Wie Getriebemotoren für extreme Umgebungsbedingungen ausgelegt werden

Von Miles Budimir | 10. April 2018

Wenn Sie einige einfache Ratschläge zur Konstruktion von Getriebemotoren befolgen, können Sie sicherstellen, dass Ihr Getriebemotor auch unter extremsten Umgebungsbedingungen funktioniert.

Gabriel VenzinPräsidentABM Drives Inc.

Die Entwicklung einer Getriebemotoranwendung ist unter mehr oder weniger „normalen“ Bedingungen schwierig genug, wobei „normal“ hier etwa Raumtemperatur und stabile oder typische Luftfeuchtigkeit und Höhe bedeutet. Wenn Sie diese Anwendung einer extremen Umgebung aussetzen, wird das Design komplizierter. Aber das muss nicht sein. Für alle, die eine Getriebemotoranwendung unter extremen Umgebungsbedingungen entwerfen, gibt es einige Richtlinien, deren Einhaltung dazu beiträgt, dass die Konstruktion erfolgreich ist.

Zunächst die Grundlagen Ein Getriebemotor ist eine Kombination aus einem Untersetzungsgetriebe und einem Elektromotor. Die beiden wichtigsten Faktoren an der Abtriebswelle des Getriebemotors sind Drehzahl und Drehmoment. Ein rechtwinkliges, gerades oder paralleles Wellengetriebe kann mit einem Permanentmagnet-Wechselstrommotor, einem Wechselstrom-Induktionsmotor oder einem bürstenlosen Gleichstrommotor kombiniert werden.

Die hier besprochenen Anwendungen von Getriebemotoren sind keinem Hochdruck-Sprühwasser ausgesetzt, wie etwa in Gefrierschränken, unbeheizten Räumen oder Gehäusen. Sie werden unter anderem in Anwendungen wie Gabelstaplern und Elektrofahrzeugen, Hebetechnik, Baumaschinen, Verpackungsmaschinen sowie Hafenkranaufzügen und Laufkatzen- und Brückenantrieben eingesetzt.

Das Ziel besteht darin, den Getriebemotor jahrzehntelang unter extremen Umgebungsbedingungen mit geringem Wartungsaufwand betreiben zu können, da diese möglicherweise nicht leicht zugänglich sind. Mechanisch gibt es bei einem Getriebemotor für extreme Temperaturen und Höhen kaum Unterschiede; Hauptsächlich geht es um Schmierung, Arbeitszyklen, Überlegungen zum Heizen oder Kühlen und zur Auswahl der Baumaterialien. Diese Tipps können also auch zur Aufrüstung bestehender Systeme genutzt werden.

Zu den typischen Arten von Getriebemotoren, von denen wir sprechen, gehören Hubgetriebemotoren, die Lasten zwischen 3,2 und 40 Tonnen heben. Angetrieben werden sie von einem 2,5 bis 38 kW starken Asynchron-Zylinderläufermotor mit 3-stufigem Parallelwellengetriebe für Hubgeschwindigkeiten von 4 bis 8 m/min bei Trommeldurchmessern von 140 bis 405 mm und 4/1-Einscherung. Es werden typische polumschaltbare Motoren (8/2-polig) verwendet. Variable Geschwindigkeiten werden mit Wechselrichtern für Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen mit extrem langsamem Start und Bremsen programmiert, wodurch Lastschwankungen minimiert werden.

Ein guter Anfang ist die Überprüfung von Daten zu früheren extremen Temperaturbedingungen, unter denen die Anwendung betrieben wird, sowie aller anderen einzigartigen Bedingungen, die für das Design relevant sein könnten. In den folgenden Abschnitten befassen wir uns mit Temperatur, Höhe und Luftfeuchtigkeit sowie der Art und Weise, wie diese Faktoren die Auswahl des Getriebemotors beeinflussen.

Ein 3D-CAD-Modell eines Getriebemotors für extreme Umgebungen von ABM Drives.

Temperatur

Was passiert mit dem Getriebemotor, wenn die Temperatur auf -40 °C sinkt? Von -40 °C (-40 °F) bis +60 °C (+140 °F) dehnt sich ein Meter Sphäroguss um 0,123 mm aus. Das ist der Temperaturbereich, den wir hier abdecken.

Die Höhe ist das andere Extrem, das wir behandeln werden. Für einen Verbrennungsmotor gilt als allgemeine Faustregel ein Leistungsverlust von 3 bis 4 % pro 1.000 Fuß über dem Meeresspiegel. Ein 300-PS-Auto würde also in 10.000 Fuß Höhe 30 bis 40 PS verlieren. Weniger Dichte bedeutet weniger Kompression. Es wird weniger tatsächliche Materie in der Atmosphäre (hauptsächlich Sauerstoff, Stickstoff und Argon) in die Zylinder gesaugt, und daher ist die Kompression geringer. Für einen Getriebemotor bedeutet das weniger Atmosphäre zur Wärmeableitung.

