Utjecaj konstrukcije na rad reduktora

Uspješan rad i pouzdanost reduktora su podjednako odgovornost konstruktora, operatera i održavatelja. Situacije koje utječu na opterećenje zubi reduktora u zahvatu i raspodjelu opterećenja su pod utjecajem konstrukcije i točnosti postignute u proizvodnji te izvijanja temelja, ravnomjernog opterećenja na zubima zupčanika, točnosti centriranja u odnosu na pogonski i pogonjeni stroj te fleksibilne ugradnje. Važan faktor koji utječe na održavanje točnosti centriranja kod dvostupanjskih reduktora je razlika u brzini vrtnje prednjih i zadnjih ležaja u reduktoru.

Na rad ležaja utječu još komponente sile nastale djelovanjem opterećenja i okretnog momenta te komponenta djelovanja same težine zupčanika i kućišta. Kod određenih tipova reduktora, kada se statičko opterećenje koje djeluje na prednje i zadnje ležajeve razlikuje po intenzitetu (za razliku od ležaja na koje djeluje opterećenje jednakog intenziteta) rezultirajuće sile neće biti istog smjera djelovanja. To će uzrokovati rad prednjeg i zadnjeg ležaja u različitim položajima unutar njihovog polja zračnosti.

Ležajevi reduktora su smješteni u kućištu iznad spremnika ulja za podmazivanje pa se iz tog razloga njihovi temelji zagrijavaju kada su u radu te uzrokuju nenamjerno pomicanje ležajeva. S druge strane, malo topline nastaje i tijekom rada pogonskog i pogonjenog stroja koji imaju veću temperaturu nego što je temperatura okoline. U tom slučaju, neizbježno je da njihov rad također utječe na rad ležajeva reduktora kada pumpni agregat prelazi iz hladnog stanja mirovanja na radnu temperaturu. Kada se postignu radni uvjeti, ležajno kućište reduktora će se podići otprilike od 0,3 mm do 0,7 mm iznad ležajnog kućišta pogonjenog stroja.

Postizanje kompenzacije za termičko i elastično izvijanje zubi na zupčanicima je ključni faktor pouzdanog rada time što omogućava postizanje prihvatljive raspodjele opterećenja među zupčanicima u zahvatu.

Zubi zupčanika kod višestupanjskih reduktora su konstruirani tako da rade pod utjecajem sila te imaju bočne kritične brzine koje su daleko iznad radnih brzina. Radit će bez vibracija ako su balansirani prema odgovarajućoj proceduri. Ako su parna ili plinska turbina glavni pogonski strojevi, balansiranje je osobito važno za zupčanik prvog stupnja redukcije jer on ima istu brzinu vrtnje kao i turbina. Zato mora imati jednaki stupanj dinamičke ravnoteže kao i turbina.

Generalno, reduktori imaju zube izrađene metodom tokarenja. U ovom procesu, alat za rezanje je tokarski nož, koji ima više rotirajućih sjekača na jednoj ili više vodilica, sa zubima koji su izvedeni tako da formiraju izabrano osnovno zupčasto kolo. Tijekom procesa izrade, djelovanje, rotirajućih sjekača izrezuju se zubi te nastaje pravi spiralni oblik bočne strane zuba i praznina među zubima. Noževi ujedno određuju dimenzije zubi u odnosu na njihov oblik.

Ostali parametri koji određuju geometriju zuba, broj i kut zavoja određeni su izborom promjenjivog omjera vrzine vrtnje zupčanika tokarilice bez da se mora mijenjati vrsta alata za urezivanje. Namještanjem kuta zavoja kojeg određuje profil zuba u ravnini rotacije moguće je koristiti izabrani nož jer se tako dobije profil zuba u ravnini zahvata zuba te određeni broj zuba. Zato se koristi standardizirani i ograničeni broj tokarskih alata za izradu zupčanika.

Drugi proces obrade koji se koristi za izradu velikih zupčanika je oblikovanje urezivanjem. U ovom procesu alat za oblikovanje je ili u obliku zupčaste letve ili nalik na mali zupčanik sa sjekačima koji zarezuju materijal u trenutku vrtnje kako bi oblikovali zahtijevani oblik zuba.

