Fuentes de pérdida de potencia en una transmisión de engranajes helicoidales
La pérdida total de potencia en un engranaje helicoidal El accionamiento tiene cuatro componentes independientes. Comprender cuál predomina en una aplicación específica determina el enfoque más eficaz para mejorar la eficiencia o especificar el sistema de refrigeración:
Fricción en el contacto del diente bajo la película EHL. El coeficiente de fricción µ ≈ 0,04–0,06 para el suelo engranajes helicoidales Con ISO VG 100–220 a temperatura de funcionamiento. Proporcional al par transmitido: aumenta y disminuye con la carga. Esta es la pérdida dominante en transmisiones de velocidad baja a media por debajo de 10 m/s de velocidad de línea de paso.
Agitación viscosa del aceite en la zona de engranaje de los dientes, independiente de la carga. Proporcional a la viscosidad del aceite y al cuadrado de la velocidad de la línea de paso (P_VZO ∝ v²). Predomina en transmisiones de alta velocidad y carga ligera por encima de 20 m/s. La razón por la que la precisión de alta velocidad engranajes helicoidales Utilice ISO VG 68–100 en lugar de VG 320.
Fricción de rodadura y deslizamiento en los cojinetes del eje. Típicamente, entre 0,1 y 0,31 TP3T de potencia transmitida por cojinete para cojinetes de contacto angular o de rodillos cónicos lubricados con grasa estándar. Para una caja de engranajes de dos etapas con 4 cojinetes de eje: aproximadamente entre 0,6 y 1,21 TP3T de pérdida total de cojinete.
Resistencia producida por el roce de los dientes de los engranajes a través del baño de aceite. Depende del nivel de aceite, la viscosidad del aceite y el cubo de la velocidad periférica (P_VX ∝ v³). Se minimiza manteniendo el nivel de aceite en el mínimo adecuado para la lubricación, sin llenar la carcasa hasta el nivel máximo permitido. Para engranajes helicoidales A velocidades superiores a 15 m/s, la agitación puede superar la pérdida de malla.
Cálculo de la generación total de calor: el método práctico
Calor total generado en un engranaje helicoidal caja de cambios:
Q_total = P_entrada × (1 − η_total) [kW]
Donde η_total es la eficiencia total del accionamiento. Para una conexión a tierra de una sola etapa engranaje helicoidal Caja de engranajes con rodamientos de contacto angular estándar:
| Velocidad de la línea de cabeceo | Eficiencia del engranaje | Eficiencia de los rodamientos | Pérdida de sello | η total de una sola etapa |
|---|---|---|---|---|
| <3 m/s | 98,5–99% | 99,2–99,5% | 99.5% | 97,5–98% |
| 3–10 m/s | 99–99.3% | 99,3–99,6% | 99.5% | 98–98,5% |
| 10–25 m/s | 99,2–99,5% | 99,4–99,7% | 99.7% | 98,5–99% |
| >25 m/s | 99–99,5% (predomina la rotación) | 99,5–99,8% | 99.8% | 98,5–99,2% |
Ejemplo resuelto: Entrada de 200 kW, una sola etapa engranaje helicoidal caja de engranajes, v = 8 m/s velocidad de la línea de paso, η = 98,5%:
Q = 200 × (1 − 0,985) = 200 × 0,015 = 3,0 kW de calor generado
Para una caja de cambios de tres etapas con η = 0,985³ = 0,956: Q = 200 × 0,044 = 8,8 kW, casi tres veces el valor de una sola etapa. Por eso, las cajas de cambios multietapa requieren con mayor frecuencia refrigeración por aceite que los diseños equivalentes de una sola etapa.
Capacidad térmica de la carcasa: cuánto calor puede disipar.
La superficie de vivienda de un edificio industrial engranaje helicoidal La caja de engranajes determina la disipación máxima de calor por convección natural. Cuando el calor generado por el engranaje y las pérdidas en los cojinetes supera lo que la superficie de la carcasa puede disipar a una temperatura de aceite aceptable, se hace necesario el enfriamiento externo del aceite.
