Progettazione del trasportatore a catena: trazione della catena, selezione del pignone e insidie ​​​​del mondo reale

In uno stabilimento di imballaggio che abbiamo visitato l'anno scorso, un nuovo trasportatore a catena ha iniziato a perdere i denti sulla ruota dentata di trasmissione entro il primo mese di funzionamento. Il team di manutenzione ha incolpato la catena. Il vero problema era il design: la catena era stata selezionata per un carico stazionario piuttosto che per una coppia di avviamento di picco, e il gruppo di presa aveva una corsa troppo piccola per assorbire l'impulso. La soluzione non era una catena migliore. È stato un ricalcolo della trazione della catena, una ripresa più lunga e un passo avanti nella classe della catena. Per gli ingegneri che lavorano sulla progettazione di trasportatori a catena, il discorso è semplice: considerare la catena come una componente strutturale e dinamica, non come una parte merceologica . Questa guida spiega le decisioni di progettazione che determinano se un trasportatore funziona per anni o si guasta nel giro di settimane.

Cosa copre effettivamente il design del trasportatore a catena

Il design del trasportatore a catena combina catena, ruote dentate, binari di guida, unità di azionamento e gruppo di raccolta in una macchina che sposta il prodotto in modo affidabile a una produttività specifica. A differenza di un trasportatore a nastro, un trasportatore a catena trasmette il carico tramite innesto positivo. Ciò gli conferisce una maggiore capacità di carico, una migliore tolleranza all'abrasione e la capacità di indicizzare o accumulare il prodotto con precisione. Lo stesso impegno positivo crea anche pulsazioni, vincoli di allineamento e meccanismi di usura che devono essere affrontati fin dall'inizio della progettazione.

Componenti che definiscono il comportamento del trasportatore

Cinque componenti dominano il comportamento di qualsiasi trasportatore a catena. La catena sostiene il carico e trasmette la forza motrice. I pignoni, la trasmissione e la ruota tenditrice, forniscono un impegno positivo e impostano il rapporto di velocità. Le rotaie di guida supportano i trefoli caricati e di ritorno e controllano il tracciamento. L'unità di azionamento, solitamente un motore, un cambio e un giunto dell'albero, fornisce la coppia. Il gruppo di raccolta mantiene la tensione e assorbe l'allungamento della catena per tutta la vita del filo. Comprendere il caratteristiche strutturali della catena di trasporto collega tutti questi aspetti: geometria della maglia, gioco della boccola del perno e rigidità del controllo della forma dell'attacco, comportamento all'usura e modo in cui la catena si posiziona sui denti della ruota dentata.

Calcoli fondamentali nella progettazione di trasportatori a catena

La trazione a catena guida ogni decisione relativa ai componenti

La trazione totale della catena è il punto di partenza. Un'approssimazione ingegneristica pratica è che la trazione totale è uguale all'attrito del carico più l'attrito della catena più una componente di gravità su un piano inclinato più un fattore dinamico per l'avvio e l'impatto. Su un trasportatore orizzontale domina l'attrito. Man mano che l'angolo di inclinazione aumenta, il peso della catena e del carico, moltiplicato per il seno dell'angolo, si aggiunge direttamente alla trazione. Una volta stimata la forza di trazione, applicare un fattore di servizio compreso tra 1,2 e 1,5 per i livelli di impatto, quindi verificare la catena rispetto al suo carico di lavoro consentito utilizzando un fattore di sicurezza compreso tra 6 e 8 , che è una pratica comune di trasporto. L'errore più frequente nella progettazione del trasportatore a catena è il dimensionamento per condizioni di funzionamento medie e l'ignorare la coppia di picco di avvio. Un trasportatore che riparte a pieno carico, o che incontra un prodotto inceppato in un punto di trasferimento, può vedere da due a tre volte la tensione di funzionamento per diversi secondi. Quel picco è ciò che rompe la catena e taglia le chiavi del pignone.

