Do motor hidráulico à roda dentada — como uma caixa de engrenagens planetárias de acionamento por esteira impulsiona uma escavadeira.
O circuito de transmissão de energia em todas as escavadeiras hidráulicas segue a mesma sequência: o motor a diesel aciona uma bomba hidráulica de deslocamento variável, a bomba direciona o fluxo através de uma válvula direcional, a válvula conduz o óleo para um motor de deslocamento montado na estrutura inferior, e o motor de deslocamento gira a 2.000 a 3.500 rpm com um torque de 200 a 800 Nm. Esse torque do motor está longe de ser suficiente para mover uma máquina de várias toneladas na lama. caixa de engrenagens planetária de acionamento por esteira preenche a lacuna.
Montado dentro do cubo da roda dentada — uma cavidade tipicamente com 400 a 600 mm de diâmetro — o trem de engrenagens planetárias reduz a velocidade do motor em um fator de 40:1 a 120:1, multiplicando o torque pela mesma proporção. Uma potência de 500 Nm a 3.000 rpm se transforma em 40.000 Nm a 37 rpm por meio de uma redução planetária de dois estágios com relação de 80:1. Esses 40.000 Nm giram a roda dentada motriz, que engata na corrente da esteira, e a corrente da esteira empurra o solo para mover toda a máquina para frente.
Por que engrenagens planetárias em vez de engrenagens cilíndricas de dentes retos ou sem-fim? Espaço. O acionamento da esteira precisa caber dentro do cubo da roda dentada. Um arranjo planetário distribui a carga por três ou quatro engrenagens planetárias que se engrenam simultaneamente, proporcionando a maior densidade de torque — newton-metros por quilograma — de qualquer arquitetura de engrenagem. Um trem de engrenagens cilíndricas de dentes retos com relação de 80:1 exigiria quatro estágios e ocuparia de 3 a 4 vezes o volume. Uma engrenagem sem-fim com relação de 80:1 perderia 40% da potência de entrada em forma de calor. O arranjo planetário fornece a relação em dois ou três estágios com eficiência de 94 a 97%, dentro de uma carcaça que é parafusada diretamente à estrutura do material rodante.
Sistema típico de acionamento por esteiras de escavadeira: o motor hidráulico é parafusado na parte superior; os estágios de redução planetária ficam dentro da carcaça; o suporte de saída aciona o cubo da roda dentada.
Contrarotação — O caso de carga que define a engenharia de acionamento por esteiras de escavadeiras
Todas as máquinas de esteiras — tratores de esteira, guindastes sobre esteiras, carregadeiras compactas — utilizam tração por esteiras. Mas somente as escavadeiras exigem rotineiramente que ambas as traçãos operem com torque máximo em direções opostas simultaneamente. Essa manobra de contrarotação gira a máquina no próprio eixo: o operador comanda a esteira esquerda para frente e a esteira direita para trás, e a escavadeira gira dentro da sua própria área de contato com a esteira.
Mecanicamente, a contrarotação impõe a condição de carga mais severa que qualquer caixa de engrenagens planetária de acionamento por esteira pode suportar:
Durante o giro, a máquina permanece estacionária — não há momento para auxiliar a rotação. Cada motor de deslocamento atinge sua pressão máxima (torque de estol), e a caixa de engrenagens planetária transmite essa carga máxima à roda dentada continuamente ao longo da volta.
Cada dente da engrenagem planetária é carregado em um flanco durante a marcha à frente e no flanco oposto durante a marcha à ré. Ao longo de uma vida útil de 15 anos da máquina, com 300 pivôs por turno e 300 turnos por ano, os dentes suportam 1,35 milhão de inversões completas de carga bidirecional.
Os rolamentos planetários de pino sofrem a inversão completa da direção da carga radial a cada pivô. Os roletes do rolamento precisam restabelecer sua zona de contato no lado oposto da pista de rolamento — uma condição de fadiga que os rolamentos de agulha em transmissões unidirecionais nunca enfrentam.
A inversão abrupta do torque pressuriza o volume interno de óleo contra um dos lábios da vedação e, em seguida, inverte a pressão para o outro lado em milissegundos. Uma vedação projetada para rotação unidirecional apresentará vazamento de óleo em poucos meses de uso da escavadeira.
Implicações para a engenharia: Um sistema de acionamento por esteiras com capacidade para 40.000 Nm em serviço contínuo unidirecional — adequado para uma esteira transportadora, um guincho ou um acionamento por rodas — apresentará falha prematura em serviço de escavadeira se a análise de flexão de sua engrenagem planetária não tiver sido validada para fadiga bidirecional com o mesmo torque. O caso de contrarotação da escavadeira impõe uma carga que nenhuma outra aplicação de máquina sobre esteiras exige nessa frequência.
