如何设计极端环境条件下的减速机
发布于：2020-12-15 14:34:49 点击量：
遵循一些有关减速机设计的简单建议，将有助于确保减速机在最极端的环境中工作。
在或多或少的“正常”条件下设计齿轮减速机的应用已经足够困难，这里的“正常”意味着诸如室温，稳定或典型的湿度和海拔高度之类的东西。将应用程序扔到极端环境中，设计会变得更加复杂。但这不是必须的。对于在极端环境条件下设计齿轮减速机应用的任何人，都有一些指导原则可以帮助确保设计成功。
齿轮减速电机是齿轮减速器和电动机的组合。齿轮电机输出轴上的两个最重要的因素是转速和扭矩。直角，直轴或平行轴齿轮箱可与永磁交流，交流感应或无刷直流电动机组合使用。
用于极端环境的齿轮马达3D CAD模型 此处讨论的齿轮电机应用不会暴露在高压水喷雾中，例如在冰柜，未加热的设备或外壳中。它们被用于叉车和电动汽车，起重技术，建筑设备，包装机械以及码头吊车，手推车和桥梁驱动器等应用中。
目标是使齿轮减速机在数十年的极端环境条件下运行，且维护成本低，因为它们可能不易接近。齿轮箱电机在极端温度和海拔高度上的机械差异不大；主要是润滑，占空比，加热或冷却注意事项以及建筑材料的选择。因此，这些技巧也可以用于升级现有系统。
我们正在谈论的典型齿轮减速机包括提升驱动齿轮减速机，其提升负载在3.2至40公吨之间。它们由2.5到38 kW的异步圆柱转子电动机提供动力，带有3级平行轴变速箱，在鼓直径140至405 mm和4/1倒角时，提升速度为4至8 m / min。使用典型的极开关电动机（8/2极）。使用变频器对变速进行编程，以实现极慢的启动和制动速度来加速和减速斜坡，从而最大程度地减少负载摆动。
一个好的开始是检查应用程序将在其中运行的过去极端温度条件下的数据以及可能与设计有关的任何其他独特条件。在以下各节中，我们将介绍温度，高度和湿度以及这些因素影响齿轮马达选择的方式。
当温度降至-40 C时，减速机会怎样？
从-40˚C（-40˚F）到+60˚C（+140˚F），一米球墨铸铁会膨胀0.123毫米。这就是我们将在此处涵盖的温度范围。
海拔高度是我们要探讨的另一个极端。对于内燃机，一般的经验法则是，每海拔1000英尺，功率损失为3-4％。因此，一辆10,000英尺的300 hp的汽车将损失30至40 hp。密度越小意味着压缩越少。较少的大气中实际物质（主要是氧气，氮气和氩气）被吸入气缸，因此压缩较小。对于齿轮减速机，这意味着更少的环境可以散热。
如何补偿极端温度？ （标准温度范围是-20至+ 40°C。）
常见的极端温度波动是当叉车从-30˚C的冰柜移至+40°C的坞门时。对于从极冷（-40°C）到非常热（+ 60°C）的情况，您都需要解决以下问题。
减速机油–当矿物油达到其性能极限时（通常的启动和停止，高负荷，系统冲击，低温或高温使用，延长的油使用间隔要求以及降低的工作温度而减少的内部摩擦），则使用合成润滑油。它们还可以在更高的温度下运行而不会损失粘度，形成残留物并提供抗泡沫性。石油产品在+ 100°C或低于+ 100°C时开始降解，而合成烃润滑剂在+ 125°C时性能良好。合成材料还具有极端的低温优势。它们的蒸气压也比石油产品低，这是确保润滑剂不会分解的重要因素。合成润滑剂的化学均质性使其比石油基同类产品具有更高的承载能力，更高的粘度指数，更好的润滑性，更高的效率和更长的使用寿命。
轴封–如果减速机长时间保持低温，则将电动机轴封升级为弹性体材料，或使用高级润滑脂进行轴封润滑。弹性材料由聚合物，填料，加工助剂，保护剂和固化剂组成。标准油封通常由丁腈或橡胶制成，额定温度最高为+125˚C。如果环境温度或油温超过此水平，则必须使用性能更高的材料。
电机冷却风扇–这些风扇应由铝，GGG（球墨铸铁）或特殊的塑料制成。
外壳–将端盖材料从GG（灰铸铁）切换到GGG（球墨铸铁）。球墨铸铁具有高强度，延展性和抗冲击性。退火球墨铸铁可以弯曲，扭曲或变形而不会破裂。它的强度，韧性和延展性可复制许多等级的钢，但具有类似于灰口铸铁的低成本铸造工艺。普通灰口铸铁具有随机的片状石墨图案。球墨铸铁的分子式中镁或铈的百分比为百分之几，导致石墨形成小的球形“小结节”而不是薄片。它们使金属结构的不连续性减少，从而使铁更坚固，更具韧性。如果不超过允许的应力，您也可以使用铝。
