如何设计极端环境条件下的齿轮电机

以下一些直接的建议齿轮电机设计将有助于确保您的齿轮电机在最极端的环境下工作。

加布里埃尔Venzin
总统
ABM Drives Inc.

设计齿轮电动机应用在或多或少的“正常”条件下足够坚韧，在这里正常，这意味着室温和稳定或典型的湿度和高度。将该应用程序投入极端环境，设计变得更加复杂。但它不一定是。对于在极端环境条件下设计Gearmotor应用程序的任何人，有一些指导方针，当遵守将有助于确保设计成功。

首先,最基本的
齿轮电机是齿轮减速器和电动机的组合。齿轮输出轴的两个最重要的因素是其RPM和扭矩。直角，直线或平行的轴齿轮箱可以与永磁体AC，AC感应或无刷直流电动机组合。

这里讨论的齿轮电机应用没有暴露在高压水喷雾中，例如在冰柜，未加热的设施或外壳中。它们用于叉车和电动车辆，提升技术，建筑设备，包装机械，以及Dockside起重机升降机等应用中使用，以及车辆和桥梁驱动器等。

目标是让齿轮马达在极端环境条件下运行数十年，维护费用低，因为它们可能不容易接近。对于极端温度和高度，齿轮马达在机械上没有太大的不同;主要是润滑，负载循环，加热或冷却的考虑和建筑材料的选择。因此，这些技巧也可以用于升级现有系统。

我们正在谈论的典型类型的齿轮电机包括提升驾驶齿轮电机，其中升降载荷在3.2和40公吨之间。它们由2.5至38 kW异步圆柱形转子电机供电，具有3级并联轴齿轮箱，用于在140至405 mm和4/1 Reeve的滚筒直径下提升4至8米/分钟的提升速度。使用典型的杆开关电机（8/2极）。可变速度与逆变器编程，用于加速和减速斜坡，启动和制动极小速度，最小化负载摇摆。

一个良好的开端是回顾应用程序将在过去的极端温度条件下运行的数据，以及任何其他可能与设计相关的独特条件。在接下来的章节中，我们将涵盖温度，海拔和湿度以及这些因素影响齿轮马达选择的方式。

温度

当温度下降到-40℃时，齿轮电机会发生什么？
从-40°C（-40°F）到+ 60英寸C（+140˚F）一米的球墨铸铁膨胀0.123毫米。这是我们在这里覆盖的温度范围。

海拔是我们要研究的另一个极端。对于内燃机来说，一般的经验法则是海拔每1000英尺会损失3 - 4%的功率。所以一辆300马力的车在1万英尺的高空会损失30到40马力。更小的密度意味着更小的压缩。大气中更少的物质(主要是氧气、氮气和氩气)被吸入钢瓶，因此压缩更少。对于一个齿轮马达来说，这意味着更少的空气来散热。

如何补偿极端温度?(标准温度范围为-20 ~ +40°c)
一个常见的极端温度变化是当叉车从-30˚C的冰箱移动到+40°C的码头门。无论是极冷(-40˚C)还是极热(+60˚C)，你都需要解决以下问题。

变速箱油-当矿物油达到频繁启动和停止、高负荷、系统冲击、低或高温使用、延长油使用间隔要求和减少内摩擦以及降低操作温度的性能极限时，可使用合成润滑油。它们也可以在较高的温度下工作，不会失去粘度，形成残留物，并提供抗泡沫。石油产品在+100℃或以下开始降解，而合成烃润滑剂在+125℃时功能良好。合成纤维还具有极低温的优势。它们的蒸汽压也比石油产品低，这是确保润滑剂不会分解的一个重要因素。与石油基润滑剂相比，合成润滑油的化学均匀性使其具有更大的承载能力、更高的粘度指数、更好的润滑性、更高的效率和更长的使用寿命。

轴密封-如果齿轮电机长时间处于低温状态，则将电机轴封升级为丁腈橡胶(弹性体)材料或使用高级润滑脂进行轴封润滑。弹性体材料由聚合物、填料、加工助剂、保护剂和固化剂组成。许多时候，标准油封是由丁腈或橡胶制成，额定温度为+125˚c。如果环境或油温超过此温度，则必须使用性能更高的材料。

电机冷却风扇- 这些应由铝，GGG（结节熨斗）或特殊塑料材料制成。

在-20°C至-40°C的温度下使用
外壳- 从GG（灰色铸铁）切换端屏蔽材料到GGG（结节铸铁）。结节性球墨铸铁具有高强度，延展性和抗冲抵抗力。退火的结节性球墨铸铁可以弯曲，扭曲或变形而不会压裂。它的强度，韧性和延展性重复了许多等级的钢，但具有与灰色铸铁类似的低成本铸造程序。普通的灰色铸铁具有随机片石墨图案。结节性球墨铸铁在其公式中具有几百百分之一的镁或铈，导致石墨在小球形“结节”而不是薄片中形成。它们对金属结构的不连续性较强，用于更强，更为“延展性”铁。如果不超过允许的应力，您也可以使用铝。

转子轴- 将1045钢的开关材料，以合金钢，例如42crmo4或类似。1045是一种低淬透性碳钢，典型的介质拉伸强度范围为570至700MPa或Brinell硬度范围为170-210。其特征在于相当良好的强度和冲击性能。42Crmo4合金钢是铬 - 钼钢，具有高强度和淬透性。它具有高疲劳强度和良好的低温冲击韧性。

