Analiza projektu przekładni pasowej z paskami klinowymi w aspekcie techniczno-ekonomicznym

Transkrypt

1 PŁUCIENNIK Paweł 1 MACIEJCZYK Andrzej 2 Analiza projektu przekładni pasowej z paskami klinowymi w aspekcie techniczno-ekonomicznym WSTĘP Przekładnie pasowe mają szerokie zastosowanie jako podzespół napędowy w różnego rodzaju maszynach i urządzeniach. Uznaje się, że zaprojektowanie tego typu przekładni nie stanowi większego problemu. Wystarczy na podstawie norm wybrać rodzaj pasa klinowego, obliczyć jego długość, dobrać odpowiednie koła pasowe oraz w oparciu o przenoszoną przez przekładnię moc określić liczbę pasków. Problemy zaczynają się w momencie narzucenia określonych parametrów, wymogów i ograniczeń, chociażby co do ilości miejsca, w którym przekładnia ma się zmieścić. Kolejnym wyzwaniem może być konieczność skompletowania przekładni, czy to przez zakup, czy też wykonanie poszczególnych elementów, w celu jej przyszłego montażu. Podczas procesu kompletowania elementów przekładni niezbędne okaże się uwzględnienie uzyskanych podczas projektowania obliczeń i dokonanych wyborów oraz narzuconych ograniczeń i przyjętych dodatkowych założeń. W takim przypadku mamy do czynienia z szeroko pojętą optymalizacją. W niniejszym artykule przedstawiono przykład optymalizacji typowej, przemysłowej przekładni z paskami klinowymi. Na podstawie narzuconych parametrów przekładni oraz założeń dodatkowych wykonano projekt przekładni. W oparciu o wyniki obliczeń wykonanych zgodnie z wytycznymi zawartymi w normach zaproponowano zastosowanie różnych pasków klinowych, różnych producentów. Dokonano analizy parametrów przekładni dla różnych pasków klinowych pod względem technicznym, biorąc pod uwagę liczbę pasków potrzebnych do napędu przekładni, ich trwałość oraz parametry kół pasowych. Z punktu widzenia aspektów ekonomicznych przeanalizowano koszty związane z zakupem pasków i wykonaniem kół pasowych oraz przewidywanymi kosztami serwisowania. W celu uproszczenia analiz ograniczono się do rozpatrywania kilku wariantów z zastosowaniem tylko jednego typu pasa klinowego. 1 ZAŁOŻENIA DO PROJEKTU PRZEKŁADNI PASOWEJ Do zaprojektowania i dalszej analizy, przyjęto przemysłową przekładnię pasową stosowaną w napędzie podajnika pyłu węglowego, o następujących parametrach: moc znamionowa przekładni P = 15 [kw], prędkość obrotowa na wejściu n 1 = 2930 [obr/min], prędkość obrotowa na wyjściu n 2 = 1500 [obr/min], warunki pracy - ciężkie, czas pracy na dobę 16 [h], produkcja seryjna [szt.]. Schemat przekładni pasowej przedstawiono na rysunku 1. 1 Politechnika Łódzka, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn 2 Politechnika Łódzka, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn 8804

2 Rys.1. Schemat przekładni pasowej gdzie: D 1 - średnica koła czynnego [mm], D 2 średnica koła biernego [mm], a rozstaw osi przekładni [mm], φ 1 i φ 2 kąty opasania koła czynnego i biernego [ ]. Dodatkowo projektowana przekładnia winna charakteryzować się następującymi cechami: a) jak najmniejszymi wymiarami, Przekładnia powinna być jak najbardziej zwarta, co wpływa na zmniejszenie kosztów jej wykonania oraz zwiększa możliwości swobodnej zabudowy. b) możliwie jak najmniejszą liczbą pasków, Idealnym rozwiązaniem jest przekładnia przenosząca zadaną moc poprzez możliwie najmniejszą liczbę pasków zmniejszenie kosztów zakupu pasków oraz wykonania kół pasowych. c) wysoką trwałością, Jedna z podstawowych cech przekładni, na którą zwracają uwagę potencjalni klienci. Serwisowanie przekładni wiąże się z kosztami związanymi z wymianą części i postojem maszyny. d) dostępnością części zamiennych na rynku. Dużą uwagę zwraca się na podzespoły przekładni, na ich dostępność na rynku. Firmy niechętnie dokonują zakupu urządzeń, których części są nieznormalizowane i produkowane tylko przez jednego producenta wzrasta wtedy koszt eksploatacji urządzenia. 2 MODEL OBLICZENIOWY I DANE WEJŚCIOWE PROJEKTOWANEJ PRZEKŁADNI PASOWEJ Przyjęto pas typu B. Zgodnie z założonym kryterium zwartości przekładni oraz wskazaniem na zastosowanie znormalizowanych elementów, minimalna dopuszczalna średnica koła czynnego (napędowego) dla tego typu pasa wynosi za [3,1]: D 1 = 125 [mm]. W oparciu o przyjęte założenia i przełożenie przekładni średnica koła biernego D 2 = 250 [mm]. Obliczeniowa długość pasa L o = 1080,6 [mm] [2]. Najbliższa tej wartości długość pasa z grupy zalecanych przez [4] L = 1120 [mm]. Prędkość liniową pasa ν wyznaczono w oparciu o wyrażenie [2]: D1 n1 v 19,18 [m/s], (1) a moc N 1 przenoszoną przez jeden pas z wzoru empirycznego dla paska typu B [2] w postaci: 0,09 69,8 4 2 N1 0,735 v 1,08 v 1,78 10 v De 3,9 [kw] (2) 8805

