IWT Tetraproject ETEA SAVE EN RGY! Hoe een reductiekast energie-efficiënter kiezen? IWT Tetraproject ETEA (11) Efficiëntieverhoging van Transmissies in Elektromechanische Aandrijfsystemen Labo elektromechanische aandrijvingen UGent campus Kortrijk www.xiak.be/etea
Save en rgy? Energie kost geld. Energiebesparende maatregelen kunnen ons geld besparen. Deze maatregelen kunnen echter pas uitgevoerd worden als met voldoende kennis van zaken gehandeld wordt. Hierbij moeten zowel technologisch als economisch de nodige overwegingen gemaakt worden. Met deze reeks folders wordt een samenvatting gecreëerd zodat elektromechanische aandrijvingen energie-efficiënter ontworpen kunnen worden. De nodige informatie wordt verkregen door uitgebreide labometingen en praktische cases. Zo wordt de theorie aan de praktijk getoetst. De bedoeling is dat deze folders u aan het denken zetten. Mogelijks zijn er soortgelijke situaties in uw bedrijf die tot nog toe onvoldoende aandacht kragen, maar wel een behoorlijke energieen dus kostenbesparing kunnen opleveren. IWT Tetraproject ETEA Het onderzoek dat als basis dient voor deze folders kadert in een tetraproject. Tetra staat voor Technologie Transfer en is een IWT (Agentschap voor Innovatie door Wetenschap en Technologie) gesubsidieerd programma. Het project brengt een aantal bedrijven en een onderwijsinstelling samen. Deze laatste voert dan gedurende twee jaar onderzoek uit naar recente ontwikkelingen binnen een bepaald domein en transfereert die kennis naar de bedrijven. ETEA is de afkorting van Efficiëntieverhoging van Transmissiesystemen bij Elektromechanische Aandrijvingen. De focus van dit onderzoek ligt op het van de koppeling tussen motor en last. Metingen in het volledige werkingsgebied van riemen en reductoren leggen de basis voor een optimale componentselectie. Lagerverliezen Afdichtings verliezen Tand verliezen Woeling verliezen Probleemstelling In de literatuur worden meestal richtwaarden voor en gegeven per tandwielpaar. Aangezien er weinig onderzoek uitgevoerd wordt naar het totaal van reductoren is de informatie vaak vaag. Ook in catalogi staat weinig info met betrekking tot en van tandwielkasten. Doordat er op dit vlak geen standaarden bestaan, worden constructeurs ook niet verplicht dit te doen. Deze vaststellingen hebben geleid tot de bouw van een reductortestbank aan UGent campus Kortrijk. De metingen laten toe op gefundeerde wijze energie-efficiënte aandrijvingen te ontwerpen. 1
-11% +11% -8% -6% -25% -8% -8% +2% +2% -1% -1% -9% -4% Rendement (%) Bespreking invloedsfactoren In de hierop volgende pagina s worden de effecten op het reductor ingedeeld zoals te zien op onderstaande figuur. Deze samenvatting toont beknopt de belangrijkste resultaten van het tweejarig onderzoek op vlak van reductoraandrijvingen. Externe factoren Totale werkingsgebied Technologie Cataloog Effecten op reductor Vermogen Type Ratio Cataloog Zijn swaarden in catalogi betrouwbaar? 1 75 5 25-25 Labometingen van reductoren met verschillende ratio en vermogen tonen aanzienlijke afwijkingen in tot wel 1% in het nadeel van de cataloogwaarde. Cataloog Gemeten Verschil Catalogus meestal overschat let op bij dimensionering reductor! Vooral bij grote ratio en kleine vermogens groter verschil Geen standaardisatie voor fabrikanten, geen verplichte metingen 2
Totale werkingsgebied Hoe varieert het in het volledig werkingsgebied? Metingen op verschillende types, ratio s en vermogens tonen gelijkvormige contouren Maximum steeds bij nominaal koppel Rendement verandert vooral met koppel, minder met toerentalvariatie Output torque (Nm) 4 35 3 5kW; i = 11 Helical brand E / i1,93 / 2 stage / 14rpm / 39Nm / 5,23kW 25 95 6 95 5 93 4 3 1 92 93 92 93 92 91 91 5 9 9 87 1 84 79 65 5 1 25 3 Input speed (rpm) 95 Output torque (Nm) 1 9 8 7 Efficiency (%) 18 16 14 1 1 8 6 4 89 88 87 86 83 79 76 69 Helical bevel brand D / i72,21 / 3 stage / 14rpm / 19Nm /,39kW 73 86 87 66 85 61 82 79 5 1 25 3 Input speed (rpm) 84 76 68 83 7 86 82 72 85 84 8 77 74,4kW; i = 72 Hoger vermogen en/of kleinere ratio leidt tot een groter gebied van maximum = minder variatie 1 9 8 7 6 5 4 3 1 Efficiency (%) Vermogen Wat gebeurt er met het indien vermogen varieert? Rendement bij 14 tpm 4% Cataloog Labometingen tonen variatie in wanneer het vermogen verandert. In de figuur is sverschil van 4% te zien als het koppel stijgt en dit bij gelijkblijvende ratio. Opm.: Vergelijkbaar effect als bij elektrische motoren Reductoren met een hoger vermogen hebben typisch een hoger Vermogen of koppel is meestal wel bepaald door de toepassing Op de grafiek is terug duidelijk te zien dat het catalogus sterk kan verschillen in vergelijking met het effectieve! Vooral bij grote ratio en klein vermogen 3
