Sprawność przekładni ślimakowej – od czego zależy i jak wpływa na temperaturę oraz zużycie energii?

Sprawność przekładni ślimakowej mówi, jaka część mocy oddanej przez silnik dociera do wału wyjściowego, a jaka zostaje w reduktorze jako ciepło. W przekładni walcowej strata to zwykle kilka procent. W przekładni ślimakowej bywa to kilkanaście, a przy dużych przełożeniach nawet kilkadziesiąt procent. Ta różnica decyduje o tym, jak gorąca będzie obudowa po godzinie pracy, ile wytrzyma olej i uszczelniacze i ile kosztuje energia zasilająca maszynę przez cały rok.

W tym poradniku nie zaczynamy od definicji, tylko od pytania, które pada w utrzymaniu ruchu: „dlaczego ten reduktor jest taki gorący i czy to normalne?”. Pokazujemy, skąd biorą się straty w zazębieniu ślimak–ślimacznica, które czynniki konstrukcyjne i eksploatacyjne je zmieniają, jak przeliczyć straty na przyrost temperatury i na kilowatogodziny oraz co można zrobić, gdy napęd już pracuje i nie da się go łatwo przebudować.

Wszystkie liczby w tekście są orientacyjne. Konkretną sprawność dla danej wielkości i przełożenia podaje karta katalogowa producenta i to ona jest podstawą obliczeń.

Skąd biorą się straty w przekładni ślimakowej

Gwint ślimaka nie toczy się po zębach ślimacznicy, tylko po nich przesuwa. Prędkość poślizgu w strefie styku jest bliska obwodowej prędkości ślimaka, a więc przy silniku 1400 obr./min i ślimaku o średnicy kilku centymetrów wynosi kilka metrów na sekundę. Każdy niutonometr przenoszony przez zazębienie odbywa się kosztem tarcia, a energia tarcia zamienia się w ciepło w oleju, w brązie ślimacznicy i w stalowym ślimaku.

Zazębienie nie jest jedynym źródłem strat. W bilansie reduktora pojawiają się jeszcze:

• straty łożyskowe – zależne od obciążenia i od wstępnego napięcia łożysk stożkowych lub kulkowych,
• straty na uszczelniaczach – warga simmeringu ociera o wał, a nowy uszczelniacz trze mocniej niż dotarty,
• straty hydrauliczne – mieszanie i przelewanie oleju, tym większe, im wyższy poziom oleju i im szybciej obraca się ślimak.

Straty łożyskowe, uszczelniaczowe i hydrauliczne występują także bez obciążenia. Dlatego reduktor pracujący „na pusto” ma bardzo niską sprawność, a wraz ze wzrostem obciążenia do wartości znamionowej sprawność rośnie do poziomu podawanego w katalogu.

Czynniki, od których zależy sprawność przekładni ślimakowej

Kąt wzniosu linii śrubowej i liczba zwojów

Najważniejszym parametrem jest kąt wzniosu gwintu ślimaka. Duży kąt (ślimak wielozwojny, małe przełożenie) oznacza krótszą drogę poślizgu na jeden obrót koła i wyższą sprawność. Mały kąt (ślimak jednozwojny, duże przełożenie) wydłuża drogę tarcia, obniża sprawność i jednocześnie zbliża przekładnię do samohamowności. To jedna fizyka, widziana z dwóch stron: nie da się mieć jednocześnie wysokiej sprawności i silnego samohamowania.

Przełożenie i wielkość reduktora

Przy tym samym przełożeniu większy reduktor ma zwykle nieco wyższą sprawność, bo zazębienie ma większą średnicę, a udział strat stałych w całkowitym bilansie jest mniejszy. Najmniejsze wielkości przy przełożeniach rzędu 1:80–1:100 osiągają typowo 45–60%, a te same przełożenia w większych korpusach dochodzą do 55–70%.

Prędkość obrotowa ślimaka

Wraz ze wzrostem prędkości poślizgu współczynnik tarcia w zazębieniu smarowanym olejem maleje, więc sprawność dynamiczna przy 2800 obr./min bywa wyższa niż przy 1400 obr./min. Wyższe obroty oznaczają jednak większe straty hydrauliczne, więcej hałasu i wyższą temperaturę. Przy bardzo niskich obrotach wejściowych, na przykład po zjechaniu falownikiem do 10–15 Hz, tarcie rośnie, a film olejowy jest cieńszy, więc sprawność spada wyraźnie poniżej wartości katalogowej.