3 Liczbę pasów z wyznaczono według wzoru (3) za [2], po uwzględnieniu współczynników: długości pasa k L, opasania koła napędowego - k φ, czasu pracy k T, P kt z 6,3 N k Ostatecznie przyjęto liczbę pasów z = 7. 1 L k (3) 3 ANALIZA TECHNICZNA PROJEKTU PRZEKŁADNI PASOWEJ Zwieńczeniem projektu powinno być wdrożenie przekładni do produkcji. W tym celu konieczny jest zakup pasków klinowych. Dlatego też zapoznano się z ofertą pasów klinowych dostępnych na rynku. Wybrano cztery pasy spośród czterech różnych producentów spełniające wymagane oczekiwania. Według danych producentów, pasy różnią się od siebie przede wszystkim mocą przenoszoną przez jeden pas, rodzajem zastosowanych materiałów, wytrzymałością na ścieranie oraz odpornością na działanie czynników chemicznych. 3.1 Wariant 1 producent A Klasyczny pas klinowy typu B. Do produkcji tego pasa zastosowano kauczuk chloroprenowy, cięgna poliestrowe i tkaniny bawełniane, zapewniające odporność na temperaturę i oleje. Jest to jeden z tańszych pasów. Przenosi małe moce, przez co należy liczyć się z większą ilością pasów w przekładni. 3.2 Wariant 2 producent B Pas typu B, należący do grupy pasów klasycznych. Do jego wytworzenia użyto podobnych materiałów co pas konkurencyjnej firmy opisany w podrozdziale 3.1, z jednym wyjątkiem. Zastosowano tu kauczuk naturalny w miejsce chloroprenowego przez co, jak twierdzi producent, pas zyskuje możliwość przenoszenia większych mocy i jest odporny na warunki tropikalne. 3.3 Wariant 3 producent C Pas typu BX przedstawiciel grupy pasów wzmocnionych. Budowa pasa nieco różni się od budowy produktów konkurentów. Zastosowano cięgna bardziej odporne na naprężenia (producent nie podaje z jakiego materiału zostały wykonane), które wtopiono w specjalną odmianę kauczuku mającą za zadanie dodatkową amortyzację naprężeń, poprawę płynności pracy oraz odporności na ścieranie. 3.4 Wariant 4 producent D Pas typu XPB jest również pasem wzmocnionym. Według producenta, przenosi moc cztery razy większą niż obliczeniowa na podstawie normy [4]. Producent nie podaje szczegółowych danych związanych z zastosowanym materiałem oraz odporności pasa na czynniki zewnętrzne. Jednocześnie jeden z producentów nie wykonuje pasa o długości 1120 mm. Dostępną długością u tego producenta jest 1100 mm. W związku z różnicą w długości pasa, zmienia się rozstaw osi kół. Plusem krótszego pasa jest bardziej zwarta konstrukcja przekładni, co jest bardzo ważne przy budowie maszyn (swobodniejsze umiejscowienie w projektowanym urządzeniu oraz lepszy, mniej utrudniony dostęp dla ewentualnych napraw i serwisowania). Wartość współczynnika opasania koła napędowego k φ, dobrany podczas projektowania przedmiotowej przekładni wynosi 0,92. Producenci pasków zawyżają ten parametr. Przyczyną tej różnicy jest fakt, że wytwórcy na podstawie testów i badań deklarują, że ich pasy opasają koło napędowe w większym stopniu niż przyjęte w normie. Skutkiem tego pas ma uzyskiwać lepszą przyczepność, co w konsekwencji powoduje mniejsze straty mocy. W przypadku współczynnika długości pasa k L, odpowiadającego liczbie okresów zmian obciążenia pasa w jednostce czasu, prawie wszyscy producenci podają jego wartość zgodnie z zaleceniami 8806

