MECHANICA
ENERGIEBESPARING DOOR CORRECTE KEUZE EN DIMENSIONERING REDUCTOR EEN CASESTUDY GESTAAFD MET LABOMETINGEN Energie-efficiënter aandrijven blijft een actueel thema, en programma’s zoals Ecodesign van Europa ondersteunen deze trend. Dit laatste leidde onder andere tot het verplicht gebruik van IE2-inductiemotoren in juli 2011. Daarnaast is er het groeiende besef dat er steeds meer technologisch hoogefficiënte oplossingen beschikbaar zijn die ook economisch te verantwoorden zijn. Een tweede vaststelling is dat toekomstige normeringen rond efficiëntie evolueren naar minimumeisen voor het totale systeem. Dit is een logische evolutie aangezien een aandrijving meestal uit meer dan enkel een elektromotor bestaat. Door Pieter Defreyne, Steve Dereyne, Elewijn Algoet & Kurt Stockman (XiaK Howest) VOORAF Enkel een analyse van het totale aandrijfsysteem kan blootleggen waar de grootste besparingen zich situeren. In tegenstelling tot de wetgeving rond elektromotoren, wordt op dit vlak momenteel weinig tot geen aandacht besteed aan het rendement van de overbrenging tussen motor en last (reductiekast, riemoverbrenging …). Dit artikel bespreekt een case over reductorrendementen die kadert in het IWT-tetraproject Efficiëntieverhoging van Transmissiesystemen bij Elektromechanische Aandrijvingen (ETEA). Dit onderzoek vindt plaats in het eXpertisecentrum Industriële
Automatisering Kortrijk (XiaK) aan de Hogeschool West-Vlaanderen (Howest). Tetra ETEA 2012 Als vervolg van het tetraproject omtrent energie-efficiëntie bij elektrische motoren en omvormers werd het ETEA-project opgestart. Het vorige project bracht het rendementsverloop in het volledige werkingsgebied van verschillende omvormer-motorcombinaties in kaart. Isorendementscontouren Deze resultaten worden onder andere voorgesteld met behulp van isorendementscontouren (zie figuur 1 voor een voorbeeld).
De testbank die gebruikt wordt om de prestaties van de diverse types reductoren te bepalen
Deze maken het mogelijk om samen met het lastprofiel van een bepaalde machine de perfecte technisch-economische afweging te doen omtrent een bepaalde aandrijfcombinatie. Gedurende het onderzoek werd echter ook duidelijk dat in veel aandrijvingen een reductor of riem als overbrenging gebruikt wordt. Hierbij zijn er heel wat onduidelijkheden omtrent de energie-efficiëntie. In de overtuiging dat ook hier heel wat energieoptimalisaties mogelijk zijn, werd het ETEA-project opgestart. In dit kader worden momenteel een aantal casestudy's uitgevoerd.
Een van deze cases heeft als bedoeling de verschillen tussen een wormwiel- en een kegelwielreductor bloot te leggen op het gebied van energie-efficiëntie. Het onderzoek en de resultaten op het gebied van riemoverbrengingen worden in een volgend artikel besproken (zie Motion Control 87).
REDUCTOREN EN HUN VERLIEZEN Het rendement van reductoren wordt bepaald door de verliezen die erin optreden. Samengevat kunnen deze verliezen gesitueerd worden op een aantal locaties zoals aangegeven op figuur 2.
Tandwielwrijving Lagerverliezen Oliedichtingen Woelingsverliezen
Figuur 1: Voorbeeld van een isorendementscontour 11 kW IE3 IM met omvormer in vectorcontrole
motioncontrol.pmg.be
Figuur 2: Situering van de mogelijke rendementsverliezen in een worm-wormwieltransmissie Motion Control 85 • April 2013
17
MECHANICA
Figuur 3: Schematische verdeling van de reductorverliezen
Rendement (%)
Wrijvingscoëfficiënt
Figuur 4: Standaardtandwielen (links) en energie-efficiënte tandwielen (rechts)
Viscositeit x snelheid
Reductiefactor
Belasting Rechte en kegelwielvertanding
i
Rechte vertanding & worm
Worm-wormwiel
Figuur 5: Stribeckcurve met grenssmering (A), gemengde smering (B) en hydrodynamische smering (C)
Figuur 6: Vergelijking rendementen uit catalogi in functie van types reductoren en ratio
Deze verliezen kunnen verder opgedeeld worden in drie grote groepen. Deze groepen reductorverliezen met hun invloedsfactoren worden weergegeven in figuur 3.