El calor máximo que una carcasa de caja de cambios puede disipar por convección natural a un entorno de aire en calma es:
Q_max_natural = k × A_vivienda × (T_aceite_max − T_ambiente) [W]
Donde: k ≈ 12–18 W/m²·K para convección natural (carcasa de hierro fundido o acero, pintada), A_housing = superficie externa en m², T_oil_max = temperatura máxima admisible del aceite (normalmente 80 °C para aceite mineral, 95 °C para aceite sintético PAO), T_ambient = temperatura ambiente. Para una caja de engranajes industrial típica con una superficie externa de 0,5 m², T_oil_max = 80 °C, T_ambient = 25 °C:
Q_max_natural = 15 × 0,5 × (80 − 25) = 412 W ≈ 0,41 kW
Este pequeño número revela la clave: La mayoría de los engranajes helicoidales Las cajas de engranajes con una potencia superior a 20-30 kW de funcionamiento continuo requieren algún tipo de refrigeración activa que vaya más allá de la convección natural de la carcasa. El primer paso habitual es añadir un conjunto de aletas externas o un ventilador de refrigeración antes de recurrir a un intercambiador de calor aceite-agua.
Tres opciones de refrigeración: cuándo es apropiada cada una
Un ventilador montado en el eje de entrada dirige el aire sobre las aletas de la carcasa. Aumenta k de 12–18 W/m²·K (natural) a 25–40 W/m²·K (aire forzado). En el ejemplo anterior, el aire forzado aumenta Q_max de 0,41 kW a 0,7–1,0 kW, suficiente para reductores de hasta aproximadamente 50–80 kW de potencia continua. Es la opción de refrigeración más sencilla y económica. No es adecuada para variadores de velocidad donde la velocidad del ventilador (y el flujo de aire) varía con la velocidad de entrada del reductor.
La bomba de aceite hace circular el aceite de la caja de cambios desde el cárter a través de un intercambiador de calor refrigerado por aire con aletas antes de que regrese a la caja de cambios. Capacidad de disipación de calor prácticamente ilimitada (limitada solo por el tamaño del intercambiador) a cualquier velocidad de accionamiento. Añade bomba de aceite, intercambiador, tuberías y filtro, lo que aumenta el coste del sistema pero proporciona un control de temperatura definitivo para velocidades grandes o variables. engranaje helicoidal accionamientos superiores a 100 kW.
La opción más compacta y eficiente cuando se dispone de agua de refrigeración para procesos. El coeficiente de transferencia de calor del agua es de 10 a 20 veces mayor que el del aire, por lo que el intercambiador es mucho más pequeño que una unidad de aire equivalente. Estándar para aplicaciones marinas, en alta mar y en grandes instalaciones industriales. engranaje helicoidal Accionamientos en estaciones de bombeo e instalaciones de compresores donde ya existe distribución de agua de refrigeración. La protección contra la corrosión y la congelación en el lado del agua requiere consideraciones adicionales del sistema.
Monitorización de la temperatura del aceite: prevención de la sobrecarga térmica.
La protección más sencilla y fiable para un engranaje helicoidal El sistema de protección contra sobrecarga térmica utiliza un termopar o un sensor PT100 en el cárter de aceite, conectado a un relé de alarma de temperatura configurado a T_alarm = T_max − 10 °C. Para aceite mineral: T_alarm = 70 °C; para aceite sintético PAO: T_alarm = 85 °C. Korea Ever-Power recomienda la monitorización de la temperatura como estándar para todos los aceites. engranaje helicoidal Aplicaciones superiores a 75 kW de potencia continua, y suministra el puerto del sensor (M18 × 1,5) en las carcasas de las cajas de engranajes para pedidos industriales de precisión. Un segundo relé de disparo a T_max (80 °C mineral / 95 °C PAO) proporciona una parada automática antes de que comience la degradación del aceite.
Korea Ever-Power: cálculo de la capacidad térmica con cada pedido industrial.
Korea Ever-Power realiza un cálculo de clasificación térmica (calor generado por la pérdida de eficiencia, capacidad de disipación de la carcasa según la geometría de la misma y decisión sobre los requisitos de refrigeración) para cada engranaje de corte helicoidal pedido industrial superior a 50 kW. El resultado del cálculo determina si la carcasa es térmicamente adecuada para la aplicación o si se proporciona una recomendación de refrigeración. Como un directo fabricante de engranajes helicoidales, Korea Ever-Power incluye la geometría de la carcasa, el área de superficie y la capacidad térmica en la documentación técnica estándar para brindar al ingeniero de sistemas del cliente la información necesaria para diseñar el sistema completo de gestión térmica. Explore la Gama de productos de engranajes helicoidales Para obtener más especificaciones.