Procesi strojne obrade nakon rezanja se primjenjuju za poboljšavanje točnosti i ujednačenosti površine zubi zupčanika. Procesom aksijalnog struganja, zupčanik s višestrukim redom zubi za obradu površine gloda površinu zubi zupčanika s kojim je u zahvatu. Površina alata ima pravokutna udubljenja i kut zavoja koji se razlikuje za nekoliko stupnjeva od kuta zavoja zuba na zupčaniku koji se obrađuje. Ova razlika kuteva omogućuje kretanje duž oboda za precizno rezanje i glodanje.

S obzirom na veliku brzinu vrtnje zupčanika tijekom obrade te sporije glodanje površine, omogućeno je precizno rezanje bočne površine zuba. Rezultat ovog procesa je finija površina zuba i  precizniji oblik spiralnog zavoja u usporedbi što bi se postiglo tokarenjem. Proces glodanja također omogućava korekciju nedostataka kuta zavoja zupčanika tako što se selektivno izabire površina za obradu glodanjem koja je u kontaktu zupčanika u zahvatu.

Ubrušavanje je proces kada se za obradu koriste noževe koji imaju vrhove ojačane željeznim karbidom za uklanjanje neravnina na učvršćenim elementima reduktora. Međutim, zahtjev za velikom točnosti konstrukcije reduktora često onemogućava primjenu ubrušavanja za završnu obradu zupčanika.

Rotirajuće honovanje zupčanika reduktora je metoda za poboljšanje procesa završne obrade zupčanika. Honovanje je proces sličan glodanju duž aksijalne osi, međutim koristi abrazivni alat bez ozubljenja. Potreban je poseban oblik alata za honovanje kako bi se održala točnost profila zupčanika. Tijekom procesa brušenja, bruse se bočne strane zupčanika pri čemu se istovremeno ostvaruje potreban oblik zuba i kut zavoja. Proces brušenja vrlo često omogućava modifikacije profila zuba, kuta zavoja i krajnjih udubljenja. Promjene profila zuba omogućavaju postizanje optimalne raspodjele opterećenja duž zuba te smanjenje buke kada su zupčanici u zahvatu.

Provjera nalijeganja zubi zupčanika te jednolika raspodjela opterećenja duž širine lica zuba je bitna za pouzdan rad i smanjenje rizika da dođe do ubrzanog trošenja zuba. Provjera nalijeganja zuba pomoću kočnice se koristi kao pokazatelj međusobnog kontakta zubi. Provjera se može izvesti i pomoću nanesenih slojeva bakra ili nanošenjem plave boje. Otisak koji ostavlja plava boja ili otisak koji ostaje na sloju bakra služi kao  pokazatelj nalijeganja. Korištenjem naprednih metoda mjerenja vibracija i modulirane frekvencije može se motriti stanje zuba pri svi načinima rada i različitim uvjetima okoline te bilježiti utjecaj svih vanjskih i unutarnjih čimbenika koji utječu na trajnost zuba tijekom rada reduktora.

Kod ranih konstrukcija reduktora nepravilnosti zupčanika nastale tijekom proizvodnje su ponekad bile uzrok vibracija, međutim, preciznost kojom se izrađuju današnji zupčanici je uklonila ovaj izvor vibracija. Kod reduktora koji su u sustavu parnih ili plinskih turbina razlikujemo 3 vrste torzijskih vibracija. Kod prve vrste torzijskih vibracija, kutne vibracije su najveće, dok je na reduktoru najveći moment torzije. To se većinom događa tijekom rada u sustavima sa dugim spojkama te može biti jako opasno kada se javi u sustavima sa kraćim spojkama.

Prva vrsta torzijskih vibracija se mora pažljivo procijeniti kako bi se osiguralo da torzijski moment koji se dodaje momentu što se prenosi pri stabilnim uvjetima rada ne ugrožava rad reduktora. Inercija i faktori elastičnosti turbine i reduktora nemaju značajan učinak na prvu kritičnu brzinu.

Druga vrsta torzijskih vibracija je kada dođe do vibriranja 2 susjedna pogonska stroja npr. turbine, u suprotnim smjerovima i to se može dogoditi tijekom rada. U ovom slučaju, torzijski moment se mora procijeniti na isti način kao i kod prve kritične brzine. Primjenjujući sustav čvrstog pogona onemogućava se pobuđivanje druge vrste vibracija. Kod ovakvog pogona, 2 turbine su usklađene u radu podešavanjem dimenzija vratila na takav način da imaju istu radnu frekvenciju kao i reduktor. Kao rezultat, sva gibanja vratila obje turbine i pogonjenog stroja neće uzrokovati pobuđivanje druge vrste vibracija s obzirom na čvrstoću konstrukcije pogonskog stroja.

