如何設計極端環境條件下的減速機
發布于：2020-12-15 14:34:49 點擊量：
遵循一些有關減速機設計的簡單建議，將有助于確保減速機在最極端的環境中工作。
在或多或少的“正常”條件下設計齒輪減速機的應用已經足夠困難，這里的“正常”意味著諸如室溫，穩定或典型的濕度和海拔高度之類的東西。將應用程序扔到極端環境中，設計會變得更加復雜。但這不是必須的。對于在極端環境條件下設計齒輪減速機應用的任何人，都有一些指導原則可以幫助確保設計成功。
齒輪減速電機是齒輪減速器和電動機的組合。齒輪電機輸出軸上的兩個最重要的因素是轉速和扭矩。直角，直軸或平行軸齒輪箱可與永磁交流，交流感應或無刷直流電動機組合使用。
用于極端環境的齒輪馬達3D CAD模型 此處討論的齒輪電機應用不會暴露在高壓水噴霧中，例如在冰柜，未加熱的設備或外殼中。它們被用于叉車和電動汽車，起重技術，建筑設備，包裝機械以及碼頭吊車，手推車和橋梁驅動器等應用中。
目標是使齒輪減速機在數十年的極端環境條件下運行，且維護成本低，因為它們可能不易接近。齒輪箱電機在極端溫度和海拔高度上的機械差異不大；主要是潤滑，占空比，加熱或冷卻注意事項以及建筑材料的選擇。因此，這些技巧也可以用于升級現有系統。
我們正在談論的典型齒輪減速機包括提升驅動齒輪減速機，其提升負載在3.2至40公噸之間。它們由2.5到38 kW的異步圓柱轉子電動機提供動力，帶有3級平行軸變速箱，在鼓直徑140至405 mm和4/1倒角時，提升速度為4至8 m / min。使用典型的極開關電動機（8/2極）。使用變頻器對變速進行編程，以實現極慢的啟動和制動速度來加速和減速斜坡，從而最大程度地減少負載擺動。
一個好的開始是檢查應用程序將在其中運行的過去極端溫度條件下的數據以及可能與設計有關的任何其他獨特條件。在以下各節中，我們將介紹溫度，高度和濕度以及這些因素影響齒輪馬達選擇的方式。
當溫度降至-40 C時，減速機會怎樣？
從-40?C（-40?F）到+60?C（+140?F），一米球墨鑄鐵會膨脹0.123毫米。這就是我們將在此處涵蓋的溫度范圍。
海拔高度是我們要探討的另一個極端。對于內燃機，一般的經驗法則是，每海拔1000英尺，功率損失為3-4％。因此，一輛10,000英尺的300 hp的汽車將損失30至40 hp。密度越小意味著壓縮越少。較少的大氣中實際物質（主要是氧氣，氮氣和氬氣）被吸入氣缸，因此壓縮較小。對于齒輪減速機，這意味著更少的環境可以散熱。
如何補償極端溫度？ （標準溫度范圍是-20至+ 40°C。）
常見的極端溫度波動是當叉車從-30?C的冰柜移至+40°C的塢門時。對于從極冷（-40°C）到非常熱（+ 60°C）的情況，您都需要解決以下問題。
減速機油–當礦物油達到其性能極限時（通常的啟動和停止，高負荷，系統沖擊，低溫或高溫使用，延長的油使用間隔要求以及降低的工作溫度而減少的內部摩擦），則使用合成潤滑油。它們還可以在更高的溫度下運行而不會損失粘度，形成殘留物并提供抗泡沫性。石油產品在+ 100°C或低于+ 100°C時開始降解，而合成烴潤滑劑在+ 125°C時性能良好。合成材料還具有極端的低溫優勢。它們的蒸氣壓也比石油產品低，這是確保潤滑劑不會分解的重要因素。合成潤滑劑的化學均質性使其比石油基同類產品具有更高的承載能力，更高的粘度指數，更好的潤滑性，更高的效率和更長的使用壽命。
