MET OVERBRENGINGEN VALT GELD TE VERDIENEN
Wees de energieprijzen voor door optimalisering
Niemand kent de toekomst, maar van één ding kunnen we wel zeker zijn: dat de prijs van energie het komende decennium, en waarschijnlijk nog veel langer, zijn stijgende trend zal behouden. Dat betekent dat bij elke uitbreiding, reparatie of revisie van het machinepark, het rendement van de totale aandrijfketen - motor, regeling én transmissie - voorop moet staan. Veel aandacht gaat daarbij naar de vervanging van oude motoren en het plaatsen van (frequentie)regelaars, maar in de overbrenging treden er vaak verliezen van dezelfde orde op. Daarom bekijken we in dit artikel welke overbrengingen het beste rendement opleveren.MOTOREN: SNEL VERDIEND
Zoals bekend, is het inzetten van energiezuinige elektromotoren (IE3, IE4 of IE5) in Europa wettelijk geregeld: sinds 1 januari 2015 is minimaal IE3 verplicht. Omdat de Total Cost of Ownership (TCO) van een elektromotor voor 95 tot 99% uit energiekosten bestaat, zijn de terugverdientijden van de meerprijs voor een energiezuinige versie kort (vaak minder dan één tot vijf jaar). De situatie bij overbrengingen is echter minder helder. Standaardisatie is ver te zoeken en bij iedere individuele overbrenging is de efficiëntie sterk afhankelijk van de uitvoering, de smering, het onderhoud enz. Toch is er, zelfs met een aantal eenvoudige vuistregels, veel winst te behalen.OVERBRENGEN OF OMZETTEN
Vooreerst moeten we opmerken dat er een essentieel verschil is tussen een overbrenging
waar we in wat volgt, dieper op ingaan en een conversie.Een (mechanische) overbrenging heeft betrekking op het veranderen van de snelheid en het koppel van een roterende beweging, of op het veranderen van een roterende in bijvoorbeeld een heen en weer gaande beweging. Bij conversie, daarentegen, verandert het medium waarin de energie zich manifesteert. Conversie, zoals bij het omzetten van mechanische energie in (pers)luchtdruk of hydraulische druk, gaat meestal gepaard met forse verliezen (vaak meer dan 30%). Alleen bij omzettingen naar warmte, zoals bij warmtepompen, kan een rendement van 100% en meer worden gehaald.
DIRECT AAN DE BAK
Ook bij mechanische overbrengingen is er nog sprake van (wrijvings)verliezen. Een directe aandrijving zonder overbrenging is natuurlijk een logische manier om die te voorkomen. Ooit kwamen directdrive-elektromotoren vooral voor in hightech en ICT-omgevingen, waar de vermogens laag zijn, een zeer hoge nauwkeurigheid een absolute eis is en de hoge aanschafprijs (nog) geen grote rol speelde. Inmiddels beginnen deze aandrijvingen evenwel ook door te dringen in het 'gewone' industriële landschap. Terwijl conventionele elektromotoren hun maximale koppel pas bij hoge toerentallen bereiken (vaak 1.500 tot 3.000 tpm), waardoor een vertraging meestal onontbeerlijk is, kan een directdrivemotor al bij zeer lage snelheden een hoog koppel leveren. Ook lineaire motoren vallen onder de direct drives. Die produceren een heen en weer gaande beweging zonder reductor en kogelomloopspindel, tandheugel of tandriem, wat flink wat energie en onderhoud scheelt. Hoewel directdrivemotoren duurder en op zichzelf bezien vaak minder efficiënt zijn dan hr-motoren, vallen hun energiebalans en TCO soms gunstiger uit door het ontbreken van overbrengingen. Andere voordelen zijn minder geluid en slijtage, en de grote nauwkeurigheid bij het positioneren. Mechanische overbrengingen zoals kogelomloopspindels hebben een zekere mate van torsie en speling, wat in veel geautomatiseerde toepassingen ongewenst is.
TAND OF V
Bij riemoverbrengingen is er de keuze tussen tandriemen en V-snaren. In vrijwel alle opzichten zal die keuze ten gunste van de eerste optie uitvallen. Dit omdat V-snaren kunnen slippen; tandriemen niet. Bij een deellastbedrijf kan het rendement van V-snaren zelfs terugzakken tot onder de 80%. Bovendien slijten ze veel sneller, waardoor de omgeving vervuilt en er regelmatig onderhoud (bijspannen) en vervanging nodig zijn. Tandriemen hebben niet de schokdempende werking van V-snaren, maar zijn minstens 2 tot 5% efficiënter en genereren dan ook minder warmte. Ook kettingoverbrengingen zijn overigens slipvrij en efficiënter dan V-snaren, maar veroorzaken vaak ongewenste trillingen. Bovendien hebben ze een hoog eigen gewicht en zijn ze minder geschikt voor hoge toerentallen. Riemoverbrengingen moeten, net als alle andere mechanische overbrengingen, goed gedimensioneerd zijn. Te kleine uitvoeringen zijn natuurlijk funest, maar te zware riemen en tandwielen zorgen voor grotere verliezen en onnauwkeurigheid.
ZONDER AAN TE RAKEN
Een wrijvingsloze inductieoverbrenging kan worden gerealiseerd met behulp van contactloze magnetische koppelingen. Het over te brengen koppel wordt hierbij ingesteld door middel van de afstand tussen de twee onderdelen. Als de last groter wordt, zal de koppeling echter slippen. Er zijn ook uitvoeringen waarbij het koppel continu gevarieerd kan worden.Magnetische koppelingen zijn ideaal bij overbrengingen die door een (gas- of vloeistofdichte) huid heen moeten worden gemaakt. In tegenstelling tot keerringen of afdichtingen, die lekkages en extra wrijving met zich mee kunnen brengen, kan de huid tussen de delen van de koppeling ononderbroken doorlopen.WEG MET DE WORM
Bij tandwieloverbrengingen komen er grote verschillen tussen de verschillende types voor. Wormwielen, die worden gebruikt bij kruisende assen, hebben een rendement van niet meer dan 65 tot 85%, terwijl het rendement van een kegelwieloverbrenging (snijdende assen) meer dan 95% kan bedragen. Bij tandwielen met rechte vertanding (parallelle assen) is zelfs een rendement tot 99% mogelijk. Reductoren en versnellingen met rechte vertanding zijn, ook bij tandwielen van zeer hoge kwaliteit, echter lawaaierig en niet trillingsvrij. Een schuine vertanding zorgt voor een rustiger loop en minder geluid, al gaat dat wel ten koste van het rendement. Let bij tandwielkasten en versnellingen op de overbrengingsverhouding. Is die te groot (> 50:1, of 1:4), dan loont het de moeite de mogelijkheden van een direct drive te onderzoeken. Een groot aantal tandwieloverbrengingen vergroot overigens ook de traagheid van het systeem.
TOT SLOT
De belangrijkste conclusie die vooruitziende technici trekken, is dat de direct drive (roterend of lineair) in veel gevallen de oplossing vormt voor mechanische verliezen. Is het niet nu, dan wel in de nabije toekomst, als robotisering en de vierde automatiseringsgolf een grotere rol opeisen in de industrie. In de tussentijd kan er echter met slimme aanpassingen aan bestaande mechanische overbrengingen nog veel worden gewonnen (zie de checklist hieronder).
Een onlinetool waarmee de efficiency van een motor, regeling en overbrenging kan worden doorgerekend, is te vinden op www.motorsystems.org