Escolhendo um sistema de acionamento por esteiras de acordo com a classe de peso da escavadeira — Torque, velocidade, relação de transmissão e capacidade de subida.
A especificação da tração por esteiras de uma escavadeira é determinada principalmente pelo peso operacional da máquina, que define tanto o torque necessário para subir aclives quanto o torque gerado durante a contrarotação. A tabela abaixo relaciona as cinco classes de peso padrão de escavadeiras aos parâmetros de tração por esteiras correspondentes.
| Categoria de Peso | Máquina (t) | Torque de saída (Nm) | Velocidade de deslocamento | Intervalo de proporção | Etapas | Capacidade de classificação |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Mini | 1,5 – 8 | 5.000 – 15.000 | 2,5 – 4,5 km/h | 40 – 65:1 | 2 | 30 – 35% |
| Pequeno | 8 – 15 | 15.000 – 28.000 | 3,0 – 5,0 km/h | 55 – 80:1 | 2 – 3 | 30 – 35% |
| Médio | 15 – 30 | 28.000 – 50.000 | 3,5 – 5,5 km/h | 65 – 90:1 | 2 – 3 | 30 – 35% |
| Grande | 30 – 50 | 50.000 – 80.000 | 3,5 – 5,5 km/h | 75 – 100:1 | 3 | 25 – 30% |
| Mineração | 50 – 90 | 80.000 – 140.000 | 3,0 – 4,5 km/h | 90 – 120:1 | 3 | 20 – 25% |
A capacidade de subida é a inclinação máxima que a escavadeira pode subir com seu peso operacional sem que as esteiras deslizem. A capacidade de subida real é limitada pelo menor dos dois fatores: o torque disponível da caixa de engrenagens ou o coeficiente de atrito entre a esteira e o solo (tipicamente de 0,5 a 0,7 em argila e de 0,8 a 1,0 em rocha britada).
Cálculo da capacidade de subida — Dimensionamento da tração por esteiras para uma escavadeira de 35 toneladas
O exemplo prático abaixo demonstra todo o processo de dimensionamento de torque para uma escavadeira de porte médio. Este é o cálculo que todo engenheiro de projeto e gerente de frota de um fabricante de equipamento original (OEM) deve verificar antes de especificar uma esteira de reposição — e é o cálculo que geralmente é ignorado em favor de simplesmente verificar o número da peça do OEM.
Sem o multiplicador SF = 2,0, o engenheiro especifica uma caixa de engrenagens com capacidade nominal de 17.365 Nm — uma unidade da classe de 20.000 Nm. Durante a primeira troca de trabalho em contrarotação, o torque real atinge um pico de 35.000 Nm (torque máximo de estol do motor em ambas as direções). A caixa de engrenagens opera a 175% de sua capacidade nominal em cada pivô. Após vários milhares de eventos desse tipo, a fadiga da superfície da engrenagem planetária inicia-se em ambos os flancos dos dentes, a folga aumenta e a máquina começa a puxar para um lado durante o deslocamento em linha reta. Esse padrão de falha normalmente se manifesta entre 3.000 e 5.000 horas — muito aquém da vida útil alvo de 10.000 horas.
Deslocamento em duas velocidades — Por que a maioria das escavadeiras acima de 8 toneladas possui uma marcha alta/baixa na esteira?
Um sistema de esteiras com velocidade única enfrenta um dilema fundamental: uma alta relação de redução proporciona torque máximo para subidas e contrarrotação, mas limita a velocidade máxima de deslocamento, enquanto uma baixa relação proporciona deslocamento mais rápido, mas não gera o torque necessário para trabalhos em terrenos irregulares. A maioria das escavadeiras acima de 8 toneladas resolve esse problema com um mecanismo de duas velocidades integrado diretamente à caixa de engrenagens planetárias.
Relação de transmissão de 80 a 120:1. Torque máximo de saída. Utilizado para subidas, pivôs de contrarotação e trabalhos em terrenos macios ou soltos. Velocidade de deslocamento típica de 2,5 a 3,5 km/h. Esta é a marcha que a escavadeira utiliza durante as operações de escavação — movimentos curtos e de baixa velocidade para reposicionamento entre os ciclos da caçamba.
Relação de transmissão de 40 a 60:1. Torque reduzido, mas velocidade da roda dentada mais alta. Utilizada para deslocamento em terreno plano entre posições de trabalho — por exemplo, para ir de uma extremidade a outra de um canteiro de obras. A velocidade de deslocamento é normalmente de 4,5 a 5,5 km/h. Uma válvula de redução automática engata a marcha mais baixa quando a pressão do motor de deslocamento excede um limite predefinido, protegendo a caixa de engrenagens contra sobrecarga de torque.
