Przekładnia kątowa do mieszadeł – uszczelnienie i smarowanie

Przekładnia kątowa do mieszadeł to rozwiązanie stosowane wszędzie tam, gdzie napęd musi przenosić moc na pionowy wał mieszadła, pracujący często w trudnych warunkach i przy dużych obciążeniach. W takich aplikacjach cały układ napędowy, czyli motoreduktor oraz przekładnia kątowa, znajduje się zwykle na górze zbiornika, a wał wyjściowy skierowany jest pionowo w dół. Taka konfiguracja stawia wysokie wymagania przede wszystkim w obszarze uszczelnienia wału, smarowania oraz łożyskowania układu.

Gdzie stosuje się przekładnie kątowe do mieszadeł?

Przekładnie kątowe znajdują zastosowanie w mieszadłach używanych powszechnie w rolnictwie, przemyśle chemicznym, papierniczym, farmaceutycznym, spożywczym oraz w oczyszczalniach ścieków. W tego typu układach napędowych zespół napędowy znajduje się najczęściej nad zbiornikiem, a jego zadaniem jest napędzanie długiego pionowego wału zakończonego łopatkami mieszadła.

Taki układ konstrukcyjny jest korzystny z punktu widzenia zabudowy, ale wymaga odpowiednio zaprojektowanej przekładni, która będzie pracowała niezawodnie mimo pionowego ustawienia wału i dużych obciążeń pochodzących od mieszanej cieczy.

Typowe branże zastosowania

• rolnictwo,
• przemysł chemiczny,
• przemysł papierniczy,
• przemysł farmaceutyczny,
• przemysł spożywczy,
• oczyszczalnie ścieków.

Jakie wyzwania konstrukcyjne stawia napęd mieszadła?

Praca mieszadła ma swoją specyfikę i stawia przed konstruktorem dwa podstawowe wyzwania. Pierwszym z nich jest skierowanie wału wyjściowego przekładni pionowo w dół, co znacząco podnosi wymagania stawiane uszczelnieniu wału. Drugim problemem jest długi wał mieszadła pracujący w gęstej cieczy, który generuje znaczne momenty zginające wał wyjściowy przekładni oraz wyraźne ugięcia.

• wał wyjściowy skierowany w dół zwiększa ryzyko wycieku oleju,
• długi wał mieszadła obciąża łożyska i wał wyjściowy momentami zginającymi,
• gęsta ciecz zwiększa opory pracy i obciążenia poprzeczne układu.

Jak działa smarowanie przekładni kątowej?

Smarowanie oznacza oddzielenie współpracujących elementów cienką warstwą filmu olejowego, która zapobiega bezpośredniemu kontaktowi metalu z metalem podczas ruchu. W większości przekładni pracujących przy prędkościach obwodowych kół do około 15 m/s stosuje się smarowanie zanurzeniowe.

Zbyt małe zanurzenie powoduje niedostateczne smarowanie, natomiast nadmierne zanurzenie w oleju prowadzi do wzrostu oporów hydrodynamicznych i strat mocy. Oprócz funkcji smarującej olej pełni również funkcję chłodzącą i zabezpiecza elementy przed korozją. W praktyce przyjmuje się, że na każdy 1 kW przenoszonej mocy powinna przypadać minimalna objętość oleju rzędu od 0,3 do 0,8 litra.

Co wpływa na poprawne smarowanie?

• prawidłowy poziom zanurzenia kół w oleju,
• właściwa objętość oleju względem mocy,
• zdolność oleju do chłodzenia i ochrony przed korozją,
• skuteczne doprowadzenie środka smarnego do łożysk.

Jeżeli podstawowe smarowanie nie jest wystarczające, stosuje się rozwiązania wspomagające, takie jak dodatkowa kadź olejowa. W niektórych przekładniach stożkowych wykorzystuje się również tarczę na wałku wejściowym wraz z kanałem doprowadzającym olej do wybranego miejsca. Do wyposażenia związanego ze smarowaniem należą także wskaźniki poziomu oleju, korki spustowe oraz odpowietrzniki, które zapobiegają niekontrolowanemu wzrostowi ciśnienia w korpusie.

Jak uszczelnia się wały przekładni?

Uszczelnienia wałów mają za zadanie zatrzymać olej wewnątrz przekładni i nie dopuścić do jego wydostania się na zewnątrz. Najczęściej stosuje się pierścienie gumowe uszczelniające, zarówno w wersji z wkładką usztywniającą, jak i w obudowie metalowej. Są to uszczelnienia kontaktowe, czyli takie, w których elementy stałe i ruchome stykają się bezpośrednio.

Przy mniejszych prędkościach obwodowych wału rzadziej stosuje się pierścienie filcowe lub uszczelnienia bezkontaktowe. Do tej drugiej grupy zalicza się między innymi uszczelnienia rowkowe, labiryntowe i odrzutnikowe.

