۱۰ نکته مهم و کاربردی در مورد موتورگیربکس‌های صنعتی

موتورگیربکس‌های صنعتی از جمله تجهیزاتی هستند که انتخاب و عملکرد بهینه آن‌ها نقش به سزایی در بهینه‌سازی فرآیند تولید و عملکرد کل سیستم در صنایع مختلف دارد. در این مطلب از بلاگ سام تجهیز و در ادامه به ۱۰ نکته مهم که به انتخاب و کارکرد صحیح موتورگیربکس کمک می‌کند پرداخته‌ایم.

انتخاب گیربکس را با تعیین گشتاور مورد نیاز در شافت خروجی گیربکس شروع کنید.

هدف موتورگیربکس این است که به عنوان یک مؤلفه انتقال نیرو عمل کند. به این ترتیب، دو عامل مهم در شافت خروجی گیربکس، سرعت آن (دور در دقیقه) و میزان کار آن می‌باشد که با توجه به میزان گشتاور خروجی تعیین می‌شود. به این ترتیب، هنگام تلاش برای پیدا کردن موتورگیربکس برای یک کاربرد خاص، روی سرعت و گشتاور در شافت خروجی گیربکس تمرکز کنید.

اصول اولیه را بدانید: چرخدنده در داخل گیربکس یک مزیت مکانیکی را فراهم می‌کند که گشتاور را از طرف ورودی به شافت خروجی گیربکس افزایش می‌دهد. این مزیت مکانیکی «نسبت یا ضریب گیربکس» نام دارد (که با حرف i مشخص می‌شود) و عددی است که برای تعیین ضرب یا همان افزایش گشتاور، از ورودی به خروجی استفاده می‌شود.

به عنوان مثال، یک نسبت گیربکس ۳۰:۱ بدین معنی است که طرف خروجی حدود ۳۰ برابر از طرف ورودی نیروی بیشتری دارد. بنابراین، اگر یک موتورگیربکس باید ۳۰ اینچ‌پوند (۳.۳۸ نیتوتن‌متر) گشتاور کامل را در شافت خروجی خود تولید کند، گشتاور ورودی باید ۱.۰ اینچ‌پوند (۰.۱۱ نیوتن‌متر) باشد. (در این مثال ساده اتلاف انرژی داخلی چرخدنده‌ها که به وسیله راندمان کلی اندازه‌گیری می‌شود، در نظر گرفته نشده است.)

پس از مشخص شدن گشتاور ورودی مورد نیاز، براساس سرعت ورودی موتور می‌توان نیروی مورد نیاز موتور را محاسبه کرد. این‌جا دقیقاً نقطه‌ای است که در آن بسیاری از افراد می‌خواهند بر اسب بخار ورودی موتور (توان) متمرکز شوند.

با این حال، طراحان باید با تعیین گشتاور مورد نیاز در شافت خروجی گیربکس شروع کرده و سپس برای تعیین توان مورد نیاز در خرید الکتروموتور به عقب برگردند.

برای افزایش بهره‌وری انرژی، به دقت در مورد نوع موتور و راندمان دنده‌ها فکر کنید.

در بعضی موارد، می‌توان با جایگزینی موتور AC خازن اسپلیت دائمی (PSC) با موتور مغناطیس دائم DC (PMDC)، بازده موتورگیربکس را به میزان قابل توجهی افزایش داد.

موتورهای پی‌اس‌سی ممکن است از کارایی بالاتری برخوردار باشند، اما بازده واقعی آن‌ها می‌تواند در نقطه بار عملیاتی واقعی بسیار پایین باشد. همچنین بخاطر داشته باشید که موتورگیربکس‌های محرک سه فاز بسیار کارآمد تر از معادل تک فاز (به عنوان مثال 64٪ در مقابل 53٪) هستند و به دلیل طراحی ساده‌تر از قابلیت اطمینان بیشتری برخوردار هستند. با این حال، هنگامی که برق سه فاز در دسترس نیست، یک درایو فرکانس متغیر (VFD) برای تبدیل ورودی تک فاز به خروجی سه فاز برای گیربکس لازم است. VFD یا همان اینورترهای امروزی اقتصادی هستند. درصورتیکه مواردی مانند شروع نرم برای کاهش شوک مکانیکی و افزایش عمر تجهیزات که از ویژگی های ساختار VDF ها هستند را در نظر بگیریم، استفاده از آن‌ها قابل توجیه بوده و صرفه‌ی اقتصادی دارد.