De dikte van deze oliefilm bepaalt voor een groot deel de wrijvingsverliezen tussen de tanden. De filmdikte is recht evenredig met de viscositeit van de olie en de snelheid en omgekeerd evenredig met de belasting.
Afdichtingsverliezen De aandrijvende en gedreven as van een reductor moeten met behulp van een afdichting, meestal een oliekeerring, afgedicht worden. Dit veroorzaakt een bepaald wrijvingsverlies. Lagerverliezen Ook in de lagers gaat een klein vermogen verloren door het glijden en rollen van de rolelementen in het lagerhuis. Tandwielverliezen De grootste verliezen situeren zich onder normale omstandigheden in de tandwielverliezen. Deze verliezen zijn sterk afhankelijk van de soort en de vorm van de vertanding. De verliezen vinden plaats bij het ingrijpen, rollen en uittreden van de tanden terwijl er energie overgedragen wordt. Ze kunnen omschreven worden met behulp van volgende vergelijking: Ptandverlies = FWr * Vrel = FN * μWr * Vrel
18
Motion Control 85 • April 2013
De verliezen zijn dus afhankelijk van de relatieve snelheid van het tandwiel (Vrel) en de wrijvingskracht (Fwr), die op zijn beurt afhankelijk is van de wrijvingsfactor (μWr) en van de normaalkracht (FN), of dus de belasting op een tand. Om deze verliezen zo klein mogelijk te houden moeten tanden zo ontworpen zijn dat ze ingrijpen wanneer de relatieve snelheid tussen twee tanden (glijsnelheid) en de wrijvingscoëfficiënt zo klein mogelijk zijn. Belang ontwerp tandwielen Met deze factoren rekening houdend, kunnen tandwielen ontworpen worden met een minimum aan glijding, waardoor het rendement verbetert. De tandwielen rechts in figuur 4 zijn een voorbeeld van tandwielen die volgens dit principe ontworpen zijn. Om eenzelfde vermogen over te dragen moeten deze tandwielen wel een breder tandoppervlak hebben dan reguliere tandwielen. Terwijl de tanden van een transmissie in elkaar grijpen, zal er zich in het ideale geval een hydrodynamische oliefilm vormen tussen twee tanden. Hierdoor wordt direct contact tussen de tanden vermeden en wordt tandslijtage tot een minimum beperkt.
Belang wrijvingscoëfficiënt In figuur 5 wordt dit verband weergegeven en wordt ook de grootte van de wrijvingscoëfficiënt in rekening gebracht. De wrijvingscoëfficiënt is het laagst wanneer de filmdikte zo dun mogelijk is maar toch in het hydrodynamisch gebied C gebleven wordt. Indien de oliefilm dikker wordt, zal de coëfficiënt stijgen, en dus ook de wrijvingsverliezen (zie vergelijking). Belang temperatuur De temperatuur heeft ook een grote invloed op de viscositeit van de smeerolie, een stijgende temperatuur leidt namelijk tot een dalende viscositeit. Bij hogere temperaturen wordt de oliefilm dan dunner, waardoor de wrijvingsverliezen eerst verminderen, maar vervolgens stijgen als de tanden met elkaar in contact beginnen te komen. Dit zou leiden tot tandwielbeschadiging.
