Praktycznie w każdym zakładzie przemysłowym do przeniesienia napędu stosuje się różnego typu przekładnie i sprzęgła. Dostępne obecnie nowe materiały i technologie pozwalają na opracowanie konstrukcji przystosowanych do przenoszenia dużej mocy przy zachowaniu kompaktowych wymiarów. Liczy się też niezawodność i bezobsługowość konstrukcji.
Coraz większy wpływ na koszty produkcji ma zużycie energii i koszty obsługi urządzeń. W nowych konstrukcjach przekładni liczy się wysoka sprawność i żywotność elementów pracujących. Jak mówi Jacek Korczyk z firmy „POLWENT” zajmującej się produkcją i dostarczaniem różnego typu przekładni dla przemysłu, klienci coraz częściej wymagają, by urządzenia miały również kompaktową budowę. Ma to znaczenie tam, gdzie warunki instalacji wymuszają przenoszenie dużych sił przy ograniczonym miejscu na zainstalowanie przekładni, jak na przykład w górnictwie.
Przekładnie
Przekładnia to mechanizm lub układ maszyn, dzięki któremu następuje przeniesienie ruchu z elementu czynnego (napędowego) na bierny (napędzany). Równocześnie zmieniają się parametry ruchu, takie jak prędkość, siła lub moment siły. Ogólnie przekładnie możemy podzielić na: mechaniczne, elektryczne, hydrauliczne, pneumatyczne. Przekładnia może zarówno redukować szybkość obracania się członu napędzanego w stosunku do napędzającego (reduktor) lub przeciwnie (jak to jest w przypadku przekładni multiplikujących, w których człon napędzany obraca lub porusza się z większą prędkością niż człon napędzający). Popularne są przekładnie o zmiennym przełożeniu, określane jako wariator. Są też przekładnie, których zadaniem jest tylko zmiana kierunku wektora prędkości lub siły (momentu). Podstawowe parametry techniczne opisujące przekładnie to: maksymalna prędkość na wale napędzającym, maksymalne obciążenie – siła lub moment siły na wale napędzanym, przełożenie przekładni oraz sprawność energetyczna przekładni, czyli stosunek mocy użytecznej do mocy włożonej. Przekładnie mechaniczne można też podzielić na: cięgnowe, cierne, zębate i śrubowe. Z kolei przekładnie zębate dzielą się na czołowe i śrubowe. Wśród przekładni zębatych czołowych rozróżnia się: walcowe – równoległe (proste, śrubowe, strzałkowe i daszkowe) oraz stożkowe – kątowe (proste, śrubowe i łukowe). Natomiast w przypadku przekładni zębatych śrubowych rozróżnia się hiperboloidalne (walcowe i stożkowe – hipoidalne) oraz ślimakowe (walcowe i globoidalne). Przekładnie zębate są zdecydowanie najczęściej stosowanymi przekładniami w budowie maszyn. Różnorodność stosowanych w praktyce przekładni jest duża, choć można wymienić rodzaje przekładni, które stosuje się zdecydowanie częściej. Najpopularniejsze pod względem liczby miejsc, w których mogą być stosowane, są przekładnie ślimakowe charakteryzujące się bardzo cichą pracą. Są bezobsługowe, mogą pracować w każdej pozycji, a ich sprawność kształtuje się w granicach 0,4–0,91. Typowe mocowania to: za pomocą łap na korpusie przekładni, za pośrednictwem kołnierza bocznego lub ramienia reakcyjnego. W przypadku stosowania reduktorów o dużych przełożeniach często składa się na przykład dwie przekładnie. Na drugim miejscu pod względem różnorodności zastosowań plasują się przekładnie walcowe. Są one z reguły głośniejsze od przekładni ślimakowych. Są również bardziej wymagające pod względem obsługi – wymagają okresowej wymiany oleju. Ich zaletą w stosunku do przekładni ślimakowych jest trwałość i dużo wyższa sprawność w granicach 0,95–0,97. Mocowanie przekładni walcowych odbywa się za pomocą łap lub kołnierza. Popularne są też wariatory do płynnej mechanicznej zmiany prędkości obrotowej oraz z innych rodzajów przekładni, takie jak planetarne, stożkowe, stożkowo-walcowe.