Rodzaj i stan oleju

Oleje syntetyczne do przekładni ślimakowych (najczęściej na bazie poliglikoli, PG) mają niższy współczynnik tarcia w parze stal–brąz niż oleje mineralne i mogą podnieść sprawność o kilka punktów procentowych. Olej zestarzały, zanieczyszczony drobinami brązu albo uzupełniony innym, niekompatybilnym środkiem działa odwrotnie. Oleju poliglikolowego nie miesza się z mineralnym, a typ środka smarnego zawsze sprawdza się na tabliczce i w instrukcji reduktora.

Docieranie

Nowa para ślimakowa ma mikronierówności na powierzchni ślimacznicy. Przez pierwsze dziesiątki, a czasem setki godzin pracy powierzchnie się wygładzają i sprawność rośnie o kilka procent. W tym okresie reduktor może grzać się bardziej niż później i nie warto od razu wyciągać z tego wniosków o złym doborze. Część producentów zaleca w tym czasie pracę z obciążeniem niższym od znamionowego.

Sprawność statyczna, rozruchowa i dynamiczna

Katalogi podają zwykle sprawność dynamiczną, czyli dla ustalonej pracy pod obciążeniem. W chwili rozruchu tarcie spoczynkowe w zazębieniu jest większe, więc sprawność rozruchowa jest niższa, przy dużych przełożeniach nawet o 15–25 punktów procentowych. Ma to dwie praktyczne konsekwencje:

• przy rozruchu pod pełnym obciążeniem silnik musi dostarczyć wyraźnie większy moment niż wynikałoby z obliczeń dla pracy ustalonej; ważne zwłaszcza dla przenośników, które startują z załadowaną taśmą,
• przekładnia, która w ruchu daje się „przepchnąć” od strony wyjścia, w spoczynku może się nie dać obrócić. Stąd potoczne określenie samohamowności statycznej. Nie jest to jednak funkcja bezpieczeństwa i nie zastępuje hamulca.

Dopiero zestawienie obu wartości mówi, czy dobrany silnik bez problemu ruszy maszynę. Jeśli rozruch jest ciężki, warto rozważyć silnik o większym momencie rozruchowym albo łagodny start z falownika.

Typowe zakresy sprawności – tabela orientacyjna

Poniższe wartości dotyczą reduktorów ślimakowych napędzanych silnikiem czterobiegunowym (około 1400 obr./min), po dotarciu i przy obciążeniu zbliżonym do znamionowego. Służą do wstępnego szacowania. Do obliczeń przyjmuje się wartość z karty katalogowej konkretnej wielkości.

Gdy potrzebne jest przełożenie powyżej 1:100, zamiast szukać jednego stopnia o bardzo niskiej sprawności, stosuje się zestaw z reduktorem wstępnym montowanym przed przekładnią ślimakową. Stopień walcowy na wejściu ma wysoką sprawność, a ślimak może wtedy pracować z mniejszym przełożeniem.

Jak sprawność przekłada się na temperaturę obudowy

Moc strat to różnica między mocą na wejściu i na wyjściu: Pₛ = P₁ × (1 − η). Ta moc musi zostać oddana do otoczenia przez powierzchnię obudowy. Przyrost temperatury ponad otoczenie jest w przybliżeniu proporcjonalny do mocy strat i odwrotnie proporcjonalny do powierzchni korpusu oraz intensywności wymiany ciepła (ruch powietrza, przewodzenie do konstrukcji).

Przykład z warsztatu: reduktor wielkości 063, przełożenie 1:40, napędzany silnikiem 0,75 kW obciążonym w około 85%. Moc na wejściu to około 0,64 kW, sprawność około 0,68, więc w obudowie zostaje około 205 W. W hali o temperaturze 22°C obudowa po ustaleniu się temperatury ma, powiedzmy, 68°C, czyli 46 K ponad otoczenie. Jeżeli ten sam układ przestawimy na przełożenie 1:60 o sprawności około 0,6, straty wzrosną do około 255 W. Przyrost temperatury zwiększy się proporcjonalnie do około 57 K, a obudowa dojdzie do mniej więcej 79°C. Latem, przy 32°C w hali, będzie to już blisko 90°C.