电机加热- 这可能是加热器夹套，电机加热带或绕组可以供电以保持一定的温度（这也用于防止高湿度环境中的水分积聚）。外部加热夹克，盖子或外壳通常由起重机制造商安装，因为它们也需要保护变速箱和其他组件。

连接盒- 从塑料切换到铝制

风扇笼罩- 从塑料切换到金属板版

制动器的设计-完全封闭而不是开放的设计

降低转矩- 甚至可能需要解除最大可接受的齿轮箱扭矩或使用较大的齿轮箱。

在+40°C至+60°C的温度下使用
请注意，必须根据具体情况审查上述温度，并且无法通过简单地改变某些组件来覆盖。

如果齿轮电机安装在燃烧发动机附近的外壳内或产生热量的其他系统或暴露在直射阳光下，则需要具有更高升高率的内部电动机部件。高环境温度也可能产生负面影响，电动机扭矩和直射阳光会降低密封部件。

接线盒- 从塑料切换到铝制

风扇笼罩- 从塑料切换到金属板版

高度

对于适当的功能并在高海拔地区使用
电动机表面的散热和齿轮单元的散热用高度减少。由于空气较薄，热性能降低。通常额定安装海拔最高1,000米高于海平面。对于更高的高度，您应该考虑以下内容。

验证您的应用程序的实际占空比，并问自己是否真的需要一个连续占空比电机?如果结果证明，应用程序需要相同的占空比额定的电机在海拔1000米以上，你可以安装一个更大的电机或增加强制空气冷却，以弥补减少的冷却能力提供的稀薄空气。在许多情况下，与电机OEM讨论可能的选项是有意义的。

关于占空比的问题
占空比不仅影响电机的性能评级，例如，连续占空比S1电机如果在S3间歇占空比循环中使用，将提供更高的输出，特别是在扭矩峰值和系统冲击可能存在的特殊应用中使用的变速箱。对于这种情况，仔细确定每个特定时间段所经历的占空比和峰值/冲击是至关重要的，这样电机/变速箱OEM的工程团队才能选择和推荐合适的驱动系统。因此，即使应用程序没有高的额定扭矩和占空比要求，其他操作因素可能导致需要更大、更强的减速电机，以确保令人满意的使用寿命。最后，如果你的应用是在极端环境条件下使用，一定要通知电机OEM——这可能是一个游戏规则的改变者。

关于不同应用程序的推荐服务生活的更多信息已由美国齿轮制造商协会（AGMA）发布这些职责循环建议已从许多齿轮制造商的经验中确定。Agma标准6009列出了服务类的许多应用程序（I（1到1.39），II（1.40到1.99），III（2及以上）），我是最简单的应用程序和III类是最难的。通常，应用的总占空比将考虑环境温度，循环持续时间，质量加速度，操作时间和每小时循环。

如何确定占空比
首先，您需要建立目标生活。不是日历时间，但运行时间。您需要在运行期间知道应用程序的占空比，并且机器在白天运行的小时数。

举个例子;齿轮电动机在短爆发中驱动输送机，一次2分钟，在两次10小时内，在两次10小时内重复之前，休息2分钟。您需要它可以免费操作至少五年或13,000小时。

基于AGMA标准，使用寿命为2.5万小时，服务系数为1.0。25000小时只是个名义上的数字，所以50%不会持续那么长时间。使用L10寿命额定值，这意味着在该负载下运行的变速箱中，10%预计会在L10寿命之前失效，90%预计会持续更长时间。因此，一个名义寿命为25000小时的变速箱L10寿命为5000小时。根据AGMA的指导方针，如果一个输送带不均匀地给料，并且每天运行超过10小时，那么它的服务系数应该是1.50。电机也需要进行类似的计算。

湿度
用于对产品的入侵和防水兼容性进行分类的最常用的系统是IP等级，这是由国际电工委员会(IEC)发布的。(IP代表国际保护，但有时也被称为入侵保护。)今天，交流感应和永磁交流电机通常满足防护等级IP54或55，某些步骤甚至可以满足IP65或67的要求。因此，IP额定值不能适当地为高湿度环境提供保护，需要采取其他措施来保护齿轮电机。为防止腐蚀，请保护所有裸露的金属表面。此外，电机层压板应涂漆。使用持续的低电压和低电流电源到你的绕组，以防止凝结时，电机不使用。对于制动器，所有磨损表面必须是不锈钢的，有时一个完全封闭的户外制动器是最好的解决方案。

反馈和改进
生命周期成本分析是一种管理工具，可以帮助企业最小化浪费，最大化多种系统的能源效率。全面了解构成系统整个生命周期总成本的所有因素，有助于降低能源、操作和维护成本。

分析生命周期的每个元素，并确定计算总寿命成本的实际价值，包括购买价格;安装和调试费用（包括培训）;能源成本;运营成本;维护和维修费用;停机费用;环境成本（处理污染物液体和污染的二手零件，如密封件）;和退役/处置费用（包括恢复当地环境和辅助服务）

除了支持设计决策，LCC分析还可以用来反映范围、进度或应用程序的变化。这个过程可以成为持续改进的有价值的工具。

ABM Drives，Inc。
www.abm-drives.com

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