转子轴–将材料从1045钢切换为合金钢，例如42CrMo4或类似材料。 1045是一种低淬透性碳钢，典型的中等抗拉强度范围为570至700 Mpa，布氏硬度为170至210。它的特点是强度和冲击性能都很好。 42CrMo4合金钢是具有高强度和淬透性的铬钼钢。它具有较高的疲劳强度和良好的低温冲击韧性。
电机加热–可以是加热器外套，电机加热带，也可以为绕组供电以保持一定的温度（这也可以防止湿气在高湿度环境中积聚）。厂家通常会安装外部加热夹套，盖子或外壳，因为它们还需要保护减速机和其他组件。
接线盒–从塑料切换到铝
风扇罩–从塑料版本切换到钣金版本
刹车设计–完全封闭而不是开放式设计
降低扭矩–甚至可能需要降低齿轮箱可接受的最大扭矩或使用更大的齿轮箱。
为了正常工作并在+ 40°至+ 60°C的温度下使用
请注意，高于此的温度必须根据具体情况进行检查，不能仅通过更改某些组件来解决。
如果将减速机安装在靠近内燃机或其他产生热量或暴露在直射阳光下的系统中的机壳内，则将需要具有更高额定温度的电机内部组件。较高的环境温度还会对电动机扭矩产生负面影响，直射的阳光会降低密封组件的性能。
接线盒–从塑料切换到铝
风扇罩–从塑料版本切换到钣金版本
为了正常运行并在高海拔地区使用
电动机和减速机表面的散热量随高度的增加而降低。由于空气稀薄，热性能降低。通常，额定安装高度最高为海拔1000 m。对于更高的海拔，应考虑以下事项。
验证您的应用程序的实际占空比，并问自己在这里真的需要连续工作的电动机吗？如果事实证明该应用需要与海拔1000 m处的电动机额定值相同的占空比，则可以安装更大的电动机或增加强制空气冷却以补偿稀薄空气提供的减小的冷却能力。在许多情况下，与电机OEM商讨可能的选择是有意义的。
关于占空比的一句话
占空比不仅会影响电动机的性能等级，例如，连续占空比S1电动机（如果用于S3间歇占空比）将提供更高的输出，而且尤其适用于扭矩峰值和系统冲击非常大的非常规应用中使用的齿轮箱可能。对于此类情况，至关重要的是要仔细确定在特定时间段内经历了哪些占空比以及哪些峰值/冲击，以便电机/齿轮箱OEM的工程团队可以选择并推荐合适的驱动系统。因此，即使应用中对额定转矩和占空比的要求不高，其他操作因素也可能导致需要更大，更坚固的齿轮减速机来确保令人满意的使用寿命。最后，如果在极端环境条件下使用您的应用程序，请始终告知电机OEM-这可能会改变游戏规则。
国际减速机制造商协会已发布了针对不同应用的建议使用寿命的更多信息。这些占空比建议是根据许多齿轮电机制造商的经验确定的。按服务等级（I（1至1.39），II（1.40至1.99），III（2及更高））列出了许多应用程序，其中I类是最简单的应用程序，III类是最难的应用程序。 通常，应用的总占空比将考虑环境温度，循环持续时间，质量加速度，工作时间和每小时循环数。
如何确定占空比
举个例子;齿轮减速机一次短促地驱动传送带，一次2分钟，然后关闭2分钟，然后一周两次，每天两次，每次10个小时，一次又一次重复。您需要它运行至少五年或13,000小时，而无故障。
根据国际减速机标准，使用寿命为25,000小时，标称使用寿命为1.0。 25,000小时是正常数字，因此50％不会持续那么长时间。使用L10寿命等级，这意味着在该负载下运行的齿轮箱中有10％会在L10寿命之前失效，而90％的寿命会更长。因此，标称寿命为25,000小时的变速箱的L10寿命为5,000小时。根据国际减速机标准指南，输送机如果每天进给量和操作时间超过10小时，则服务系数应为1.50。将需要对电动机进行类似的计算。
湿度
用于对产品的入侵和防水兼容性进行分类的最常见的系统是IP等级，该等级是由国际电工委员会（IEC）发布的。 （IP代表国际保护，但有时也称为入口保护。）如今，交流感应和永磁交流电动机通常满足IP54或55防护等级，并且通过某些步骤甚至可以满足IP65或67的要求。因此，IP等级不能为高湿度环境提供适当的保护，因此需要采取其他步骤来保护齿轮减速机。为防止腐蚀，请保护所有裸露的金属表面。另外，应涂漆电机叠片。在不使用电动机时，请为绕组使用连续的低压电流电源，以防止凝结。对于制动器，所有磨损表面必须为不锈钢，有时最好是完全封闭的户外制动器。
