Van hydraulische motor tot tandwiel: hoe een planetaire tandwielkast met rupsaandrijving een graafmachine aandrijft.
De krachtoverbrenging in elke hydraulische graafmachine volgt dezelfde volgorde: een dieselmotor drijft een hydraulische pomp met variabele cilinderinhoud aan, de pomp levert vloeistof via een richtingsventiel, het ventiel leidt de olie naar een rijmotor die op het onderstel is gemonteerd, en de rijmotor draait met 2000 tot 3500 toeren per minuut en levert een koppel van 200 tot 800 Nm. Dat motorkoppel is lang niet voldoende om een machine van meerdere tonnen door de modder te bewegen. planetaire tandwielkast met rupsaandrijving vult het gat op.
In de naaf van het tandwiel – een holte met een diameter van doorgaans 400 tot 600 mm – is een planetaire overbrenging gemonteerd die het motortoerental met een factor van 40:1 tot 120:1 reduceert, terwijl het koppel met dezelfde factor wordt vermenigvuldigd. Een motorvermogen van 500 Nm bij 3000 tpm wordt 40.000 Nm bij 37 tpm dankzij een tweetraps planetaire reductie van 80:1. Dat koppel van 40.000 Nm laat het aandrijftandwiel draaien, dat de rupsketting aandrijft, en de rupsketting duwt tegen de grond om de hele machine vooruit te bewegen.
Waarom planetaire tandwielen in plaats van rechte tandwielen of wormwielen? Ruimtegebrek. De rupsaandrijving moet in de tandwielnaaf passen. Een planetaire overbrenging verdeelt de belasting over drie of vier planetaire tandwielen die gelijktijdig in elkaar grijpen, waardoor de hoogste koppelingsdichtheid – newtonmeter per kilogram – van alle tandwielconstructies wordt bereikt. Een rechte tandwieloverbrenging met een overbrengingsverhouding van 80:1 zou vier trappen vereisen en 3 tot 4 keer zoveel volume in beslag nemen. Een wormwieloverbrenging met een overbrengingsverhouding van 80:1 zou 40% van het ingangsvermogen als warmte verliezen. De planetaire overbrenging levert de overbrengingsverhouding in twee of drie trappen met een rendement van 94 tot 97%, in een behuizing die direct aan het onderstel wordt vastgeschroefd.
Een typische rupsaandrijving voor een graafmachine: de hydraulische motor is aan de bovenkant vastgeschroefd; de planetaire reductietandwielen bevinden zich in de behuizing; de uitgaande as drijft de tandwielnaaf aan.
Tegenrotatie — De belasting die bepalend is voor de aandrijftechniek van graafmachines.
Elke rupsbandmachine – bulldozers, rupskranen, compacte wielladers – gebruikt rupsaandrijvingen. Maar alleen graafmachines vereisen standaard dat beide aandrijvingen tegelijkertijd op vol koppel in tegengestelde richting draaien. Deze tegenrotatiemanoeuvre laat de machine ter plekke draaien: de machinist geeft de opdracht om de linker rupsband vooruit en de rechter rupsband achteruit te laten draaien, waarna de graafmachine binnen zijn eigen rupsbandafmetingen ronddraait.
Mechanisch gezien legt tegenrotatie de zwaarste belasting op die een planetaire tandwielkast voor rupsbandaandrijving kan ondervinden:
De machine staat stil tijdens de draaiing — er is geen momentum dat de rotatie ondersteunt. Elke aandrijfmotor bereikt zijn maximale druk (blokkeerkoppel) en de planetaire tandwielkast brengt deze piekbelasting continu over op het tandwiel gedurende de hele draai.
Elke tand van het planeetwiel wordt tijdens voorwaartse aandrijving aan één zijde belast en tijdens achterwaartse aandrijving aan de tegenoverliggende zijde. Gedurende een levensduur van 15 jaar van de machine, met 300 omwentelingen per shift en 300 shifts per jaar, ondergaan de tanden 1,35 miljoen volledige omkeringen van de belasting in beide richtingen.
Bij de planetaire lagerpennen keert de radiale belasting bij elk draaipunt volledig om. De lagerrollen moeten hun contactzone aan de andere kant van de loopbaan opnieuw vaststellen – een vermoeiingstoestand die naaldlagers in unidirectionele aandrijvingen nooit ondervinden.
De abrupte omkering van het draaimoment zorgt ervoor dat het interne olievolume tegen één afdichtingslip wordt gedrukt, waarna de druk binnen milliseconden naar de andere kant wordt omgekeerd. Een afdichting die is ontworpen voor eenrichtingsrotatie zal binnen enkele maanden na ingebruikname van de graafmachine olie lekken.
Technische implicaties: Een rupsaandrijving met een nominale waarde van 40.000 Nm bij continu gebruik in één richting – geschikt voor een transportband, een lier of een wielaandrijving – zal in een graafmachine voortijdig defect raken als de buigsterkte van het planeetwiel niet is gevalideerd voor vermoeiing in beide richtingen bij hetzelfde koppel. De tegenrotatie van de graafmachine brengt een belasting met zich mee die geen enkele andere toepassing van een rupsmachine bij deze frequentie vereist.