هنگام انتخاب موتورگیربکس، مهم است که بدانید، مشخصات توان خروجی منتشر شده فقط برای الکتروموتور است یا بازده گیربکس/کاهنده سرعت را نیز شامل می‌شود؟

برای به حداکثر رساندن کارآیی کلی سیستم موتورگیربکس، از بکارگیری دنده‌های ناکارآمد، که موجب خنثی کردن سود بازدهی موتور می‌شود، خودداری کنید.

گیربکس‌های حلزونی ۹۰ درجه که کارایی تقریبا ۵۰٪ یا کمتر دارند، یک راه حل خوب برای فضاهای تنگ می‌باشند. در مقابل، چرخدنده‌های ساده و هلیکال (مارپیچ) مورد استفاده در گیربکس‌های شافت موازی معمولاً در حدود ۹۸٪ کارآمد هستند.

در فضاهای بسیار تنگ و کوچک، می‌توان موتورگیربکس شافت موازی را به عنوان یک راه حل در نظر گرفت که در آن راندمان چرخدنده‌ها بالاتر است و چرخدنده های مارپیچ (Helical) در یک پیکربندی عمودی قرار می‌گیرند. در این موقعیت، شافت خروجی یک فضای U یا S شکل را نسبت به موتور محرک ایجاد می‌کند و باعث صرفه‌جویی در فضا می‌شود.

از موتورگیربکس کوچک‌تر یا بزرگ‌تر از نیاز استفاده نکنید.

رایج ترین اشتباه اندازه نامناسب است. به خاطر داشته باشید که موارد زیادی برای توجه به گشتاور و سرعت مورد نیاز کاربرد شما وجود دارد. فاکتور سرویس (Service Factor) بسیار مهم است.

انجمن تولید کنندگان چرخ دنده های آمریکایی (AGMA) اطلاعات مفید زیادی برای کمک به تعیین فاکتورهای سرویس مورد نیاز برای کاربردهای رایج دارد. بی‌اعتنایی به فاکتور سرویس در اغلب اوقات می‌تواند منجر به انتخاب‌هایی شود که دوام زیادی نخواهد داشت.

به این موضوع فکر کنید: یک موتورگیربکس فن که دو ساعت در روز کار می‌کند، نسبت به گیربکس سنگ‌شکن که ۲۴ ساعت در روز کار می‌کند، فشار بسیار کمتری را متحمل می‌شود. حتی اگر سرعت و گشتاور مورد نیاز برای جابجایی بارهای مربوطه یکسان باشد، سرویس فاکتورهایی که در رابطه با گشتاور مورد استفاده قرار می‌گیرند (و بنابراین الکتروگیربکس‌های حاصل از آن) بسیار متفاوت هستند.

در حالی که کوچک بودن اندازه می‌تواند به نارسایی زودرس موتور منجر شود، بزرگ بودن بیش از اندازه نیز پیامدهایی برای کارایی در پی خواهد داشت. کارایی نیمی از الکتروموتورهای موتورگیربکس‌ها معمولاً در حدود ۸۰  تا ۹۰٪ در بار کامل، ارزیابی شده است. بسیاری از مهندسان تصور می‌کنند اگر یک موتور ۵ اسب بخار مناسب باشد، باید یک موتور ۷.۵ اسب و بعد از آن ۱۰ اسب بخار، بهتر باشد. در صورتی‌که مشکلی که در این منطق وجود دارد اینست که موتور ۱۰ اسب بخار در اصل بدون بار کار می‌کند و مصرف برق و عدم بارگیری موثر آن باعث می‌شود، از موتور ۵ اسب بخاری که به طور مناسب بارگذاری شده است، انتخاب بدتری باشد.

