Olielekkage Tandwielkasten SSHE'S

(1)

2011 - 2012

Avans Hogeschool Breda

Randy Heijstek

(2)

(3)

1 Titelpagina | Avans Hogeschool Breda

Titelpagina

Bedrijf: Shell Nederland Chemie

Adres: Chemieweg 25

4782 SJ Moerdijk

Postaders: Postbus 6060

4780 LN Moerdijk

Bedrijfsbegeleiding: Patrick Koster

Telefoon: 06-48711989

E-mail: Patrick.Koster@shell.com

Onderwijsinstelling: Avans Hogeschool

Academie voor Technologie en Management

Adres: Lovensdijkstraat 61-63

4818 AJ Breda Telefoon receptie: 076-5250500

Postadres: Avans Hogeschool

Postbus 90116 4800 RA Breda Hogeschoolbegeleiding: Jo Jacobs

Email: jhim.jacobs@avans.nl

Student: Randy Heijstek

Studentnummer: 2019299

Adres: Thorbeckeweg 199

3317 ED Dordrecht

Telefoon: 06-42604535

(4)

(5)

2 Voorwoord | Avans Hogeschool Breda

Voorwoord

Dit afstudeerproject is de afronding van een bachelor opleiding werktuigbouwkunde op HBO niveau van student; Randy Heijstek, studentnummer 2019299.

Het afstudeerproject is de laatste periode in het beroepsgerichte deel van de opleiding. De tot dan toe opgedane kennis en vaardigheden worden in een praktijksituatie toegepast. Met name het zelfstandig werken en het tonen van initiatieven door de student wordt in grote mate gestimuleerd. Daarmee is het project het 'meesterstuk' van de opleiding.

Het afstudeerproject loopt in het gehele vierde studiejaar parallel aan de lessen. Het afstudeerproject is een project dat wordt uitgevoerd voor de werkgever, in dit geval Shell Nederland Chemie, Moerdijk.

Het project heeft in totaal een omvang van 30 European Credits (EC) = 840 uur. De afstudeerder werkt in een organisatie die actief is in de volgende werkvelden:

- productie en onderhoud, - technische dienstverlening. Doelen van het afstudeerproject zijn:

- toepassen en integreren van de verworven kennis en vaardigheden in een samenhangende vorm op een complex probleem: een technologisch probleem analyseren en oplossen in zijn context,

- blijk geven van een professionele attitude en inzicht.

Omdat het afstudeerproject aan het einde van de opleiding wordt uitgevoerd, moeten na het project alle eindtermen van de opleiding bereikt zijn. In feite zijn daarom alle eindtermen ook leerdoel voor het

afstudeerproject. De hierna genoemde leerdoelen zijn specifiek toetsbaar aan het einde van het afstudeerproject en zijn afgeleid van kennis, vaardigheden en attitudes zoals deze zijn beschreven in de beroepscompetenties van de leerroute.

Na het succesvol doorlopen van het afstudeerproject heeft de student aangetoond dat hij zelfstandig: - Een opdracht kan verwerven,

- de tot dan toe opgedane kennis en vaardigheden kan integreren en toepassen in een praktijksituatie, - een probleemanalyse kan maken en komen tot een probleemdefinitie,

- het probleem projectmatig kan aanpakken, - een planning voor werkzaamheden kan maken,

- het eigen werk binnen het project kan plannen en organiseren,

- binnen een beperkte tijd zich nieuwe technieken en/of kennis en/of vaardigheden eigen kan maken, - een oplossing kan ontwerpen voor het geformuleerde probleem,

- voorkomende praktische problemen kan herkennen en deze oplossen, - met anderen (evt. uit andere disciplines) kan samenwerken,

- een afstudeerwerk kan afleveren, dat aan de eisen van de opdrachtgever voldoet, - zijn oplossing kan presenteren en verdedigen middels verslag en presentatie,

- rekening kan houden met de gevolgen van implementatie van de ontwerpresultaten voor maatschappij en organisatie,

(6)

(7)

3 Inhoud | Avans Hogeschool Breda

Inhoud

Titelpagina ... 1 Voorwoord ... 2 Inhoud... 3 Samenvatting ... 6 Inleiding ... 7 1. Situatie beschrijving ... 8 1.1 Bedrijfskarakteristiek SNC ... 8 1.2 MSPO fabriek ... 8 1.3 U5000 ... 8 1.4 SSHE’s ... 8 2 Probleemstelling ... 9 2.1 Tandwielkasten ... 9 2.2 Opdracht ... 9

2.2.1 Inhoud van de opdracht ... 9

3. Adviesrapport ... 10 3.1 Huidige situatie ... 10 3.1.1 Problematiek ... 10 3.1.2 Kosten ... 10 3.1.3 Voorgaande aanpassingen ... 11 3.1.4 Meningen ... 11 3.2 Bevindingen ... 12 3.2.1 Verticale positionering ... 12 3.2.2 Inwendige temperatuur ... 12 3.2.3 Onderste afdichting ... 12 3.3 Mogelijke oplossingen ... 13

3.3.1 Magseal onder lager ... 13

3.3.2 Heavy duty seal ... 13

3.3.3 MagTecta Seal ... 14

3.4 Advies en onderbouwing ... 15

3.4.1 Advies ... 15

3.4.2 Werking ... 15

(8)

3.4.4 Bijkomende voordelen ... 16

3.5 Kosten ... 17

3.5.1 Kosten van aanpassing ... 17

3.5.2 Besparing ... 17

3.6 Implementatie ... 18

3.6.1 Aanpassing door fa. Stork ... 18

3.6.2 Standtijd verkorten t.b.v. inspectie ... 18

3.6.3 Monitoren ... 19

4 (her)Ontwerp tandwielkast ... 20

4.1 Aandrijfcomponent ... 20

4.1.1 Gegevens Elektromotor ... 20

4.1.2 Elektromotor bij constant toerental ... 20

4.1.3 Elektromotor bij starten... 20

4.2 Gegevens tandwielkast ... 21 4.2.1 Bekende gegevens ... 21 4.2.2 Vermogensberekening ... 22 4.3 Tandwielen ... 23 4.3.1 Basisvormen, tandhoek ... 23 4.3.2 Vertandingsmaten ... 24 4.3.3 Profielverschuiving ... 25

4.3.4 Controlematen voor de tanddikte ... 26

4.3.5 Krachtsverhoudingen ... 27

4.3.6 Factoren die de belasting beïnvloeden ... 28

4.3.7 Controle van de tandvoetsterkte ... 30

4.3.8 Controle van de contactsterkte ... 32

4.4 Lagers ... 35

4.4.1 Wentellagers algemeen ... 35

4.4.2 Tweerijig tonlager (DIN 635) ... 35

4.4.3 Zelfinstellende kogellager (DIN 630) ... 35

4.4.4 Cilinderlager (DIN 5412) ... 36

4.4.5 Groefkogellager (DIN 625) ... 36

4.4.6 Levensduur ... 37

4.5 Afdichtingen ... 39

(9)

Literatuurlijst ... 41

L1 Boeken ... 41

L2 Websites ... 41

Logboek ... 42

Bijlage 1: Inspectierapport fa Stork ... 43

Bijlage 2: Magseal ... 57

Bijlage 3: Heavy Duty Seal ... 59

Bijlage 4: MagTecta ... 74

Bijlage 5: Offerte fa. Stork ... 82

Bijlage 6: Stroom/ koppel curve ... 85

Bijlage 7: Tandwielen ... 86

Bijlage 8: Gesimplificeerde stuklijst ... 90

Bijlage 9: SKF Tabellen ... 91

Bijlage 10: Roeloff/Matek Tabellen ... 95

(10)

(11)

6 Samenvatting | Avans Hogeschool Breda

Samenvatting

Dit verslag is de kern van de afstudeeropdracht van Randy Heijstek.

De student is werkzaam bij Shell Nederland Chemie B.V. (SNC) en heeft hier een afstudeerproject kunnen krijgen. De opdracht van SNC houdt in: “Creëer een ontwerp/idee om de huidige situatie in de afvalwaterverwerkingsunit (U5000) dusdanig aan te passen dat de lekkages aan de as afdichtingen van de tandwielkasten van de scraped surface heat exchangers (SSHE’s) verholpen worden. Houd hierbij rekening dat het kostentechnisch aantrekkelijk moet zijn.” Hier is, om de afstudeer opdracht aantrekkelijk te maken, een herontwerp van de tandwielkast bijgekomen.

Na uitvoerig onderzoek is een adviesrapport (hoofdstuk 3) opgemaakt waarin verscheidene meningen welke al bestonden over een mogelijke oorzaak onwaar worden gemaakt. Ook wordt duidelijk in een kort en bondig verslag wat de oorzaak van de problemen wel is en wat hier aan kan worden gedaan.

Er wordt een drietal aan oplossingen kort besproken waarna een aanbeveling wordt gedaan om een MagTecta afdichting te implementeren. Hierbij wordt een kosten beraming opgesteld welke laat zien dat de huidige kosten tegenover de kosten van een nieuw te implementeren oplossing behoorlijk besparend is.

