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Jul 08, 2023

Cómo diseñar motorreductores para condiciones ambientales extremas

Por Miles Budimir | 10 de abril de 2018 Seguir algunos consejos sencillos sobre el diseño de motorreductores le ayudará a garantizar que su motorreductor funcione en los entornos más extremos. Gabriel Venzin Presidente ABM Drives

Por Miles Budimir | 10 de abril de 2018

Seguir algunos consejos sencillos sobre el diseño de motorreductores le ayudará a garantizar que su motorreductor funcione en los entornos más extremos.

Gabriel VenzinPresidenteABM Drives Inc.

Diseñar una aplicación de motorreductor es bastante difícil en condiciones más o menos “normales”, aquí normal significa algo como temperatura ambiente y humedad y altitud estables o típicas. Lanza esa aplicación a un entorno extremo y el diseño se vuelve más complicado. Pero no tiene por qué ser así. Para cualquiera que diseñe una aplicación de motorreductor en condiciones ambientales extremas, existen algunas pautas que, si se siguen, ayudarán a garantizar que el diseño sea exitoso.

Primero, lo básico. Un motorreductor es una combinación de un reductor de engranajes y un motor eléctrico. Los dos factores más importantes en el eje de salida del motorreductor son sus rpm y su par. Una caja de engranajes de eje recto, recto o paralelo se puede combinar con un motor de CA de imán permanente, de inducción de CA o de CC sin escobillas.

Las aplicaciones de motorreductores que se analizan aquí no están expuestas a rociadores de agua a alta presión, como en congeladores, instalaciones o recintos sin calefacción. Se utilizan en aplicaciones como carretillas elevadoras y vehículos eléctricos, tecnología de elevación, equipos de construcción, maquinaria de embalaje, así como polipastos de grúas en muelles y accionamientos de carros y puentes, entre otros.

El objetivo es que el motorreductor funcione durante décadas de exposición a condiciones ambientales extremas con poco mantenimiento porque es posible que no sean de fácil acceso. No hay mucha diferencia mecánica en un motorreductor para temperaturas y altitudes extremas; principalmente es lubricación, ciclos de trabajo, consideraciones de calefacción o refrigeración y selección de materiales de construcción. Por lo tanto, estos consejos también se pueden utilizar para actualizar los sistemas existentes.

Los tipos típicos de motorreductores de los que estamos hablando incluyen motorreductores con accionamiento de polipasto, que levantan cargas entre 3,2 y 40 toneladas métricas. Están propulsados ​​por un motor asíncrono de rotor cilíndrico de 2,5 a 38 kW con reductores de eje paralelo de 3 etapas para velocidades de elevación de 4 a 8 m/min con diámetros de tambor de 140 a 405 mm y enhebrado 4/1. Se utilizan motores típicos de conmutación de polos (8/2 polos). Las velocidades variables se programan con inversores para rampas de aceleración y desaceleración con arranque y frenado extremadamente lentos que minimizan las oscilaciones de carga.

Un buen comienzo es revisar los datos sobre las condiciones pasadas de temperatura extrema en las que funcionará la aplicación y cualquier otra condición única que pueda ser relevante para el diseño. En las siguientes secciones cubriremos la temperatura, la altitud y la humedad y la forma en que estos factores influyen en la selección del motorreductor.

Un modelo CAD en 3D de un motorreductor para entornos extremos de ABM Drives.

Temperatura

¿Qué le sucede al motorreductor cuando la temperatura baja a -40 C? De -40˚ C (-40˚ F) a +60˚ C (+140˚ F), un metro de hierro dúctil se expande 0,123 mm. Ese es el rango de temperatura que cubriremos aquí.

La altitud es el otro extremo que cubriremos. Para un motor de combustión interna, la regla general es una pérdida de potencia del 3 al 4% por cada 1000 pies sobre el nivel del mar. Así, un coche de 300 caballos de fuerza a 10.000 pies perdería entre 30 y 40 caballos de fuerza. Menos densidad significa menos compresión. Los cilindros introducen menos materia real en la atmósfera (principalmente oxígeno, nitrógeno y argón) y, por lo tanto, la compresión es menor. Para un motorreductor, eso significa menos atmósfera para disipar el calor.