De keuze voor een rupsaandrijving op basis van de gewichtsklasse van de graafmachine: koppel, snelheid, overbrengingsverhouding en klimvermogen.
De specificaties van de rupsaandrijving voor een graafmachine worden voornamelijk bepaald door het bedrijfsgewicht van de machine. Dit gewicht bepaalt zowel het benodigde koppel voor het beklimmen van hellingen als het koppel dat wordt gegenereerd tijdens tegenrotatie. De onderstaande tabel koppelt de vijf standaardgewichtsklassen voor graafmachines aan de bijbehorende parameters voor de rupsaandrijving.
| Gewichtsklasse | Machine (t) | Uitgangskoppel (Nm) | Reissnelheid | Verhoudingsbereik | Fasen | Beklimbaarheid |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Mini | 1,5 – 8 | 5.000 – 15.000 | 2,5 – 4,5 km/u | 40 – 65:1 | 2 | 30 – 35% |
| Klein | 8 – 15 | 15.000 – 28.000 | 3,0 – 5,0 km/u | 55 – 80:1 | 2 – 3 | 30 – 35% |
| Medium | 15 – 30 | 28.000 – 50.000 | 3,5 – 5,5 km/u | 65 – 90:1 | 2 – 3 | 30 – 35% |
| Groot | 30 – 50 | 50.000 – 80.000 | 3,5 – 5,5 km/u | 75 – 100:1 | 3 | 25 – 30% |
| Mijnbouw | 50 – 90 | 80.000 – 140.000 | 3,0 – 4,5 km/u | 90 – 120:1 | 3 | 20 – 25% |
Klimvermogen is de maximale hellingshoek die de graafmachine bij bedrijfsgewicht kan beklimmen zonder dat de rupsbanden slippen. Het werkelijke klimvermogen wordt beperkt door de laagste van twee factoren: het beschikbare koppel van de versnellingsbak of de wrijvingscoëfficiënt tussen de rupsbanden en de ondergrond (doorgaans 0,5 – 0,7 op klei, 0,8 – 1,0 op gebroken steen).
Hellingshoekberekening — De juiste rupsaandrijving dimensioneren voor een graafmachine van 35 ton
Het onderstaande voorbeeld illustreert het volledige koppelbepalingsproces voor een middelgrote graafmachine. Dit is de berekening die elke OEM-ontwerper en wagenparkbeheerder zou moeten controleren voordat een vervangende rupsaandrijving wordt gespecificeerd – en het is de berekening die het vaakst wordt overgeslagen ten gunste van het simpelweg matchen van het OEM-onderdeelnummer.
Zonder de vermenigvuldigingsfactor SF = 2,0 specificeert de ingenieur een versnellingsbak met een nominale waarde van 17.365 Nm — een unit in de klasse van 20.000 Nm. Tijdens de eerste shift van werk in tegengestelde richting schiet het werkelijke koppel omhoog naar 35.000 Nm (het volledige blokkeerkoppel van de motor in beide richtingen). De versnellingsbak werkt op 175% van zijn nominale capaciteit bij elk draaipunt. Na enkele duizenden van dergelijke gebeurtenissen treedt oppervlaktevermoeidheid van de planeetwielen op aan beide tandflanken, neemt de speling toe en begint de machine tijdens rechtuit rijden naar één kant te trekken. Dit falingspatroon manifesteert zich doorgaans tussen 3.000 en 5.000 uur — veel korter dan de beoogde levensduur van 10.000 uur.
Rijden met twee snelheden — Waarom de meeste graafmachines van meer dan 8 ton een hoge/lage versnelling in de rupsaandrijving hebben
Een rupsaandrijving met één versnelling kent een fundamenteel compromis: een hoge overbrengingsverhouding levert maximaal koppel voor klimmen en tegenrotatie, maar beperkt de maximale rijsnelheid, terwijl een lage overbrengingsverhouding weliswaar sneller rijden mogelijk maakt, maar niet het koppel kan genereren dat nodig is voor grondwerk. De meeste graafmachines boven de 8 ton lossen dit op met een tweetrapsmechanisme dat direct in de behuizing van de planetaire tandwielkast is ingebouwd.
Overbrengingsverhouding 80 – 120:1. Maximaal uitgangskoppel. Gebruikt voor het beklimmen van hellingen, tegenrotatie en werkzaamheden op zachte of losse grond. Rijsnelheid doorgaans 2,5 – 3,5 km/u. Dit is de versnelling die de graafmachine gebruikt tijdens graafwerkzaamheden – korte, langzame verplaatsingen tussen de bakcycli.
Overbrengingsverhouding 40 – 60:1. Lager koppel, maar hogere tandwielsnelheid. Gebruikt voor transport over vlak terrein tussen werklocaties – bijvoorbeeld van het ene uiteinde van een bouwterrein naar het andere. De rijsnelheid ligt doorgaans tussen de 4,5 en 5,5 km/u. Een automatische terugschakelklep schakelt terug naar een lage versnelling wanneer de druk van de rijmotor een bepaalde drempel overschrijdt, waardoor de versnellingsbak wordt beschermd tegen koppeloverbelasting.