軸封–如果減速機長時間保持低溫，則將電動機軸封升級為彈性體材料，或使用高級潤滑脂進行軸封潤滑。彈性材料由聚合物，填料，加工助劑，保護劑和固化劑組成。標準油封通常由丁腈或橡膠制成，額定溫度最高為+125?C。如果環境溫度或油溫超過此水平，則必須使用性能更高的材料。
電機冷卻風扇–這些風扇應由鋁，GGG（球墨鑄鐵）或特殊的塑料制成。
外殼–將端蓋材料從GG（灰鑄鐵）切換到GGG（球墨鑄鐵）。球墨鑄鐵具有高強度，延展性和抗沖擊性。退火球墨鑄鐵可以彎曲，扭曲或變形而不會破裂。它的強度，韌性和延展性可復制許多等級的鋼，但具有類似于灰口鑄鐵的低成本鑄造工藝。普通灰口鑄鐵具有隨機的片狀石墨圖案。球墨鑄鐵的分子式中鎂或鈰的百分比為百分之幾，導致石墨形成小的球形“小結節”而不是薄片。它們使金屬結構的不連續性減少，從而使鐵更堅固，更具韌性。如果不超過允許的應力，您也可以使用鋁。
轉子軸–將材料從1045鋼切換為合金鋼，例如42CrMo4或類似材料。 1045是一種低淬透性碳鋼，典型的中等抗拉強度范圍為570至700 Mpa，布氏硬度為170至210。它的特點是強度和沖擊性能都很好。 42CrMo4合金鋼是具有高強度和淬透性的鉻鉬鋼。它具有較高的疲勞強度和良好的低溫沖擊韌性。
電機加熱–可以是加熱器外套，電機加熱帶，也可以為繞組供電以保持一定的溫度（這也可以防止濕氣在高濕度環境中積聚）。廠家通常會安裝外部加熱夾套，蓋子或外殼，因為它們還需要保護減速機和其他組件。
接線盒–從塑料切換到鋁
風扇罩–從塑料版本切換到鈑金版本
剎車設計–完全封閉而不是開放式設計
降低扭矩–甚至可能需要降低齒輪箱可接受的最大扭矩或使用更大的齒輪箱。
為了正常工作并在+ 40°至+ 60°C的溫度下使用
請注意，高于此的溫度必須根據具體情況進行檢查，不能僅通過更改某些組件來解決。
如果將減速機安裝在靠近內燃機或其他產生熱量或暴露在直射陽光下的系統中的機殼內，則將需要具有更高額定溫度的電機內部組件。較高的環境溫度還會對電動機扭矩產生負面影響，直射的陽光會降低密封組件的性能。
接線盒–從塑料切換到鋁
風扇罩–從塑料版本切換到鈑金版本
為了正常運行并在高海拔地區使用
電動機和減速機表面的散熱量隨高度的增加而降低。由于空氣稀薄，熱性能降低。通常，額定安裝高度最高為海拔1000 m。對于更高的海拔，應考慮以下事項。
驗證您的應用程序的實際占空比，并問自己在這里真的需要連續工作的電動機嗎？如果事實證明該應用需要與海拔1000 m處的電動機額定值相同的占空比，則可以安裝更大的電動機或增加強制空氣冷卻以補償稀薄空氣提供的減小的冷卻能力。在許多情況下，與電機OEM商討可能的選擇是有意義的。
關于占空比的一句話
占空比不僅會影響電動機的性能等級，例如，連續占空比S1電動機（如果用于S3間歇占空比）將提供更高的輸出，而且尤其適用于扭矩峰值和系統沖擊非常大的非常規應用中使用的齒輪箱可能。對于此類情況，至關重要的是要仔細確定在特定時間段內經歷了哪些占空比以及哪些峰值/沖擊，以便電機/齒輪箱OEM的工程團隊可以選擇并推薦合適的驅動系統。因此，即使應用中對額定轉矩和占空比的要求不高，其他操作因素也可能導致需要更大，更堅固的齒輪減速機來確保令人滿意的使用壽命。最后，如果在極端環境條件下使用您的應用程序，請始終告知電機OEM-這可能會改變游戲規則。