بهره‌وری گیربکس به عوامل زیادی به ویژه بار گیربکس بستگی دارد.

تولیدکنندگان اغلب بازده موتور که بازده گیربکس را نیز شامل می‌شود، مشخص می‌کنند. با این حال، بهره‌وری کل سیستم (موتور به علاوه گیربکس) نه به روشنی قابل درک است و نه به راحتی محاسبه می‌شود. این موضوع باعث می‌شود مشخصات راندمان گیربکس در کاتالوگ‌ها غیر قابل اعتماد باشد، زیرا آن‌ها معمولاً تنها یک راندمان واحد را ارائه می‌دهند. راندمان به عوامل مختلفی بستگی دارد، به خصوص درمورد بارگیری گیربکس، اما اکثر تولید کنندگان میزان تلورانس راندمان، یا تفاوت راندمان بین گیربکسی که بار زیادی را تحمل می‌کند با گیربکسی که زیر باری در حد معمولی کاری می‌کند را نشان نمی‌دهند.

توان ورودی به گیربکس حاصل توان الکتریکی ورودی به گیربکس (محصول ولتاژ و جریان ورودی به موتور) ضرب در راندمان موتور است. سرعت گیربکس و گشتاور بار در واقع توان خروجی می‌باشد. در نتیجه نسبت توان خروجی به توان ورودی برابر با بازده است.

هدر رفت توان در گیربکس اصولا ناشی از اصطکاکی است که باعث ایجاد گرما می‌شود. گرما در گیربکس‌های کوچک مشکل زیادی به همراه ندارد؛ زیرا تلفات توان (و مقادیر مطلق نیروی درگیر) نسبتاً اندک هستند. با این حال در گیربکس‌های بزرگ برای جبران ناکارآمدی گیربکس، از خنک کننده‌های روغنی و پمپ‌ها استفاده می‌کنند. اصطکاک گیربکس به نوبه خود به کیفیت چرخدنده‌ها، تعداد درگیری دندانه‌ها (یک چرخدنده چند بار چرخدنده دیگر را به حرکت درمی‌آورد) و گشتاور بار بستگی دارد.

یک قاعده کلی: هرچه بار سبک‌تر و ضریب آن بالاتر باشد، احتمال اینکه گیربکس به راندمان مشخص شده توسط تولیدکنندگان برسد، کمتر است. بارگیری سبک و نسبت‌های بالا (ratio) تمایل به تولید راندمان ضعیف در گیربکس دارند. برعکس، در بارگذاری سنگین و با نسبت‌های زیاد، گیربکس به کارآیی که برای آن در نظر گرفته شده، نزدیک‌تر می‌شود.

از محاسبات و ریاضی غافل نشوید.

موتورگیربکس‌ها هنگامی که به درستی انتخاب و سپس نگهداری شوند، می‌توانند به طور نامحدود دوام بیاورند. هر کاری انجام می‌دهید، مراقب باشید از مبحث ریاضی غافل نشوید. رویکردهای انتخاب مانند «قانون شست»، «ما همیشه این کار را انجام داده ایم» و «زود خراب شد؟ سایز بزرگتر انتخاب کنیم» نمی‌توانند روش‌های مناسبی برای انتخاب گیربکس باشند. به سرویس فاکتور (Service Factor) فکر کنید و دینامیک را در نظر بگیرید.

به عنوان مثال، آیا این یک کاربرد برگشت‌پذیر است؟ اگر این چنین است، آیا Backlash (بک‌لش چیست؟) مورد نظر قرار داده شده؟ انتخاب چرخدنده‌ها و موتورها یک علم واقعی است. استفاده از نرم افزاری که توسط سازنده ارائه می شود، بهترین و سریعترین روش است. بسیاری از تولیدکنندگان دارای نرم افزاری مبتنی بر وب هستند که به شما امکان می‌دهد تا نوع کاربرد را انتخاب کرده و پارامترهایی مانند وزن، سرعت، قطر پولی (قرقره) و ضریب اصطکاک را وارد کنید. سپس این نرم افزار تمامی محاسبات را انجام داده و واحدها را برای شما انتخاب می‌کند.