Dobór przekładni
Producenci krajowi i dystrybutorzy urządzeń światowych producentów, takich jak: Bauer, SEW, Nord Cyclo itp., oferują na naszym rynku bardzo szeroki asortyment przekładni (zwłaszcza tych o szerokim zastosowaniu w przemyśle) takich jak: walcowe, stożkowo-walcowe, ślimakowe i planetarne. Często są też oferowane przekładnie do specjalnego zastosowania, które muszą spełniać dodatkowe wymagania, jak choćby przekładnie do taśmociągów górniczych, przygotowane do pracy w ciężkich warunkach i w środowisku z niebezpieczeństwem wybuchu. Przy okazji warto wspomnieć, że od lipca 2003 r. na terenie Unii Europejskiej obowiązuje dyrektywa ATEX 94/9/EG. Dotyczy ona bezpieczeństwa pracy w miejscach zagrożonych wybuchem. Najistotniejsze zmiany wprowadzone przez dyrektywę to uwzględnienie urządzeń nieelektrycznych, uwzględnienie wybuchu pyłu oraz podział urządzeń na poszczególne grupy i kategorie w tym wprowadzenie nowego oznakowania Ex. Podstawą do doboru odpowiedniego urządzenia jest znajomość warunków, w jakich będzie ono pracowało. Istotnymi elementami, które należy określić podczas specyfikacji urządzenia, są: strefa, grupa wybuchowa oraz klasa temperaturowa. Typową usługą jest też budowa przekładni na zamówienie klienta. Przykładem może być firma JAKO wykonująca seryjnie i jednostkowo koła zębate: walcowe z zębami prostymi, śrubowymi i wewnętrznymi oraz stożkowe z zębami prostymi i łukowymi, w tym także koła stożkowe z zębami łukowymi wykonane w systemie KURVEX, także o przesuniętych osiach, oraz koła walcowe z zębami szlifowanymi. Koła zębate stalowe mogą być surowe lub obrabiane cieplnie przez: ulepszanie cieplne, nawęglanie, azotowanie, węgloazotowanie oraz hartowanie indukcyjne. Przy wyborze dostawcy przekładni poza parametrami technicznymi i projektowymi warto zwrócić uwagę na możliwość wyposażenia dodatkowego. Dla przykładu, przekładnie walcowe i stożkowo-walcowe oferowane przez firmę „Polwent” mogą być dodatkowo wyposażane w układ chłodzący zależnie od przenoszonych obciążeń – w chłodzenie wentylatorem na wale wejściowym (zębniku) w przypadku, gdy kontrola przekładni na temperaturę wymaga jego zastosowania, lub przez zastosowanie chłodzenia oleju systemem wodnym za pomocą rurek. Chłodzenie może też być prowadzone przez chłodzenie oleju w zewnętrznym obiegu przy wykorzystaniu zewnętrznej chłodnicy. Jest też możliwe wstępne zagrzanie oleju przy temperaturach niższych niż + 5oC, co pozwala na oszczędny rozruch. Może też być zamontowane sprzęgło jednokierunkowe (back stop) zabezpieczające przed cofaniem się przekładni. Jest to ważne przy zastosowaniu przekładni do napędu przenośników pracujących pod kątem. Jeśli przenoszone są duże momenty obrotowe, można też zamontować na wał wejściowy hamulec.
Obecnie szczególnego znaczenia nabiera monitoring przekładni. Dlatego warto zwracać uwagę, czy jest możliwość wykonania otworów, w których można umieścić i podłączyć: sygnalizację przepływu oleju, czujnik wibracji, czujnik temperatury korpusu skrzyni czy czujnik temperatury oleju. Instalacja czujnika wibracji pozwoli wykryć np. postępujące zużycie kół zębatych. Przekładnie zębate ze względu na dyskretne przenoszenie obciążenia przez kolejne zęby wchodzące w przypór należą – obok łożysk tocznych – do głównych źródeł (generatorów) drgań. Przy zużyciu eksploatacyjnym przekładni, takim jak: punktowe (np. wykruszenie zęba) oraz powierzchniowe (takie jak pitting na powierzchniach roboczych zębów) zmieniają widmo drgań przekładni. 