在或多或少的“正常”条件下设计齿轮减速机的应用已经足够困难，这里的“正常”意味着诸如室温，稳定或典型的湿度和海拔高度之类的东西。将应用程序扔到极端环境中，设计会变得更加复杂。但这不是必须的。对于在极端环境条件下设计齿轮减速机应用的任何人，都有一些指导原则可以帮助确保设计成功。
齿轮减速电机是齿轮减速器和电动机的组合。齿轮电机输出轴上的两个最重要的因素是转速和扭矩。直角，直轴或平行轴齿轮箱可与永磁交流，交流感应或无刷直流电动机组合使用。
用于极端环境的齿轮马达3D CAD模型
目标是使齿轮减速机在数十年的极端环境条件下运行，且维护成本低，因为它们可能不易接近。齿轮箱电机在极端温度和海拔高度上的机械差异不大；主要是润滑，占空比，加热或冷却注意事项以及建筑材料的选择。因此，这些技巧也可以用于升级现有系统。
我们正在谈论的典型齿轮减速机包括提升驱动齿轮减速机，其提升负载在3.2至40公吨之间。它们由2.5到38 kW的异步圆柱转子电动机提供动力，带有3级平行轴变速箱，在鼓直径140至405 mm和4/1倒角时，提升速度为4至8 m / min。使用典型的极开关电动机（8/2极）。使用变频器对变速进行编程，以实现极慢的启动和制动速度来加速和减速斜坡，从而最大程度地减少负载摆动。
一个好的开始是检查应用程序将在其中运行的过去极端温度条件下的数据以及可能与设计有关的任何其他独特条件。在以下各节中，我们将介绍温度，高度和湿度以及这些因素影响齿轮马达选择的方式。
当温度降至-40 C时，减速机会怎样？
从-40˚C（-40˚F）到+60˚C（+140˚F），一米球墨铸铁会膨胀0.123毫米。这就是我们将在此处涵盖的温度范围。
海拔高度是我们要探讨的另一个极端。对于内燃机，一般的经验法则是，每海拔1000英尺，功率损失为3-4％。因此，一辆10,000英尺的300 hp的汽车将损失30至40 hp。密度越小意味着压缩越少。较少的大气中实际物质（主要是氧气，氮气和氩气）被吸入气缸，因此压缩较小。对于齿轮减速机，这意味着更少的环境可以散热。
如何补偿极端温度？ （标准温度范围是-20至+ 40°C。）
常见的极端温度波动是当叉车从-30˚C的冰柜移至+40°C的坞门时。对于从极冷（-40°C）到非常热（+ 60°C）的情况，您都需要解决以下问题。
减速机油–当矿物油达到其性能极限时（通常的启动和停止，高负荷，系统冲击，低温或高温使用，延长的油使用间隔要求以及降低的工作温度而减少的内部摩擦），则使用合成润滑油。它们还可以在更高的温度下运行而不会损失粘度，形成残留物并提供抗泡沫性。石油产品在+ 100°C或低于+ 100°C时开始降解，而合成烃润滑剂在+ 125°C时性能良好。合成材料还具有极端的低温优势。它们的蒸气压也比石油产品低，这是确保润滑剂不会分解的重要因素。合成润滑剂的化学均质性使其比石油基同类产品具有更高的承载能力，更高的粘度指数，更好的润滑性，更高的效率和更长的使用寿命。
轴封–如果减速机长时间保持低温，则将电动机轴封升级为弹性体材料，或使用高级润滑脂进行轴封润滑。弹性材料由聚合物，填料，加工助剂，保护剂和固化剂组成。标准油封通常由丁腈或橡胶制成，额定温度最高为+125˚C。如果环境温度或油温超过此水平，则必须使用性能更高的材料。
电机冷却风扇–这些风扇应由铝，GGG（球墨铸铁）或特殊的塑料制成。
外壳–将端盖材料从GG（灰铸铁）切换到GGG（球墨铸铁）。球墨铸铁具有高强度，延展性和抗冲击性。退火球墨铸铁可以弯曲，扭曲或变形而不会破裂。它的强度，韧性和延展性可复制许多等级的钢，但具有类似于灰口铸铁的低成本铸造工艺。普通灰口铸铁具有随机的片状石墨图案。球墨铸铁的分子式中镁或铈的百分比为百分之几，导致石墨形成小的球形“小结节”而不是薄片。它们使金属结构的不连续性减少，从而使铁更坚固，更具韧性。如果不超过允许的应力，您也可以使用铝。
