Cosa rende la trasmissione finale di un bulldozer diversa da tutte le altre trasmissioni finali?
Ogni macchina cingolata — escavatori, gru cingolate, pale compatte, impianti di perforazione — utilizza un trasmissione a cingolo cambio epicicloidale per convertire la velocità del motore in coppia motrice. Ma il bulldozer impone a questo cambio una combinazione unica di sollecitazioni che nessun'altra macchina è in grado di replicare.
La differenza fondamentale risiede nella lama. La lama di un bulldozer, del peso compreso tra 2.000 e 8.000 kg, si aggancia al materiale a livello del suolo e il motore spinge i cingoli in avanti, vincendo la resistenza del materiale stesso. Questa resistenza – la forza di trazione – viene mantenuta a un valore di coppia motore prossimo al massimo per l'intera lunghezza della passata di spinta, in genere da 30 a 120 metri. Il riduttore di trasmissione dei cingoli trasmette questa coppia costante per 1-4 minuti ininterrottamente per ogni passata, con una breve pausa solo durante il ritorno (lama vuota, retromarcia).
Confrontiamo questo con un escavatore: il motore di traslazione funziona a coppia massima per alcuni secondi durante il riposizionamento, poi si spegne completamente mentre la sovrastruttura ruota, scava e scarica. Il ciclo di lavoro della trasmissione cingolata dell'escavatore è compreso tra 5 e 15%, mentre quello del bulldozer è compreso tra 60 e 85%. Questa differenza nel ciclo di lavoro è ciò che rende il bulldozer l'applicazione più impegnativa dal punto di vista termico per qualsiasi riduttore epicicloidale per cingoli nell'intero settore delle macchine movimento terra.
Confronto del ciclo di lavoro
Forza di trazione: la forza che definisce il dimensionamento della trasmissione dei cingoli dei bulldozer
La forza di trazione è la forza orizzontale netta disponibile nel punto di aggancio dietro la macchina, dopo aver sottratto la resistenza al rotolamento dei cingoli sul terreno. È il valore più importante in assoluto nell'ingegneria dei bulldozer, nonché il valore che il riduttore epicicloidale di trasmissione dei cingoli deve mantenere per tutta la durata di ogni passaggio di spinta.
La forza di trazione di un bulldozer è limitata dal minore tra due valori: la coppia del motore trasmessa attraverso la trasmissione ai cingoli, oppure la massima forza di attrito tra i cingoli e il terreno (limite di trazione). Su terreni compatti, la potenza del motore è solitamente il fattore limitante. Su terreni sciolti o bagnati, i cingoli slittano prima che il motore raggiunga la piena potenza: in questo caso, il fattore determinante è il limite di trazione.
| Classe di bulldozer | Peso (t) | Motore (kW) | Forza di trazione massima (kN) | Coppia di trasmissione del cingolo (Nm) | Servizio prolungato |
|---|---|---|---|---|---|
| Piccolo (D3 – D5) | 7 – 14 | 55 – 75 | 60 – 110 | 18.000 – 33.000 | 60 – 75% |
| Medio (D6 – D7) | 18 – 28 | 120 – 185 | 140 – 240 | 42.000 – 72.000 | 65 – 80% |
| Grande (D8 – D9) | 35 – 52 | 230 – 310 | 280 – 420 | 84.000 – 126.000 | 70 – 85% |
| Attività mineraria (D10 – D11) | 65 – 115 | 430 – 700 | 500 – 850 | 150.000 – 255.000 | 75 – 85% |
La coppia di trasmissione del cingolo è calcolata con un interasse dei fori della ruota dentata di 600 mm (piccolo/medio) e 750 mm (grande/da miniera). I valori indicati si riferiscono a ciascun cingolo (la forza di trazione totale della macchina è suddivisa tra due cingoli). Il servizio continuo rappresenta la percentuale di ogni ora di funzionamento in cui la trasmissione del cingolo trasmette una coppia pari o superiore a 70% della potenza nominale.
Calcolo della forza di trazione: dimensionamento della trasmissione a cingoli per un bulldozer di classe D7
L'esempio pratico riportato di seguito illustra come calcolare la coppia motrice necessaria per un bulldozer di medie dimensioni impiegato nelle operazioni di spianatura. A differenza del calcolo della capacità di superamento delle pendenze per escavatori (che dimensiona il carico per una breve salita), questo calcolo dimensiona il carico per il carico di spinta costante che la trasmissione a cingoli deve sopportare per diversi minuti consecutivi.
