La forza di reazione a catena: il caso di carico specifico per le cingoli delle scavatrici.
Una catena da scavo è un anello continuo di denti taglienti montato su un braccio che si estende verso il basso nel terreno. La catena ruota a una velocità compresa tra 1 e 3 m/s e ogni dente asporta una porzione di terreno o roccia dalla parete dello scavo. Secondo le leggi della meccanica newtoniana, la forza di taglio esercitata dai denti sul terreno produce una forza di reazione uguale e contraria sulla macchina, diretta all'indietro, in direzione opposta a quella di avanzamento.
IL trasmissione a cingolo cambio epicicloidale La macchina deve essere spinta in avanti contro questa forza di reazione a una velocità controllata e costante. La forza di reazione non è costante: fluttua quando ogni dente entra in contatto con la superficie di taglio e ne esce, e aumenta drasticamente quando un dente colpisce roccia dura, un masso o un'infrastruttura interrata. La trasmissione a cingoli deve assorbire queste fluttuazioni senza modificare la velocità di avanzamento.
I denti della catena tagliano verso l'alto (lontano dal fondo dello scavo, verso la superficie). La componente orizzontale della forza di taglio spinge all'indietro contro il telaio della macchina. Su una grande scavatrice per condotte che taglia la roccia a 1,5 m di profondità, la forza di reazione totale della catena può raggiungere da 80.000 a 150.000 N, paragonabile alla forza di trazione di un bulldozer di classe D7. Ma a differenza di un bulldozer (che spinge un volume di materiale definito), la forza di reazione della scavatrice varia da ±30 a 50% da dente a dente, a seconda della durezza del materiale lungo la parete dello scavo.
Il cingolo spinge in avanti mentre la catena di taglio spinge all'indietro: la trasmissione finale risolve l'equilibrio delle forze a una velocità di avanzamento controllata.
Roccia contro terreno: due cicli di lavoro di trazione fondamentalmente diversi
La differenza tra lo scavo nel terreno e lo scavo nella roccia non è solo una questione di grado: cambia completamente la natura del carico di trazione. Lo scavo nel terreno produce forze di reazione moderate e relativamente costanti. Lo scavo nella roccia produce forze di reazione elevate e violentemente fluttuanti, con picchi d'impatto che possono raggiungere il triplo della media.
| Parametro | Scavo di trincee nel terreno (argilla/sabbia) | Scavo di trincee nella roccia (calcare/arenaria) |
|---|---|---|
| Peso tipico della macchina | 5 – 25 t | 30 – 65 t |
| Profondità della trincea | 0,3 – 2,0 m | 0,5 – 3,0 m |
| Velocità di alimentazione | 3 – 15 m/min | 0,3 – 3 m/min |
| forza di reazione a catena | 15.000 – 50.000 N | 80.000 – 200.000 N |
| fluttuazione della forza | ±10 – 20% | ±30 – 50% |
| Puntale di impatto (massiccio/infrastruttura) | 1,5 volte la media | 2,5 – 3 volte la media |
| Coppia motrice per cingolo | 8.000 – 25.000 Nm | 40.000 – 100.000 Nm |
| SF consigliato | 1.5 | 2,0 – 2,5 |
Perché il fattore di sicurezza (SF) dello scavo nella roccia è compreso tra 2,0 e 2,5, superiore a quello di qualsiasi escavatore o bulldozer: La fluttuazione di forza di ±50% dovuta alla variazione del materiale da dente a dente fa sì che la coppia istantanea di picco raggiunga regolarmente 150% della media. Oltre a ciò, i picchi di impatto causati da massi o inclusioni dure aggiungono un ulteriore moltiplicatore da 2,5 a 3 volte. La combinazione produce un rapporto coppia di picco/media da 3,7 a 4,5 volte nella roccia, il più alto di qualsiasi applicazione di trasmissione a cingoli per impieghi prolungati. Il fattore di sicurezza (SF) da 2,0 a 2,5 copre la distribuzione statistica di questi picchi per garantire che il riduttore resista alle peggiori condizioni rocciose per l'intera durata di servizio.
Costanza della velocità di avanzamento: perché il sistema di azionamento del cingolo determina la qualità dello scavo.
Lo scavo di una trincea per una condotta presenta tre dimensioni critiche: profondità (determinata dalla posizione del braccio), larghezza (determinata dalla larghezza della catena più la velocità di avanzamento) e inclinazione delle pareti (determinata dall'interazione tra velocità della catena e velocità di avanzamento). Il sistema di azionamento a cingoli controlla la velocità di avanzamento e, di conseguenza, controlla direttamente la larghezza della trincea e la qualità delle pareti.