Un rapido esempio mostra come funziona il metodo. Un trasportatore orizzontale trasporta 900 kg di prodotto su 30 m di catena del peso di circa 4 kg al metro. Il tiro della catena in movimento, utilizzando coefficienti di attrito di circa 0,12 per il tratto caricato e 0,1 per il ritorno, è di circa 1,3 kN. Moltiplicando per un fattore di servizio 1,3 e un margine di sicurezza 6 a 1, il carico di rottura minimo richiesto arriva a circa 10,5 kN. Una catena 08B standard, con un carico di rottura di circa 18 kN, offre un margine confortevole. Una classe 06B più piccola, a circa 9 kN, non sarebbe all'altezza nel momento in cui si aggiungesse un picco di avvio. Il calcolo è semplice, ma è proprio il passaggio che viene saltato quando si copia un trasportatore da una linea esistente senza verificarne il carico.

Velocità, passo e denti del pignone sono collegati

La velocità della catena dipende dal tipo di catena, dal passo e dal metodo di lubrificazione. Come regola generale, un passo più piccolo e un numero maggiore di denti del pignone garantiscono un funzionamento più fluido a velocità più elevate. Per la movimentazione delle unità è comune una catena di trasporto a doppio passo da 30 a 45 metri al minuto. Le catene di precisione a passo corto possono funzionare più velocemente, ma necessitano di una lubrificazione controllata e di un allineamento più stretto. Il conteggio dei denti del pignone merita un'attenzione speciale. Al di sotto dei sei denti, l'azione cordale crea una variazione visibile della velocità e aumenta l'angolo di articolazione, che aumenta la pressione sulla boccola del perno. Da otto a dodici denti sono la zona pratica per la maggior parte delle linee di trasporto. Un numero maggiore di denti funziona in modo più fluido e prolunga in modo misurabile la durata della catena, e il diametro del pignone extra di solito vale lo spazio necessario.

Selezione del tipo di catena adatto all'applicazione

Passo doppio o passo corto

La prima decisione di selezione è la classe del passo della catena. Le catene di trasporto a passo doppio utilizzano la stessa altezza di collegamento e lo stesso diametro dei rulli delle catene a rulli standard, ma con un passo circa doppio. Sono più leggeri, meno costosi e adatti alle linee di trasporto a centro lungo con velocità moderata, motivo per cui la maggior parte dei trasportatori per la movimentazione delle unità, il trascinamento e gli scarti funzionano su catene di trasporto a doppio passo . Le catene a rulli di precisione a passo corto sono la scelta migliore quando il trasportatore deve spostarsi in una posizione, accumulare prodotto o funzionare a velocità più elevata con pulsazioni minime. Se la linea corre al di sotto di circa 45 metri al minuto su centri lunghi con carico moderato, il doppio passo di solito vince sul costo totale una volta inclusi i pignoni e la corsa di recupero.

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Gli accessori convertono la catena in un trasportatore

La maggior parte delle catene di trasporto trasportano il prodotto attraverso gli accessori anziché attraverso i rulli della catena scoperta. Gli attacchi piegati di tipo K su uno o entrambi i lati sono i più comuni, ma i perni estesi e le piastre con foro centrale sono ampiamente utilizzati per montare rulli, cani, facchini e spintori. Quando il layout richiede un ampio percorso del prodotto o una spaziatura di volo personalizzata, catene di trasporto a doppio passo with attachments dare la libertà di progettazione per adattarsi all'impronta del prodotto senza passare a una costosa soluzione di collegamento personalizzato. Qui contano due controlli. Innanzitutto, verificare la sollecitazione di flessione sulla connessione tra attacco e piastra nel caso di impatto peggiore del prodotto. In secondo luogo, controllare il momento ammissibile su un perno esteso quando viene applicato il carico laterale. Un volo che sembra rigido nel CAD può piegare un perno abbastanza da rompere la piastra di collegamento dopo alcuni mesi di carico ciclico. Mantenere il punto di applicazione del carico il più vicino possibile alla linea centrale della catena e scegliere perni temprati o placcati quando i carichi laterali sono elevati.