Het tweetrapsmechanisme werkt via een hydraulische zuiger in de planetaire behuizing die een zonnewieloverbrenging verschuift, waardoor ofwel de hoge ofwel de lage overbrengingsverhouding wordt ingeschakeld. Deze geïntegreerde mogelijkheid tot snelheidsverandering is uniek voor rupsaandrijvingen. In tegenstelling tot zwenkaandrijving planetaire tandwielkasten Voor de rotatie van de bovenbouw van een graafmachine, die met een vaste overbrengingsverhouding werkt omdat de vereiste zwenksnelheid niet verandert met het terrein, moet de rupsaandrijving zich binnen dezelfde dienst aanpassen aan twee fundamenteel verschillende bedrijfsmodi.
Afgedicht voor het onderstel — Waarom afdichtingen van de rupsaandrijving van graafmachines crucialer zijn dan bij elke andere versnellingsbaktoepassing
De rupsaandrijving van de graafmachine werkt in de meest extreme omstandigheden van alle planetaire tandwielkasten. De tandwielnaaf bevindt zich op grondniveau, gedeeltelijk of volledig ondergedompeld in modder, water, zand en schurende slurry gedurende de gehele levensduur van de machine. Geen enkele andere tandwielkasttoepassing kent deze combinatie van continue onderdompeling en bidirectionele rotatie met hoog koppel.
De unieke metaal-op-metaal afdichting voor rupsbandaandrijvingen. Twee geharde stalen ringen, geslepen tot optische vlakheid (0,3 – 0,9 lichtbanden), worden tegen elkaar gedrukt door elastomere O-ringen. De afdichting roteert met het tandwiel en behoudt tegelijkertijd contactdruk tegen het stationaire behuizingsvlak. Dit ontwerp is bestand tegen volledige onderdompeling in schurende slurry – iets wat geen enkele elastomere lipafdichting langer dan een paar honderd uur kan doorstaan.
In tegenstelling tot precisieversnellingsbakken met afgedicht vet, maken rupsaandrijvingen van graafmachines gebruik van oliebadsmering – doorgaans 1,5 tot 4,0 liter 75W-90 of 80W-90 GL-5 tandwielolie. De olie zorgt voor zowel smering als koeling. Interval voor olieverversing: 1.000 tot 2.000 uur of jaarlijks. Controleer bij elke olieverversing de afgetapte olie op waterverontreiniging (melkachtig uiterlijk) en metaaldeeltjes (indicator voor lager- of tandwielslijtage).
Thermische cycli – van een koude start bij zonsopgang tot temperaturen van 80-100 graden Celsius tijdens zwaar werk – veroorzaken interne drukveranderingen. Een ontluchter of drukcompensatieklep voorkomt dat de afdichtingen doorslaan tijdens het opwarmen en dat er tijdens het afkoelen vervuiling binnendringt door vacuüm. Plaats de ontluchter in elke montagepositie boven het maximale olieniveau om olielekkage te voorkomen.
Drie soorten storingen die verantwoordelijk zijn voor 801.000.000 vervangingen van rupsbandaandrijvingen van graafmachines.
Versleten of beschadigde afdichtingsvlakken, onjuiste montagespanning of impact van stenen en puin zorgen ervoor dat grondwater en modder in het oliebad terechtkomen. Het water emulgeert de tandwielolie (waardoor de aftapplug een melkachtige kleur krijgt), vernietigt de smeerfilm en veroorzaakt corrosie op de lageroppervlakken. Afbrokkeling van de lagers treedt op binnen 500 tot 1500 uur na het binnendringen van water.
Ondergedimensioneerde rupsaandrijvingen – gespecificeerd zonder de servicefactor voor bidirectionele belasting – ondervinden versnelde slijtage van de naaldlagers op de planeetassen. De lagers worden bij elk tegenrotatiepunt volledig radiaal belast. Symptomen zijn onder andere toenemend rijgeluid, metaaldeeltjes in oliemonsters en toenemende speling in de tandwielnaaf.
Opeengepakte modder tussen de rupsbanden verhoogt de effectieve rupsbandspanning met 20 tot 40% boven de ontwerpwaarde. Het tandwiel moet harder trekken om elke rupsband aan te grijpen, wat een pulserende overbelasting op de tanden van het kroonwiel veroorzaakt met de frequentie waarmee de tandwielen in elkaar grijpen. Na maandenlang gebruik in kleiachtige omstandigheden ontstaan zichtbare putjes op de flanken van de tanden van het kroonwiel.
Korea Ever-Power planetaire tandwielkasten voor graafmachines
Planetaire tandwielkast voor rupsbandaandrijving van graafmachines — Veelgestelde vragen
Korea Ever-Power levert planetaire tandwielkasten voor rupsbandaandrijvingen van graafmachines met een koppel van 5.000 tot 140.000 Nm – van minigraafmachines tot machines voor de mijnbouw. Geef uw machinemodel, bedrijfsgewicht en het huidige OEM-onderdeelnummer op voor een gratis aanbeveling.
Redacteur: Cxm