Het komt er dus op neer een bepaald evenwicht te vinden dat leidt tot een zo dun mogelijke oliefilm, terwijl er nog hydrodynamische smering is. Belang reductiefactor Als één soort vertanding afzonderlijk bekeken wordt onder bovenstaande ideale omstandigheden, is ook de reductiefactor een belangrijke invloedsfactor op de verliezen. De grafiek in figuur 6 geeft een indicatie van hoe de rendementen per soort en per ratio variëren, gebaseerd op catalogi. Het valt op dat vooral het rendement van de worm-wormwielvertanding sterkt daalt bij een toenemende ratio. De rechte en kegelwielvertanding blijken veel stabieler, maar uit de case verder in dit artikel blijkt dit niet altijd aanneembaar te zijn. Een transmissie met wormwormwiel kan men optimaliseren door een extra tandwieltrap met rechte vertanding te voorzien die het mogelijk maakt de ratio van de worm zelf te verkleinen en dus het totaalrendement te verbeteren. Belang snelheidsafhankelijke woelingsverliezen Een laatste soort tandverliezen zijn de snelheidsafhankelijke woelingsverliezen. Ze treden op wanneer draaiende onderdelen
motioncontrol.pmg.be
MECHANICA TABEL 1: INVLOEDSFACTOREN WOELINGSVERLIEZEN WOELINGSVERLIEZEN
INVLOED OP WOELINGSVERLIES
VISCOSITEIT OLIE
Sterk afhankelijk
Viscositeit stijgt verlies stijgt
ROTATIESNELHEID
Afhankelijkheid wordt groter voor een hogere onderdompeling
Snelheid stijgt verlies stijgt
TANDDIKTE
Afhankelijkheid stijgt met de snelheid
Dikkere tanden verlies stijgt
ONDERDOMPELING
Sterke afhankelijkheid
Hogere onderdompeling hoger verlies
en toerental wordt zowel aan ingaande als uitgaande zijde van de testreductor nauwkeurig opgemeten. Na de testreductor wordt het hoge koppel en lage toerental weer omgezet door de omkeerreductor zodat de lastmotor deze koppels en snelheden opnieuw aankan. Met de regeneratieve omvormer die de lastmotor aanstuurt kan een gewenst koppel ingesteld worden. De testbank is in staat om zowel rechte als haakse reductoren te testen met een maximumkoppel tot 1.000 Nm bij maximaal 150 tr/min, of 500 Nm bij 300 tr/min aan uitgaande zijde.
CASES WORMWIEL VERSUS KEGELWIEL
Figuur 7: Schematische werking reductortestbank
gedeeltelijk of volledig in een oliebad ondergedompeld worden. In tabel 1 worden de verschillende parameters weergegeven die invloed hebben op deze woelingsverliezen. Om deze verliezen te minimaliseren moet dus een evenwicht gezocht worden, zodat de viscositeit, tanddikte en onderdompeling zo laag mogelijk zijn terwijl er wel nog voldoende smering is.
TESTBANK REDUCTOREN Uit voorgaande valt op te merken dat er tal van factoren zijn die het rendement van een transmissie beïnvloeden. De invloed op het rendement van factoren zoals deellastwerking,
type olie en bedrijfstemperatuur is echter niet of zeer weinig in te schatten via catalogi. In functie van het tetraproject werd dan ook een testbank (afbeelding naast inleiding) ontworpen om transmissies te testen op het gebied van rendement. De testbank stelt ons in staat om, onder gecontroleerde omstandigheden en zonder een machine of proces te onderbreken in de praktijk, metingen uit te voeren in het volledig werkingsgebied van de reductor, en verschillende transmissies met elkaar te gaan vergelijken. De werking wordt voorgesteld in figuur 7. Met een snelheidsgeregelde aandrijfmotor bepalen we het aandrijftoerental. Het koppel
Figuur 8: Isorendementscontour worm-wormwielreductor (i =80; 0,82 kW)
motioncontrol.pmg.be
In deze case wordt een wormwielreductor tegenover een kegelwielreductor geplaatst. Beide types zijn haakse overbrengingen die een vergelijkbaar toepassingsgebied hebben. Er werden twee reductoren geselecteerd waarvan de belangrijkste eigenschappen opgesomd zijn in tabel 2. Vooraleer een reductor zijn nominale rendement bereikt, moet deze eerste ingelopen zijn. Hierdoor worden de tanden als het ware door zichzelf geslepen. Beide reductoren worden eerst onderworpen aan deze test bij een nominaal koppel en toerental tot het rendement zich stabiliseert. Alle proeven worden uitgevoerd bij een stabiele omgevingstemperatuur van 23 °C ± 1°C. De worm-wormwielreductor bereikte onder nominale belasting een stabiel rendement van 74% na een zeventigtal bedrijfsuren. Dit betekent een rendement dat 12% hoger is in vergelijking met de cataloguswaarde. Na ongeveer negentig bedrijfsuren bereikt de kegelwielreductor een stabiel rendement van 84%, wat resulteert in een rendement dat 11% lager is dan opgegeven in de catalogus. Een conclusie zou hier kunnen zijn dat de catalogusrendementen meestal geen goed zicht geven