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L'ambiente decide il materiale e la sigillatura

Catene di trasporto lavorare in condizioni di polvere, lavaggio, sostanze chimiche e temperature estreme. Il vantaggi dell'acciaio legato nelle applicazioni di trasporto industriale includono una maggiore resistenza alla trazione e una migliore resistenza all'usura, ma l'acciaio legato necessita comunque di protezione in un servizio umido o corrosivo. Per le linee alimentari, farmaceutiche e outdoor, catene di trasporto a doppio passo in acciaio inox prevengono le macchie di ruggine e mantengono libere le giunture durante il servizio di lavaggio. In condizioni polverose o sabbiose, l'alternativa è una catena sigillata: le guarnizioni O-ring o X-ring mantengono il lubrificante all'interno del giunto e gli abrasivi all'esterno. Il risultato pratico è una durata della giunzione da cinque a dieci volte più lunga rispetto a una catena non sigillata nello stesso ambiente.

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Errori di progettazione che si manifestano sul campo

La maggior parte dei guasti ai trasportatori segue schemi prevedibili. L'elenco seguente mostra quelli che compaiono ripetutamente nelle analisi delle cause principali e negli ordini di sostituzione di emergenza.

• Dimensionare la catena solo per la trazione in condizioni stazionarie, non per i picchi di avvio e carichi di impatto.
• Utilizzo di pignoni con troppo pochi denti, che crea pulsazioni di velocità e accelera l'usura di perni e boccole.
• Omissione di una corsa di raccolta sufficiente per assorbire il normale allungamento della catena tra gli intervalli di manutenzione.
• Consente il disallineamento del pignone, che concentra il carico su un lato delle piastre di collegamento.
• Saldare gli attacchi in modo tale da creare sollecitazioni sul bordo della piastra di collegamento.
• Supponiamo che una catena di trasporto non necessiti di lubrificazione perché si muove lentamente.

Ogni errore lascia una firma riconoscibile. Troppi pochi denti della ruota dentata producono vibrazioni visibili nel trefolo caricato. Una breve corsa di recupero consente alla catena di allentarsi mentre si allunga, quindi il filo di ritorno sferza e schiaffeggia il telaio. I pignoni disallineati lucidano un lato dei perni e creano un'usura asimmetrica della piastra di collegamento. Questi sono i cause comuni di guasto della catena del trasportatore che può essere fatto risalire a una decisione progettuale settimane prima del guasto effettivo.

Lavorare con un produttore di catene

Ogni progetto di trasportatore a catena prima o poi raggiunge il limite del catalogo. Spaziature degli attacchi non standard, passi insoliti, acciai speciali, piastre per carichi pesanti e finiture resistenti alla corrosione non rientrano nelle tabelle pubblicate. Questo è il momento in cui un produttore che produce sia catene che pignoni aggiunge un valore reale, perché può convalidare la coppia catena-pignone come un sistema piuttosto che come due parti di provenienza indipendente. La stessa logica si applica quando un trasportatore deve adattarsi a una linea esistente: catena e pignone provenienti da un unico fornitore eliminano la mancata corrispondenza del profilo dei denti e della larghezza che accelera l'usura.

Quando ti rivolgi a un produttore di catene, condividi gli stessi input utilizzati nel tuo calcolo. Caratteristiche del prodotto, produttività, lunghezza del trasportatore, inclinazione, velocità, disposizione della trasmissione, avviamenti orari e condizioni di lavaggio o polvere. Un buon fornitore di ingegneria controlla la trazione della catena, consiglia la classe di passo e la forma di attacco e ti dice se i perni temprati, l'acciaio inossidabile o le guarnizioni sono giustificati dai dati. Questa fase di verifica è economica rispetto al costo di un trasportatore che interrompe la produzione a pieno carico.

Il design del trasportatore a catena premia una visione a livello di sistema. Calcola onestamente la trazione della catena includendo i carichi di punta, scegli la classe di passo e gli accessori per il prodotto e l'ambiente e presta alla presa e alla lubrificazione l'attenzione necessaria per le condizioni reali. Le ore spese per queste decisioni sono irrilevanti se paragonate al costo di un guasto sul campo, e fanno la differenza tra un trasportatore che funziona per anni e uno che non lascia mai il registro di manutenzione.