O mecanismo de duas velocidades funciona através de um pistão hidráulico dentro da caixa planetária que desloca um conjunto de engrenagens solares — engatando a transmissão de alta ou baixa relação. Essa capacidade integrada de mudança de velocidade é exclusiva dos acionamentos de esteira. Ao contrário de outros sistemas de transmissão, este também é um recurso exclusivo dos acionamentos de esteira. caixas de engrenagens planetárias de acionamento de giro Para a rotação da superestrutura da escavadeira, que opera em uma única relação fixa porque a velocidade de giro necessária não muda com o terreno, o acionamento da esteira deve se adaptar a dois modos de operação fundamentalmente diferentes dentro do mesmo turno.
Vedação para o material rodante — Por que as vedações da transmissão por esteiras de escavadeiras são mais críticas do que em qualquer outra aplicação de caixa de engrenagens.
O sistema de acionamento por esteiras da escavadeira opera no ambiente mais severo de qualquer caixa de engrenagens planetária. O cubo da roda dentada fica ao nível do solo, parcial ou totalmente submerso em lama, água, areia e pasta abrasiva durante toda a vida útil da máquina. Nenhuma outra aplicação de caixa de engrenagens enfrenta essa combinação de submersão contínua e rotação bidirecional de alto torque.
A vedação metal-metal exclusiva para acionamentos por esteira. Dois anéis de aço temperado, lapidados para planicidade óptica (0,3 a 0,9 faixas de luz), são prensados juntos por anéis de vedação elastoméricos. A vedação gira com a roda dentada, mantendo a pressão de contato contra a face fixa da carcaça. Este projeto suporta imersão completa em lama abrasiva — algo que nenhuma vedação labial elastomérica consegue suportar por mais de algumas centenas de horas.
Ao contrário das caixas de engrenagens de precisão com lubrificação a graxa selada, as transmissões por esteira de escavadeiras utilizam lubrificação em banho de óleo — tipicamente de 1,5 a 4,0 litros de óleo de engrenagem 75W-90 ou 80W-90 GL-5. O óleo proporciona lubrificação e refrigeração. Intervalo de troca de óleo: 1.000 a 2.000 horas ou anualmente. A cada troca de óleo, inspecione o óleo drenado em busca de contaminação por água (aparência leitosa) e partículas metálicas (indicador de desgaste de rolamentos ou engrenagens).
A ciclagem térmica — desde a partida a frio ao amanhecer até 80 a 100 graus Celsius durante o trabalho pesado — causa alterações na pressão interna. Um respiro ou válvula de compensação de pressão impede o rompimento da vedação durante o aquecimento e a entrada de contaminantes por vácuo durante o resfriamento. Posicione o respiro acima do nível máximo de óleo em todas as orientações de montagem para evitar vazamentos de óleo.
Três modos de falha que explicam 801 substituições de acionamento de esteira de escavadeira
Superfícies de vedação desgastadas ou danificadas, tensão de instalação incorreta ou impacto de pedras e detritos permitem a entrada de água subterrânea e lama no banho de óleo. A água emulsiona o óleo da engrenagem (aparência leitosa no bujão de drenagem), destrói a película lubrificante e inicia a corrosão nas superfícies dos rolamentos. O desprendimento dos rolamentos ocorre entre 500 e 1.500 horas após a entrada de água.
Os sistemas de transmissão por esteira subdimensionados — especificados sem o fator de serviço para carga bidirecional — sofrem fadiga acelerada nos rolamentos de agulha dos pinos planetários. Os rolamentos são submetidos à inversão total da carga radial em cada pivô de contrarotação. Os sintomas incluem aumento do ruído de deslocamento, partículas metálicas em amostras de óleo e folga crescente no cubo da roda dentada.
A lama compactada entre as sapatas da esteira aumenta a tensão efetiva da esteira em 20 a 40% acima do valor projetado. A roda dentada precisa exercer mais força para engatar cada sapata, produzindo uma sobrecarga pulsante nos dentes da coroa na frequência de engrenamento da roda dentada. Após meses de operação em condições de solo argiloso, surgem marcas visíveis de corrosão nos flancos dos dentes da coroa.
Linha de produtos de caixas de engrenagens planetárias Ever-Power da Coreia para aplicações em escavadeiras.
Caixa de engrenagens planetárias para acionamento por esteiras em escavadeiras — Perguntas frequentes
A Korea Ever-Power fornece caixas de engrenagens planetárias para acionamento de esteiras de escavadeiras, com torques de 5.000 a 140.000 Nm, abrangendo desde miniescavadeiras até máquinas de mineração. Informe o modelo da sua máquina, o peso operacional e o número da peça original (OEM) para receber uma recomendação de compatibilidade gratuita.
Editor: Cxm
