Ruido en el reductor de grúa puente: análisis de la excentricidad de los engranajes y soluciones.

El ruido del reductor de la grúa puente puede producirse durante el izaje y la manipulación de materiales en talleres, afectando al funcionamiento normal de la grúa. Este artículo analiza el ruido anómalo desde la perspectiva del error de excentricidad del par de engranajes. Basándose en los resultados del cálculo del ruido estructural a partir del análisis de simulación, también ofrece soluciones correspondientes como referencia para mejorar grúa aérea rendimiento operativo.

1. Análisis de la excitación de engranajes bajo error de excentricidad

La grúa puente analizada en este artículo es un modelo LD10 t-28,5 m, equipada con un motor asíncrono trifásico de 13 kW. El reductor utiliza una transmisión de engranajes helicoidales de cuatro etapas con ejes paralelos. Al considerar el error de excentricidad, el análisis parte de un único par de engranajes y la longitud de su línea de engranaje.

1.1 Modelo de par de engranajes

Al considerar la excentricidad de los engranajes, se toma como punto de partida la excentricidad de los engranajes motriz y conducido. Conociendo el número de dientes y la velocidad del engranaje motriz, se puede obtener la curva característica tiempo-frecuencia de la velocidad del engranaje conducido y compararla con el resultado obtenido bajo la suposición de ausencia de excentricidad. El modelo de par de engranajes excéntricos se muestra en la Figura 1.

O1 y O2 son los centros geométricos del par de engranajes bajo la suposición de no excentricidad. Después de las excentricidades E1 y E2 ocurren, los centros geométricos de los engranajes se convierten O11 y O22. Se puede observar que, independientemente del valor de excentricidad, la línea de mallado formada al conectar puntos tangentes T1(xT1, yT1) y T2(xT2, yT2) siempre tiene un punto de intersección dinámico M(xM, yM) con la línea que conecta los centros geométricos de los engranajes.

Considerando el desfase, la línea de engranaje del par de engranajes presenta características variables en el tiempo. Su ecuación se puede expresar como:

Cuando el origen de coordenadas se coloca en el punto O11, la coordenada transversal dinámica del punto METRO se puede expresar como:

La relación de transmisión instantánea del par de engranajes es:

En el cálculo real, el punto de intersección dinámico METRO Existe una relación determinada entre la línea de engranaje, el ángulo entre la dirección del movimiento y la velocidad instantánea de la línea de engranaje. Una vez determinados el rango de excentricidad y la velocidad angular de entrada, se pueden utilizar las fórmulas (1) a (3) para obtener la velocidad angular del engranaje accionado y calcular la excitación dinámica del par de engranajes bajo un error de excentricidad.

En la fabricación real, las excentricidades E1 y E2 pueden considerarse aproximadamente iguales. Con una excentricidad del par de engranajes helicoidales de 20 μm bajo el grado de precisión conocido, la curva característica tiempo-frecuencia calculada del engranaje accionado se muestra en la Figura 2.

Cuando no se considera ningún error de excentricidad, la velocidad angular del engranaje accionado se representa mediante la línea recta rosa en la Figura 2a. Cuando existe un error de excentricidad, la velocidad angular del engranaje accionado muestra fluctuaciones claras y regulares, concentradas en el rango de 40,5 a 41,5 rad/s. El resultado en el dominio de la frecuencia, tras la transformada de Fourier, refleja una frecuencia de rotación del eje de entrada de 25 Hz y una frecuencia de rotación de salida del engranaje accionado de 6,5 Hz. Esto indica que la fluctuación de excentricidad del par de engranajes de la etapa de entrada puede seguir transmitiéndose a través del sistema de engranajes y propagarse hacia el exterior de la caja de engranajes.

2. Cálculo numérico de la excitación de engranajes en el ruido del reductor de una grúa puente

2.1 Ecuación diferencial de vibración

La ecuación diferencial de vibración del sistema de engranajes en un reductor de grúa puente es una base importante para el estudio de sus características dinámicas. Al reducir el orden y calcular la fuerza de engranaje dinámica, se pueden simular numéricamente características de vibración como la intensidad de vibración y el ruido estructural. La ecuación diferencial de segundo orden requerida es:

La ecuación temporal de coordenadas dinámicas METRO se sustituye en θSe utiliza el principio de reducción de orden de Runge-Kutta para calcular la fuerza de engranaje dinámica del par de engranajes de alta velocidad. La figura 3 muestra los resultados del cálculo de la fuerza de engranaje para la etapa de entrada y la etapa de salida final.