Wie kompensiert man Temperaturextreme? (Ein Standardtemperaturbereich liegt zwischen -20 und +40 °C.) Eine häufige extreme Temperaturschwankung entsteht, wenn ein Gabelstapler von einem Gefrierschrank mit -30 °C zu einer Docktür mit +40 °C fährt. Sowohl bei extrem kalten (-40 °C) als auch bei sehr heißen Bedingungen (+60 °C) müssen Sie Folgendes beachten.

Getriebeöl – Synthetische Schmierstoffe werden verwendet, wenn Mineralöle bei häufigen Starts und Stopps, hohen Lasten, Systemstößen, Betrieb bei niedrigen oder hohen Temperaturen, verlängerten Ölwechselintervallen und verringerter innerer Reibung neben reduzierten Betriebstemperaturen ihre Leistungsgrenze erreicht haben. Sie arbeiten auch bei höheren Temperaturen, ohne an Viskosität zu verlieren, Rückstände zu bilden und Schaumbildung zu verhindern. Erdölprodukte beginnen sich bei +100 °C oder darunter zu zersetzen, während synthetische Kohlenwasserstoffschmierstoffe bis +125 °C gut funktionieren. Kunststoffe bieten auch extreme Vorteile bei niedrigen Temperaturen. Außerdem haben sie einen niedrigeren Dampfdruck als Erdölprodukte, was ein wichtiger Faktor dafür ist, dass das Schmiermittel nicht kaputt geht. Die chemische Homogenität synthetischer Schmierstoffe führt zu einer größeren Tragfähigkeit, höheren Viskositätsindizes, besserer Schmierfähigkeit, größerer Effizienz und längerer Gebrauchstauglichkeit als ihre Gegenstücke auf Erdölbasis.

Wellendichtungen – Wenn der Getriebemotor längere Zeit niedrigen Temperaturen ausgesetzt bleibt, rüsten Sie die Motorwellendichtungen auf NBR-Material (Elastomer) um oder verwenden Sie hochwertiges Fett zur Schmierung der Wellendichtung. Elastomere Materialien bestehen aus einem Polymer, Füllstoff, Verarbeitungshilfsmitteln, Schutzmitteln und Härtungsmitteln. Häufig bestehen Standard-Öldichtungen aus Nitril oder Gummi und sind für Temperaturen bis zu +125 °C ausgelegt. Wenn die Umgebungs- oder Öltemperatur über diesen Wert ansteigt, müssen Sie leistungsstärkere Materialien verwenden.

Motorkühlgebläse – Diese sollten aus Aluminium, GGG (Sphäroguss) oder Spezialkunststoff bestehen.

Getriebemotorsysteme für anspruchsvolle Anwendungen, wie z. B. Kranaufzüge am Hafen, Laufkatzen- und Brückenantriebe, müssen für viele Jahre anspruchsvoller Betriebszyklen ausgelegt sein, die nur minimale Wartung erfordern.

Für einwandfreie Funktion und Einsatz bei Temperaturen von -20° bis -40°C Gehäuse – Lagerschildmaterial von GG (Grauguss) auf GGG (Sphäroguss) umstellen. Sphäroguss besitzt eine hohe Festigkeit, Duktilität und Schlagfestigkeit. Geglühtes Sphäroguss kann ohne Bruch gebogen, verdreht oder verformt werden. Seine Festigkeit, Zähigkeit und Duktilität entsprechen denen vieler Stahlsorten, erfordern jedoch kostengünstige Gussverfahren ähnlich wie Grauguss. Gewöhnlicher Grauguss weist ein zufälliges Lamellengraphitmuster auf. Kugelgraphitguss enthält einige Hundertstel Prozent Magnesium oder Cer in seiner Formel, wodurch sich der Graphit in kleinen kugelförmigen „Knötchen“ und nicht in Flocken bildet. Sie verursachen weniger Diskontinuitäten in der Metallstruktur und sorgen so für ein stärkeres, „duktileres“ Eisen. Sie können auch Aluminium verwenden, wenn die zulässige Belastung nicht überschritten wird.

Rotorwelle – Wechseln Sie das Material von 1045-Stahl zu legiertem Stahl, z. B. 42CrMo4 oder ähnlichem. 1045 ist ein Kohlenstoffstahl mit geringer Härtbarkeit und einem typischen mittleren Zugfestigkeitsbereich von 570 bis 700 MPa oder einem Brinell-Härtebereich von 170 bis 210. Er zeichnet sich durch recht gute Festigkeits- und Schlageigenschaften aus. 42CrMo4 Alloy Steel ist ein Chrom-Molybdän-Stahl mit hoher Festigkeit und Härtbarkeit. Es verfügt über eine hohe Dauerfestigkeit und eine gute Schlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen.