عوامل خرابی موتورگیربکس را بشناسید.

• بار بیش از حد (بار شعاعی روی شافت) می‌تواند سیستم‌های پشتیبانی بلبرینگ را از بین ببرد. در شافت‌هایی که دارای بارگیری بیش از حد معمول هستند، ناکارآمدی و فرسودگی شافت نیز، اتفاقی معمول است.
• بارهای بزرگ اینرسی یا شتاب/کاهش بیش از حد، بار و شوک زیادی را به گیربکس‌ها وارد کرده و منجر به شکستگی دندانه‌های چرخ دنده می‌شوند.
• اعمال نیروهای محوری زیاد روی شافت‌ها،‌ می‌تواند باعث عواملی مانند: وارد شدن فشاری بیش از توانایی تحمل و عدم تطابق با محدوده درنظر گرفته شده برای بیرینگ‌ها، اجزا و هم‌چنین فراتر از قدرت استحکام پوسته گیربکس باشد.
• بارهای پیچشی بیش از حد روی شافت در جای خار باعث ایجاد خرابی در محل‌هایی مثل سوراخ‌های متقاطع و همچنین تغییرات قطر می‌شود.
• استفاده از الکتروگیربکس‌ها در محیط‌هایی که مناسب آن نیستند باعث مواردی مثل فشار زیاد بر مجموعه آب‌بندی گیربکس، مشکلاتی مربوط به روان‌کارها (روغن گیربکس) و هم چنین گرمازدایی ضعیف می‌شود. از موتورگیربکس به درستی محافظت کنید تا عمر عملیاتی آن طولانی شود.
• موتورگیربکس ها در معرض سیکل‌های حرارتی می‌توانند چگالش را تجربه کنند. گاهی اوقات خنک کردن موتور و امکان تثبیت محیط، بهتر از تلاش برای نگه داشتن محصول به صورت کاملاً محصور و مهر و موم شده، است.
• روان کننده‌ها (Lubricants) باید برای شرایط عملیاتی واقعی مشخص شوند. می‌توان به جای تنظیم برای همه محدوده‌های دمایی که هزینه بیش‌تری طلب می‌کند، فقط برای کاربردهای بسیار سرد یا بسیار گرم تنظیمات را اعمال کرد.
• محل نصب موتور باید پایدار باشد. سطوحی که می توانند خم شوند و باعث عدم هم‌ترازی شوند، عمر محصول را کاهش خواهند داد.

اگر یک موتورگیربکس کوچک‌تر از اندازه مورد نیاز انتخاب شود (قدرت کافی برای آن کاربرد نداشته باشد)، علامت هشدار دهنده معمول، گرم شدن بیش از حد است. اگر مدام دما را بررسی نکرده و یا گرما را احساس نکنید، تشخیص آن قبل از خرابی کار سختی است. اگر دمای روغن گیربکس بیش از اندازه بالا برود، باعث خرابی حرارتی روغن شده و با به خطر افتادن سیستم روغنکاری، گیربکس در نهایت خراب می‌شود. بعضی اوقات اگر موتور کوچک باشد باید خیلی سخت کار کند و در واقع زیر بار زیاد از بین می‌رود که این یک خرابی دائمی و غیر قابل بازگشت خواهد بود.

مجدداً می‌گوییم که تشخیص علائم هشداردهنده سخت است: در بعضی موراد ممکن است بوی روغن یا موتور در اثر گرمای بیش از حد حس شود، یا تغییر رنگ مشاهده شود. در نتیجه در شرایطی که الکتروگیربکس را نبینید، تا زمانیکه از کار نیفتد، متوجه خرابی‌ها و مشکلاتی که پیش می‌آیند نخواهید شد.