Bezpieczeństwo eksploatacji i wymaganą żywotność przekładni można osiągnąć wtedy, gdy w trakcie wybierania konkretnej przekładni wzięto pod uwagę wszystkie czynniki, które mogą mieć wpływ na napęd. Dane, jakie należy zebrać, aby właściwie dobrać przekładnie, to między innymi określenie, jakiego typu urządzenie napędzające będzie wykorzystane, jego moc i liczba obrotów. Dane urządzenia napędzanego, takie jak: rodzaj pracy, wykorzystywana moc, potrzebne obroty wyjściowe, czas pracy przekładni (np. 19 godzin w ciągu dnia) – w tym czas pracy w ciągu godziny, liczba rozruchów w ciągu godziny i temperatura otoczenia. W konkretnych zastosowaniach kontroluje się moc cieplną i moment rozruchu silnika, który nie może przekroczyć na przykład 1,8-krotności dopuszczonej wartości momentu nominalnego przekładni na wale wejściowym.
Programy do wspomagania projektowania
Do projektowania przekładni zębatych można korzystać z wielu dostępnych programów komputerowych, także bezpłatnych. Prosty program „Przekładnie zębate 2.00” służy do obliczania wymiarów, parametrów geometrycznych kół przekładni zębatych walcowych o zębach prostych. Obliczenia wytrzymałościowe przeprowadzane są w programie według metody K. Ochęduszko. Podajemy po kolei parametry: przełożenie, obroty wejściowe, moc na wejściu, czas pracy kół, liczbę zębów koła itd., po czym otrzymujemy wynik. Jest on rozprowadzany na zasadach licencji open source. Pracuje w trybie DOS, nie potrzeba go nawet instalować. Wyposażony jest w prosty interfejs tekstowy.
Są też arkusze kalkulacyjne MS Excel przystosowane do tego typu obliczeń. Przykładem jest arkusz ułatwiający obliczenia przekładni zębatych Centrum Kształcenia Ustawicznego. Są też bardziej rozbudowane narzędzia jak „Engineering Power Tools”, który – jak podaje producent – jest przeznaczony dla inżynierów i zawiera ponad 150 modułów oraz tablic z danymi. Programy wspomagające obliczenia projektowe tworzą też uczelnie techniczne. Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechniki Wrocławskiej opracował program „MechKonstruktor” służący do komputerowego wspomagania obliczeń projektowych typowych części maszyn, takich jak przekładnie pasowe: z pasem klinowym, z pasem zębatym, przekładnie zębate: walcowe, stożkowe, ślimakowe oraz wały maszynowe. Dodatkowo program umożliwia dobór materiałów konstrukcyjnych na: pasy (przekładnie pasowe z pasem klinowym), koła zębate, wały oraz dobór silników elektrycznych czy łożysk tocznych. Ponadto dołączona do programu baza danych zawiera znormalizowane parametry charakteryzujące poszczególne przekładnie mechaniczne. Nie można zapomnieć też o profesjonalnych rozbudowanych narzędziach jak Autodesk Inventor 2009. Program wykorzystywany jest w mechanice do tworzenia zaawansowanych modeli bryłowych, projektowania urządzeń jako modelu 3D, a następnie wygenerowania na podstawie modelu rysunków złożeniowych, wykonawczych, eksplodujących, ofertowych, poglądowych i innych. Generatory elementów maszynowych pozwalają zaprojektować, przeanalizować i utworzyć typowe elementy maszynowe w oparciu o wymagania funkcjonalne i specyfikacje. Wygenerowane elementy bazują na rzeczywistych parametrach i obliczane są na podstawie mocy, prędkości, tarcia, właściwościach materiałowych, temperatury pracy i warunków smarowania. Jest też kreator przekładni zębatej, który pomaga zaprojektować, przeanalizować, sprawdzić funkcjonalność i utworzyć złożenie przekładni zębatej oraz kreator przekładni pasowych i łańcuchowych. Można za jego pomocą obliczyć optymalną długość łańcucha lub paska w oparciu o dostarczone dane projektowe. Design Doctor wspomaga naprawę błędów w modelu 3D, a zestaw narzędzi diagnostycznych wykrywa potencjalne błędy projektowe i sugeruje najlepsze zmiany. W oprogramowaniu znajdziemy również aktualne przewodniki i porady pozwalające na efektywną naukę zaawansowanych technik projektowania. Wszystkie informacje mogą być okresowo uaktualniane przez Internet.