Preguntas frecuentes
La temperatura del aceite determina directamente la viscosidad del aceite de engranajes en el engranaje dentado y, por lo tanto, el espesor de la película EHL. Un aumento de 10 °C en la temperatura del aceite reduce la viscosidad cinemática en aproximadamente 10–151 TP3T para el aceite mineral ISO VG 220, reduciendo la relación de la película EHL λ en una cantidad proporcional. La temperatura de la carcasa es un indicador retardado: aumenta después de que el aceite ya se ha sobrecalentado. La temperatura del cárter de aceite es el parámetro correcto para monitorear y controlar. La temperatura de la superficie de la carcasa, medida externamente por un termómetro infrarrojo, proporciona una verificación sin contacto: para una engranaje helicoidal Caja de engranajes con carcasa de hierro fundido, temperatura externa de la carcasa ≈ temperatura del aceite − 5 a −15 °C (dependiendo del gradiente térmico a través de la pared de la carcasa).
La guía de selección ISO VG (consulte el artículo sobre lubricación) indica el grado de viscosidad correcto a la temperatura de funcionamiento prevista del cárter. En entornos con temperaturas ambiente elevadas (climas tropicales, salas de máquinas cerradas a 40-50 °C), la temperatura del cárter en estado estacionario será superior a la de los climas templados, lo que puede hacer que la viscosidad de funcionamiento sea inferior a la mínima requerida para una película EHL completa, lo que requiere una mejora de un grado ISO VG. Para un engranaje helicoidal Si un variador tiene una clasificación ISO VG 220 en condiciones templadas (temperatura ambiente de 20 °C), el mismo variador podría requerir ISO VG 320 a 45 °C para mantener un espesor de película EHL equivalente. Korea Ever-Power especifica la viscosidad del aceite en función de la temperatura ambiente indicada, proporcionando así el grado correcto para el lugar de instalación en lugar de una especificación predeterminada.
Sí, ligeramente. El coeficiente de fricción de la malla µ para un suelo DIN Clase 5 engranaje helicoidal (Ra ≤ 0,4 µm) es aproximadamente 0,04–0,05, frente a µ = 0,07–0,09 para un engranaje DIN Clase 8 tallado (Ra ≈ 2,0 µm). Esta diferencia produce aproximadamente 40–50% menos pérdida de engranaje dependiente de la carga en un engranaje rectificado en comparación con un engranaje tallado a la misma carga transmitida, lo que normalmente equivale a 0,5–1,5% puntos de mejora de la eficiencia. Para un accionamiento de 500 kW, esto significa 2,5–7,5 kW menos de generación de calor por rectificado, lo que puede eliminar la necesidad de refrigeración por aceite en algunos casos límite.
Por encima de aproximadamente 90 °C para el aceite mineral (110 °C para el PAO), la tasa de oxidación del aceite base se duplica aproximadamente por cada 10 °C de aumento adicional de temperatura. Los mejoradores del índice de viscosidad y los aditivos antidesgaste del aceite se agotan rápidamente; el aceite se espesa debido a los productos de oxidación y al barniz; la película EHL se adelgaza y colapsa. engranaje helicoidal Las fallas causadas por la degradación del aceite —micropitting, desgaste por fricción, picaduras aceleradas— parecen fallas en los engranajes, pero en realidad son fallas del sistema térmico. La solución correcta: siempre se debe combinar la especificación del engranaje con un cálculo de resistencia térmica y proporcionar una refrigeración adecuada antes de la primera hora de funcionamiento, no después de la primera falla.
Solicite la clasificación térmica para su aplicación de engranajes helicoidales.
Indique la potencia, la velocidad, el ciclo de trabajo, la temperatura ambiente y las dimensiones de la carcasa. Korea Ever-Power calcula la generación de calor, la capacidad térmica de la carcasa y recomienda una solución de refrigeración si es necesario, como servicio estándar en todos los pedidos de engranajes helicoidales industriales de precisión superiores a 50 kW.
Pérdida de engranaje · Pérdida de cojinete · Disipación de la carcasa · Recomendación de refrigeración · Guía de monitoreo de la temperatura del aceite
Editor: Cxm