In hoofdstuk 4 wordt een herontwerp van de tandwielkast gerealiseerd. Hierbij worden uitwisselbare onderdelen berekend op kracht en spanning en wordt de conclusie getrokken dat alle onderdelen ruim voldoen aan de toelaatbare waarden. Ook wordt uitgelegd waarom er voor bepaalde onderdelen gekozen is. Dit herontwerp zal dienen als naslagwerk binnen de afdeling MSPO.

(12)

(13)

7 Inleiding | Avans Hogeschool Breda

Inleiding

De opdracht van Shell Nederland Chemie (SNC), Moerdijk, zoals deze is voorgelegd aan de student, houdt in: Creëer een ontwerp/idee om de huidige situatie in de afvalwaterverwerkingsunit (U5000) dusdanig aan te passen dat de lekkages aan de as afdichtingen van de tandwielkasten van de scraped surface heat exchangers (SSHE’s) verholpen worden. Houd hierbij rekening dat het kostentechnisch aantrekkelijk moet zijn.

Om de opdracht aantrekkelijk te maken als afstudeerproject, zal de tandwielkast zal worden doorgerekend met behulp van werktuigbouwkundige berekeningen om de huidige situatie uit te leggen.

Voor Shell Nederland Chemie B.V. (SNC) Moerdijk, afdeling MSPO2 in het bijzonder is dit een welkome ontwikkeling, daar de huidige informatievoorziening over de betreffende tandwielkasten in de

afvalwaterverwerkingsunit nihil is. De berekeningen en daarbij vooral de uitkomsten van het onderzoek zullen daarom ook worden gebruikt als naslagwerk op de site om in de toekomst meer informatie voor handen te hebben. Wanneer er een reëel beeld is ontstaan van de inwendige werkingen van de tandwielkast zou de mogelijkheid kunnen bestaan dat hierin ook een reden wordt gevonden voor de huidige problemen. Dit zal moeten blijken in de loop van het project.

Vervolgens wordt er een advies uitgebracht om de huidige situatie aan te passen op basis van te maken kosten tegenover kosten van continue terugkerende problemen. Dit zou een aanpassing kunnen betekenen aan de tandwielkast, denk hierbij aan een inwendige aanpassing, of een uitwendige aanpassing door middel van een extern systeem wat nodig is om de problemen aan te pakken.

Er zal een adviesrapport ontstaan waarin een meervoud van geschikte situaties worden voorgelegd tegen de huidige problemen op de MSPO-2 fabriek omtrent de tandwielkasten in de U5000, aan de organisatie wordt een aanbeveling gedaan uit de mogelijke opties gebaseerd op de gegeven voor- en nadelen en de daaraan gebonden kosten en/of besparingen.

In het rapport wordt dus ook een kostenraming gerealiseerd van de gemaakte kosten in geval van reparatie en onderhoud. Dit plaatje zal moeten worden afgewogen tegen de kosten van een nieuw te implementeren systeem. Concluderend kunnen de volgende (sub)doelen worden vastgesteld:

- Adviesrapport met

- Toepassing(en) om huidige situatie aan te passen - kosten/baten afweging

- Methodisch (her)ontwerp van de huidige situatie met berekeningen op uitwisselbare onderdelen - onderzoek laten documenteren als naslagwerk

(14)

(15)

8 1. Situatie beschrijving | Avans Hogeschool Breda

1. Situatie beschrijving

Figuur 1.1 Shell logo

1.1 Bedrijfskarakteristiek SNC

Shell Nederland Chemie (SNC), Moerdijk fabriceert basischemicaliën die hun oorsprong vinden in aardolie. Door destillatie van aardolie ontstaan

onder meer nafta en gasolie. Samen met LPG vormen zij de belangrijkste grondstoffen voor de fabrieken van SNC.

1.2 MSPO fabriek

MSPO is de afkorting voor Moerdijk Styreen (SM) en Propeen-Oxide (PO),de MSPO plant bestaat uit 2 fabrieken:

- MSPO-1, gestart in 1979 en volledig Shell eigendom.

- MSPO-2, gestart in 1999 als joint venture van Shell en BASF, nu genaamd Ellba.

De jaarlijkse produktiecapaciteit van MSPO-1 bedraagt 218 kton PO en 470 kton SM. Van MSPO-2 is de jaarlijkse productie-capaciteit voor PO 280 kton en voor Styreen 640 kton. De grondstoffen voor het proces zijn

ethylbenzeen (EB), zuurstof uit de lucht, waterstof en propeen. De EB wordt binnen het MSPO complex gemaakt in een aparte unit uit benzeen en etheen. Zowel etheen als propeen en waterstof worden betrokken van de MLO-fabriek (Moerdijk Lower Olefins), terwijl benzeen wordt geïmporteerd.

1.3 U5000

In de MSPO-2 fabriek bevindt zich afvalwater verwerkingsunit U5000.

Tijdens het SM/PO (Styreen Monomeer/ Propeen Oxide) proces ontstaat, naast de gewenste producten, ook een grote hoeveelheid water, namelijk 280 kiloton (kTon) per jaar. Het gevormde en gebruikte water is zodanig vervuild met verschillende koolwaterstoffen en zouten dat het dient te worden gezuiverd.

Veel van de componenten in deze waterige afvalstroom zijn schadelijk voor standaard biologische afvalwaterzuiveringssystemen en daarom is gekozen voor verbranding als oplossing.

De lage concentratie van vervuiling maakt de verbranding echter niet efficiënt en erg kostbaar. Om deze reden wordt bij de MSPO-2 fabriek gebruik gemaakt van een vriesconcentratieproces waarmee de waterige stroom wordt geconcentreerd waarna het concentraat verder kan worden verwerkt.

Binnen de fabriek staat dit systeem bekend als de Niro installatie of unit 5000 (U5000).

1.4 SSHE’s

In deze Unit 5000 bevinden zich 18 stuks SSHE’s (Scraped Surface Heat Exchangers).

In de SSHE’S word ijs gemaakt. Dit gebeurt door het water af te koelen door middel van verdampen van vloeibare ammoniak.

Elke Scraped Surface Heat Exchanger heeft een koelend oppervlak van 12 vierkante meter. De Product Circulatie Pomp (PCP) zorgt voor een watercirculatie van 40 ton per uur over de SSHE. Het water dat door de SSHE stroomt zal aan de wand bevriezen, deze ijslaag wordt direct van de wand afgeschraapt door de messen op de inwendige trommel.

De messen staan in een bepaalde hoek ten opzichte van de wand en zijn constant in beweging. Elke SSHE bevat 10 rijen van 5 messen en de messentrommel heeft een toerental van zo’n 114 rpm. De ijsproductie (slurry van ijs/water 1:3) van 1 SSHE is ongeveer 4 ton per uur bij een maximale koeling. De in totaal 18 opgestelde SSHE’s produceren ca. 34 t/u schoon water.

(16)

(17)

9 2 Probleemstelling | Avans Hogeschool Breda

2 Probleemstelling

2.1 Tandwielkasten

In het voorgaande hoofdstuk wordt geschreven over de scraped surface heat exchangers (SSHE’s). De assen in deze SSHE’s worden aangedreven door elektromotoren welke zijn verbonden aan de assen d.m.v. tandwielkasten. Er zijn 18 stuks (en 1 spare) tandwielkasten welke geregeld last hebben van olielekkages langs de asafdichtingen. De lekkages zorgen voor:

- Schade aan de tandwielkasten

- Schade aan de elektromotoren welke eronder zijn bevestigd

- Productieverlies wanneer meer dan één tandwielkast tegelijkertijd voor onderhoud moet worden aangeboden

- Kosten (onderhoud/productie)

- Health, Safety, Environment (HSE) bedreigingen

U5000 is ontworpen door een externe firma waardoor er weinig documentatie is van de systemen in deze unit. In dit hoofdstuk zal de tandwielkast worden doorgerekend op sterkte van de tandwielen, de keuzen voor lagers worden bevestigd door middel van levensduurberekeningen en er wordt duidelijk gemaakt van welke soorten afdichtingen er gebruik wordt gemaakt.

Dit hoofdstuk zal dienen als naslagwerk voor intern gebruik bij Shell Nederland Chemie B.V. afdeling MSPO2. Tevens is de hoop dat dit werk zal leiden tot het (her)oppakken/ontwerpen van meerdere delen van U5000, daar er door de geringe mate van informatie beschikbaarheid moeite ontstaat bij het oplossen van verscheidene problemen.

2.2 Opdracht

De opdracht van Shell Nederland Chemie, Moerdijk afdeling MSPO-2 houdt in:

Creëer een ontwerp/idee om de huidige situatie dusdanig aan te passen dat de lekkages aan de as afdichtingen van de tandwielkasten verholpen worden. Houd hierbij rekening dat het kostentechnisch aantrekkelijk moet zijn. 2.2.1 Inhoud van de opdracht

Er wordt een advies uitgebracht om de huidige situatie aan te passen op basis van te maken kosten tegenover kosten van continue terugkerende problemen. Dit advies zal worden onderbouwd met bevindingen welke tijdens het onderzoek worden opgedaan.

De tandwielkast zal worden (her)ontworpen op basis van een vooronderzoek waaruit duidelijk wordt welke factoren van belang zijn voor de tandwielkasten. Hierbij wordt het krachtenspel bepaald, de spanningen berekend en worden de gemaakte keuzes voor onderdelen als lagers en tandwielen duidelijk gemaakt.

