Dimensionamento dei giunti dell'albero per attrezzature pesanti: coppia, disallineamento e selezione

Un trasportatore da 132 kW in un sito minerario ha effettuato tre accoppiamenti in una stagione operativa. Ogni ricambio aveva le stesse dimensioni del catalogo e ognuno si guastava ai denti del mozzo. La colpa non era della qualità dei materiali; era un metodo di dimensionamento che prendeva in considerazione solo il diametro dell'albero e la potenza del motore. Il ciclo di lavoro prevedeva avviamenti frequenti sotto un nastro carico e nessuno aveva misurato il disallineamento angolare creato dalle fondamenta assestanti. Questa lezione vale per tutta l'industria pesante: il dimensionamento dei giunti per alberi per attrezzature pesanti è un calcolo ingegneristico, non una ricerca nel catalogo.

La logica di dimensionamento che previene i guasti sul campo

Lavorando nell'ordine giusto, la maggior parte dei guasti di accoppiamento scompariranno. Calcolare la coppia di applicazione, applicare un fattore di servizio che rifletta la macchina condotta e il suo lavoro, identificare le condizioni di picco e di shock, misurare il disallineamento effettivamente prodotto dall'attrezzatura e solo allora selezionare una dimensione di accoppiamento che soddisfi allo stesso tempo ogni vincolo. Un giunto perfettamente dimensionato per la coppia nominale può comunque guastarsi rapidamente quando funziona con un disallineamento angolare continuo o quando la coppia di avviamento raggiunge tre volte la coppia di funzionamento.

La coppia di progetto è il punto fermo dell'intero calcolo: Td = Tn x SF. Tn è la coppia nominale trasmessa in condizioni di funzionamento stazionario e SF è il fattore di servizio. Per le attrezzature pesanti, l'SF raramente è inferiore a 1,5 e spesso raggiunge valori compresi tra 2,5 e 3,0 per frantoi e mulini a inversione. Due azionamenti con la stessa coppia motore possono richiedere dimensioni di accoppiamento diverse. Una pompa centrifuga che funziona costantemente a 1480 giri/min utilizza tipicamente un fattore di servizio di 1,25, mentre un frantoio con lo stesso motore ne richiede 2,5 o superiore a causa del carico d'urto. La tabella seguente elenca i fattori di servizio comunemente utilizzati per gli azionamenti di motori elettrici.

I tre numeri che decidono la dimensione dell'accoppiamento

Ogni selezione del giunto dell'albero si riduce a tre numeri: coppia, alesaggio e disallineamento. Anche la velocità e l'ambiente contano, ma questi tre determinano la dimensione del telaio.

Coppia nominale

Per un azionamento rotante, la coppia nominale è T = 9550 x P / n, dove P è in kilowatt, n è in giri al minuto e T è espresso in newton metri. Un motore da 132 kW a 1480 giri/min trasmette quindi circa 852 Nm sotto carico costante.

Coppia di picco

I motori elettrici producono tipicamente dal 150 al 200% della coppia nominale durante l'avviamento. I motori diesel e i motori idraulici possono produrre picchi ancora più elevati. L'accoppiamento deve sopravvivere al picco, non solo alla media, perché la coppia di picco sollecita i denti, il mozzo e gli elementi di fissaggio. Se l'azionamento si avvia regolarmente sotto carico o inverte la direzione, considerare la coppia di picco come una condizione di progetto continua piuttosto che un evento occasionale.

Capacità del foro

Un giunto può soddisfare il target di coppia ma fallire comunque quando il foro è troppo piccolo per l'albero e la sede della chiavetta. Verificare il foro massimo del telaio selezionato e verificare che la sede della chiavetta possa trasmettere la coppia di progetto senza schiacciarne i bordi. Quando i carichi assiali sono elevati, considerare un gruppo di bloccaggio anziché una chiave; la forza di serraggio mantiene saldamente il mozzo ed elimina l'affaticamento della sede della chiavetta.