Treća vrsta vibracija je ona kod koje je reduktor podložan savijanju jer nema čvrstu konstrukciju. Obično se događa daleko izvan normalnog načina rada, međutim može utjecati na rad.

Npr. na brodovima glavni sustav propulzije koji koristi dizel motor kao primarni pogon zahtjeva opširne analize torzijskih vibracija kako bi se osigurao zadovoljavajući rad. Dizel motori imaju različite razine pobuđivanja. Četverotaktni motori imaju uzbude reda ½, 1, 1 ½, 2, 2 1/2, itd. Dvotaktni motori imaju uzbude reda 1, 2, 3, itd. Obično se analiziraju uzbude do 12. reda. Većina sustava dizelske propulzije na teretnim brodovima zahtijeva fleksibilnu torzijsku spojku za ublažavanje krutosti osovinskog voda koje ima i karakteristike prigušivanja kako bi se smanjile torzijske vibracije u reduktorima.

Slika 1.: Primjer dvostupanjskog reduktora (izvor)

Funkcija kućišta reduktora je osigurati odgovarajuću potporu ležajevima te spremnik ulja za prisilno podmazivanje zupčanika. Sva opterećenja ležajeva se nalaze u ravninama okomitima na os vratila. U mnogim slučajevima, posebno kod spoja sa dvostupanjskim reduktorima, kućište ležaja mora podupirati ležajeve pri različitim nagibima. Važno je da potporni sklop ima odgovarajuću čvrstoću konstrukcije kako bi se spriječila pojava bilo koje vrste mjerljivog savijanja zbog djelovanja različitog opterećenja.

Zbog različitog smjera vrtnje raznih vratila te zbog položaja opterećenja na zupčanika reduktora, može se dogoditi reakcija sile na ležajeve pod određenim kutem u odnosu na os vrtnje, pa je važno da se ovaj događaj uzme u obzir pri konstrukciji poklopca kućišta. Treba imati na umu da je za dobar rad reduktora i minimalno trošenje zupčanika potrebno da vratila rade kontinuirano i paralelno jedan u odnosu na drugi. Konstrukcija kućišta reduktora je jedan od načina da se osigura centriranje osovina pogonskog i pogonjenog stroja u odnosu na reduktor.

Konstrukcija i krutost kućišta reduktora se moraju proučiti i usporediti sa strukturom i krutosti temelja na kojima leži reduktor i sklopa kod kojeg je kućište reduktora vijcima pričvršćeno za temeljnu ploču u proizvodnom postrojenju. Kućište je kruto pričvršćeno na temelje kako bi formiralo strukturu koja će spriječiti savijanje osovinica zupčanika.

Osim kod malih pomoćnih reduktora, kućišta imaju odvojene poklopce za inspekciju kako bi se provjerilo stanje zupčanika te da se mogu kontrolirati i zamijeniti ležaji, fleksibilne spojke i ulje za podmazivanje bez potrebe za demontažom većih dijelova kućišta reduktora. Spojke koje povezuju vratila turbina sa reduktorima su također važne u određivanju bočne kritične brzine u sklopu turbina-reduktor i trebaju se uzeti u obzir pri procjeni. Kombinacija elektromotora, spojke, reduktora i pumpe čini sklop koji će torzijski vibrirati što je reakcija na impulse nastale zbog vrtnje rotora pumpe.

Problemi u radu reduktora uzrokovani su i zbog pretjerane krutosti spojke te neodgovarajućeg centriranja, i zato su potrebna stalna unaprijeđenja konstrukcije i razmjena iskustava između  operatera, održavatelja i konstruktora kako bi se omogućila zadovoljavajuća ugradnja. Prilikom ugradnje treba ispoštovati potrebne procedure i preporuke proizvođača opreme te primjeniti dobru praksu tijekom centriranja.

Koje tipove reduktora održavate? Koje probleme ste imali? Što mislite o utjecaju konstrukcije na rad reduktora? Podijelite vaša iskustva u komentarima!