Motorheizung – Dies kann ein Heizmantel, Motorheizbänder sein oder die Wicklung könnte mit Strom versorgt werden, um eine bestimmte Temperatur aufrechtzuerhalten (dies wird auch verwendet, um Feuchtigkeitsansammlungen in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit zu verhindern). Externe Heizmäntel, Abdeckungen oder Gehäuse werden häufig von Kranbauern eingebaut, da diese auch das Getriebe und andere Komponenten schützen müssen.

Anschlusskästen – Wechseln Sie von Kunststoff zu Aluminium

Lüfterhaube – Wechsel von der Kunststoff- zur Blechversion

Bremsendesign – Vollständig geschlossenes statt offenes Design

Herabsetzung des Drehmoments – Es könnte sogar notwendig sein, das maximal zulässige Getriebedrehmoment herabzusetzen oder ein größeres Getriebe zu verwenden.

Für einwandfreie Funktion und Einsatz bei Temperaturen von +40° bis +60° CBeachten Sie, dass darüber liegende Temperaturen im Einzelfall geprüft werden müssen und nicht durch den einfachen Austausch bestimmter Komponenten abgedeckt werden können.

Wenn der Getriebemotor in einem Gehäuse in der Nähe von Verbrennungsmotoren oder anderen Systemen montiert wird, die Wärme erzeugen oder direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, sind interne Motorkomponenten erforderlich, die höhere Temperaturwerte aufweisen. Hohe Umgebungstemperaturen können sich auch negativ auf das Motordrehmoment auswirken und direkte Sonneneinstrahlung beeinträchtigt die Dichtungskomponenten.

Anschlussdose – Wechseln Sie von Kunststoff zu Aluminium

Lüfterhaube – Wechsel von der Kunststoff- zur Blechversion

Höhe

Für einwandfreie Funktion und Einsatz in großen Höhen Mit zunehmender Höhe nimmt die Wärmeableitung an der Oberfläche von Motoren und Getrieben ab. Die thermische Leistung wird durch dünnere Luft reduziert. Die typische Nennaufstellhöhe beträgt maximal 1.000 m über NN. Für größere Höhen sollten Sie Folgendes beachten.

Überprüfen Sie den tatsächlichen Arbeitszyklus Ihrer Anwendung und fragen Sie sich, ob hier wirklich ein Dauerbetriebsmotor erforderlich ist. Wenn sich herausstellt, dass die Anwendung die gleiche Einschaltdauer erfordert wie die Nennleistung eines Motors auf 1.000 m über dem Meeresspiegel, können Sie einen größeren Motor installieren oder eine Zwangsluftkühlung hinzufügen, um die verringerte Kühlleistung durch die dünnere Luft auszugleichen. In vielen Fällen ist es sinnvoll, mögliche Optionen mit dem Motorenhersteller zu besprechen.

Ein Wort zu den Arbeitszyklen Arbeitszyklen wirken sich nicht nur auf die Motorleistungsbewertung aus, z. B. liefert ein S1-Motor mit kontinuierlichem Arbeitszyklus eine höhere Leistung, wenn er mit einem intermittierenden Arbeitszyklus S3 verwendet wird, sondern insbesondere auch bei Getrieben, die in außergewöhnlichen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen es zu Drehmomentspitzen und Systemstößen kommt möglich. In solchen Situationen ist es wichtig, sorgfältig zu bestimmen, welcher Arbeitszyklus und welche Spitzen/Stöße in einem bestimmten Zeitraum auftreten, damit das Ingenieurteam des Motor-/Getriebe-OEMs ein geeignetes Antriebssystem auswählen und empfehlen kann. Auch wenn die Anwendung keine hohen Anforderungen an Nenndrehmoment und Arbeitszyklus stellt, könnten andere Betriebsfaktoren dazu führen, dass ein viel größerer und stärkerer Getriebemotor erforderlich sein muss, um eine zufriedenstellende Lebensdauer zu gewährleisten. Und als letztes Wort: Informieren Sie immer den OEM des Motors, wenn Ihre Anwendung unter extremen Umgebungsbedingungen eingesetzt wird – dies kann bahnbrechend sein.

Weitere Informationen zu empfohlenen Betriebsdauern für verschiedene Anwendungen wurden von der American Gear Manufacturers Association (AGMA) veröffentlicht. Diese Einschaltdauerempfehlungen wurden auf der Grundlage der Erfahrungen vieler Getriebemotorenhersteller ermittelt. Der AGMA-Standard 6009 listet viele Anwendungen nach Serviceklassen auf (I (1 bis 1,39), II (1,40 bis 1,99), III (2 und höher)), wobei Klasse I die einfachste Anwendung und Klasse III die schwierigste ist. Typischerweise berücksichtigt der Gesamtarbeitszyklus für eine Anwendung die Umgebungstemperatur, die Zyklusdauer, die Massenbeschleunigung, die Betriebszeit und die Zyklen pro Stunde.