Disallineamento

Il disallineamento radiale, angolare e assiale riduce la durata del giunto quando supera i valori nominali. I giunti a ingranaggi gestiscono il disallineamento angolare fino a circa 1,5 gradi per ingranamento, mentre i giunti a diaframma tollerano meno ma offrono una maggiore rigidità torsionale. Gli alberi universali accettano i maggiori spostamenti angolari e assiali, il che li rende lo standard per azionamenti a lunga distanza o in movimento. La velocità amplifica l'effetto: ad alti regimi, anche piccoli errori angolari generano vibrazioni e carichi dinamici che il giunto non è mai stato progettato per sopportare.

Famiglie di giunti per attrezzature pesanti

Ciascuna famiglia di giunti risolve una diversa combinazione di coppia, disallineamento e velocità. Conoscere i confini di ogni famiglia è metà del lavoro di dimensionamento.

Giunti a ingranaggi del tamburo

I giunti a ingranaggi a tamburo sono i cavalli di battaglia dell'industria pesante. La forma del dente bombato riduce la pressione sui bordi e consente il disallineamento angolare senza rinunciare alla capacità di coppia. Quando l'azionamento deve trasmettere centinaia di kilonewton metri in un ingombro compatto, un giunto a ingranaggi a tamburo di tipo largo è solitamente la prima scelta. Il giunto a ingranaggi a tamburo di tipo largo con elevata capacità di carico copre la gamma di fori e coppie tipici degli azionamenti di mulini, trasportatori e gru e i suoi gruppi di ingranaggi sostituibili semplificano la manutenzione. Per una visione più ampia di come si comportano questi giunti in servizio, l'articolo su giunti a ingranaggi a tamburo per sistemi di azionamento industriali pesanti spiega la geometria dei denti, la lubrificazione e le modalità di guasto.

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Giunti per alberi universali

Quando la macchina azionata si muove rispetto al motore o la linea di trasmissione presenta uno spostamento angolare significativo, un albero cardanico è la risposta giusta. Il albero universale di precisione a doppio tipo mantiene un'elevata precisione di trasmissione ad ampi angoli di lavoro ed è disponibile con sezioni telescopiche dove la distanza tra le estremità dell'albero cambia durante il funzionamento. Le applicazioni includono laminatoi, azionamenti di miscelatori e qualsiasi attrezzatura in cui il motore e la macchina operatrice si trovano su basi separate che si muovono in modo indipendente.

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Giunti a membrana

In termini di rigidità torsionale e gioco zero, i giunti a membrana superano la maggior parte delle alternative. Turbomacchine, banchi prova e azionamenti di pompe ad alta velocità li utilizzano perché trasmettono la coppia attraverso sottili dischi metallici che si flettono elasticamente. Sulle unità che funzionano fino a 10.000 giri al minuto, a giunto personalizzato a membrana ad alta velocità fino a 10.000 giri/min evita lubrificazione e usura e la struttura interamente in metallo è adatta a temperature ambiente elevate dove le parti in elastomero si degraderebbero rapidamente.

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Giunti elastomerici

Gli accoppiamenti dei pneumatici e gli accoppiamenti con perno e boccola aggiungono morbidezza torsionale e smorzano le vibrazioni. Sono scelte economiche per azionamenti a velocità inferiore e coppia moderata, ma la loro densità di coppia è ben inferiore a quella dei modelli con ingranaggi o diaframma. Nelle attrezzature pesanti, compaiono principalmente su trasmissioni ausiliarie e piccoli trasportatori dove l'assorbimento degli urti è più importante della compattezza.

Una procedura di dimensionamento passo passo

La procedura seguente funziona per la maggior parte delle trasmissioni di apparecchiature pesanti, sia che si stia sostituendo un giunto guasto o progettando una nuova trasmissione.