Wyższa temperatura ma swoje skutki:

• olej mineralny starzeje się szybciej, a jego lepkość w temperaturze pracy spada, co pogarsza smarowanie zazębienia,
• uszczelniacze z kauczuku nitrylowego (NBR) twardnieją i zaczynają przepuszczać olej, dlatego przy wysokich temperaturach stosuje się uszczelnienia z FKM,
• rośnie ciśnienie wewnątrz korpusu, jeśli reduktor nie ma odpowietrznika albo odpowietrznik jest zatkany,
• brąz ślimacznicy zużywa się szybciej, co z czasem zwiększa luz obwodowy.

Producenci podają dla wielu wielkości moc termiczną, czyli moc, jaką reduktor może przenosić w pracy ciągłej bez przekroczenia dopuszczalnej temperatury oleju. Typowo dopuszcza się temperaturę obudowy rzędu 80–90°C, ale granica zależy od oleju i uszczelnień. Przy pracy S1 sprawdzenie mocy termicznej jest równie ważne jak sprawdzenie momentu. Więcej o tym, jak cykl pracy wpływa na nagrzewanie, opisuje artykuł o klasach pracy S1–S9 i ich znaczeniu w praktyce.

Gorąca obudowa reduktora podgrzewa też kołnierz i tarczę łożyskową silnika. Jeżeli to silnik, a nie reduktor, zbliża się do granicy klasy izolacji, przydaje się analiza z poradnika o przyczynach grzania się silnika elektrycznego.

Sprawność w obliczeniach: zużycie energii i moment

Ile kosztują straty – policz, zanim zdecydujesz

Straty w reduktorze płaci się w każdej godzinie pracy. Weźmy mieszadło, które na wale wyjściowym potrzebuje 0,45 kW i pracuje dwie zmiany, czyli około 4000 godzin rocznie.

• Reduktor ślimakowy o sprawności 0,62 wymaga na wejściu około 0,73 kW. Roczne zużycie samego układu mechanicznego (bez strat silnika) to około 2900 kWh.
• Napęd z przekładnią walcową o sprawności około 0,95 wymaga około 0,47 kW, czyli około 1900 kWh rocznie.

Różnica wynosi około 1000 kWh rocznie na jednym napędzie. Do tego dochodzi efekt pośredni: przy niższej sprawności często trzeba wybrać silnik o jeden stopień mocy większy, który przy niepełnym obciążeniu pracuje z gorszą sprawnością własną i gorszym współczynnikiem mocy.

Nie znaczy to, że przekładnia ślimakowa jest zawsze złym wyborem energetycznym. Przy pracy kilka minut dziennie, na przykład w bramie, podnośniku czy dozowniku, roczna różnica jest pomijalna, a kompaktowa budowa, kąt prosty i cicha praca przeważają. Rachunek ma sens przy pracy ciągłej i dużych mocach. Tam warto porównać rozwiązanie ślimakowe z przekładniami walcowymi współosiowymi, których budowę i dobór opisuje artykuł o przekładniach walcowych ERC01–ERC04.

Uwzględnienie sprawności w doborze momentu

Moment na wyjściu liczy się z zależności M₂ = M₁ × i × η, gdzie M₁ = 9550 × P₁ / n₁. Przykład: silnik 0,37 kW, 1370 obr./min, przełożenie 1:25, sprawność katalogowa 0,74. Moment silnika to około 2,6 Nm, a moment na wyjściu około 2,6 × 25 × 0,74 ≈ 48 Nm przy około 55 obr./min. Przyjęcie η = 1 dałoby 65 Nm, czyli zawyżenie o ponad jedną trzecią.

W praktyce przydaje się też odwrotny kierunek obliczeń: znamy moment potrzebny na wyjściu i szukamy mocy silnika. Wtedy P₁ = M₂ × n₂ / (9550 × η). Im niższa sprawność, tym większy silnik, a sprawność rozruchową trzeba sprawdzić osobno, jeżeli maszyna rusza pod obciążeniem. Wynik porównuje się z dopuszczalnym momentem wyjściowym z katalogu, z uwzględnieniem współczynnika eksploatacyjnego.