Omdat er weinig tot geen documentatie is binnen de afdeling over het onderdeel zal het onderzoek eveneens worden gebruikt als naslagwerk voor toekomstige projecten en zal de opgedane kennis worden vastgelegd in de bestaande systemen.

(18)

(19)

10 3. Adviesrapport | Avans Hogeschool Breda

3. Adviesrapport

3.1 Huidige situatie

3.1.1 Problematiek

Bekend is dat de tandwielkasten van de SSHE’s in U5000 smeerolie lekken langs de asafdichting aan de aangedreven zijde. Wanneer een dergelijke lekkage wordt geconstateerd, vaak door operationeel personeel, wordt hier melding van gemaakt d.m.v. een maintenance request via het SAP systeem (SAP notificatie).

Omdat operatie vaak (31 van de 36 gecontroleerde notificaties) de melding maakt onder het tagnummer van het SSHE unit-deel is het moeilijk te achterhalen welke gearbox voor welke notificatie wordt gerepareerd.

De tandwielkasten rouleren namelijk over alle 18 SSHE’s met een 19e gearbox als spare. Over het algemeen is de melding duidelijk en gaat het om een smeerolielekkage.

Wanneer er een SAP notificatie bestaat worden de tandwielkasten tijdens regulier onderhoud (messenwissel) aan het unit-deel gedemonteerd en vervangen voor de reserve tandwielkast. Het regulier onderhoud wordt op voorhand ingepland waarbij geen rekening wordt gehouden met de staat van de tandwielkasten. Ieder unit-deel (SSHE) heeft een standtijd van ongeveer één jaar voordat de messen worden gewisseld. Ervaring leert dat er per jaar 4 tot 5 tandwielkasten worden aangeboden aan de fa. Stork ter revisie doordat er een olielekkage is geconstateerd.

Tevens gebeurt het dat door de olielekkage naar buiten de onder hangende elektromotor wordt vervuild met smeerolie, hier wordt minder op in gegaan in dit rapport maar kosten hiervan zijn wel gerelateerd aan de olielekkage van de gearboxen.

3.1.2 Kosten

Wanneer een gearbox van het terrein af wordt gevoerd naar de fa. Stork gebeurt dit met de opdracht voor een overhaal van de tandwielkast. Een overhaal houd in dat “Stork Gears & Services” (S.G.&S.) de tandwielkast demonteert, schoonmaakt en inspecteerd.

Figuur 3.1 Stork logo

Reparatie werkzaamheden worden uitgevoerd, eventuele lagers en afdichtingen worden vernieuwd alsmede divers klein materiaal zoals pakkingen, bevestigingsmateriaal etc. Indien nodig worden lagerdeksels gevlakt, draagbeelden en flankspelingen worden gecontroleerd en de tandwielkast wordt weer gemonteerd, gevuld met olie en onbelast proefgedraaid gedurende 4 uur. Fa. S.G.&S. ontvet tevens de kast uitwendig en voorziet deze van een nieuwe verflaag. In een inspectie rapport van de firma (Bijlage 1) worden de kosten gespecificeerd. Deze kosten variëren per tandwielkast afhankelijk van de staat van de betreffende kast. Dit alles geeft een kostenpost welke varieert tussen de € 9.000,- en € 15.000,-

De werkzaamheden aan de vervuilde elektromotoren worden uitgevoerd door Fa. De Bruyn en zijn niet gespecificeerd, wel is bekend dat de kosten tussen de € 1.500,- en de € 2.000,- bedragen.

(20)

11 3. Adviesrapport | Avans Hogeschool Breda 3.1.3 Voorgaande aanpassingen

De tandwielkasten worden na het constateren van een olielekkage, tijdens regulier onderhoud aan de rest van het unit deel (SSHE), voor revisie naar de fa. Stork gestuurd. Men kwam er bij Stork al snel achter dat in de tijd dat de tandwielkast draait, de olie snel verouderd en de keerringen uitharden. Een mogelijke oorzaak hiervan zou warmteontwikkeling zijn.

Hier is destijds een “oplossing” voor verzonnen:

De rubber oliekeerringen zijn vervangen voor viton keerringen welke bestand zijn tegen hogere temperaturen en er is een peilglas op de gearboxen gemonteerd om het olieniveau en de kleur te kunnen monitoren.

Dit is echter geen bronbestrijding maar symptoombestrijding en dus geen oplossing voor het huidige probleem.

Figuur 3.3 Rubber keerring

Figuur 3.4 Viton keerring

3.1.4 Meningen

Voordat het onderzoek naar de problemen met de tandwielkasten begon waren er een aantal meningen op de locatie ontstaan over de toedracht van de problematiek. Verschillende vakdiensten kijken op verschillende manieren naar een probleem; zo ziet de afdeling productie de machines alleen van buiten en tijdens bedrijf, terwijl de afdeling rotating equipment meer interesse heeft voor de inwendige mechanismen.

Een van de meningen welke op de productie afdeling was ontstaan is dat de gearboxen tijdens bedrijf, vooral tijdens starten, te grote radiale klappen op moeten vangen waardoor de afdichtingen zouden kunnen falen. Hoewel na inspectie op locatie inderdaad bleek dat de gearboxen tijdens bedrijf wat kunnen “slingeren” en tijdens starten behoorlijk “schommelen” is dit geen reden voor de olielekkage gebleken. De tandwielkasten zijn ter hoogte van de afdichting bevestigd met een conus aan de elektromotoren waardoor de radiale krachten hier geen

uitwerkingen hebben.

Figuur 3.5 Gedemonteerde tandwielkast met elektromotor in werkplaats.

Het slingeren gebeurt ter hoogte van de koppeling aan de SSHE, hier zijn dan ook trek- duwstangen bevestigd om deze klappen op te vangen. Bij de uitvoerende tak van de rotating equipment afdeling was één van de meningen dat de gearbox verticaal gepositioneerd is en deze is uitgevoerd voor horizontale positionering. Hier schuilt een waarheid in omdat een horizontale plaatsing van de tandwielkast voordelen met zich mee brengt die later in het onderzoek duidelijk zullen worden. De tandwielkast is echter door de fabrikant Brook Hansen uitgevoerd voor verticale positionering.

Een tweede mening welke was ontstaan was dat bij beweging van de assen/tandwielen warmte ontstaat. De smeerolie zal bij warmte in volume vergroten. Door deze volume vergroting ontstaat druk in de gearbox waar de afdichtingen niet op zijn ontworpen. Maar al snel bleek dat de kast door middel van een ontluchtingsgaatje atmosferisch staat.

(21)

3.2 Bevindingen

3.2.1 Verticale positionering

Figuur 3.6 Tagplaatje tandwielkast

Op de tagplaat van de tandwielkast is het typenummer (SFM92B) en het uitvoeringsnummer (V36) te vinden. In het handboek van de fabrikant (Bijlage 11) is te vinden dat het uitvoeringsnummer V36 aangeeft dat de kast bedoeld is voor verticale positionering.

De reden dat werd gedacht door verschillende vakdiensten dat de gearbox was uitgevoerd voor horizontale positionering is omdat het huis is voorzien van een voet. In het handboek is ook te zien dat alle SFM uitvoeringen zijn uitgevoerd met hetzelfde huis, hier kan de fabrikant zijn redenen voor hebben.

Dat de tandwielkast in eerste instantie bedoeld is voor verticale plaatsing is eveneens inwendig te zien. Boven het onderste lager bevindt zich een slinger- of flingerring (in de stuklijst van Bijlage 11 beschreven als oliescherm) welke is bedoeld om vuil en gruis wat ontstaat tijdens bedrijf naar de zijkanten af te slingeren zodat deze niet in contact komen met het onderste lager en de afdichtingen.

3.2.2 Inwendige temperatuur In hoofdstuk 3.1.3 wordt gesproken over

temperatuurontwikkelingen waardoor de keerringen welke het onderste lager opsluiten het begeven. Hoe hoog de interne temperaturen zijn tijdens bedrijf is niet te zeggen. De temperaturen welke uitwendig gemeten kunnen worden lopen op tot maximaal 90°C; het feit dat de viton keerringen het begeven laat echter zien dat de inwendige temperaturen dichter bij de 200°C liggen.

De temperatuur ontwikkelingen zijn mogelijk door de slechte verversing/koeling van smeerolie ter hoogte

van de afdichting boven het onderste lager(3). Figuur 3.7 Doorsnede tekening huidige situatie

Op de afbeelding is te zien dat de bovenste keerring (2) wordt opgesloten aan de smeerolie zijde door de slingerring (1) waardoor er geen goede verversing van smeerolie kan plaatsvinden.

3.2.3 Onderste afdichting

De afdichting onder het lager (4) kan vervallen, hier is destijds voor gekozen om de smeerolie langer binnen te houden na het falen van de bovenste keerring. Waar echter geen rekening mee is gehouden is dat de keerringen gesmeerd dienen te worden om hun afdichting te behouden. De keerring faalt waarschijnlijk al voordat het voor de eerste maal olie ziet door verbranding. Hierbij komt nog eens dat het wentellager (sealed and greased for life) vervuild wordt met smeerolie na het falen van de bovenste afdichting en dit pas wordt geconstateerd wanneer de onderste afdichting gaat lekken. Dit heeft tot nog toe voor het lager zelf geen directe gevolgen gehad welke geconstateerd kunnen worden, wel moet het lager met iedere revisie beurt worden gereinigd en opnieuw gesmeerd worden.

