Jak dobrać przekładnię ślimakową do pracy ciągłej (S1) i przerywanej (S3)?

Dobór przekładni ślimakowej do pracy ciągłej S1 i przerywanej S3 wymaga odpowiedzi na dwa różne pytania. Pierwsze: czy zazębienie, wały i łożyska wytrzymają moment, także w chwilach rozruchu i udarów? Drugie: czy reduktor zdąży oddać ciepło, które powstaje w nim podczas pracy? W pracy ciągłej zwykle ogranicza nas ciepło, w pracy przerywanej z częstymi startami – zmęczenie i szczyty momentu. Ten sam reduktor może więc być za mały do mieszadła pracującego całą dobę i z zapasem wystarczać do bramy, która otwiera się kilkadziesiąt razy dziennie.

Poniżej przekładamy oznaczenia S1 i S3, znane z tabliczek silników, na język katalogów przekładni, czyli godziny pracy na dobę, liczbę rozruchów na godzinę i charakter obciążenia. Potem przechodzimy przez dwa przykłady obliczeń: dla mieszadła w pracy ciągłej i dla podajnika dozującego pracującego cyklicznie.

Wszystkie współczynniki podane w tekście są typowymi zakresami. Właściwe wartości dla wybranego reduktora znajdziesz w karcie katalogowej producenta i to one rozstrzygają o doborze.

Klasy pracy S1 i S3 przetłumaczone na język przekładni

Oznaczenia S1–S10 pochodzą z normy IEC 60034-1 i dotyczą maszyn elektrycznych, a więc silnika, nie reduktora. Opisują przebieg obciążenia w czasie:

• S1 – praca ciągła: obciążenie stałe trwa tak długo, że silnik osiąga temperaturę ustaloną,
• S3 – praca okresowa przerywana: powtarzające się cykle pracy i postoju, przy czym wpływ samego rozruchu na nagrzewanie pomija się; parametrem jest względny czas pracy (ED), np. 25%, 40% lub 60%, odniesiony zwykle do cyklu 10-minutowego.

Szersze omówienie wszystkich klas zawiera artykuł o klasach pracy silników S1–S9. Producenci przekładni ślimakowych nie posługują się tymi symbolami. W ich katalogach pojawiają się trzy inne wielkości:

1. czas pracy w ciągu doby – np. do 2 h, do 8 h, do 16 h, do 24 h,
2. liczba rozruchów na godzinę – każdy start to krótki szczyt momentu i przyspieszanie mas,
3. charakter obciążenia – równomierne, z umiarkowanymi udarami, z silnymi udarami; często opisany przez stosunek momentu bezwładności obciążenia do bezwładności silnika.

Pierwszy krok doboru polega więc na opisaniu maszyny tymi trzema parametrami. Napęd w klasie S1 to najczęściej 16–24 h na dobę i kilka rozruchów na zmianę. Napęd w klasie S3 to krótsze łączne czasy pracy, ale często dziesiątki lub setki startów na godzinę.

Dwa kryteria: moment i ciepło

Kryterium wytrzymałościowe

Moment wymagany przez maszynę mnoży się przez współczynnik eksploatacyjny fs (w katalogach także SF lub fB), który uwzględnia czas pracy, rozruchy i udary. Wynik musi być mniejszy od dopuszczalnego momentu wyjściowego reduktora dla wybranego przełożenia i prędkości wejściowej. Tabela poniżej pokazuje orientacyjne zakresy fs. Każdy producent ma własną tabelę i to z niej należy korzystać.

Kryterium cieplne

Przekładnia ślimakowa zamienia w ciepło typowo od 10 do ponad 40% mocy wejściowej. W pracy ciągłej całe to ciepło musi zostać oddane przez obudowę. Katalogi podają dla wielu wielkości moc termiczną, czyli największą moc wejściową w pracy ciągłej przy określonej temperaturze otoczenia, bez dodatkowego chłodzenia. Przy wyższej temperaturze otoczenia moc termiczną się zmniejsza. W pracy przerywanej liczy się średnia moc strat w cyklu, więc kryterium cieplne zwykle przestaje być decydujące.

Jak dobrać przekładnię ślimakową do pracy ciągłej S1 – przykład mieszadła

Mieszadło w zbiorniku z zawiesiną potrzebuje na wale około 160 Nm przy 35 obr./min. Pracuje trzy zmiany, rozruchy są rzadkie, obciążenie lekko zmienne, temperatura w hali dochodzi latem do 30°C.