转子轴–将材料从1045钢切换为合金钢，例如42CrMo4或类似材料。 1045是一种低淬透性碳钢，典型的中等抗拉强度范围为570至700 Mpa，布氏硬度为170至210。它的特点是强度和冲击性能都很好。 42CrMo4合金钢是具有高强度和淬透性的铬钼钢。它具有较高的疲劳强度和良好的低温冲击韧性。
电机加热–可以是加热器外套，电机加热带，也可以为绕组供电以保持一定的温度（这也可以防止湿气在高湿度环境中积聚）。厂家通常会安装外部加热夹套，盖子或外壳，因为它们还需要保护减速机和其他组件。
接线盒–从塑料切换到铝
风扇罩–从塑料版本切换到钣金版本
刹车设计–完全封闭而不是开放式设计
降低扭矩–甚至可能需要降低齿轮箱可接受的最大扭矩或使用更大的齿轮箱。
为了正常工作并在+ 40°至+ 60°C的温度下使用
请注意，高于此的温度必须根据具体情况进行检查，不能仅通过更改某些组件来解决。
如果将减速机安装在靠近内燃机或其他产生热量或暴露在直射阳光下的系统中的机壳内，则将需要具有更高额定温度的电机内部组件。较高的环境温度还会对电动机扭矩产生负面影响，直射的阳光会降低密封组件的性能。
接线盒–从塑料切换到铝
风扇罩–从塑料版本切换到钣金版本
为了正常运行并在高海拔地区使用
电动机和减速机表面的散热量随高度的增加而降低。由于空气稀薄，热性能降低。通常，额定安装高度最高为海拔1000 m。对于更高的海拔，应考虑以下事项。
验证您的应用程序的实际占空比，并问自己在这里真的需要连续工作的电动机吗？如果事实证明该应用需要与海拔1000 m处的电动机额定值相同的占空比，则可以安装更大的电动机或增加强制空气冷却以补偿稀薄空气提供的减小的冷却能力。在许多情况下，与电机OEM商讨可能的选择是有意义的。
关于占空比的一句话
占空比不仅会影响电动机的性能等级，例如，连续占空比S1电动机（如果用于S3间歇占空比）将提供更高的输出，而且尤其适用于扭矩峰值和系统冲击非常大的非常规应用中使用的齿轮箱可能。对于此类情况，至关重要的是要仔细确定在特定时间段内经历了哪些占空比以及哪些峰值/冲击，以便电机/齿轮箱OEM的工程团队可以选择并推荐合适的驱动系统。因此，即使应用中对额定转矩和占空比的要求不高，其他操作因素也可能导致需要更大，更坚固的齿轮减速机来确保令人满意的使用寿命。最后，如果在极端环境条件下使用您的应用程序，请始终告知电机OEM-这可能会改变游戏规则。
国际减速机制造商协会已发布了针对不同应用的建议使用寿命的更多信息。这些占空比建议是根据许多齿轮电机制造商的经验确定的。按服务等级（I（1至1.39），II（1.40至1.99），III（2及更高））列出了许多应用程序，其中I类是最简单的应用程序，III类是最难的应用程序。 通常，应用的总占空比将考虑环境温度，循环持续时间，质量加速度，工作时间和每小时循环数。
如何确定占空比
举个例子;齿轮减速机一次短促地驱动传送带，一次2分钟，然后关闭2分钟，然后一周两次，每天两次，每次10个小时，一次又一次重复。您需要它运行至少五年或13,000小时，而无故障。
根据国际减速机标准，使用寿命为25,000小时，标称使用寿命为1.0。 25,000小时是正常数字，因此50％不会持续那么长时间。使用L10寿命等级，这意味着在该负载下运行的齿轮箱中有10％会在L10寿命之前失效，而90％的寿命会更长。因此，标称寿命为25,000小时的变速箱的L10寿命为5,000小时。根据国际减速机标准指南，输送机如果每天进给量和操作时间超过10小时，则服务系数应为1.50。将需要对电动机进行类似的计算。
湿度
用于对产品的入侵和防水兼容性进行分类的最常见的系统是IP等级，该等级是由国际电工委员会（IEC）发布的。 （IP代表国际保护，但有时也称为入口保护。）如今，交流感应和永磁交流电动机通常满足IP54或55防护等级，并且通过某些步骤甚至可以满足IP65或67的要求。因此，IP等级不能为高湿度环境提供适当的保护，因此需要采取其他步骤来保护齿轮减速机。为防止腐蚀，请保护所有裸露的金属表面。另外，应涂漆电机叠片。在不使用电动机时，请为绕组使用连续的低压电流电源，以防止凝结。对于制动器，所有磨损表面必须为不锈钢，有时最好是完全封闭的户外制动器。
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