Najczęściej spotykane typy uszczelnień

• pierścienie gumowe uszczelniające,
• pierścienie filcowe,
• uszczelnienia rowkowe,
• uszczelnienia labiryntowe,
• uszczelnienia odrzutnikowe.

Poza uszczelnieniami wałów należy pamiętać o uszczelnieniach między elementami korpusu oraz pomiędzy korpusem a pokrywami bocznymi. W tych miejscach najczęściej stosuje się pasty uszczelniające.

Dlaczego pionowy wał wyjściowy jest problemem?

W przypadku poziomego wału wejściowego lub wyjściowego układ uszczelnień pracuje w relatywnie korzystnych warunkach. Gdy jednak wał wyjściowy przekładni kątowej do mieszadła jest skierowany pionowo w dół, część oleju może przemieszczać się przez pierścień uszczelniający w dół i wydostawać na zewnątrz, nawet jeśli uszczelnienie działa poprawnie.

Taki wyciek oznacza nie tylko spadek ilości oleju w przekładni, ale także ryzyko zanieczyszczenia medium znajdującego się w zbiorniku. W mieszadłach procesowych jest to szczególnie niepożądane, ponieważ olej może przedostać się do cieczy, która jest właśnie mieszana.

• olej może przedostawać się w dół przez uszczelnienie,
• spada poziom środka smarnego w przekładni,
• rośnie ryzyko zanieczyszczenia mieszanego medium.

Co to jest komora osuszająca?

Aby ograniczyć problem wycieku oleju, stosuje się komorę osuszającą, która oddziela przestrzeń wewnątrz korpusu przekładni od przestrzeni wokół wałka w rejonie dolnego łożyska. W praktyce powstają w ten sposób dwie oddzielne przestrzenie rozdzielone uszczelnieniem labiryntowym.

W miejscu styku komory osuszającej z piastą koła biernego na wałku wyjściowym można dodatkowo zastosować przewód kontrolny, pozwalający wykryć ewentualny wyciek. Ponieważ takie rozwiązanie ogranicza bezpośrednie smarowanie dolnego łożyska olejem, jego smarowanie realizuje się smarem stałym, napełnianym zwykle już na etapie produkcji.

Zalety komory osuszającej

• ogranicza ryzyko wycieku oleju do zbiornika,
• oddziela przestrzeń olejową od dolnej części wału,
• umożliwia kontrolę wycieku dzięki przewodowi kontrolnemu.

Na czym polega rozwiązanie Drywell?

Kolejnym rozwiązaniem stosowanym przy uszczelnianiu wału wyjściowego jest system Drywell. W tym wariancie poniżej dolnego pierścienia uszczelniającego umieszcza się dodatkowy odrzutnik. Jeśli nawet niewielka ilość oleju przedostanie się przez simmering, odrzutnik kieruje ją do specjalnej komory zbierającej.

Komora ta pełni funkcję awaryjnego zbiornika w kołnierzu otaczającym wał. Po zgromadzeniu określonej ilości środka smarnego system może zasygnalizować problem dzięki czujnikowi zainstalowanemu w komorze. To rozwiązanie zwiększa bezpieczeństwo eksploatacji i ułatwia szybką reakcję serwisową.

• wychwytuje olej przeciekający przez uszczelnienie,
• gromadzi go w dodatkowej komorze zbierającej,
• umożliwia sygnalizację wycieku przez czujnik.

Co daje rozwiązanie EBD?

Długi wał mieszadła oraz opory pracy w gęstej cieczy powodują znaczne momenty zginające, które z kolei wywołują wysokie reakcje poprzeczne w łożyskach. To bezpośrednio obniża ich trwałość. Rozwiązanie EBD (Extended Bearing Distance) polega na zwiększeniu odległości pomiędzy łożyskami bardziej, niż wynikałoby to z minimalnych wymagań konstrukcyjnych.

To proste wykorzystanie podstawowych zasad mechaniki: większy rozstaw łożysk przy tym samym momencie zginającym oznacza niższe reakcje poprzeczne działające na podpory. W praktyce przekłada się to na wyższą trwałość łożysk i większą niezawodność całej przekładni.

Korzyści z zastosowania EBD

• większy rozstaw łożysk,
• niższe reakcje poprzeczne w podporach,
• wyższa trwałość łożysk przy dużych momentach zginających.

Na co zwrócić uwagę przy doborze przekładni kątowej do mieszadła?

• długość i sztywność wału mieszadła,
• rodzaj i lepkość mieszanego medium,
• sposób uszczelnienia wału wyjściowego,
• warunki smarowania i objętość oleju,
• potrzebę zastosowania komory osuszającej lub Drywell,
• wymagania dotyczące trwałości łożysk i rozwiązania EBD.