國際減速機制造商協會已發布了針對不同應用的建議使用壽命的更多信息。這些占空比建議是根據許多齒輪電機制造商的經驗確定的。按服務等級（I（1至1.39），II（1.40至1.99），III（2及更高））列出了許多應用程序，其中I類是最簡單的應用程序，III類是最難的應用程序。 通常，應用的總占空比將考慮環境溫度，循環持續時間，質量加速度，工作時間和每小時循環數。
如何確定占空比
舉個例子;齒輪減速機一次短促地驅動傳送帶，一次2分鐘，然后關閉2分鐘，然后一周兩次，每天兩次，每次10個小時，一次又一次重復。您需要它運行至少五年或13,000小時，而無故障。
根據國際減速機標準，使用壽命為25,000小時，標稱使用壽命為1.0。 25,000小時是正常數字，因此50％不會持續那么長時間。使用L10壽命等級，這意味著在該負載下運行的齒輪箱中有10％會在L10壽命之前失效，而90％的壽命會更長。因此，標稱壽命為25,000小時的變速箱的L10壽命為5,000小時。根據國際減速機標準指南，輸送機如果每天進給量和操作時間超過10小時，則服務系數應為1.50。將需要對電動機進行類似的計算。
濕度
用于對產品的入侵和防水兼容性進行分類的最常見的系統是IP等級，該等級是由國際電工委員會（IEC）發布的。 （IP代表國際保護，但有時也稱為入口保護。）如今，交流感應和永磁交流電動機通常滿足IP54或55防護等級，并且通過某些步驟甚至可以滿足IP65或67的要求。因此，IP等級不能為高濕度環境提供適當的保護，因此需要采取其他步驟來保護齒輪減速機。為防止腐蝕，請保護所有裸露的金屬表面。另外，應涂漆電機疊片。在不使用電動機時，請為繞組使用連續的低壓電流電源，以防止凝結。對于制動器，所有磨損表面必須為不銹鋼，有時最好是完全封閉的戶外制動器。
在或多或少的“正常”條件下設計齒輪減速機的應用已經足夠困難，這里的“正常”意味著諸如室溫，穩定或典型的濕度和海拔高度之類的東西。將應用程序扔到極端環境中，設計會變得更加復雜。但這不是必須的。對于在極端環境條件下設計齒輪減速機應用的任何人，都有一些指導原則可以幫助確保設計成功。
齒輪減速電機是齒輪減速器和電動機的組合。齒輪電機輸出軸上的兩個最重要的因素是轉速和扭矩。直角，直軸或平行軸齒輪箱可與永磁交流，交流感應或無刷直流電動機組合使用。
用于極端環境的齒輪馬達3D CAD模型
目標是使齒輪減速機在數十年的極端環境條件下運行，且維護成本低，因為它們可能不易接近。齒輪箱電機在極端溫度和海拔高度上的機械差異不大；主要是潤滑，占空比，加熱或冷卻注意事項以及建筑材料的選擇。因此，這些技巧也可以用于升級現有系統。
我們正在談論的典型齒輪減速機包括提升驅動齒輪減速機，其提升負載在3.2至40公噸之間。它們由2.5到38 kW的異步圓柱轉子電動機提供動力，帶有3級平行軸變速箱，在鼓直徑140至405 mm和4/1倒角時，提升速度為4至8 m / min。使用典型的極開關電動機（8/2極）。使用變頻器對變速進行編程，以實現極慢的啟動和制動速度來加速和減速斜坡，從而最大程度地減少負載擺動。
一個好的開始是檢查應用程序將在其中運行的過去極端溫度條件下的數據以及可能與設計有關的任何其他獨特條件。在以下各節中，我們將介紹溫度，高度和濕度以及這些因素影響齒輪馬達選擇的方式。
當溫度降至-40 C時，減速機會怎樣？