(22)

3.3 Mogelijke oplossingen

3.3.1 Magseal onder lager

Omdat, zoals in hoofdstuk 3.2.3 wordt besproken, het onderste lager geen gevolgen ondervind aan vervuiling met smeerolie; rees het idee om de bovenste afdichting te laten vervallen. Zo zou het vetgesmeerde lager kunnen worden gesmeerd met smeerolie en zou de onderste afdichting kunnen worden vervangen voor een afdichting met een hogere standtijd. (Bijlage 2) De slingerring zou er voor moeten zorgen dat het vuil/gruis welk ontstaat in de tandwielkast wordt afgevoerd naar de opvang geul in het deksel. Hierdoor zou er makkelijk onderhoud mogelijk zijn aan de afdichting door eigen personeel en hoeft de kast niet naar een externe firma in geval van lekkage. De vraag is alleen of de slingerring voldoende effect heeft, het is namelijk zeer onwenselijk dat er vuil bij het lager komt. Zowel de fa. Stork als de rotating equipment afdeling hebben hier hun twijfels over uit gesproken.

Figuur 3.8 Doorsnede tekening voor uitvoering 1 (Magseal) en uitvoering 2 (Heavy Duty seal)

3.3.2 Heavy duty seal

Een tweede mogelijkheid zou zijn om de bovenste van de twee afdichtingen uit te voeren met een heavy duty seal (Bijlage 3) deze afdichting is zeer bestand tegen vuil en heeft daarom geen slingerring meer nodig om vuil af te stoten waardoor de smeerolie beter circuleert en dus koelt. Het is echter wel nodig om bij deze oplossing de behuizing van de tandwielkast aan te passen. In bovenstaande tekening is de onderste afdichting nog aanwezig maar zoals is onderbouwd in hoofdstuk 3.2.3, kan ook bij deze oplossing de afdichting komen te vervallen.

(23)

14 3. Adviesrapport | Avans Hogeschool Breda 3.3.3 MagTecta Seal

De derde oplossing betreft de implementatie van een MagTecta seal van de firma AES (Bijlage 4). De MagTecta seal is evenals de Heavy Duty seal goed bestand tegen vuil en kan daarbij hogere temperaturen weerstaan als de keerringen welke voorheen zijn gebruikt. Een groot voordeel van deze seals is dat deze in standaard maten worden geleverd waardoor er geen aanpassing aan de tandwielkast zelf nodig is. Om het probleem van

warmteontwikkeling door slechte smering (deels) te verhelpen wordt bij deze implementatie de slingerring omgedraaid zodat de smeerolie een betere circulatie verkrijgt.

(24)

3.4 Advies en onderbouwing

3.4.1 Advies

Als advies aan de afdeling wordt de MagTecta oplossing aanbevolen (hoofdstuk 3.3.3). De Magseal oplossing (hoofdstuk 3.3.1) valt af omdat, ongeacht de bijkomende voordelen en mogelijkheden tot grotere kostenreductie, men zich bij de expertise van de Rotating Equipment afdeling alsmede de specialisten van fa. Stork moet

neerleggen. De kans op schade aan het lager wordt bij deze oplossing dusdanig hoog ingeschat dat de implementatie ervan wordt afgeraden. De MagTecta oplossing wint het van de Heavy Duty (hoofdstuk 3.3.2) oplossing door de lagere kosten van implementatie en de mogelijkheid om toekomstige aanpassingen te doen te behouden. Bij de Heavy Duty seal oplossing wordt de behuizing van de tandwielkast aangepast terwijl in geval van de MagTecta oplossing de kast weer in originele staat is terug te brengen, mocht dit gewenst zijn.

3.4.2 Werking

Figuur 3.10 Doorsnede MagTecta Seal Figuur 3.11 Driedementionale weergave MagTecta Seal

Figuur 3.10 geeft een goede weergave van de onderdelen van de MagTecta afdichting, zoals ook te vinden is in bijlage 4. Echter moet hier rekening worden gehouden dat het lager hier getekend is aan de af te dichten zijde. In het geval van de tandwielkasten zal het vetgesmeerde lager zich niet aan de oliezijde bevinden.

De afdichting wordt verzorgd door onderdelen 1(roterend) en 3 (stationair). Dit is een dubbele “Staal op staal” afdichting van Antimoon gebonden Carbon (3) en Tungsten Carbide (1). Omdat de afdichting in het seal plaats vindt zal er geen schade/loopgroef op de as ontstaan.

De slijtage aan de afdichting zelf is vele malen lager dan een lipseal door het gebruik van Tungsten Carbide welke de stijfheid van staal 3x overschrijdt en waarvan de hardheid wordt beschreven als superieur.

Onderdelen 7 en 8 geven deze afdichting de naam MagTecta. Deze Magneten (8) zijn in meervoud uitgevoerd en bevestigd in een bronzen ring (7). De magneten dienen ervoor om een uniforme mate van belasting te geven aan de afdichting door de Antimoon gebonden Carbide ringen (3) aan te trekken tegen de Tungsten ring (9).

(25)

16 3. Adviesrapport | Avans Hogeschool Breda 3.4.3 Werktemperatuur

De MagTecta seal werkt met een 4 of 5 tal (afhankelijk van de uitvoering) O-ringen welke uitgevoerd kunnen worden in verschillende materialen. In bijlage 4 is te vinden dat de temperatuur ontwikkeling van de afdichting tussen de 120°C en 140°C ligt bij een snelheid van 5-6 m/s (zie hoofdstuk 4 voor berekeningen, de as draait met +/-5,6 m/s). Omdat de temperatuurontwikkeling bij voorgaande Viton afdichting voornamelijk te verwijten is aan het contact (wrijving) met de as, gaan we in deze situatie uit dat de ontwikkeling van temperatuur minder zal zijn. Daarbij komt nog dat de slingerring (hoofdstuk 3.3.3) wordt omgedraaid om betere verversing/koeling van smeerolie te verkrijgen.

De O-ringen in de MagTecta afdichting worden eveneens in Viton uitgevoerd, dit is kosten technisch gezien vele malen aantrekkelijker dan bijvoorbeeld Kalrez welke een werktemperatuur heeft van maximaal 327°C. Deze werktemperatuur ligt weliswaar hoger, echter wordt niet verwacht dat met de implementatie van deze oplossing dusdanig hoge temperaturen worden gehaald, Viton zou dus moeten voldoen als materiaal voor de O-ringen. 3.4.4 Bijkomende voordelen

Een voordeel, zoals ook in hoofdstuk 3.4.1 wordt genoemd, is dat er geen aanpaasingen aan de kast zelf of de assen nodig zijn. Mocht de proef met de Magtecta afdichting niet bevallen, kan alles simpel weer in originele staat worden herstelt. De afdichting is API complient, wat inhoud dat het voldoet aan standaarden en dus makkelijk uit te wisselen is op de bestaande as/huis maten.

Er is geen sprake meer van inlopen van de afdichting op de as. In schaderapporten geleverd door fa. Stork bleek dit het enige schadepunt te zijn.

De MagTecta seal wordt door fa. AES geleverd, deze firma spreekt over een standtijd van de seal van zeker 2 jaar, misschien wel 3 of 4. Als deze standtijd in de praktijk ook wordt gehaald kunnen daar veel voordelen uit gehaald worden ten opzichte van de eigenlijke standtijd van lipseals (3 maanden).

Mocht MSPO, na succesvol invoeren van de oplossing, besluiten meer onderhoud zelf te gaan uitvoeren is de firma AES zeer bereid hierin te assisteren/begeleiden.

(26)

3.5 Kosten

3.5.1 Kosten van aanpassing

De MagTecta seal zal worden geïmplementeerd zoals is aangegeven in de tekening bij hoofdstuk 3.3.3. Er is bij fa. Stork een prijsopgaaf aangevraagd voor deze oplossing (Bijlage 5) en de kosten voor de modificatie aan de afdichting bedragen € 2.460,-. Hierbij komen de kosten voor het monteren en afstellen van de gearbox en het proefdraaien waarvan de kosten respectievelijk € 2.310,- en € 1.010,- bedragen.

Een totaal plaatje van de kosten voor implementatie van de MagTecta oplossing: - Modificatie afdichting ingaande as € 2.460,-

- Monteren en afstellen € 2.310,-

- Proefdraaien € 1.010,-

Totaal € 5.770,-

3.5.2 Besparing

Een simpele rekensom laat al snel zien dat met deze implementatie behalve het oplossen van het probleem ook behoorlijk wat onnodige kosten worden bespaard.

Met een minimum van € 10.500,- en een maximum van € 17.000,- van de huidige kosten (beschreven in hoofdstuk 3.1.2) per tandwielkast zal de besparing op de reparatie liggen tussen de € 4.730,- en de € 11.230,- per

tandwielkast. Hierbij is geen rekening gehouden met de interne arbeidskosten (internal labour).

Per jaar gaan er gemiddeld 4 tot 5 tandwielkasten voor overhaal van het terrein af wat inhoud dat de besparing op jaarbasis zal liggen tussen de € 18.920,- en de € 56.150,-

Wel moet rekening worden gehouden dat fa. Stork de tandwielkasten via de huidige gang van zaken regelmatig onder ogen krijgt. Hoewel er zelden schokkende zaken worden aangetroffen moet er wel een manier van monitoren blijven bestaan, hier zullen ongetwijfeld enige kosten mee gemoeid zijn.