¿Cómo compensar las temperaturas extremas? (Un rango de temperatura estándar es de -20 a +40° C.) Un cambio de temperatura extremo común es cuando un montacargas se mueve desde un congelador de -30° C a una puerta de muelle de +40° C. Tanto para condiciones extremadamente frías (-40˚ C) como muy calientes (+60˚ C), deberá abordar lo siguiente.

Aceite para cajas de cambios: los lubricantes sintéticos se utilizan cuando los aceites minerales han alcanzado su límite de rendimiento para arranques y paradas frecuentes, cargas elevadas, impactos del sistema, servicio a baja o alta temperatura, requisitos de intervalos de servicio de aceite extendidos y fricción interna reducida además de temperaturas de funcionamiento reducidas. También operan a temperaturas más altas sin perder viscosidad, formando residuos y ofreciendo resistencia a la formación de espuma. Los productos derivados del petróleo comienzan a degradarse a +100°C o menos, mientras que los lubricantes de hidrocarburos sintéticos funcionan bien hasta +125°C. Los sintéticos también ofrecen ventajas extremas a bajas temperaturas. También tienen presiones de vapor más bajas que los productos derivados del petróleo, un factor importante para garantizar que el lubricante no se descomponga. La homogeneidad química de los lubricantes sintéticos da como resultado una mayor capacidad de carga, índices de viscosidad más altos, mejor lubricidad, mayor eficiencia y mayor capacidad de servicio que sus contrapartes a base de petróleo.

Sellos del eje: si el motorreductor permanece a bajas temperaturas durante períodos prolongados, actualice los sellos del eje del motor a material NBR (elastomérico) o use grasa de alta calidad para la lubricación del sello del eje. Los materiales elastoméricos están compuestos de un polímero, un relleno, un coadyuvante de procesamiento, protectores y agentes de curado. Muchas veces los sellos de aceite estándar están hechos de nitrilo o caucho y están clasificados para temperaturas de hasta +125˚ C. Si la temperatura ambiente o del aceite supera este nivel, tendrá que utilizar materiales de mayor rendimiento.

Ventiladores de refrigeración del motor – Deben ser de aluminio, GGG (hierro nodular) o material plástico especial.

Los sistemas de motorreductores para aplicaciones exigentes, como polipastos de grúas en muelles, accionamientos de troles y puentes, deben diseñarse para muchos años de ciclos de trabajo severos que exigen un mantenimiento mínimo.

Para un funcionamiento y uso adecuados en temperaturas de -20° a -40°C Carcasas: cambie el material del escudo terminal de GG (hierro fundido gris) a GGG (hierro nodular). El hierro dúctil nodular posee alta resistencia, ductilidad y resistencia a los golpes. El hierro dúctil nodular recocido se puede doblar, torcer o deformar sin fracturarse. Su resistencia, tenacidad y ductilidad duplican muchos grados de acero, pero tienen procedimientos de fundición de bajo costo similares a los del hierro fundido gris. El hierro fundido gris común tiene un patrón de grafito en escamas aleatorio. El hierro dúctil nodular tiene unas centésimas de porcentaje de magnesio o cerio en su fórmula, lo que hace que el grafito se forme en pequeños “nódulos” esferoides en lugar de escamas. Provocan menos discontinuidades en la estructura del metal para obtener un hierro más fuerte y “dúctil”. También puede utilizar aluminio si no se excede la tensión permitida.

Eje del rotor: cambie el material de acero 1045 a acero aleado, por ejemplo, 42CrMo4 o similar. 1045 es un acero al carbono de baja templabilidad con un rango típico de resistencia a la tracción media de 570 a 700 Mpa o un rango de dureza Brinell de 170 a 210. Se caracteriza por tener propiedades de resistencia y impacto bastante buenas. El acero de aleación 42CrMo4 es acero al cromo-molibdeno con alta resistencia y templabilidad. Tiene alta resistencia a la fatiga y buena tenacidad al impacto a baja temperatura.