從-40?C（-40?F）到+60?C（+140?F），一米球墨鑄鐵會膨脹0.123毫米。這就是我們將在此處涵蓋的溫度范圍。
海拔高度是我們要探討的另一個極端。對于內燃機，一般的經驗法則是，每海拔1000英尺，功率損失為3-4％。因此，一輛10,000英尺的300 hp的汽車將損失30至40 hp。密度越小意味著壓縮越少。較少的大氣中實際物質（主要是氧氣，氮氣和氬氣）被吸入氣缸，因此壓縮較小。對于齒輪減速機，這意味著更少的環境可以散熱。
如何補償極端溫度？ （標準溫度范圍是-20至+ 40°C。）
常見的極端溫度波動是當叉車從-30?C的冰柜移至+40°C的塢門時。對于從極冷（-40°C）到非常熱（+ 60°C）的情況，您都需要解決以下問題。
減速機油–當礦物油達到其性能極限時（通常的啟動和停止，高負荷，系統沖擊，低溫或高溫使用，延長的油使用間隔要求以及降低的工作溫度而減少的內部摩擦），則使用合成潤滑油。它們還可以在更高的溫度下運行而不會損失粘度，形成殘留物并提供抗泡沫性。石油產品在+ 100°C或低于+ 100°C時開始降解，而合成烴潤滑劑在+ 125°C時性能良好。合成材料還具有極端的低溫優勢。它們的蒸氣壓也比石油產品低，這是確保潤滑劑不會分解的重要因素。合成潤滑劑的化學均質性使其比石油基同類產品具有更高的承載能力，更高的粘度指數，更好的潤滑性，更高的效率和更長的使用壽命。
軸封–如果減速機長時間保持低溫，則將電動機軸封升級為彈性體材料，或使用高級潤滑脂進行軸封潤滑。彈性材料由聚合物，填料，加工助劑，保護劑和固化劑組成。標準油封通常由丁腈或橡膠制成，額定溫度最高為+125?C。如果環境溫度或油溫超過此水平，則必須使用性能更高的材料。
電機冷卻風扇–這些風扇應由鋁，GGG（球墨鑄鐵）或特殊的塑料制成。
外殼–將端蓋材料從GG（灰鑄鐵）切換到GGG（球墨鑄鐵）。球墨鑄鐵具有高強度，延展性和抗沖擊性。退火球墨鑄鐵可以彎曲，扭曲或變形而不會破裂。它的強度，韌性和延展性可復制許多等級的鋼，但具有類似于灰口鑄鐵的低成本鑄造工藝。普通灰口鑄鐵具有隨機的片狀石墨圖案。球墨鑄鐵的分子式中鎂或鈰的百分比為百分之幾，導致石墨形成小的球形“小結節”而不是薄片。它們使金屬結構的不連續性減少，從而使鐵更堅固，更具韌性。如果不超過允許的應力，您也可以使用鋁。
轉子軸–將材料從1045鋼切換為合金鋼，例如42CrMo4或類似材料。 1045是一種低淬透性碳鋼，典型的中等抗拉強度范圍為570至700 Mpa，布氏硬度為170至210。它的特點是強度和沖擊性能都很好。 42CrMo4合金鋼是具有高強度和淬透性的鉻鉬鋼。它具有較高的疲勞強度和良好的低溫沖擊韌性。
電機加熱–可以是加熱器外套，電機加熱帶，也可以為繞組供電以保持一定的溫度（這也可以防止濕氣在高濕度環境中積聚）。廠家通常會安裝外部加熱夾套，蓋子或外殼，因為它們還需要保護減速機和其他組件。
接線盒–從塑料切換到鋁
風扇罩–從塑料版本切換到鈑金版本
剎車設計–完全封閉而不是開放式設計
降低扭矩–甚至可能需要降低齒輪箱可接受的最大扭矩或使用更大的齒輪箱。
為了正常工作并在+ 40°至+ 60°C的溫度下使用
請注意，高于此的溫度必須根據具體情況進行檢查，不能僅通過更改某些組件來解決。