In het volgende hoofdstuk zal nader worden ingegaan op de toekomst van het monitoren en inspecteren van de tandwielkasten. Vooralsnog kan worden gesteld dat de overhaal beurten bij de fa. Stork als overbodig kunnen worden beschouwd en de opdracht voor de firma in de toekomst specifieker omschreven moet worden.

(27)

3.6 Implementatie

3.6.1 Aanpassing door fa. Stork

Vooralsnog worden de gearboxen van de Niro installatie (U5000) aan de firma “Stork Gears & Services” aangeboden met de opdracht voor een complete overhaal. De inhoud van deze opdracht wordt omschreven in hoofdstuk 3.1.2. Uit verscheidene inspectierapporten van de firma (beschikbaar bij afdeling rotating equipment zie bijlage 1 voor voorbeeld) blijkt dat er weinig wordt aangetroffen wat betreft schade aan uitwisselbare onderdelen op de ondertussen bekende afdichtingen na. Zowel de lagers als de tandwielen laten weinig tot geen sporen van slijtage zien en lijken nog zeer lange tijd mee te kunnen.

De opdracht richting fa. Stork zal moeten inhouden: het aanpassen van de afdichting zoals beschreven in de offerte in bijlage 5. In het vervolg zal in het geval van een reparatie aan een afdichting de opdracht specifiek, “reparatie afdichting”, moeten zijn. Ook wanneer de afdeling niet zal kiezen voor de geadviseerde oplossing wordt aanbevolen om meer gerichte opdrachten te geven aan de firma om onnodige kosten te besparen.

Stork Gears en services biedt de mogelijkheid om, eventueel on-site, een inwendige inspectie uit te voeren. Dit houdt in dat onderdelen als lagers, tandwielen, assen en afdichtingen aan een inspectie kunnen worden onderworpen zonder dat de tandwielkast vervoerd hoeft te worden. De kosten hiervan worden door de sales engineer van fa. Stork geschat op € 1.200,- tot € 1.500,- . Om dit met enige interval te laten doen wordt

aanbevolen omdat de inspectie tijdens een overhaal komt te vervallen. De duur van de interval zal moeten worden bepaald op ervaring met de nieuwe afdichting. Vooralsnog wordt geadviseerd de eerst uitgevoerde gearbox na 12 maanden compleet te inspecteren.

3.6.2 Standtijd verkorten t.b.v. inspectie

Zoals in hoofdstuk 3.6.1 wordt aangegeven; wordt geadviseerd de eerste gearbox eenmalig na 12 maanden te inspecteren om een idee te krijgen van de standtijd voor de nieuwe afdichting. Firma AES (leverancier van de MagTecta afdichting) schat de standtijd in op zo’n 3 jaar en geeft referenties welke bekend zijn gemaakt bij de rotating equipment afdeling. De tijd van 12 maanden is in overleg met de reliability engineer vastgesteld op een reële waarde als standtijd welke gemakkelijk te halen moet zijn. Hierbij wordt geadviseerd om de 1e nieuw uitgevoerde gearbox te plaatsen in één van de secties 3, 4 of 5. Dit heeft operationeel gezien voordelen waar in dit rapport niet verder op zal worden ingegeaan.

Wanneer de gearbox van het terrein af gaat naar fa. Stork zal moeten worden aangegeven dat de afdichting terug naar AES of SNC gestuurd wordt en moet worden geïnspecteerd en beoordeeld door een Rotating Equipment engineer van SNC en een afgevaardigde van de firma AES om een standtijd in te schatten.

(28)

19 3. Adviesrapport | Avans Hogeschool Breda 3.6.3 Monitoren

Tijdens de standtijd van twaalf maanden zal er monitoring moeten worden uitgevoerd op verschillende gebieden, alle vormen van monitoring moeten worden geëvalueerd en worden gerapporteerd aan de reliability engineer en de Rotating Equipment afdeling:

Operatie zal één maal per etmaal langs de machine lopen, door middel van het intelatrac systeem kan de operator aangeven of er bijzonderheden (lekkages/geluid/trillingen/warmte) zijn. Deze frequentie kan na de eerste evaluatie van 1 maand worden verlaagd indien gewenst. Wanneer er bijzonderheden worden geconstateerd dient dit te worden teruggekoppeld aan zowel de reliability engineer als een rotating equipment engineer.

Na 6 maanden zal een eind evaluatie plaatsvinden met minstens de reliability engineer, een rotating equipment engineer en de Maintenance Coördinator om over de standtijd te beslissen, of meerdere gearboxen op een dergelijke manier worden uitgevoerd en hoe het preventief onderhoud verder moet worden ingevuld.

(29)

20 4 (her)Ontwerp tandwielkast | Avans Hogeschool Breda

4 (her)Ontwerp tandwielkast

4.1 Aandrijfcomponent

Omdat er over de tandwielkast zelf weinig tot niets bekend is, is er ervoor gekozen om de berekeningen uit te voeren vanaf de kant van het aandrijfcomponent, in dit geval een elektromotor.

Wanneer bekend is wat de elektromotor levert aan vermogen, kan ook het koppel op de as worden berekend. Dit koppel en vermogen dienen vanzelfsprekend als ingaande waarden voor de tandwielkast.

4.1.1 Gegevens Elektromotor

Over de elektromotor zijn een aantal dingen bekend, vanuit operatie en de technische afdelingen is de volgende informatie verzameld:

Type: AMGK-250-ME, 3-Fase

Normaal ampèrage: < 32A Max. ampèrage: 45 A Trip van Electro motor: 60 A

Spanning ( ): 380

Toerental ( ): 1436

Hoeksnelheid ( ): 1436 150,40

Power factor ( ): 0,87 (zie info fabrikant)

: 0,89 (rendement van

motoren on-site) 4.1.2 Elektromotor bij constant toerental

Met deze informatie kunnen een aantal dingen worden berekend.

Met behulp van de formule; (4.1)

wordt het elektrisch vermogen ( ) van de elektromotor berekend bij de verschillende stroomsterkten ( ) in ampère waaronder de motor opereert. Wanneer dit elektrisch vermogen bekend is, kan het mechanisch geleverde vermogen van een 3-fase motor en dus het opgenomen vermogen van de tandwielkast ( ) worden berekenen

met behulp van de volgende formule; (4.2)

Vervolgens kan met het (nu bekende) mechanisch vermogen het geleverde koppel en dus opgenomen koppel ( )

van de tandwielkast berekend worden met behulp van de formule:

(4.3)

Dit alles is overzichtelijk ingevuld in onderstaande tabel (T4-1).

Stroom ( ) El. Vermogen

Mech. Vermogen Koppel Normaal 30 11,4 15288.85 101,65 Grenswaarde 32 12,16 16308,10 108,43 Flush Grens 45 17,1 22933,27 152,48 Tripwaarde 60 22,8 30577,69 203,31 (T4-1)

4.1.3 Elektromotor bij starten

Voorgaande paragraaf behandeld de berekeningen van het vermogen en geleverde koppel van de elektromotor bij een constant toerental, dus tijdens normaal bedrijf van de scraped surface heat exchangers (SSHE’s).

Nu is het aardig om te weten wat er gebeurt tijdens starten van de elektromotor, daar de ervaring leert dat het koppel/vermogen hoger ligt tijdens start situaties.

(30)

Bekend over de elektromotor tijdens starten is dat de hoeksnelheid ( ) van 0 (stilstaand) naar 150,4 rad/s zal lopen. Tevens is via de fabrikant (Loher-Siemens) een stroom/koppel curve te verkrijgen van de betreffende elektromotor, te vinden in Bijlage 6. Van dit blad is tevens de “power factor” in voorgaande paragraaf gehaald. Nadat de motor zijn curve heeft doorlopen, zal deze uitkomen op zijn nominale stroomsterkte ( ). Deze waarde,

ook wel de kortsluitstroom is een waarde waarbij de elektromotor kort kan sluiten en boven deze waarde warmte kan ontwikkelen waar de omgeving misschien niet tegen bestand is.

In de grafiek is af te lezen dat ligt op ongeveer: .

Teruggerekend met behulp van formule (4.2) zal ongeveer zijn:

Wat er op wijst dat de Tripwaarde bij 60 Ampères goed is gekozen.

Wanneer de curve wordt gevolg tot kan men zien dat het toerental daar ongeveer 0,985 van het nominaal

(1480) is. wat redelijk overeenkomt met het gemeten toerental ( ) van

1436 .

Het koppel bij starten bedraagt ongeveer 2,5 maal nominaal ( ) en kan oplopen tijdens op toeren komen tot 2,85 maal nominaal ( ). Dit zal in acht moeten worden genomen bij het ontwerp van de tandwielkast.

4.2 Gegevens tandwielkast

Om tot een reële uitkomst van gegevens te kunnen komen moet alles in dit onderzoek worden meegenomen wat bekend is. Bij een teveel aan aannames worden de uitkomsten onrealistisch en niet toepasbaar op de

werkelijkheid.

4.2.1 Bekende gegevens

De betreffende tandwielkasten zijn van de fabrikant Brook Hansen, typenummer SFM 92 B: - S Geeft het Type tandwielkast van de fabrikant aan (S3).