op het rendement, en dat hierdoor eventueel slechte keuzes in een ontwerp gemaakt kunnen worden. In tegenstelling tot bijvoorbeeld elektromotoren bestaat dan ook geen enkele officiële testprocedure waarmee het rendement van reductoren kan worden bepaald. Iedere fabrikant heeft dan ook zijn eigen methodes. Opmeten rendement De volgende stap in de meetprocedure is het opmeten van het rendement in het volledige werkingsgebied van de reductor. Tijdens deze metingen wordt de reductortemperatuur in een bandbreedte van ± 3 °C gehouden van de temperatuur bij nominale belasting, de omgevingstemperatuur is 23 °C. In figuur 8 wordt de isorendementscontour van de wormwormwielreductor afgebeeld. Bij een nominale snelheid en koppel is het rendement het hoogst. Het rendement vermindert zowel bij een dalende snelheid als bij een dalend koppel. Wanneer deze reductor niet bij zijn nominaal werkingspunt wordt gebruikt, moet er dus rekening worden gehouden met een lager rendement. Dezelfde metingen werden ook uitgevoerd bij de kegelwielreductor. Bij deze metingen kon wel tot tweemaal het nominale toerental gemeten worden. Het resultaat wordt weergegeven in figuur 9. Het hoogste rendement wordt hier bereikt bij een laag toerental en nominale belasting. Het is ook duidelijk dat een toerentalvariatie een veel kleinere invloed heeft op het rendement. Slechts wanneer het toerental onder 60% van het nominale toerental zakt heeft dit een negatieve invloed op het rendement. Een koppelverlaging leidt wel steeds tot een lager rendement. Om beide metingen makkelijk met elkaar te vergelijken wordt een verschilcontour gegenereerd.
Figuur 9: Isorendementscontour kegelwielreductor (i=76,66; 1 kW)
Motion Control 85 • April 2013
19
Global solutions
Voor de verpakkingsindustrie en meer...
WE AUTOMATE MACHINES
Vision, besturing, motion, I/O en safety.... geïntegreerd
industrial.omron.be
+31 (0)297 285332
www.destaco.com
Hal 1, stand B02
UNIDRIVE M
Drives for Manufacturing Automation
One family•Seven function sets•Endless possibilities UNIDRIVE M’s seven unique models offer different levels of functionality with each tailored to solve more advanced application needs. The new AC & Servo family is designed to provide exactly the right drive features set for your manufacturing applications with a range of 0.25 to 1.2 MW (0.33 hp - 1600 hp). Unidrive M: the DRIVE family of choice.
Find out more about the new Unidrive M family at www.UnidriveM.com Ethernet Onboard
Scan to download the ‘Discover Unidrive M’ App (available on iOS, Android and online)
The Emerson logo is a trademark and service mark of Emerson Electric Co. © 2012
MECHANI CA TABEL 2: EIGENSCHAPPEN TESTREDUCTOREN WORM-WORMWIELREDUCTOR MERK B
KEGELWIELREDUCTOR MERK A
1.400
1.400
80
77,76
UITGAAND TOERENTAL (TR/MIN)
17,5
18
UITGAAND KOPPEL (NM)
450
505
VERMOGEN (KW)
0,82
1
62
95
OLIEVISCOSITEIT (MM²/S)
220
320
OMGEVINGSTEMPERATUUR (°C)
23
23
INGAAND TOERENTAL (TR/MIN) RATIO I
CATALOGUSRENDEMENT (%)
Dez ewor dtaf gebeel di n f i guur10. Bi jeenn omi n aalt oer en t alen eenn omi n al ebel as t i n gi sh et r en demen tv andek egel wi el r edu c t oron gev eer10%h oger . Wan n eerh ett oer en t alaf n eemt enh etk oppels t abi elbl i j f t ,s t i j gt dez er en demen t s wi n s tt otmax i maal38%.Bi jl ager ek oppel s i sder en demen t s wi n s tl ager .
CONCL USI E
Hetr en demen tv andek egel wi el r edu c t orbl i j k tov erbi j n ah eth el e wer k i n gs gebi edh ogert ez i j ndan datv andewor mwor mwi el r edu c t orenh etv er s c h i l wor dtv oor albi jl ager e t oer en t al l engr ot er . Dez ec as ebewi j s tdath etv oor al bi jgr ot er epr odu c t i eopl agende moei t el oon tom eenal t er n at i ef aan dr i j f s y s t eem opeent es t ban k t epl aat s enz odateenc or r ec t e ec on omi s c h eaf wegi n gk an gebeu r en . Opdez eman i erk anh et al t er n at i efookec on omi s c h gez i enn aardek l an tt oewor den v er an t woor d. I neenv ol gen def as ez alookde ef f i c i ën t i ev andel as tz el fwor den on der z oc h t . Hi er v oori seenn i eu wt et r apr oj ec t v oor s t elbi jI WTi n gedi en d. Def oc u sz alh i er bi ji neer s t e i n s t an t i el i ggenopi n du s t r i ël e v en t i l at or en ,gez i enden i eu we v er pl i c h t ev er or den i n g 327/2011. Ookden i eu weI E4mot or enop demar k twer denopgen omeni n di ton der z oek .