Ratio Hoe reageert het bij variërende ratio? Het vergelijken van de metingen van twee wormwielreductoren leidt tot de verschilcontour hiernaast; Merk F Merk F Technologie Helisch/Worm Helisch/worm Ratio 68,44 3,26 Koppel (Nm) 27 26 Cataloog 71% 83% Er is een aanzienlijk hoger, tot 23%, te zien voor de reductor met laagste ratio en dit in het volledig werkingsgebied! Catalooggegevens bevestigen ook deze informatie, welliswaar enkel bij nominaal koppel en toerental Output torque (%) 1 8 6 Delta efficiency map / helical worm / brand F / i3.26 - i68.44 / 14rpm / 26Nm - 27Nm 16 17 17 18 18 19 4 17 21 21 22 24 23 1 4 6 8 1 1 14 16 18 Input speed (%) De grafiek bovenaan deze pagina toont duidelijk aan dat het ook bij kegelwielreductoren ratio afhankelijk is. Hogere ratio = lager Bij kleinere vermogens is dit effect groter 17 17 18 19 16 3 25 Efficiency (%) Type Heeft keuze rechte of haakse reductor een invloed op? Indien de inbouwruimte het toelaat kan men een rechte of haakse reductor selecteren. Indien er een sverschil is, kan dit de keuze sturen. Volgende tabel geeft een samenvatting van deze vergelijkende metingen. Merk E Merk E Merk E Type Haaks Haaks Recht Technologie Helisch/kegel Helisch/worm Helisch Ratio 11,41 11,67 1,93 Koppel (Nm) 434 373 39 Gemeten 95,5% 91,5% 95,5% Prijs (%) 147 98 54 (1% = gemiddelde prijs) Vergelijkbaar haakse en rechte kast Worm iets lager Groot prijsverschil Haakse kast 2 tot 3x duurder dan rechte kast Indien mogelijk kies je best een rechte reductor omdat het gelijk of beter is en de kostprijs lager ligt. 4
Technologie Kegelwiel versus wormwielreductor? Technici weten al langer dan vandaag dat een kegelwielreductor een hoger haalt dan een wormwielreductor. Vraag hier is of dit sverschil in het volledig werkingsgebied te zien is. Onderstaande vergelijkende meting geeft hierop antwoord. delta efficiency map in % between a helical bevel and a helical worm gearbox (2x brand D; i = 72 & i = 77 resp.; delta = bevel - worm) 25 output torque (Nm) 18 16 14 1 1 8 6 4 18 17 21 16 13 16 12 13 5 1 25 input speed (rpm) 16 14 14 11 12 1 5 Technologie Merk D Helisch kegel Ratio 72,21 77 Merk D Helisch worm Koppel (Nm) 19 18 Vermogen (kw),39,34 Cataloog 95% 78% Kegelwiel reductor heeft in het ganse werkgebied een hoger tot 16% verschil. Externe factoren Welke factoren hebben nog een invloed op het? Olie Het type olie heeft zeker effect op het. In deze meetcampagne lag de focus echter niet bij dit topic. Literatuur toont heel wat papers met onderzoek op dit vlak. Temperatuur Variatie in temperatuur leidt tot een veranderende olieviscositeit. Bij een stijgende temperatuur wordt de olie dunner en heeft ze minder wrijvingsverliezen tot gevolg. Bij te hoge temperatuur wordt de olie te dun waardoor er niet voldoende smering meer is, wat tot slijtage leidt. Montagepositie Bij een andere inbouwwijze dan de standaard montagepositie zal een andere hoeveelheid olie in de reductor moeten voorzien worden. Hoe meer olie, hoe meer woelingsverliezen. Indien het praktisch mogelijk is, kiest men best de montagepositie waarbij de kleinste hoeveelheid olie nodig is. Dit is meestal de standaard montagepositie. 5
Techno - Eco analyse Rendement reductor economisch gezien Casestudie transportband 37W / 56 werkingsuren Kegelwielreductor in,75 à 1,5 jaar terugverdiend t.o.v. een wormwiel reductor De verbruikerskost van een reductor is belangrijker dan de aankoopkost: 95% van de kost over de ganse levensduur is energie! Payback merk C:,75 jaar Payback merk D: 1,5 jaar Hoger vermogn en/of kleinere ratio leidt tot een grotere gebied van maximum = minder variatie Contact De volledige meetresultaten en onze testbanken staan ter beschikking voor het optimaal ontwerp van uw eigen machine. Contact: kurt.stockman@ugent.be +32 56 24 12 41 steve.dereyne@ugent.be +32 56 24 12 21 Universiteit Gent campus Kortrijk Vakgroep ISP Graaf Karel de Goedelaan 5 B-85 Kortrijk 6