1. Przełożenie: silnik czterobiegunowy około 1400 obr./min, więc i ≈ 1400 / 35 = 40.
2. Współczynnik eksploatacyjny: 24 h na dobę, umiarkowane wahania obciążenia – przyjmujemy z tabeli producenta, załóżmy 1,5. Wymagany moment katalogowy: 160 × 1,5 = 240 Nm.
3. Moc silnika: przy sprawności katalogowej w okolicach 0,70 moc na wejściu to P₁ = 160 × 35 / (9550 × 0,70) ≈ 0,84 kW. Wybieramy silnik 1,1 kW, czyli wielkość mechaniczną 90.
4. Wielkość reduktora: szukamy wielkości, której dopuszczalny moment przy i = 40 i 1400 obr./min wynosi co najmniej 240 Nm. Kandydatem do sprawdzenia jest np. reduktor PM 075 1/40 z kołnierzem 90 B14; jeśli jego moment katalogowy nie pokrywa wymagań, przechodzimy do wielkości 090.
5. Moc termiczna: porównujemy 0,84 kW z mocą termiczną wybranej wielkości przy i = 40 i korygujemy ją o temperaturę otoczenia 30°C. Jeśli brakuje zapasu, przechodzimy na większą wielkość, zapewniamy lepszy przepływ powietrza wokół obudowy albo zmieniamy podział przełożenia.
6. Silnik a reduktor: silnik 1,1 kW może chwilowo oddać wyraźnie więcej niż 0,84 kW, np. przy zgęstnieniu zawiesiny. Sprawdzamy, czy moment maksymalny silnika przeliczony na wyjście nie przekracza momentu dopuszczalnego reduktora, a przeciążenie ograniczamy zabezpieczeniem silnika.

W pracy ciągłej warto też myśleć o oleju: wysoka temperatura przyspiesza jego starzenie, więc okres wymiany może być krótszy niż przy pracy jednozmianowej. Przy dużych przełożeniach i pracy przez całą dobę opłaca się rozważyć olej syntetyczny zalecany przez producenta.

Dobór do pracy przerywanej S3 – przykład podajnika dozującego

Podajnik ślimakowy dozuje granulat: pracuje 15 s, potem stoi 45 s. Cykl trwa minutę, czyli względny czas pracy wynosi 25%, a liczba rozruchów to 60 na godzinę. Moment w ruchu ustalonym to około 50 Nm przy 70 obr./min, ale w chwili startu ślimak transportowy rusza z zasypanego koryta i moment chwilowo podwaja się.

1. Przełożenie: i ≈ 1400 / 70 = 20.
2. Szczyt rozruchowy: 2 × 50 = 100 Nm przy każdym starcie, 60 razy na godzinę. Tu decyduje kryterium wytrzymałościowe, a nie cieplne.
3. Współczynnik eksploatacyjny: 8–16 h na dobę i 60 rozruchów na godzinę z udarem – przyjmujemy około 1,5. Wymagany moment katalogowy liczymy od momentu w ruchu ustalonym (50 × 1,5 = 75 Nm) i dodatkowo sprawdzamy, czy szczyt 100 Nm mieści się w dopuszczalnym momencie przyspieszania podanym przez producenta.
4. Ciepło: przy sprawności około 0,8 i mocy wejściowej około 0,46 kW straty w czasie pracy wynoszą około 90 W, ale średnio w cyklu to tylko około 25 W plus niewielki udział rozruchów. Reduktor pozostaje chłodny i ten punkt nie wymaga dalszej analizy.
5. Rozruch: sprawność rozruchowa ślimaka jest niższa od dynamicznej, więc silnik musi mieć zapas momentu rozruchowego. Łagodny start z falownika albo układu softstart zmniejsza szczyty momentu i wydłuża życie zazębienia.

Ten przykład pokazuje typową pułapkę pracy S3: niska temperatura uspokaja użytkownika, a zazębienie i wpust wału wyjściowego niszczą się zmęczeniowo od powtarzanych szczytów. Jeżeli w cyklu występują nawroty (zmiana kierunku pod obciążeniem), współczynnik eksploatacyjny trzeba dodatkowo zwiększyć.

Silnik w klasie S3 a obciążalność reduktora

Silnik przewidziany do pracy przerywanej może mieć na tabliczce wyższą moc dla S3 niż dla S1, bo w przerwach zdąży ostygnąć. Reduktor nie korzysta z tej ulgi w takim samym stopniu: zazębienie przenosi pełny moment przy każdym cyklu. Gdy moc silnika dobrana dla S3 jest wyraźnie większa niż wynikałoby z obliczeń dla S1, trzeba sprawdzić reduktor dla tej większej mocy, a nie dla mocy „przeciętnej”.