1. Determinare la coppia nominale dalla potenza del motore e dalla velocità operativa.
2. Selezionare il fattore di servizio dal tipo di macchina, dalla frequenza di avvio e dal livello di shock.
3. Calcolare la coppia di progetto moltiplicando la coppia nominale per il fattore di servizio.
4. Verificare la coppia di picco in condizioni di avviamento, retromarcia o stallo.
5. Misurare il disallineamento radiale, angolare e assiale effettivamente prodotto dall'installazione.
6. Scegliere un telaio di accoppiamento con una coppia nominale superiore alla coppia di progetto e una capacità di disallineamento superiore ai valori misurati.
7. Verificare le dimensioni del foro e della sede della chiavetta rispetto alle estremità effettive dell'albero.
8. Controllare la velocità massima e, per le unità ad alta velocità o a velocità variabile, eseguire un'analisi delle vibrazioni torsionali.
9. Esaminare l'ambiente: intervallo di temperatura, polvere, umidità e accesso alla lubrificazione.

Errori comuni nel dimensionamento e come evitarli

La maggior parte degli errori sul campo sono riconducibili a uno dei seguenti errori:

• Utilizzo della coppia nominale del motore invece della coppia di spunto o di stallo.
• Scegliere un fattore di servizio troppo basso per carichi pesanti intermittenti.
• Misurare il disallineamento solo al momento dell'installazione e ignorare la crescita termica e l'assestamento delle fondazioni.
• Selezione del giunto solo in base alla dimensione del foro, senza verificare la coppia nominale.
• Sovradimensionamento al punto che il giunto non protegge più il sistema dal sovraccarico.
• Dimenticando la ritenzione assiale quando la trasmissione trasporta un'elevata spinta assiale.

Quando l'attrezzatura deve essere conforme alla pratica europea, la guida a Tipi di accoppiamento DIN e selezione chiarisce il confronto tra le serie DIN in termini di rigidità torsionale, capacità di allineamento e requisiti di manutenzione.

Un esempio pratico di dimensionamento

Prendiamo un nastro trasportatore azionato da un motore elettrico da 132 kW a 1480 giri al minuto, con un albero motore di 80 mm e un albero di ingresso del cambio dello stesso diametro.

1. Coppia nominale: Tn = 9550 x 132 / 1480 = 852 Nm.
2. Fattore di servizio per un trasportatore con urti moderati e avviamenti frequenti: 1,75.
3. Coppia di progetto: Td = 852 x 1,75 = 1491 Nm.
4. Coppia iniziale massima al 200% della coppia motore: circa 1704 Nm.
5. Selezionare un telaio di accoppiamento con potenza nominale superiore a 1.491 Nm, con un foro massimo di almeno 80 mm e una sede per chiavetta adatta all'albero.

Un giunto a tamburo con una coppia nominale di 2.000 Nm, un foro massimo di 85 mm e una capacità di disallineamento angolare di circa 1,5 gradi soddisferebbe i requisiti con un ragionevole margine di sicurezza. Il successivo telaio più piccolo, valutato a 1200 Nm, fallirebbe nel controllo della coppia di progetto anche se il suo foro si adatta all'albero. Questo è il motivo per cui il calcolo della coppia deve precedere qualsiasi confronto tra i fori.

Controlli finali prima di effettuare l'ordine

Prima di confermare la dimensione del giunto, rivedere questi punti:

• Verificare che il foro del giunto corrisponda sia all'albero del motore che all'albero della macchina condotta.
• Verificare le dimensioni della sede della chiavetta rispetto allo standard applicabile.
• Decidere se per l'applicazione è necessaria una versione con ruota o disco freno.
• Annotare l'intervallo di lubrificazione e se l'installazione consente un facile accesso per la manutenzione.
• Per carichi ad alta velocità o inversi, richiedere un'analisi torsionale al produttore prima di definire la dimensione.

Il dimensionamento dei giunti per alberi per attrezzature pesanti funziona meglio come processo strutturato. Iniziare dalla coppia, applicare un fattore di servizio onesto, rispettare le condizioni di picco e misurare il disallineamento effettivamente creato dall'installazione. Quando questi numeri sono corretti, la dimensione del giunto segue in modo naturale e la parte installata ha una possibilità realistica di durare tanto quanto la macchina che serve.