Il fattore di sicurezza (SF) dell'escavatore, pari a 2,0, tiene conto di carichi d'urto bidirezionali brevi ma intensi (contro-rotazione). Il fattore di sicurezza (SF) del bulldozer, pari a 1,75, tiene conto di picchi meno intensi ma di carichi sostenuti molto più lunghi. La conseguenza termica è inversa: la trasmissione cingolata del bulldozer funziona a una coppia nominale compresa tra 70 e 85% per minuti consecutivi, generando calore costante che si accumula nel bagno d'olio. La trasmissione cingolata dell'escavatore funziona a 100% per pochi secondi, per poi raffreddarsi al minimo. Una trasmissione cingolata per bulldozer dimensionata per la coppia corretta ma priva di un'adeguata capacità termica si surriscalderà e degraderà l'olio del cambio, anche se la coppia istantanea non supera mai il valore nominale meccanico.
Gestione termica: la sfida che distingue i sistemi di trazione cingolata dei bulldozer da tutti gli altri.
Un riduttore epicicloidale per cingoli è un bagno d'olio chiuso senza circuito di raffreddamento esterno. L'unica via di dissipazione del calore è la conduzione attraverso la parete dell'alloggiamento e la convezione dalla superficie dell'alloggiamento all'aria circostante (o al fango). In un bulldozer, l'apporto di calore è costante e la dissipazione del calore è limitata, producendo le temperature di esercizio a regime più elevate di qualsiasi altra applicazione per cingoli.
A 42.000 Nm di potenza in uscita attraverso una riduzione planetaria a 3 stadi con efficienza 94%: calore = potenza x (1 – efficienza). A 37 giri/min di potenza in uscita: potenza = 42.000 x 37 x 2 x 3,14159 / 60 = 162,7 kW. Calore = 162,7 x 0,06 = 9,8 kW dissipato continuamente nel bagno d'olio durante ogni passaggio di spinta.
Volume tipico dell'olio: 3,0 litri. Calore specifico dell'olio per ingranaggi: circa 1,8 kJ/(kg x K). Densità dell'olio: 0,88 kg/L. Massa termica: 3,0 x 0,88 x 1,8 = 4,75 kJ/K. Aumento di temperatura al minuto a 9,8 kW: 9,8 x 60 / 4,75 = 124 gradi Celsius al minuto se non viene dissipato calore attraverso l'involucro — il che spiega perché un'adeguata superficie dell'involucro e il raffreddamento a contatto con il terreno siano essenziali.
In pratica, l'alloggiamento dissipa il calore per conduzione verso il telaio del cingolo e per convezione verso l'aria. La temperatura di equilibrio dell'olio durante un'operazione di spianatura prolungata è in genere compresa tra 80 e 100 °C nei climi temperati e tra 90 e 115 °C nei climi tropicali. Al di sopra dei 110 °C, la viscosità dell'olio per ingranaggi standard scende al di sotto del minimo necessario per una pellicola lubrificante affidabile sui denti degli ingranaggi, accelerando l'usura.
Ecco perché le trasmissioni cingolate dei bulldozer utilizzano volumi d'olio maggiori (da 3 a 6 litri contro 1,5-3 litri per gli escavatori della stessa classe di coppia), carter più pesanti con una maggiore superficie e, in alcune macchine per l'industria mineraria, circuiti di raffreddamento dell'olio esterni che nessun'altra applicazione di trasmissione cingolata richiede. Riduttore epicicloidale Ever-Power coreano Il team di ingegneri progetta trasmissioni a cingoli specifiche per bulldozer con una maggiore superficie delle alette di raffreddamento, mescole di tenuta per temperature più elevate e specifiche per oli sintetici adatti ad applicazioni in ambienti tropicali e desertici.
Slittamento dei cingoli: la condizione di sovraccarico intenzionale che i bulldozer impongono alle loro trasmissioni finali.
Nella maggior parte delle macchine cingolate, lo slittamento dei cingoli è una condizione di guasto: i cingoli perdono aderenza e la macchina si ferma. In un bulldozer, lo slittamento controllato dei cingoli è una normale condizione operativa. Quando la lama incontra materiale duro o un grande ostacolo, l'operatore mantiene l'acceleratore al massimo e lascia che i cingoli slittino sul terreno fino a quando il materiale cede o la macchina viene reindirizzata. Durante lo slittamento, la trasmissione dei cingoli trasmette la coppia di stallo massima del motore mentre la ruota dentata di uscita ruota lentamente o in modo intermittente: la condizione termica peggiore per un riduttore epicicloidale.
Il motore idraulico funziona a piena pressione (coppia di stallo) mentre la ruota dentata si muove a malapena. Gli ingranaggi planetari sopportano il pieno carico dei denti a una velocità di uscita prossima allo zero. L'olio viene agitato anziché circolare, generando calore senza il flusso di raffreddamento fornito dalla normale rotazione. I cuscinetti dei perni planetari sopportano il pieno carico radiale senza il cuneo d'olio idrodinamico che dipende dalla velocità di rotazione. Questa è la condizione che causa l'usura più rapida dei cuscinetti nelle trasmissioni cingolate dei bulldozer.