- F Geeft aan dat het huis een voetbevestiging heeft.

- M Voorzien van flensverbinding (flange Mounted) aan de uitgaande as. - 9 Grootte van de tandwielkast, de fabrikant hanteert 9 verschillende grootten. - 2 Constructie index (mm of inch) in mm.

- B Geeft aan dat het om een twee-traps tandwielkast gaat.

Dit type wordt echter niet weergegeven in het bedrijfshandboek van de fabrikant (Bijlage 11) deze hanteert bij tandwielkasten van deze grootte (9) alleen imperiale maatvoering. SFM 92 B wordt dus SFM 93 B.

Overbrengingsverhouding ( ): 1: 12.78

Toerental motor ( ): 1436 rpm

Toerental rotor SSHE ( ): 112.31 rpm

Temperatuur tandwielkast tijdens bedrijf ( ): 80…90°C

(31)

22 4 (her)Ontwerp tandwielkast | Avans Hogeschool Breda 4.2.2 Vermogensberekening

Bekend van de tandwielkast zijn nu, mede dankzij de berekeningen in hoofdstuk 4.1, de in en uitgaande- of opgenomen en afgegeven toerentallen en dus ook de hoeksnelheden.

Toerental ( ): 1436

Hoeksnelheid ( ): 1436 150,40

Toerental ( ): 112.31 rpm

Hoeksnelheid ( ): 112.31 11.76

In Roeloff/Matek wordt beschreven hoe het rendement van een tandwielkast te berekenen is , zo wordt er onderscheid gemaakt tussen de volgende 3 soorten rendementen: Lagering = 0,99 per as met 2 (wentel)lagers, afdichting = 0,98 per afdichting, tandingrijpingen = 0,99 per tandingrijping.

Uit de gegeven gesimplificeerde stuklijst (Bijlage 7) valt op te maken dat we te maken hebben met 3 gelagerde assen, 3 asafdichtingen en 2 tandingrijpingen. Een simpele berekening geeft ons dan een redelijk beeld van het rendement van deze tandwielkast.

Echter wordt in Roeloff/Matek het volgende aangegeven: ”Bij cilindrische tandwielen met schuine tanden kunnen de rendementen circa 1 á 2% kleiner aangenomen worden ten opzichte van die van rechte tanden op grond van hogere wrijvingsverliezen in de lagers (axiale kracht!) en iets hogere tandwrijving door het ‘in elkaar schroeven van de tanden.” Met deze aanname zal het rendement dus uitkomen op 0,875.

Met deze gegevens en met behulp van de gegevens uit Tabel T4-1, hoofdstuk 4.1 kunnen het afgegeven vermogen ( ) en het afgegeven koppel ( ) worden berekend.

In onderstaande tabel (T4-2) worden de gegevens ingevuld, waarbij gebruik wordt gemaakt van de volgende formules: (4.4) (4.5) 15288.85 13377,74 1137,56 16308,10 14269,59 1213,40 22933,27 20066,61 1706,34 30577,69 26755,48 2275,13 (T4-2)

Concluderend zijn uit bovenstaande berekeningen de volgende waarden gekomen welke nuttig zijn voor het doorrekenen van de onderdelen van de tandwielkast.

Zie tabellen Overbrengverhouding ( ) 12.5 Rendement ( ) 0,895 Hoeksnelheid opgenomen ( ) 150,40 Vermogen opgenomen ( ) 15,28 … 30,58 T4-1 Koppel opgenomen ( ) 101,65 … 203,31 T4-1 Hoeksnelheid afgegeven ( ) 12,03 Vermogen afgegeven ( ) 13,37 … 26,76 T4-2 Koppel afgegeven ( ) 1137,56 … 2275,13 T4-2 (T4-3)

(32)

4.3 Tandwielen

De tandwielen en rondsel(as) zoals toegepast in het type SFM 92 B zijn cilindrische tandwielen met schuine evolvente vertanding waarvan het volgende, op verzoek, is doorgemeten door Fa. Stork.

1e_Trap ₂e_Trap

Rondsel Tandwiel Rondselas Tandwiel

Aantal tanden ( ): 27 68 13 66

Normaal modul ( ): 4 mm 5 mm

Tandhoek ( ): 20° 10°

Hoekrichting: Rechts Links Links Rechts

Normaal drukhoek ( ): 20° 20° Steekcirkelmiddelijn ( : 114.93 mm 289.46 mm 66.03 mm 335.09 mm Topcirkelmiddelijn ( ): Ø 128.3 mm Ø 304.8 mm Ø 82.2 mm Ø 352 mm Hartafstand ( ): 208 mm Tandbreedte ( ): 42 mm 38 mm 120 mm 90 mm (T4-4)

Onderstaand zal worden uitgelegd hoe men deze gegevens zou kunnen vergaren en wat de inhoudelijke betekenis van dergelijke gegevens is.

4.3.1 Basisvormen, tandhoek

De tanden zijn schroefvormig op de wielcilinder gewonden. Het flanklijnverloop in het rolvlak wordt door de tandhoek bepaald. De spoedhoek en de tandhoek zijn samen 90° (Figuur 2-1). Bij een combinatie van tandwielen tot een cilindrische overbrenging moeten de tanden van het ene wiel rechtsgangig, die van het tegenwiel linksgangig met dezelfde tandhoek uitgevoerd zijn. De begrippen rechts- en linksgangig zijn te vergelijken met de rechts- en linksgang van een schroefdraad. De tanden van het tandwiel in figuur 2-1a zijn in overeenstemming hiermee linksgangig.

De voordelen ten opzichte van recht vertande cilindrische tandwielen:

Figuur 4-1 Cilindrische tandwielen a) met enkelvoudige schuine vertanding b) met open pijlvertanding met spleet in het midden voor de gereedschapsuitloop c) met gesloten pijlvertanding

- Rustige loop, omdat ingrijpen en loslaten van de tanden geleidelijk plaats heeft, en er meer tanden tegelijkertijd in ingrijping zijn (grotere overlappingscoëfficiënt).

- Om bovenstaande reden zijn cilindrische tandwielen met schuine evolvente vertanding beter geschikt voor hogere toerentallen.

- De tanden zijn iets hoger belastbaar dan rechte tanden met dezelfde afmetingen en minder gevoelig voor tandvormfouten.

Nadelen: - Door de schuinte van de tanden ontstaan onder belasting axiale krachten, hetgeen extra belastingen voor de draagassen en lagers betekent.

- Om bovenstaande reden treden er hogere wrijvingsverliezen op en heeft de vertanding een iets lager rendement tot resultaat.

- Bij eenzelfde aantal tanden en eenzelfde normaalmodulus worden de wieldiameters en asafstanden bij toenemende tandhoek groter dan bij rechte cilinrische wielen.

(33)

24 4 (her)Ontwerp tandwielkast | Avans Hogeschool Breda 4.3.2 Vertandingsmaten

Bij schuine vertanding kan onderscheid worden gemaakt tussen de voor de ingrijpverhoudingen maatgevende doorsnede - , loodrecht op de wielas. En de voor de vervaardiging en het gereedschap maatgevende

normaaldoorsnede - , loodrecht op de flanklijn. Beide sluiten ze de tandhoek op de

steekcilinder in (Figuur 2-2). Het omtreksprofiel toont zuivere evolventes, het normaal profiel benaderd deze slechts. De grottheden worden in de

omtrekdoorsnede met de index , in de normaalsnede met de index aangeduid.

Voor de normaalsteek en de omtreksteek respectievelijk de

normaalmodulus en de omtrekmodulus geldt de volgende samenhang: (4.6)

Figuur 4-2 Samenhang van de

grootheden in de transversale doorsnede - en in de normaaldoorsnede - voor schuin vertande nulwielen

De tandkuilen met de kuilwijdten respectievelijk worden door vertandingsgereedschappen met voor dezelfde tandhoogteafmetingen als bij de rechte cilindrische tandwielen bewerkt, zodat de tanddikten respectievelijk bij nulwielen ontstaan. Er geldt ook en

; volgens DIN 780, tabel 21-1. Evenzo geldt voor de normaaldrukhoek en de

omtreksdrukhoek : (4.7)

Waarin de drukhoek is van het theoretisch heugelprofiel volgens NEN ISO 53 (DIN 867), zie figuur 2-3. De samenhang tussen op de steekcilinder en de basistandhoek op de basiscilinder (met de basiscirkel in de transversale doorsnede) is: of

of (4.8)

De omtrekbasissteek en de normaalbasissteek evenals de omtrekingrijpsteek en de

normaalingrijpsteek zijn: en

(4.9)

De steekcirkel-, basiscirkel-, topcirkel- en voetcirkeldiameters worden bepaald voor de transversale doorsnede van het tandwiel. Op grond hiervan blijkt, zoals bij recht vertande nulwielen, voor uitwendig vertande schuine

cilindrische wielen als nulwielen

de steekcirkeldiameter (4.10) De basiscirkeldiameter (4.11) De topcirkeldiameter voor (4.12) , en De voetcirkeldiameter voor (4.13)

Evenzo de nulafstand voor (4.14)

het tandwielpaar

De bedrijfsrolcirkeldiameter (4.15)

voor respectievelijk (4.16)

(34)

Figuur 4-3 Theoretisch heugelprofiel met tegen-profiel voor cilindrische wielen; gereedschapsprofiel met index 0

4.3.3 Profielverschuiving

Bij schuine vertanding is slechts zelden profielverschuiving ter voorkoming van ondersnijding noodzakelijk. Voor het gebruik, de begrippen, de berekening, enzovoort, geldt in principe hetzelfde als bij rechte vertanding.