4 normy. Jeden z wytwórców podaje niewiele zaniżoną wartość, co może oznaczać, że pas trzeba będzie serwisować w mniejszych odstępach czasowych niż pasy pozostałych producentów. Moc przenoszona przez jeden pas jest u wszystkich producentów różna w stosunku do obliczeniowej. Wartość ta jest określana na podstawie testów produktów, uwzględniających ich strukturę, rodzaj i jakość wykorzystanych materiałów. Tabela 1 przedstawia dane porównawcze parametrów pasów różnych producentów. W drugiej kolumnie tabeli umieszczono podstawowe parametry pasa otrzymane w oparciu o wykonane obliczenia. Tab. 1.Dane porównawcze parametrów pasów różnych producentów Pas dobrany Producent wg [8] A ProducentB ProducentC ProducentD Typ pasa B B B BX XPB (17x11 mm) (17x11 mm) (17x11 mm) (17x11 mm) (16x13 mm) Długość [mm] Moc przenoszona przez jeden pas 3,9 3,37 4,49 7,33 16,7 [kw] Liczba pasów w projektowanej przekładni [szt.] Zakres temperatur pracy pasa [ C] Odporność na czynniki atmosferyczne? Odporność na czynniki chemiczne? Odporność na działanie oleju? od -30 do +60 od -55 do +70 brak danych od -40 do +110 NIE NIE TAK TAK NIE NIE TAK TAK TAK TAK TAK TAK 4 ANALIZA EKONOMICZNA PROJEKTU PRZEKŁADNI PASOWEJ Ceny pasów klinowych oraz ceny wykonania kół pasowych podano na podstawie ofert i katalogów producentów. 4.1 Wariant 1 producent A Producent oferuje najniższą ceną pasa spośród wszystkich analizowanych wariantów. Koszt pasa o długości 1120 mm wynosi 17,73 zł. Mnożąc cenę jednego pasa przez 8 sztuk otrzymano kwotę 141,84 zł, co znacząco podwyższa koszt projektowanego urządzenia. W przypadku zastosowania 8 pasów najlepszym rozwiązaniem konstrukcyjnym wydaje się zastosowanie dwóch kół o czterech rowkach. Cena za wykonanie dwóch kół o średnicy Ø125 wyniesie zł, natomiast dwóch kół o średnicy Ø250 od zł. Całkowity koszt kół pasowych wraz z pasami kształtuje się w granicach zł. Biorąc po uwagę zastosowanie średniej klasy materiałów do produkcji pasów, jak i ich liczbę można spodziewać się częstszych przestojów urządzenia związanych z koniecznością wymiany paska. 8807

5 4.2 Wariant 2 producent B Producent oferuje pas o lepszych właściwościach od propozycji z poprzedniego wariantu. Wyższa jest też cena jednego pasa i wynosi 21,80 zł. Z uwagi na zastosowanie 6-ciu sztuk pasów ich cena to 130,80 zł. Podobnie jak w poprzednim wariancie, ze względu na ilość pasów, najlepszym rozwiązaniem konstrukcyjnym będzie zastosowanie dwóch kół o trzech rowkach. Koszt wykonania dwóch kół Ø125 z trzema rowkami oraz dwóch kół o średnicy Ø250 wyniesie odpowiednio ok. 120 zł. i ok.270 zł. Podsumowując, koszt poniesiony wskutek zakupu pasów i kół wynosiłby ok. 520 zł. Oznacza to wydatek niewiele mniejszy niż w poprzednim wariancie. Koszty eksploatacji przekładni prawdopodobnie będą tylko nieznacznie niższe w stosunku do poprzedniego wariantu, z powodu liczby zastosowanych pasów oraz ich jakości. 4.3 Wariant 3 producent C Wzmocniony pas typu BX jest dwa razy droższy niż pasy proponowane w poprzednich wariantach. Jednakże właściwości tego typu pasa są dwa razy lepsze niż w przypadku konkurencji. Koszt jednego pasa to ok. 46 zł. Za 4 pasy, czyli komplet dla analizowanej przekładni konieczne będzie wyłożenie kwoty 184 zł. Koszt zakupu pasów, pomimo mniejszej ich liczby, jest nieznacznie większy niż w wariancie 1 i 2. W przypadku zastosowania znormalizowanych kół czterorowkowych, należy liczyć się z wydatkiem rzędu ok. 67 zł. za koło o średnicy Ø125 oraz ok.156 zł. za koło o średnicy Ø250. Sumując koszt wymienionych elementów otrzymujemy kwotę ok. 407 zł. Jest ona znacznie mniejsza niż w przypadku poprzednich wariantów. Zastosowanie wzmocnionego pasa prawdopodobnie wpłynie na trwałość urządzenia i pozwoli ograniczyć wydatki serwisowe. Wadą pasa jest jego nieznormalizowana długość 1100 mm. O ile pas o tej długości występuje w ofercie niektórych producentów, o tyle właściwości pasa powodują, że trudno znaleźć zamiennik o podobnych wymiarach i właściwościach. Aby uniknąć problemów z przestojami urządzenia, związanymi z brakiem pasów na magazynie należałoby, albo zaopatrzyć się w ich odpowiednio duży zapas (brak uzasadnienia ekonomicznego), lub też uzyskać od producenta gwarancję stałej i długoterminowej dostępności (mało realne).najlepszą opcją byłoby zatem użycie pasa o znormalizowanej długości, takiej jaką oferuje konkurencja, czyli 1120 mm. 4.4 Wariant 4 producent D Producent proponuje najdroższy z prezentowanych pasów. Jego cena wynosi ok. 60 zł. Do budowy przekładni potrzebne są tylko dwa pasy, zatem łączny ich koszt to 120 zł. Doliczając ceny za małe koło ok. 50 zł oraz za duże koło ok. 122 zł, otrzymano sumę ok. 290 zł. Pomimo wysokiej ceny pasów, w porównaniu do pozostałych wariantów, wydatki poniesione na zakup elementów przekładni okazują się dwukrotnie niższe. Przy założeniu wyższej jakości pasów oraz wyższej mocy przenoszonej przez jeden pas, należy również oczekiwać obniżenia kosztów eksploatacji. Rys. 2. Wykres porównawczy kosztów zakupu jednego pasa oraz sumarycznych wydatków na pasy klinowe i wykonanie kół pasowych przekładni dla rozpatrywanych wariantów 8808