La maggior parte dei produttori di cingoli indica per le proprie unità un tempo massimo di stallo continuo di 30 secondi (coppia massima, velocità di uscita zero). Oltre i 30 secondi, la temperatura dell'olio in prossimità dei cuscinetti planetari supera la soglia di rottura del film lubrificante. Gli operatori di bulldozer superano regolarmente questo limite: da 60 a 90 secondi di slittamento continuo sono comuni quando si spinge materiale ghiacciato o si rompono strati compattati. Il sistema di cingoli deve essere progettato per questa realtà, non per il limite teorico.
Tre modalità di guasto specifiche per i sistemi di trasmissione dei cingoli dei bulldozer
Il guasto più comune specifico dei bulldozer. Il funzionamento prolungato con una coppia da 80 a 1001 TP3T per ore per turno porta la temperatura dell'olio oltre i 100 °C. A queste temperature, l'olio si ossida e perde viscosità. Il film lubrificante sui denti degli ingranaggi si assottiglia. Inizia la formazione di micro-pitting sui fianchi degli ingranaggi planetari. Dopo 2.000-3.000 ore di funzionamento a caldo, il pitting si trasforma in sfaldamento e il riduttore inizia a emettere rumori udibili sotto carico.
Durante lo slittamento della pista, la ruota dentata ruota lentamente o si ferma mentre la coppia del motore rimane al massimo. Gli ingranaggi planetari sopportano l'intero carico radiale, ma ruotano troppo lentamente per formare il cuneo d'olio idrodinamico che normalmente separa i rulli dalla pista di rotolamento. I cuscinetti funzionano in lubrificazione limite, ovvero contatto metallo-metallo attraverso un sottile film di olio residuo. Ogni slittamento rimuove uno strato microscopico di superficie del cuscinetto. Accumulandosi su migliaia di slittamenti all'anno, il gioco del cuscinetto aumenta fino a quando gli ingranaggi planetari oscillano e entrano in contatto con la corona dentata in modo non uniforme.
I bulldozer operano con il mozzo della ruota dentata a livello del terreno o al di sotto di esso, spesso sepolto nel materiale da spingere. Sabbia, ghiaia e particelle di roccia frantumata penetrano nell'interfaccia tra la ruota dentata e il cingolo, agendo come un abrasivo. I denti della ruota dentata si usurano a una velocità da 2 a 5 volte superiore rispetto a quella degli escavatori che operano sullo stesso materiale, perché la ruota dentata del bulldozer è continuamente ingranata con il cingolo sotto carico, mentre il materiale la circonda. Quando i denti della ruota dentata si usurano oltre il limite di usura, l'ingranamento della catena del cingolo diventa instabile e i cingoli possono deragliare sotto carico laterale.
Modalità Ripping: il secondo ciclo di lavoro che raddoppia il fabbisogno di coppia motrice del cingolo
La maggior parte dei bulldozer di classe D6 e superiori sono dotati di un ripper posteriore, un attrezzo a uno o più denti che penetra e frantuma roccia, terreno ghiacciato o materiale compattato davanti alla lama. Durante l'operazione di ripping, la macchina avanza lentamente (da 1,5 a 2,5 km/h) mentre il dente del ripper si trascina nel terreno a profondità comprese tra 300 e 800 mm.
La forza di strappo si aggiunge direttamente al fabbisogno di trazione: il motore deve vincere sia la resistenza al rotolamento dei cingoli SIA la resistenza al taglio del materiale in fase di strappo. La forza combinata può raggiungere da 120 a 150 lTP3T della forza di trazione in fase di spianatura, il che significa che la trasmissione del cingolo può funzionare a una coppia di spianatura sostenuta compresa tra 120 e 150 lTP3T durante le passate di strappo. Questo è il caso di carico che determina la coppia massima nominale della trasmissione del cingolo, mentre la coppia di spianatura sostenuta determina la coppia nominale continua.
Implicazioni relative alle dimensioni: La trasmissione dei cingoli di un bulldozer deve essere dimensionata in base a due criteri indipendenti: (1) la coppia continua deve essere in grado di sopportare la forza di trazione costante del timone di spianatura con un ciclo di lavoro da 75 a 85%, E (2) la coppia di picco deve essere in grado di sopportare la forza combinata di spianatura e scavo in caso di sovraccarico di breve durata. Una trasmissione dei cingoli che soddisfa la coppia di spianatura ma non è in grado di gestire il picco di scavo attiverà la valvola di sicurezza idraulica durante lo scavo, limitando la profondità di scavo e riducendo la produttività dal 20 al 30%.
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Riduttore epicicloidale per cingoli di bulldozer: domande frequenti
I riduttori epicicloidali per cingoli dei bulldozer Ever-Power di Korea sono classificati termicamente per un utilizzo prolungato di spianatura con un fattore di carico da 75 a 85%, non solo per la coppia meccanica di picco. Fornite il modello del vostro bulldozer, il peso operativo e le condizioni del sito per una valutazione gratuita dell'idoneità termica e una raccomandazione di riferimento incrociato.
Redattore: Cxm