Calefacción del motor: podría ser una camisa calefactora, bandas calefactoras del motor o el devanado podría funcionar para mantener una determinada temperatura (esto también se utiliza para evitar la acumulación de humedad en ambientes de alta humedad). Los fabricantes de grúas suelen instalar camisas, cubiertas o carcasas calefactoras externas porque también necesitan proteger la caja de cambios y otros componentes.

Cajas de conexiones: cambie de plástico a aluminio

Cubierta del ventilador: cambie de la versión de plástico a la de chapa de metal

Diseño de frenos: diseño completamente cerrado en lugar de abierto

Reducción del par: incluso podría ser necesario reducir el par máximo aceptable de la caja de cambios o utilizar una caja de cambios más grande.

Para un correcto funcionamiento y uso en temperaturas de +40° a +60° CTenga en cuenta que las temperaturas superiores a esta deben revisarse caso por caso y no pueden cubrirse simplemente cambiando ciertos componentes.

Si el motorreductor se monta dentro de un gabinete cerca de motores de combustión u otros sistemas que generan calor o están expuestos a la luz solar directa, requerirá componentes internos del motor que tengan clasificaciones de temperatura más altas. Las altas temperaturas ambiente también pueden afectar negativamente el par del motor y la luz solar directa degradará los componentes del sellado.

Caja de conexiones: cambie de plástico a aluminio

Cubierta del ventilador: cambie de la versión de plástico a la de chapa de metal

Altitud

Para un funcionamiento y uso adecuados en altitudes elevadas La disipación de calor en la superficie de motores y reductores disminuye con la altitud. El rendimiento térmico se reduce debido al aire más fino. La altitud de instalación nominal habitual es de un máximo de 1.000 m sobre el nivel del mar. Para altitudes más altas, debe considerar lo siguiente.

Verifique el ciclo de trabajo real de su aplicación y pregúntese: ¿realmente se necesita un motor de servicio continuo aquí? Si resulta que la aplicación requiere el mismo ciclo de trabajo que la clasificación de un motor a 1000 m sobre el nivel del mar, puede instalar un motor más grande o agregar refrigeración por aire forzado para compensar la capacidad de refrigeración reducida proporcionada por el aire más fino. En muchos casos, tiene sentido discutir posibles opciones con el OEM del motor.

Unas palabras sobre los ciclos de trabajo Los ciclos de trabajo no solo afectan la clasificación de rendimiento del motor, por ejemplo, un motor con ciclo de trabajo continuo S1 proporcionará una mayor potencia si se usa en un ciclo de trabajo intermitente S3, pero también especialmente para cajas de engranajes utilizadas en aplicaciones extraordinarias donde los picos de torque y los impactos del sistema son posible. Para tales situaciones, es fundamental determinar cuidadosamente qué ciclo de trabajo y qué picos/impactos se experimentan durante un período de tiempo específico para que el equipo de ingeniería del OEM del motor/caja de cambios pueda seleccionar y recomendar un sistema de transmisión adecuado. Por lo tanto, incluso si la aplicación no tiene un alto par nominal y requisitos de ciclo de trabajo, otros factores operativos podrían resultar en la necesidad de un motorreductor mucho más grande y más resistente para asegurar una vida útil satisfactoria. Y como última palabra, informe siempre al OEM del motor si su aplicación se utiliza en condiciones ambientales extremas; esto puede cambiar las reglas del juego.

La Asociación Estadounidense de Fabricantes de Engranajes (AGMA) ha publicado más información sobre las vidas útiles recomendadas para diferentes aplicaciones. Estas recomendaciones de ciclos de trabajo se han determinado a partir de la experiencia de muchos fabricantes de motorreductores. El estándar AGMA 6009 enumera muchas aplicaciones por clase de servicio (I (1 a 1,39), II (1,40 a 1,99), III (2 y superiores)), siendo la clase I las aplicaciones más simples y la clase III la más difícil. Normalmente, el ciclo de trabajo total para una aplicación tendrá en cuenta la temperatura ambiente, la duración del ciclo, la aceleración de masa, el tiempo de funcionamiento y los ciclos por hora.