6 Na podstawie przeprowadzonej analizy opracowano wykres porównawczy kosztów zakupu jednego pasa oraz sumarycznych wydatków na pasy klinowe i wykonanie kół pasowych przekładni dla rozpatrywanych wariantów. WNIOSKI Biorąc pod uwagę aspekt zarówno ekonomiczny jak i techniczny za najkorzystniejsze uznano rozwiązanie przedstawione w wariancie 4.Przekładnia spełnia założone na wstępie warunki zwartości oraz możliwie najmniejszej liczby pasów. Zastosowanie wzmocnionych pasów winno stanowić o niezawodności przekładni i ograniczyć przestoje oraz koszty serwisowania. Całkowity koszt zakupu analizowanych elementów jest najniższy, pomimo wysokiej ceny jednostkowej pasa klinowego. Zastosowanie małych, z mniejszą liczbą rowów kół wpływa bezpośrednio na gabaryt całej przekładni. Pozwala to na istotne oszczędności materiału wykorzystanego nie tylko do wykonania kół pasowych, ale także zużytego na wykonanie krótszego wału. Oszczędność materiału, krótszy czas wykonania elementów o mniejszych wymiarach to oszczędność energii, a w konsekwencji możliwość uzyskania w przypadku produkcji seryjnej kompletnej przekładni, istotnego zmniejszenia całkowitego kosztu wytwarzania. Streszczenie Przedmiotem rozważań opisanych w niniejszym artykule jest projekt przykładowej, przemysłowej przekładni z pasami klinowymi. W celu jego realizacji przyjęto podstawowe parametry przekładni oraz założenia dotyczące zwartości, trwałości i dostępności części zamiennych. Przedstawiono model obliczeniowy podstawowych parametrów przekładni w oparciu o polskie normy. Na ich podstawie dobrano typ i długość pasa klinowego, liczbę pasów i wymiary kół pasowych. W oparciu o otrzymane wyniki obliczeń przeanalizowano możliwości techniczne zastosowania czterech różnych pasów klinowych, czterech różnych producentów w aspekcie przenoszonych przez nie mocy oraz ich trwałości i wytrzymałości. Przedstawiono również analizę ekonomiczną kosztów zakupu pasów i kosztów wykonania kół pasowych dla czterech wariantów wynikających z rodzaju zastosowanego paska klinowego. Wyniki analiz przedstawiono w formie diagramu. Project analysis of belt transmission with V-belt in terms of techno-economic Abstract The subject of the considerations described in this article is a sample project, industrial transmission V- belts. For its implementation adopted the basic parameters of the transmission and assumptions regarding compactness, durability and availability of spare parts. Describes the calculation model of the basic parameters of the transmission based on the Polish standards. On the basis of the standards chosen the type and length of the belt, number of belts and pulleys dimensions. Based on the calculation results obtained were analyzed the possibility of four different technical applications of V-belts, four different manufacturers in terms of power transmitted through them, and their durability and strength. It also presents an economic analysis of the costs of purchase of belts and pulleys for the four variants type of belt. The results of the analyzes presented in the form of a diagram. BIBLIOGRAFIA 1. PN 66/M Koła rowkowe do pasków klinowych. Wymiary wieńców kół 2. PN 67/M Przekładnie pasowe z pasami klinowymi. Zasady obliczania 3. PN 84/M Koła pasowe 4. PN 86/M 85200/06 Pasy klinowe. Pasy normalnoprofilowe. Wymiary 8809