1 Virtueel tandenaantal, grenstandaantal

Volgens figuur 2-5 verschijnt in de normaalsnede - door de pool de steekcirkel als een ellips met de krommingsstraal

en de assen en . Voor de volgende berekeningen wordt in uitgegaan van een fictief recht cilindrisch wiel met de

steekcirkeldiameter . Dit virtuele wiel heeft bij een aantal tanden van het schuine cilindrische wiel een virtueel tandenaantal van:

(4.17)

Voor het virtuele wiel wordt met , evenals bij rechte cilindrische wielen, het theoretische

grenstandaantal . Wordt gesteld, dan blijkt voor schuine

cilindrische wielen het praktische grenstandaantal te gelden:

(4.18)

en worden bij toenemende kleiner. Evenals het grenstandaantal ligt ook de spitgrens bij groter wordende

lager dan bij rechte cilindrische wielen. Voor blijkt het minimale aantal tanden te zijn, zie figuur 2-6.

3 Wiel- en overbrengingsafmetingen

De nominale afmetingen van de omtrekstanddikte en van de normaaltanddikte op de steekcirkel blijken uit:

(4.21)

(4.22) De nominale maat van de omtrekstanddikte op een willekeurige diameter kan berekend worden uit:

(4.23)

drukhoek uit

halve tanddiktehoek

2 Profielverschuivingsfactoren

De noodzakelijke profielverschuiving wordt:

(4.19) En de praktische-minimale profielverschuivingsfactor:

(4.20)

Figuur 4-4

a) overlappingslengte bij schuine vertanding b) ingrijpverhoudingen bij schuin vertande nultandwielen ( )

(35)

De nominale maat van de omtrekstanddikte op een willekeurige diameter volgt dan met uit

, met uit . Bij V-aandrijvingen wordt asafstand bij spelingvrije

ingrijping:

(4.24)

bedrijfsrolcirkeldiameters van de wielen, als gesteld wordt: en

steekcirkeldiameters volgens vergelijking (4.10)

omtreksdrukhoek volgens vergelijking (4.7)

roldrukhoek uit vergelijking (4.25)

nul-asafstand uit vergelijking (4.14)

Figuur 4-5Virtueel tandwiel als denkbeeldig recht cilindrisch tandwiel

Figuur 4-6Grenstandaantal en minimaal aantal tanden voor schuine cilindrische tandwielen

Figuur 4-7Meting van de tandwijdte en

met de meetcirkeldiameters en

Voor een bepaalde waarde wordt met behulp van de evolvente functie de roldrukhoek

bepaald uit: (4.25)

De voor het bereiken van een bepaalde asafstand noodzakelijke som van de profielverschuivingsfactoren komt voort uit:

(4.26)

De opdeling van in en vindt plaats via zoals bij rechte cilindrische wielen. Bij V-overbrengingen wordt het ingrijpquotiënt (in de tansversale doorsnede) en daarmee de doorgangsverhouding .

(4.27)

4.3.4 Controlematen voor de tanddikte

Rekening houdend met de onvermijdelijke vertandingsafwijkingen maakt men gebruik van indirecte

meetmethoden; met de op basis hiervan gemeten waarden laat de tanddikte zich controleren. Het is noodzakelijk dat de nominale maat met de afwijkingen in de tekeningen wordt aangegeven.

Bij cilindrische wielen, vooral voor werkplaatscontroles, wordt meestal de tandwijdte gemeten omdat deze meting eenvoudig en referentievrij is, wat wil zeggen dat deze niet aan de ashartlijn wordt gerelateerd. Volgens DIN 3960 c.q. NPR-ISO/TR 10064-2 is bij een uitwendig wiel de over enzovoort, tanden gemeten afstand van twee evenwijdige vlakken (bijvoorbeeld twee schotelvormige meetstukken op een micrometer of schroefmaat), die elk een rechter- en linkerflank in het evolvente deel van de tandflanken raken (Figuur 2-7). Omdat de steek- en profielafwijkingen bij een meting mee worden genomen, is op basis van meerdere metingen op verschillende plaatsen een gemiddelde waarde te vormen.

(36)

wordt door meerdere ingrijpsteken en door een tanddikte op de basiscirkeldiameter samengesteld. Bij schuinvertande cilindrische wielen wordt de tandwijdte over meerdere tanden in de normaalsnede (loodrecht op het tandverloop) gemeten. Er geldt , zodat door het invullen van de waarde en voor cilindrische wielen met de nominale maat voor de tandwijdte tot stand komt door:

(4.28) Voor het bereiken van de flankspeling wordt met de onderste respectievelijk bovenste tandwijdteafwijking

respectievelijk verminderd (op hele afronden). Het aantal tanden voor

de meting moet zo gekozen worden dat de meetvlakken de tandflanken in de buurt van de halve tandhoogte raken; dat wil zeggen in de buurt van de V-cirkeldiameter , zodat (op een geheel getal afgerond) geldt:

(4.29)

Afhankelijk van het virtuele tandenaantal (aantal tanden van het vervangende cilindrische wiel) en de profielverschuivingsfactor kan uit tabel 21-10 afgeleid worden. Met de nu verworven gegevens kunnen de tandwielen vorm krijgen, dit wordt weergegeven volgens DIN 3966 T1 norm. Zie Bijlage 7.

4.3.5 Krachtsverhoudingen

Met de vergaarde gegevens kunnen vervolgens krachtberekeningen worden gemaakt, omdat de grootte, de vertanding en daaruit ook de overbrengverhouding bekend zijn. Het Afgegeven vermogen op de eerste as is bekend vanuit hoofdstuk 4.2 en bedraagd maximaal 30,58 kW. Van ieder tandwiel kan een eigen rendement ( ) worden berekend, zie hiervoor eveneens hoofdstuk 4.2.

Met deze informatie kan per overbreng het koppel op de tandwielen worden berekend, zie onderstaande tabel (T4-5).

Rendement ( ) tot tandwiel

(zie hoofdstuk 4.2) 0.99²*0.98²-0.02 = 0.92 0.9 = 0.91 *0.98²-0.02 0.9 *0.98²-0.02 = 0.9 = 0.875 *0.98³-0.02 Maximaal Vermogen

( )

28131.47 27825.70 27519.92 26755.48

Overbrengverhouding 27/68 66/13

Hoeksnelheid ( ) 150.4 rad/s 59.72 rad/s 59.72 rad/s 11.76 rad/s

Koppel ( ) 145.65 465.94 460.81 2275.13

(T4-5)

De tandkracht wordt als enkele kracht in de pool loodrecht op de contactlijn in het midden van de

tandbreedte verondersteld.

Terwijl bij rechte vertanding loodrecht op de wielhartlijn staat, snijd deze bij schuine vertanding met de

tandhoek met de hoek van de wielhartlijn. wordt daarom in drie loodrecht op elkaar staande

componenten ontbonden (figuur 2-4a); omtrekskracht , radiale kracht , axiale kracht .

De nominale omtrekskracht in de tansversale doorsnede op de rolcilinder blijkt uit het nominale koppel voor de drijver wiel 1 respectievelijk de volger wiel 2 uit:

(37)

28 4 (her)Ontwerp tandwielkast | Avans Hogeschool Breda Figuur 4-8 a) Ruimtelijke voorstelling van de tandkrachten en de ontbonden ervan b) Krachten op de drijver 1 met de transversale doorsnede - en in de normaaldoorsnede -

Uit de normaaldoorsnede - (figuur 4-4b) volgt en met en wordt de radiale kracht: (4.31) En de axiale kracht (4.32)

Op de volger wiel 2 werken even grote respectievelijk rekening houdend met het rendement , overeenkomstig kleinere krachten.

Koppel ( ) 145.65 465.94 460.81 2275.13 Hartafstand (a) 0,208 m Tandenaantal (z) 27 68 13 66 Bedrijfsrolcirkeldiameter ( ) (4.15/4.16) 0.11823 m 0.29777 m 0.06846 m 0.34754 m Radius ( 0.057465 m 0.14473 m 0.033015 m 0.167545 m Omtrekskracht ( ) (4.30) 2463.84 N 3129.53 N 13462.17 N 13092.77 N Radiale kracht ( ) (4.31) 954.32 N 1212.16 N 4975.42 N 4838.89 N Axiale kracht ( ) (4.32) 896.76 N 1139.06 N 2373.74 N 2308.61 N (T4-6)

4.3.6 Factoren die de belasting beïnvloeden

Bedrijsfactor

Er moet rekening worden gehouden met de extra belastingen die kenmerkend zijn voor de aandrijfmotor en de aan te drijven machine waartussen de overbrenging geschakeld is. Deze belastingen kunnen als stoten,

draaimomentschommelingen en belastingspieken optreden. Indien mogelijk moeten de waarden via metingen en ervaringen aan de hand van soortgelijke installaties worden bepaald. De waarde voor bij een gelijkmatig aangedreven machine zonder licht stoten bedraagt 1..1,1.

