuda mediului continuu de pulverizare a apei din secțiunea de presare. Economia totală de costuri - luând în considerare costul redus de înlocuire a cuplajului, înlocuirea redusă a rulmenților de pe rola de presare și zero pierderi de producție din cauza opririlor legate de acționare - a fost calculată de echipa de întreținere Kemsley la peste 140.000 de lire sterline numai în primul an de funcționare.