Co można poprawić w działającym napędzie

Konstrukcyjnej sprawności zazębienia nie da się zmienić bez wymiany przekładni, ale warunki pracy już tak. Lista działań, zaczynając od tych, które kosztują najmniej:

1. Sprawdź poziom i rodzaj oleju zgodnie z pozycją montażową. Nadmiar oleju zwiększa straty hydrauliczne, niedobór niszczy zazębienie.
2. Zapewnij przepływ powietrza wokół obudowy. Reduktor zamknięty w ciasnej osłonie z blachy nie ma gdzie oddać ciepła. Kilka centymetrów wolnej przestrzeni i otwory wentylacyjne potrafią obniżyć temperaturę o kilka stopni.
3. Usuń zbędne obciążenia boczne: zbyt mocno napięty pasek albo łańcuch dokłada straty łożyskowe i nagrzewa okolice wału wyjściowego.
4. Rozważ olej syntetyczny dopuszczony przez producenta. Przy zmianie typu oleju korpus trzeba dokładnie wypłukać.
5. Zmień podział przełożenia: mniejsze przełożenie ślimaka plus reduktor wstępny albo silnik sześciobiegunowy o niższych obrotach.
6. Sprawdź, czy reduktor nie jest za mały. Jednostka pracująca stale na granicy momentu znamionowego grzeje się bardziej niż większa wielkość przy tym samym obciążeniu.

Przykładowo, dla przenośnika potrzebującego około 35 obr./min i momentu w okolicach 110–120 Nm sensownym punktem wyjścia jest reduktor PM 063 o przełożeniu 1/40 z kołnierzem 80 B14. Ostateczną decyzję podejmuje się jednak po sprawdzeniu momentu i mocy termicznej w karcie katalogowej.

Najczęstsze pytania

Czy przekładnia ślimakowa o temperaturze 70°C jest przegrzana?

Niekoniecznie. W pracy ciągłej przy dużym przełożeniu temperatura obudowy rzędu 60–80°C bywa normalna. Niepokojący jest szybki wzrost temperatury w porównaniu z poprzednimi pomiarami, wycieki oleju albo przekroczenie granicy podanej przez producenta.

Dlaczego nowy reduktor grzeje się bardziej niż po kilku tygodniach?

Para ślimakowa się dociera. Powierzchnia ślimacznicy wygładza się, a uszczelniacze układają na wałach. Sprawność rośnie, a temperatura spada. Jeśli po okresie docierania temperatura nadal rośnie, trzeba szukać przyczyny w obciążeniu lub smarowaniu.

Czy falownik poprawia sprawność przekładni ślimakowej?

Nie bezpośrednio. Pozwala dobrać prędkość i łagodny rozruch, ale przy bardzo niskich obrotach wejściowych sprawność ślimaka spada, a chłodzenie silnika się pogarsza. Duże zakresy regulacji lepiej uzyskać doborem przełożenia niż głębokim zjechaniem częstotliwości.

Czy niska sprawność oznacza, że przekładnia jest samohamowna?

Niska sprawność sprzyja samohamowności, ale jej nie zapewnia. Drgania, udary i wysoka temperatura mogą spowodować obrót od strony wyjścia. Tam, gdzie od zatrzymania zależy bezpieczeństwo, potrzebny jest hamulec.

Ile energii można zaoszczędzić, wymieniając ślimak na przekładnię walcową?

Przy pracy ciągłej i przełożeniach powyżej 1:30 oszczędność wynosi zwykle od kilkunastu do ponad trzydziestu procent mocy pobieranej przez napęd. Przy pracy krótkotrwałej różnica jest niewielka i nie uzasadnia zmiany.

Jeżeli dobierasz napęd od nowa albo szukasz następcy reduktora, który pracuje za gorąco, przejrzyj kategorię przekładnie ślimakowe PM 030–150. Znajdziesz tam wielkości od najmniejszych do ciężkich korpusów, w wersjach z kołnierzami B5 i B14. Dla pracy ciągłej z dużym udziałem kosztów energii porównaj je z przekładniami walcowymi z tej samej oferty, a moment i moc termiczną zawsze sprawdzaj w danych producenta.