W napędach przerywanych z pozycjonowaniem i zatrzymywaniem ładunku stosuje się zwykle silniki trójfazowe z hamulcem. Hamowanie to dla reduktora kolejny szczyt momentu, porównywalny z rozruchem, więc liczbę zatrzymań dolicza się do liczby rozruchów.

Częste starty obciążają też silnik i jego zabezpieczenie. Nastawę i klasę wyzwalania przy częstych rozruchach omawia artykuł o doborze wyłącznika silnikowego, a sposoby ograniczania prądu i momentu przy starcie – poradnik o metodach rozruchu silnika trójfazowego. Wszelkie zmiany w układzie zasilania i sterowania wykonuje osoba z odpowiednimi uprawnieniami (SEP).

Jeżeli silnik ma pracować w S1 przy obniżonej prędkości z falownika, jego własny wentylator chłodzi słabiej. Rozwiązaniem bywa obce chłodzenie dobrane do wielkości mechanicznej silnika. Pamiętaj jednak, że reduktor ślimakowy przy niskich obrotach wejściowych ma niższą sprawność, więc jego temperaturę też warto zmierzyć.

Lista kontrolna: S1 czy S3, zanim zamówisz reduktor

• Ile godzin na dobę napęd faktycznie pracuje pod obciążeniem, a nie tylko „jest włączony”?
• Ile jest rozruchów, zatrzymań i nawrotów na godzinę?
• Jaki jest moment w ruchu ustalonym, a jaki w chwili startu z pełnym załadunkiem?
• Jaki współczynnik eksploatacyjny przewiduje tabela producenta dla tej kombinacji?
• Czy w pracy ciągłej moc wejściowa mieści się w mocy termicznej po korekcie o temperaturę otoczenia?
• Czy moment maksymalny silnika przeliczony na wyjście nie przekracza dopuszczalnego momentu reduktora?
• Czy obudowa ma swobodny dostęp powietrza i nie jest zamknięta w osłonie?
• Czy olej i jego okres wymiany odpowiadają temperaturze pracy?

Najczęstsze pytania

Czy reduktor dobrany do pracy S3 można przestawić na pracę ciągłą?

Tylko po ponownym sprawdzeniu współczynnika eksploatacyjnego dla dłuższego czasu pracy i mocy termicznej. W pracy ciągłej często okazuje się, że ten sam reduktor jest za mały ze względu na ciepło.

Czy w pracy przerywanej mogę dobrać mniejszy reduktor?

Czasem tak, bo kryterium cieplne przestaje ograniczać. Trzeba jednak uwzględnić liczbę rozruchów i szczyty momentu, które w pracy S3 bywają wyższe niż w ruchu ustalonym.

Czy liczba rozruchów ma znaczenie, jeśli każdy trwa tylko chwilę?

Tak. Każdy start to szczyt momentu w zazębieniu, na wpuście i w łożyskach. Kilkadziesiąt startów na godzinę zmienia współczynnik eksploatacyjny w podobnym stopniu jak wydłużenie pracy z 8 do 16 godzin.

Jaka temperatura obudowy jest dopuszczalna w pracy ciągłej?

Graniczną wartość podaje producent, zależnie od oleju i uszczelnień. W wielu przekładniach ślimakowych temperatura obudowy rzędu 70–90°C w pracy ciągłej przy dużym przełożeniu nie jest jeszcze stanem awaryjnym.

Czy gotowy motoreduktor ma już uwzględniony współczynnik eksploatacyjny?

W danych motoreduktora zwykle podaje się współczynnik wynikający z relacji mocy silnika do możliwości reduktora. Trzeba go porównać z wartością wymaganą dla Twojej maszyny, a nie zakładać, że zestaw pasuje do każdego rodzaju pracy.

Gdy znasz już moment, liczbę rozruchów i czas pracy, wybierz wielkość w kategorii przekładnie ślimakowe PM 030–150 albo, jeśli wolisz kompletny zespół z silnikiem, przejrzyj motoreduktory pogrupowane według prędkości wyjściowej. W obu przypadkach moment dopuszczalny, współczynnik eksploatacyjny i moc termiczną sprawdzisz w karcie katalogowej producenta.