معمولا انتخاب یک موتورگیربکس کوچک‌تر از اندازه مورد نیاز، ناشی از عدم درک این مسئله است که هم موتور و هم گیربکس از قابلیت حرارتی جداگانه و همچنین راندمانهایی برخوردار هستند که در صورت جمع شدن با هم، منجر به توان خروجی سیستم می‌شوند که متفاوت از آنچه معمولاً منتشر می‌شود، است. باید توجه داشت انتخاب و خرید تنها با توجه به خروجی موتور و راندمان یک اشتباه است.

جهت عملکرد بهینه، یک موتورگیربکس یکپارچه را درنظر بگیرید.

بهترین دلیل برای تغییر و استفاده از موتورگیربکس یکپارچه (integrated gearmotor) کارایی آن است. در یک موتورگیربکس کاملاً یکپارچه، روتور اینرسی پایین موتور به طور خاص با مشخصات گیربکس هماهنگ است و منجر به ظرفیت دینامیکی بالا می‌شود که به طور ویژه برای کاربردهای با چرخه توقف/شروع (start/stop) زیاد، بسیار با اهمیت است. همچنین اکثر موتورگیربگس‌های امروزی قابلیت نصب ترمز با کارایی بالا را دارند که برای کاربردهایی که نیاز به کاهش سرعت دارند، مفید است.

یکی دیگر از مزیت های موتورگیربکس‌های یکپارچه این است که، آن ها به گونه ای طراحی شده‌اند که با اینورترها (inverters) به خوبی کار می‌کنند.

استفاده از گیربکس و درایو فرکانس متغیر (VFD) با بازخورد حلقه بسته (از طریق رمزگذارهای (انکودر Encoder) نصب شده بر روی شافت موتور) نمایه‌سازی و کاربردهای تثبیت موقعیت نقطه به نقطه را امکان‌پذیر می‌کند. درایوهای الکترونیکی (اینورتر درایو) همچنین تنظیم دقیق سرعت و کنترل را در اختیار شما قرار می‌دهند و دارای ویژگی‌هایی مانند محافظت از اضافه بار و گشتاور شروع قابل تنظیم هستند. با این حال، علیرغم ویژگی‌های پیشرفته، بزرگترین دستاورد در کارایی گیربکس‌ها از ترکیب‌های نامحدود موتورها و گیربکس‌ها حاصل می‌شود.

برای داشتن منابع مفید، گشت و گذار در وب را فراموش نکنید.

چه یک انجمن صنعتی و چه وب‌سایت یک تولیدکننده باشد، اینترنت‌ می‌تواند منبع خوبی برای دانستن نکاتی درمورد اندازه و مشخصات موتورگیربکس باشد. در اینجا سه مورد از وب‌سایت‌های مفید برای شروع کار آورده شده است:

• AGMA: آگما: انجمن تولید کنندگان چرخ دنده آمریکا
• STP Calculator: ابزار جستجوی طراحی STP، «تناسب» الکتروموتور یا الکتروگیربکس را با مشخصات بهینه کاربرد مرتبط می‌کند. «تناسب» به معنی نزدیکترین تطابق به سرعت، گشتاور، بازده موتور و راندمان گیربکس است.
• PT Pilot: نرم افزار رایگان شرکت گیربکس SEW که به کاربران کمک می‌کند تا یک گیربکس یا موتورگیربکس سفارشی را انتخاب کنند. برای استعلام قیمت گیربکس SEW، به سام تجهیز مراجعه کنید.

براساس طراحی، موتورگیربکس‌های یکپارچه به نحوی ساخته شده‌اند که از موتور و گیربکس کوپل شده توسط کاربر، بیش‌تر عمر می‌کنند.

یکی از روش‌های رایج اتصال موتور و گیربکس هالو شافت خاردار است. گیربکس‌های با هالو شافت در ورودی معمولاً ارزان تر هستند و نسبت به گیربکس با شافت ورودی خارجی فضای کمتری اشغال می کنند. مشکلی که در این‌جا وجود دارد این است که در اکثر موتورها، تحمل به اندازه یاتاقان سایز ۲۰۰ است و برای بارهای محوری که ممکن است روی شافت اعمال شوند، مناسب نیست. بنابراین، یاتاقان دچار خرابی زودرس شده و تکرار استفاده نادرست از محور موتور باعث می‌شود تا ورودی آب‌بندی شده گیربکس (کاسه نمد گیربکس) تخریب شود و به احتمال زیاد به دنده‌خا آسیب برسد.