Hetr en demen tv aneenr edu c t or wor dtdoorv er s c h i l l en def ac t or en beï n v l oed. Bepaal dev er l i ez en ,z oal sde t an dv or m,l i ggenv as tdoor h eton t wer pv ander edu c t or . An der ef ac t or enz oal sdeol i ev i s c os i t ei tenol i et emper at u u r h ebbenookeengr ot ei n v l oed. Voor t si sh etbi jdes el ec t i ev an eenr edu c t orbel an gr i j kom t e wet endateenh oger er at i o eenn egat i efef f ec th eef top h etr en demen tendi tz ek erbi j wor mwor mwi el ov er br en gi n gen . Demet i n geni nf u n c t i ev andez e c as emak endu i del i j kdath et c at al ogu s r en demen tn i etal t i j d ov er een k omtmetdewer k el i j k h ei d. Voor t sbl i j k tu i tdei s or en demen t s c on t ou r endath e tv er s t an di gi s om n i ett eov er di men s i on er en , aan gez i enh eth oogs t er en demen t Voorv r ageneni n f o: i nv ol l as twor dtbeh aal d. s t ev e. der ey n e@h owes t . be
L ANCERI NG UNI DRI VEM I N HUI SVAN DETOEKOMST CONTROLTECHNI QUES STELT BELANGRI JKEI NNOVATI EVOOR Del anc er i ngv andeUni dr i v eM s er i ei sv oor Cont r olT ec hni qu eseenv andebel angr i j k s t ev an deaf gel openj ar en.Rec ents t el demendez e pr odu c t f ami l i ev ooraandeBel gi s c hek l ant en i nhetHu i sv andeT oek oms ti nVi l v oor de. DoorSammySoet aer t
Ge ner al man age rManu e l Sann e ns t e l det r ot sdeUni dr i v eM v oor aandeBe l gi s c hek l an t e n
VI J FJ AARRE SE ARCH L i ef s tv i j fj ar env anr es ear chgi ngen v oor afaandepr oduct i ev ande Uni dr i v eM.Ui teenomv angr i j k k l ant enonder zoekk wameneen aant alei s ennaarv or en: •hogepr oduct i v i t ei t( meer di ngenmak enens nel l er ) ; •openar chi t ect uur ; •v ei l i ghei d; •s nel l ef out di agnos e. Cont r olT echni quesgi nghi er mee aandes l agenont wi k k el deop di emani ereenpr oduct f ami l i e di eaanaldezepunt env ol doet : deUni dr i v eM.
ZE VE NF AMI L I E L E DE N DeUni dr i v eM bes t aatui tzev en dr i v es ,opl opendgenu mmer d:
Fi guur10:Ve r s c hi l c on t ou rr e n de me nt k e ge l wi e l r e du c t or–wor mwi e l r e du c t or
mo t i o n c o n t r o l . p mg . b e
•Uni dr i v eM100; •Uni dr i v eM200; •Uni dr i v eM300; •Uni dr i v eM400; •Uni dr i v eM600; •Uni dr i v eM700; •Uni dr i v eM800. DaarwaardeM100gel dtal sde k l ei ns t eende' s t andaar ddr i v e' , k r i j genal l edaar opv ol gendedr i v es cumul at i efbi j k omendef unct i es , f l ex i bi l i t ei tenpr es t at i es ,zoal seen mogel i j k hei domaanges l ot ent e wor denopet her net . Zoheef tdeM400eenonboar d PL C,maarheef tdeM600daar bov enopeendi gi t all ockcont r ol . DeM700heef tdanweereen geav anceer demot i oncont r ol l er . Doordeze' cumul at i ev e'opbouw behel s tdeUni dr i v eM f ami l i e quas idev ol t al l i gedr i v emar k t .
DeUni dr i v eM pr odu c t f ami l i ei nbe e l d Mo t i o nC o n t r o l 8 5•A p r i l 2 0 1 32 1
Vak_Half_Styles00