Dynamische factor

Deze omvat de interne dynamische extra krachten, die onder belasting door vervorming van de tanden, het tandwiellichaam en alle andere krachtoverbrengende elementen van de overbrenging ontstaan, en die afwijkingen van de theoretische tandvorm veroorzaken. Voor het benedenkritische toerentalgebied kan de dynamische factor

rekenkundig bepaald worden uit: (4.33)

factoren volgens tabel 21-15

lijnbelasting per mm tandbreedte; voor < 100 N/mm moet volgens vergelijking

(4.30) worden ingevuld.

10 m/s met in m/s en 1

(38)

29 4 (her)Ontwerp tandwielkast | Avans Hogeschool Breda Belastingsconcentratiefactoren en

Voor de gemiddelde lijnbelasting (zie hiervoor de aanwijzing bij vergelijking (4.35)) is met zowel als uit tabel 21-18 bij benadering af te lezen.

rekening houdend met de volgende invloedsgrootheden.

de flanklijnafwijking door vervorming kan bij benadering bepaald worden volgens tabel 21-16a.

De fabricageafhankelijke flankafwijking is het verschil tussen de flanklijnen van een tandwielpaar dat in een

overbrenging zonder wezenlijke belasting in ingrijping is. Deze afwijking is afhankelijk van de vertandingskwaliteit en van de wielbreedte, alsmede van de geplande correctiemaatregelen (bijvoorbeeld leppen van de flanken), en is

te bepalen uit: (4.34)

Voor tandwielparen zonder aanpassingen

hoekafwijking van de flanklijn volgens tabel 21-16c

Met en wordt de effectieve flankafwijking voor het inlopen:

(4.35)

grotere waarde uit respectievelijk met

Deze som wordt verminderd met de inloopwaarde (tabel 21-17). zodat na het inlopen de effectieve

flanklijnafwijking bedraagt: (4.36)

De exponent voor het bepalen van de factor voor de tandvoet volgt uit:

(4.37)

Omtreksfactor (belastingsverdelingsfactoren)

Deze houdt rekening met de invloed van een ongelijkmatige krachtenverdeling op meerdere tegelijkertijd in ingrijping zijnde tandparen als gevolg van de effectieve vertandingsafwijkingen op de tandvoetbelasting ( )

respectievelijk de flankdruk ( ). Voor het ontwerp kunnen en uit tabel 21-19 afgelezen worden.

Totale belastingsinvloed

Voor de sterkteberekening volgt hiermee de belastingsinvloed voor de tandvoetsterkte

de contactsterkte (4.38)

Contactsterkte: 1e Trap 2e Trap

(4.38) 2,38 2,11 1,44 1,43

(T21-18) >1,2 >1,2 >1,2 >1,2

(T21-19) 1,27 1,255 1,38 1,4

(39)

Tandvoetsterkte: 1e Trap 2e Trap

(4.38) 6,35 5,03 2,29 2,26 1,1 1,1 1,1 1,1 (4.33) 3,3772 2,6989 1,1461 1,1132 (T21-15) 68,2 68,2 68,2 68,2 (T21-15) 0,0087 0,0087 0,0087 0,0087 2,2309 2,2309 0,2602 0,2602 8,89 m/s 8,89 m/s 2,04 m/s 2,04 m/s (T4-6) 0,11823 m 0,29777 m 0,06846 m 0,34754 m

23,9369 omw/s 9,5047 omw/s 9,5047 omw/s 1,8717 omw/s

2,519 2,519 5,077 5,077 (T21-19) met >1,4 >1,4 >1,4 >1,4 (T21-18) met 1,22 1,21 1,3 1,32 (T4-6) 2463,84 N 3129,53 N 13462,17 N 13092,77 N (T4-4) 42 mm 38 mm 120 mm 90 mm 240,8676 244,4978 188,5766 178,1373 6,6664 6,6664 7,5217 7,5217 (T21-17) met 26,6656 26,6656 30,0868 30,0868 66,664 66,664 75,217 75,217 (T-21-15) 9,63 9,63 9,63 9,63 (4.35) 33,332 33,332 37,6085 37,6085 8,643 m/s 8,643 m/s 1,971 m/s 1,971 m/s (T4-8)

4.3.7 Controle van de tandvoetsterkte

1 Optredende tandvoetspanning

De tandvoet loopt het meest gevaar als de langs de ingrijplijn werkende tandkracht op de tandkop onder de

krachtingrijpingshoek aangrijpt (Figuur 2-9), waarbij

aangenomen wordt dat één tand de totale kracht opneemt. Als berekeningsdoorsnede wordt het rechthoekige vlak met de afstand tussen de contactpunten van de 30°-tangent aan de voetafronding, de koorde en de tandbreedte als

basis genomen.

Wordt in de componenten en ontbonden, dan blijkt

dat drukspanningen en met de

werkafstand buigspanningen en bovendien

schuifspanningen veroorzaakt. Figuur 2-9 toont het verloop van de normaalspanningen en . Proeven hebben aangetoond dat het resultaat van de samenvoeging van de enkelvoudige spanningen tot een vergelijkspanning slechts onbeduidend verandert wanneer en verwaarloosd

worden. Figuur 4-9 Verloop van de normaalspanningen aan de

(40)

Daarmee wordt de berekening alleen met de zuivere buigspanning voldoende nauwkeurig uitgevoerd. Hierbij worden de verwaarloosde spanningen, de kerfwerking, de krachtenverdeling op meerdere tanden en bij schuine vertanding de langere contactlijn door de volgende correctiefactoren verdisconteerd:

- Vormfactor : volgens tabel 21-20a

- Kerffactor : volgens tabel 21-20b

- Ingrijpfactor : Met wordt de krachtaangrijping op de tandkop

omgerekend naar het maatgevende krachtaangrijppunt, waarbij geldt

. met

- Tandhoekfactor : volgens tabel 21-20c

Plaatselijke tandvoetspanning: (4.39)

Hiermee volgt, rekening houdend met de belastingsfactoren, de tandvoetspanning, telkens opgesplitst voor het rondsel en het wiel , uit:

(4.40)

1e Trap 2e Trap

(T21-20a) 2,47 2,17 2,94 1,94 (T21-20b) 1,75 1,72 1,65 1,90 (zie boven) 0,5 0,5 0,55 0,55 (T21-20c) 0,81 0,83 0,89 0,92 (T4-7) 6,35 5,03 2,29 2,26 (4.39) 25,67 N/mm2 31,89 M/mm2 53,28 N/mm2 54,27 N/mm2 (4.40) 163 N/mm2 _{160,4 N/mm}2 _{122 N/mm}2 _{122,7 N/mm}2 (T4-9) 2 Toelaatbare tandvoetspanning

Bij de ten opzichte van het ideale proefwiel andere omstandigheden die zich voordoen bij de op enig moment te onderzoeken tandwielen, moet door overeenkomstige correctiefactoren rekening gehouden worden met:

- Vorm-kerffactor voor proefwielen : volgens NEN-ISO-6336-1 (DIN 3990 T1) wordt .

- Levensduurfactor : volgens tabel 21-21a

- Relatieve steunfactor : volgens tabel 21-21b

- Relatieve ruwheidsfactor volgens tabel 21-21c.

- Groottefactor : volgens tabel 21-21d.

Met de correctiefactoren volgt dus de toelaatbare tandvoetspanning uit:

(4.41)

of met bovenstaande vereenvoudigingen ( )

(4.42)

nominale tandvoet-vermoeiingssterkte tegen buiging van de proefwielen volgens tabel 20-1 en

tabel 20-2 (Bijlage 10).

(41)

1e Trap 2e Trap

2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 (T20-1) 250 N/mm2 250 N/mm2 250 N/mm2 250 N/mm2 1,6 1,6 1,6 1,6 (4.42) 312,5 N/mm2 312,5 N/mm2 312,5 N/mm2 312,5 N/mm2 (T4-10) Conclusie

Uit bovenstaande gegevens kan worden geconcludeerd dat de tandvoetspanning voor alle wielen bij maximale

belasting ruim onder de toelaatbare tandvoetspanning valt. 4.3.8 Controle van de contactsterkte

1 Optredende contact (flank) spanning

De berekening van de contactsterkte is gebaseerd op de contact (flank) spanning in de pool. Basis is de foor Herz ontwikkelde vergelijking van de spanning van twee op

elkaar rustende cilindrische rollen (figuur 2-10). _{Figuur 4-10}_{Spanning tussen twee cilinders}

Worden de rollen met kromtestralen en en de breedte door een normaalkracht belast, dan volgt de volgens Hertz in de drukzone optredende maximale spanning (contactspanning) uit:

(4.43)

Poisson-getal; voor staal, gietijzer, lichtmetaal wordt

de gereduceerde elasticiteitsmodulus uit

de gereduceerde krommingsstraal uit

Volgens figuur 2-11 geldt voor een willekeurige ingrijppositie van de rechtvertande cilindrische tandwielen met de bedrijfsrolcirkelstralen en de roldrukhoek

.

Hiermee en met de basiscirkelstralen worden respectievelijk

. Hiermee is:

Met de steekcirkelstraal is de rolcirkelstraal en , zodat:

.

Wordt deze waarde in vergelijking (4.43) ingevuld, dan volgt met de spanning voor een

willekeurige ingrijppositie :