Falowniki
Omawiając problematykę transmisji mocy w zastosowaniach przemysłowych należy wspomnieć też o falownikach. Wykorzystuje się je głównie do regulacji prędkości obrotowej silników elektrycznych prądu przemiennego. Szczególną zaletą falowników jest możliwość regulacji obrotów silnika w określonych granicach poprzez zmianę częstotliwości. Poprzez to wysuwają one na drugi plan silniki dwubiegowe. Przy silnikach napędzanych falownikiem nie ma potrzeby stosowania w napędach dodatkowych przekładni. Jednym falownikiem można sterować więcej silników. Bardzo istotną sprawą jest możliwość stosowania miękkiego rozruchu. Obecnie falowniki mają bardzo szerokie zastosowanie. Przemienniki częstotliwości (falowniki) stosuje się do takich aplikacji, jak: pompy odśrodkowe, pompy dozujące, wentylatory, dmuchawy, przenośniki, podajniki, windy, wirówki, maszyny skrawające, podnośniki, sprężarki, filtry rotacyjne, maszyny włókiennicze, maszyny dziewiarskie itp. Wśród znanych producentów tego typu urządzeń warto wymienić takich jak: Bauer, Berges, Danfoss, Hitachi, LG, SEW, Telemecanique. Obecnie bardzo silnie promuje się energooszczędne napędy elektryczne w przemyśle – europejski projekt 4EM-MCP. Skupia się na rozpowszechnianiu, rozszerzaniu i stosowaniu narzędzi MCP. Oczywiście przy oszczędzaniu energii nie bez znaczenia jest korzystanie z przekładni, które gwarantują wysoką sprawność.
Nowe rozwiązania
Stale na rynku pojawiają się nowe rozwiązania związane z przenoszeniem mocy. Jest to również związane z poprawą parametrów użytkowych i sprawności. Przykładem są sprzęgła i przekładnie hydrodynamiczne (hydrokinetyczne) – wieloobwodowy napęd regulowany Vorecon, czyli udoskonalenie napędów regulowanych opracowane przez firmę Voith. Ma ona długoletnie doświadczenie w dziedzinie hydrodynamicznej techniki napędowej. W wyniku kombinacji sprawdzonych hydrodynamicznych elementów napędowych z przekładnią planetarną oraz wykorzystania zasady rozdziału mocy udało się poprawić sprawność mechanicznych napędów regulowanych. Zasada rozdziału mocy umożliwia uzyskanie sprawności większych niż 95% dla szerokich zakresów mocy od 1000 kW do 40 000 kW i liczby obrotów od 100 obr./min do 20 000 obr./min. W porównaniu z alternatywnymi systemami napędowymi Vorecon ma wysoką sprawność, niezawodność (wartość doświadczalna 99,93%) oraz dyspozycyjność włącznie z przerwami na przeglądy (wartość doświadczalna 99,83%). Okresy konserwacyjne co 80 tys. godzin. Również to, co się obecnie bardzo liczy, a więc zwarta budowa, wytłumienie drgań i możliwość zainstalowania w środowisku zagrożonym eksplozją i zapylonym oraz pracy w ekstremalnych temperaturach. Można je stosować: w elektrowniach, przemyśle stalowym i hutniczym oraz w przemyśle chemicznym i petrochemicznym. Takich nowych rozwiązań jest obecnie coraz więcej. W konstrukcjach maszynowych bardzo często istnieje potrzeba zmiany prędkości obrotowej lub momentu napędowego na drodze silnik-maszyna robocza. W większości przypadków stosuje się wtedy przekładnie zębate, zwłaszcza jeśli chodzi o przekazywanie dużych mocy. W powszechnej opinii profesjonalne rozwiązania będą zdążały w kierunku przekładni bezstratnych, czyli o napędzie bezpośrednim, lub wyposażonych w bezstratną skrzynię biegów. Użytkownicy przekładni pasowych coraz częściej odchodzą od zakupu urządzeń, takich jak: sprężarki, dmuchawy, pompy próżniowe, wykorzystujące przekładnie pasowe. Dzieje się tak pomimo tego, że obserwujemy postęp technologiczny i materiałowy również tej dziedzinie.
Autor: Bohdan Szafrański