如果將減速機安裝在靠近內燃機或其他產生熱量或暴露在直射陽光下的系統中的機殼內，則將需要具有更高額定溫度的電機內部組件。較高的環境溫度還會對電動機扭矩產生負面影響，直射的陽光會降低密封組件的性能。
接線盒–從塑料切換到鋁
風扇罩–從塑料版本切換到鈑金版本
為了正常運行并在高海拔地區使用
電動機和減速機表面的散熱量隨高度的增加而降低。由于空氣稀薄，熱性能降低。通常，額定安裝高度最高為海拔1000 m。對于更高的海拔，應考慮以下事項。
驗證您的應用程序的實際占空比，并問自己在這里真的需要連續工作的電動機嗎？如果事實證明該應用需要與海拔1000 m處的電動機額定值相同的占空比，則可以安裝更大的電動機或增加強制空氣冷卻以補償稀薄空氣提供的減小的冷卻能力。在許多情況下，與電機OEM商討可能的選擇是有意義的。
關于占空比的一句話
占空比不僅會影響電動機的性能等級，例如，連續占空比S1電動機（如果用于S3間歇占空比）將提供更高的輸出，而且尤其適用于扭矩峰值和系統沖擊非常大的非常規應用中使用的齒輪箱可能。對于此類情況，至關重要的是要仔細確定在特定時間段內經歷了哪些占空比以及哪些峰值/沖擊，以便電機/齒輪箱OEM的工程團隊可以選擇并推薦合適的驅動系統。因此，即使應用中對額定轉矩和占空比的要求不高，其他操作因素也可能導致需要更大，更堅固的齒輪減速機來確保令人滿意的使用壽命。最后，如果在極端環境條件下使用您的應用程序，請始終告知電機OEM-這可能會改變游戲規則。
國際減速機制造商協會已發布了針對不同應用的建議使用壽命的更多信息。這些占空比建議是根據許多齒輪電機制造商的經驗確定的。按服務等級（I（1至1.39），II（1.40至1.99），III（2及更高））列出了許多應用程序，其中I類是最簡單的應用程序，III類是最難的應用程序。 通常，應用的總占空比將考慮環境溫度，循環持續時間，質量加速度，工作時間和每小時循環數。
如何確定占空比
舉個例子;齒輪減速機一次短促地驅動傳送帶，一次2分鐘，然后關閉2分鐘，然后一周兩次，每天兩次，每次10個小時，一次又一次重復。您需要它運行至少五年或13,000小時，而無故障。
根據國際減速機標準，使用壽命為25,000小時，標稱使用壽命為1.0。 25,000小時是正常數字，因此50％不會持續那么長時間。使用L10壽命等級，這意味著在該負載下運行的齒輪箱中有10％會在L10壽命之前失效，而90％的壽命會更長。因此，標稱壽命為25,000小時的變速箱的L10壽命為5,000小時。根據國際減速機標準指南，輸送機如果每天進給量和操作時間超過10小時，則服務系數應為1.50。將需要對電動機進行類似的計算。
濕度
用于對產品的入侵和防水兼容性進行分類的最常見的系統是IP等級，該等級是由國際電工委員會（IEC）發布的。 （IP代表國際保護，但有時也稱為入口保護。）如今，交流感應和永磁交流電動機通常滿足IP54或55防護等級，并且通過某些步驟甚至可以滿足IP65或67的要求。因此，IP等級不能為高濕度環境提供適當的保護，因此需要采取其他步驟來保護齒輪減速機。為防止腐蝕，請保護所有裸露的金屬表面。另外，應涂漆電機疊片。在不使用電動機時，請為繞組使用連續的低壓電流電源，以防止凝結。對于制動器，所有磨損表面必須為不銹鋼，有時最好是完全封閉的戶外制動器。
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