Los variadores de paso de turbinas eólicas están diseñados para décadas de ciclo de trabajo continuo que exigen un mantenimiento mínimo y deben satisfacer los requisitos más estrictos de confiabilidad y durabilidad.

Cómo determinar el ciclo de trabajo Primero, necesitas establecer una vida objetivo. No la hora del calendario, sino el tiempo de funcionamiento. Necesita conocer el ciclo de trabajo de la aplicación durante la operación y la cantidad de horas que la máquina opera durante el día.

Como ejemplo; un motorreductor acciona un transportador en ráfagas cortas, de 2 minutos a la vez, con 2 minutos de descanso antes de repetirlo, una y otra vez, durante dos turnos de 10 horas, cinco días a la semana. Necesita que funcione sin problemas durante al menos cinco años o 13.000 horas.

La vida útil es de 25.000 horas nominales con un factor de servicio de 1,0, según un estándar AGMA. 25.000 horas es una cifra nominal, por lo que el 50% no durará tanto. Utilice clasificaciones de vida útil L10, lo que significa que se espera que el 10% de las cajas de engranajes operadas con esa carga fallen antes de la vida útil L10, y se espera que el 90% dure más. Así, una caja de cambios con una vida nominal de 25.000 horas tendría una vida útil L10 de 5.000 horas. Según las pautas de AGMA, un transportador que no se alimenta uniformemente y no funciona más de 10 horas al día debe tener un factor de servicio de 1,50. Será necesario realizar un cálculo similar para el motor.

Humedad El sistema más común utilizado para clasificar la compatibilidad con intrusiones y resistencia al agua de un producto es la clasificación IP, publicada por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC). (IP significa Protección Internacional, pero a veces se lo conoce como Protección de Ingreso). Hoy en día, los motores de CA de inducción de CA y de imán permanente generalmente cumplen con las clases de protección IP54 o 55 y, con ciertos pasos, pueden incluso satisfacer las demandas de IP65 o 67. Por lo tanto, las clasificaciones IP no brindan protección adecuada para ambientes de alta humedad y son necesarias otras medidas para proteger el motorreductor. Para evitar la corrosión, proteja todas las superficies metálicas descubiertas. Además, se deben pintar las laminaciones del motor. Utilice una fuente de alimentación continua de bajo voltaje y corriente para su devanado para evitar la condensación cuando el motor no esté en uso. Para los frenos, todas las superficies de desgaste deben ser de acero inoxidable y, a veces, la mejor solución es un freno exterior completamente cerrado.

Comentarios y mejora El análisis del costo del ciclo de vida es una herramienta de gestión que puede ayudar a las empresas a minimizar el desperdicio y maximizar la eficiencia energética para muchos tipos de sistemas. Una comprensión completa de todo lo que constituye el costo total de un sistema a lo largo de su vida útil brinda la oportunidad de reducir los costos de energía, operación y mantenimiento.

Analizar cada elemento del ciclo de vida y determinar un valor realista para utilizarlo en el cálculo del costo total de vida, incluido el precio de compra; costo de instalación y puesta en servicio (incluida la capacitación); los costos de energía; costos de operación; costos de mantenimiento y reparación; costos de tiempo de inactividad; costos ambientales (eliminación de líquidos contaminantes y piezas usadas contaminadas, como sellos); y costos de desmantelamiento/eliminación (incluida la restauración del medio ambiente local y los servicios auxiliares).

Además de respaldar una decisión de diseño, el análisis LCC se puede utilizar para reflejar cambios en el alcance, el cronograma o la aplicación. El proceso puede convertirse en una valiosa herramienta para la mejora continua.

ABM Drives, Inc.www.abm-drives.com