Pitch-Antriebe für Windkraftanlagen sind für einen jahrzehntelangen Dauerbetrieb ausgelegt, erfordern nur minimale Wartung und müssen höchste Anforderungen an Zuverlässigkeit und Haltbarkeit erfüllen.

So bestimmen Sie den Arbeitszyklus Zunächst müssen Sie ein Zielleben festlegen. Nicht die Kalenderzeit, sondern die Betriebszeit. Sie müssen den Arbeitszyklus der Anwendung während des Betriebs und die Anzahl der Stunden, die die Maschine tagsüber in Betrieb ist, kennen.

Als Beispiel; Ein Getriebemotor treibt ein Förderband in kurzen Stößen von jeweils 2 Minuten an, mit jeweils 2 Minuten Pause, bevor es sich in zwei 10-Stunden-Schichten an fünf Tagen in der Woche immer wieder wiederholt. Sie benötigen einen störungsfreien Betrieb von mindestens fünf Jahren oder 13.000 Stunden.

Die Lebensdauer beträgt nominal 25.000 Stunden mit einem Servicefaktor von 1,0, basierend auf einem AGMA-Standard. 25.000 Stunden sind ein Nominalwert, 50 % halten also nicht so lange. Verwenden Sie L10-Lebensdauerbewertungen, was bedeutet, dass 10 % der Getriebe, die unter dieser Last betrieben werden, voraussichtlich vor Ablauf der L10-Lebensdauer ausfallen und 90 % voraussichtlich länger halten. Ein Getriebe mit einer nominellen Lebensdauer von 25.000 Stunden hätte also eine L10-Lebensdauer von 5.000 Stunden. Gemäß den AGMA-Richtlinien sollte ein Förderer, der nicht mehr als 10 Stunden am Tag gleichmäßig beschickt und betrieben wird, einen Betriebsfaktor von 1,50 haben. Eine ähnliche Berechnung muss für den Motor durchgeführt werden.

Feuchtigkeit Das gebräuchlichste System zur Klassifizierung der Einbruch- und Wasserbeständigkeit eines Produkts ist die IP-Einstufung, die von der International Electrotechnical Commission (IEC) veröffentlicht wird. (IP steht für International Protection, wird aber manchmal auch als Ingress Protection bezeichnet.) Heutzutage erfüllen Wechselstrom-Induktions- und Permanentmagnet-Wechselstrommotoren typischerweise die Schutzklassen IP54 oder 55 und können mit bestimmten Schritten sogar die Anforderungen von IP65 oder 67 erfüllen. Daher bieten die IP-Schutzarten keinen ausreichenden Schutz für Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und es sind andere Maßnahmen zum Schutz des Getriebemotors erforderlich. Um Korrosion vorzubeugen, schützen Sie alle blanken Metalloberflächen. Auch Motorbleche sollten lackiert werden. Verwenden Sie für Ihre Wicklung eine kontinuierliche Niederspannungs- und Niederstromversorgung, um Kondensation zu verhindern, wenn der Motor nicht verwendet wird. Bei Bremsen müssen alle Verschleißflächen aus Edelstahl sein und manchmal ist eine vollständig geschlossene Außenbremse die beste Lösung.

Feedback und Verbesserung Die Lebenszykluskostenanalyse ist ein Managementtool, das Unternehmen dabei helfen kann, Abfall zu minimieren und die Energieeffizienz für viele Arten von Systemen zu maximieren. Ein vollständiges Verständnis aller Faktoren, die die Gesamtkosten eines Systems während seiner gesamten Lebensdauer ausmachen, bietet die Möglichkeit, Energie-, Betriebs- und Wartungskosten zu senken.

Analysieren Sie jedes Element des Lebenszyklus und ermitteln Sie einen realistischen Wert für die Berechnung der Gesamtlebenskosten, einschließlich des Kaufpreises. Installations- und Inbetriebnahmekosten (einschließlich Schulung); Energiekosten; Betriebskosten; Wartungs- und Reparaturkosten; Ausfallkosten; Umweltkosten (Entsorgung kontaminierender Flüssigkeiten und kontaminierter Altteile, wie z. B. Dichtungen); und Stilllegungs-/Entsorgungskosten (einschließlich Wiederherstellung der örtlichen Umwelt und Hilfsdienste).

Zusätzlich zur Unterstützung einer Entwurfsentscheidung kann die LCC-Analyse verwendet werden, um Änderungen in Umfang, Zeitplan oder Anwendung widerzuspiegeln. Der Prozess kann zu einem wertvollen Instrument zur kontinuierlichen Verbesserung werden.

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