توجه به این نکته ضروری است که به اصطلاح، کوپل فلنج‌های موتورهای C و گیربکس‌ها به طور کلی به خوبی آب بند (Seal) نمی‌شوند، بنابراین آلاینده‌ها (آب، خاک، گرما) در نهایت راه خود را به درون فضای بین موتور و گیربکس می یابند.

در این‌جا ممکن است ورودی آب‌بندی شده الکتروموتور خراب شود زیرا در معرض  محیط سخت صنعتی قرار دارد. این مورد در رابطه با موتورگیربکس‌های یکپارچه اتفاق نمی افتد. فلنج‌های موتور و گیربکس‌ها ماشینکاری شده‌اند و کارخانه‌ای پلمپ شده اند تا از ورود آلاینده‌ها صنعتی جلوگیری شود. به همین ترتیب، اجزای داخلی گیربکس‌ها برای کار با یکدیگر طراحی شده‌اند و محیط‌ها و فشارهای مکانیکی که اجزا در معرض آن قرار دارند، شناخته شده هستند. سرانجام، یکی از منفورترین وظایف درمورد نصب و هم درمورد تعمیرات پیشگیرانه، برای گیربکس‌های کوپل شده توسط کاربر، هم‌ترازی (Alignment) است. عدم هم‌ترازی باعث خرابی قطعی موتور و گیربکس می‌شود. موتورگیربکس‌‌های کوپل شده توسط کارخانه، کاملا هم‌تراز بوده و از خرابی‌های ناشی از هم‌ترازی جلوگیری می‌کند.

قدرت (توان) سیستم الکتروگیربکس را به واقع درک کنید.

هنگام مشخص کردن و انتخاب موتورگیربکس، شناخت و درک توان سیستم موتورگیربکس موضوع مهمی است و توجه به توان موتور به تنهایی کافی نیست. تولید کنندگان موتورگیربکس‌ها به طور معمول، قدرت خروجی موتور مشخص شده را منتشر می‌کنند که اغلب قدرت واقعی خروجی گیربکس را به طور دقیق بیان نمی‌کند. هنگام مشخص کردن یا انتخاب یک گیربکس برای یک کاربرد OEM، تکیه بر مشخصات توان موتور (اسب بخار) منتشر شده، به تنهایی می‌تواند فریب دهنده باشد. برای بهینه‌سازی کامل انتخاب یک الکتروگیربکس‌ باید توان خروجی سیستم، محاسبه یا به دست آورده شود. توان خروجی سیستم، نشان دهنده توان موتورگیربکس به دست آمده، پس از محاسبه راندمان موتور و گیربکس است.

دانستن توان سیستم و شناخت نرخ راندمان موتور و گیربکس به طور مجزا نیز داده‌های مهندسی مهمی می‌دهد که می‌توانیم با استفاده از این اطلاعات، مقایسه‌ها را انجام دهیم. به عنوان مثال مقایسه کارآیی یک موتورگیربکس خورشیدی با یک موتورگیربکس شافت موازی، امکان انتخاب محصول را براساس بازده کلی، عملکرد و هزینه فراهم می‌کند.

بنابراین هنگام انتخاب موتورگیربکس، مشخص کنید که توان منتشر شده یا مشخصات توان خروجی، فقط برای موتور است یا این مشخصات شامل بازده و سرعت گیربکس نیز می‌شود. تأمین‌کننده گیربکس باید بتواند نرخ بازده موتور و گیربکس را ارائه دهد و اگر توان سیستم محاسبه نشده بود، توان سیستم موتورگیربکس را از طریق ضرب توان خروجی موتور با راندمان گیربکس مناسب محاسبه کنید.

منبع: MachinDesign – Samtajhiz