Se la trazione cingolata spinge la macchina in avanti più velocemente di quanto la catena riesca a rimuovere il materiale, i denti della catena sono costretti a tagliare un arco più ampio, producendo una trincea più larga della larghezza della catena. Una trincea di larghezza eccessiva richiede più materiale di riempimento, più materiale di scavo e una maggiore compattazione, aumentando il costo per ogni metro di tubazione installato.
Se la trasmissione a cingoli non riesce a mantenere la velocità di avanzamento desiderata contro la forza di reazione della catena (bloccandosi o rallentando sotto carichi di picco), la catena ricircola attraverso il materiale già tagliato, sprecando energia, surriscaldando i denti e levigando le pareti dello scavo. Le pareti levigate nei terreni argillosi perdono l'adesione per attrito, dipendente dalla rugosità, con il materiale di riempimento, riducendo la qualità del supporto per le tubazioni.
Se la velocità di avanzamento del cingolo fluttua in base alle variazioni della forza di reazione a catena (aumentando nelle zone morbide e diminuendo in quelle dure), la distanza tra il braccio e il terreno cambia con l'inclinazione in avanti della macchina. Il risultato è un fondo dello scavo ondulato che non rispetta la tolleranza di pendenza della condotta (tipicamente ±25 mm su qualsiasi campata di 3 metri). La condotta non può seguire le ondulazioni e si rende necessario l'utilizzo di spessori o la ri-livellatura, con un costo al metro da 10 a 20 volte superiore rispetto a un lavoro eseguito correttamente fin da subito.
Calcolo della coppia di scavo: dimensionamento della trasmissione del cingolo per una scavatrice per condotte in roccia
Si noti che la forza di reazione della catena contribuisce con 71% alla coppia totale richiesta dalla trasmissione del cingolo, molto più della resistenza al rotolamento (16%) o della resistenza alla pendenza (13%). Questa è la caratteristica determinante per il dimensionamento della trasmissione del cingolo di una scavatrice: la forza di reazione dell'utensile di lavoro, non il peso della macchina o il terreno, ne determina le specifiche. Una scavatrice su terreno pianeggiante con resistenza al rotolamento nulla richiede comunque 71% della capacità di trasmissione del cingolo solo per vincere la reazione a catena. Corea Ever-Power Fornisce supporto di ingegneria applicativa per adattare le specifiche di trasmissione del cingolo alla potenza specifica della catena e al materiale di taglio per ogni progetto di scavatrice.
Tre modalità di guasto esclusive dei sistemi di azionamento dei cingoli delle scavatrici a trincea.
La forza di reazione a catena fluttua da ±30 a 50% alla frequenza di innesto dei denti, tipicamente da 5 a 15 Hz. Ciò produce un'oscillazione di coppia da 5 a 15 Hz all'ingresso della trasmissione del cingolo, che viene trasmessa direttamente attraverso la scanalatura dell'ingranaggio solare. A differenza del picco di rottura singolo che si verifica in una perforatrice, questa oscillazione è continua per l'intera durata dello scavo, potenzialmente per ore. Il raggio di base della scanalatura sopporta milioni di cicli di stress ad alta frequenza per stagione, con conseguente innesco di cricche da fatica alla base della scanalatura. Una volta che una cricca si propaga, il dente della scanalatura si frattura e la trasmissione viene persa.
La forza di reazione a catena fluttuante produce un carico pulsante su ogni dente dell'ingranaggio planetario alla stessa frequenza di 5-15 Hz. Ogni superficie del dente sopporta da 18.000 a 54.000 cicli di sollecitazione per ora di scavo nella roccia. Nel corso di una carriera di scavo di 3.000 ore, le superfici dei denti accumulano da 54 a 162 milioni di cicli di sollecitazione di contatto: un carico di fatica ad alto numero di cicli che supera il limite di fatica dell'acciaio per ingranaggi 20CrMnTi cementato standard se la sollecitazione di contatto non viene mantenuta entro i limiti mediante un dimensionamento adeguato (SF = 2,0+).
Lo scavo nella roccia genera una vibrazione continua a bassa ampiezza e alta frequenza che si propaga attraverso il telaio della macchina fino ai bulloni di fissaggio della trasmissione del cingolo. La frequenza di vibrazione (da 5 a 15 Hz dai denti della catena, più armoniche superiori dovute all'ingranamento dei rulli della catena) mantiene i bulloni di fissaggio in uno stato continuo di micromovimento che riduce il precarico nel corso di centinaia di ore. Se il precarico dei bulloni scende al di sotto della coppia specificata (80%), l'alloggiamento della trasmissione del cingolo può spostarsi sulla sua superficie di montaggio, disallineando la ruota dentata e causando una rapida usura del cingolo e un potenziale deragliamento.
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Redattore: Cxm