2.2 Resultados del análisis de vibraciones

La figura 4 muestra la estructura del reductor. Se seleccionan las posiciones de los asientos de los cojinetes en los extremos de entrada y salida para el cálculo, y se obtienen las curvas características de vibración en el dominio de la frecuencia con un error de excentricidad de 20 μm.

Como se muestra en la Figura 5, al considerar el error de excentricidad, la frecuencia de rotación del eje de entrada de 25 Hz afecta a otros pares de engranajes en diferentes etapas, especialmente en la curva de desplazamiento. El cálculo del ruido basado en los resultados de vibración permite observar la influencia del error de excentricidad en el ruido anómalo del reductor.

3. Predicción del ruido radiado para puentes de ejes de bogie

3.1 Modelo acústico

Según las referencias citadas, la acústica pertenece al campo de la investigación de fluidos. Por lo tanto, la ecuación de onda acústica puede estudiarse a partir de la ecuación de continuidad de fluidos. En términos del estado del medio, se puede expresar como:

En la fórmula, ρ, v, pag, y s son la densidad, la velocidad, la presión sonora y la entropía del aire, mientras que F y q son fuentes de excitación externas del medio aéreo.

A partir de la respuesta vibratoria del reductor de la grúa puente, el resultado del cálculo de la aceleración se procesa mediante la transformada de Fourier y un procesamiento de un tercio de octava. El resultado del cálculo del ruido estructural del soporte del cojinete de la etapa de alta velocidad del reductor se muestra en la Figura 6.

Al considerar el error de excentricidad, el ruido estructural del reductor aumenta de forma más evidente en el rango de baja frecuencia de 0 a 100 Hz. Según la teoría acústica, una diferencia de 6 dB representa una diferencia de un instante en el nivel de energía. En la Figura 6, la diferencia de ruido en algunas bandas de frecuencia alcanza aproximadamente el triple, lo que demuestra que el error de excentricidad influye significativamente en la vibración de baja frecuencia del reductor. También se observan picos claros a 500 Hz y 1000 Hz, causados por la frecuencia de engranaje de la etapa de entrada.

3.2 Medidas para reducir el ruido anormal

La excentricidad de 20 μm utilizada en el cálculo se selecciona según el grado de precisión de la transmisión de engranajes. En la práctica, puede existir un error de excentricidad mayor que afecte significativamente la vibración del reductor y la reducción del ruido. Según el análisis y las conclusiones de este artículo, el ruido anormal puede reducirse desde los siguientes aspectos:

1. Mejorar la selección del grado de precisión de la transmisión de engranajes. Muchas grúas puente utilizan engranajes helicoidales de grado 8. Los reductores de grúa convencionales no consideran el acabado de precisión posterior, por lo que el error de excentricidad puede generar un mayor ruido radiado. Si se considera el temple y el rectificado de engranajes, el lapeado de la superficie de los dientes o un tratamiento similar en la etapa de acabado final, se puede lograr una precisión de grado 7 o grado 6. Esta puede ser una mejor opción para talleres con requisitos más estrictos de control de ruido.

2. Optimización del sistema de transmisión de engranajes. Desde la perspectiva del sistema de transmisión, deben considerarse restricciones como la resistencia a la fatiga por contacto de los engranajes cerrados, la relación de transmisión y el coeficiente de ancho de cara. Se puede utilizar un algoritmo genético para ajustar ligeramente el módulo del engranaje, el ancho del diente y el número de dientes del engranaje impulsor sin modificar significativamente estas restricciones, de modo que la frecuencia de transmisión de ruido del reductor se mantenga fuera del rango sensible al oído humano. El método específico requiere programas y pruebas correspondientes para verificar los parámetros óptimos del engranaje.

3. Optimizar la estructura de la carcasa del reductor. El objetivo principal de la optimización de la carcasa es mejorar su frecuencia natural. Las primeras diez frecuencias naturales de un sistema de transmisión de ejes paralelos multietapa suelen ser bajas, generalmente entre 50 y 500 Hz, y pueden superponerse fácilmente con la frecuencia de rotación del engranaje motriz y sus armónicos, provocando resonancia. En función de la estructura del reductor, se puede eliminar material de ciertas posiciones. Esto no solo ahorra costes de material, sino que también puede aumentar la frecuencia natural del reductor y reducir eficazmente el ruido anómalo causado por el error de excentricidad.

4. Conclusión

Este artículo toma como objeto de estudio una grúa puente y su reductor, y analiza la influencia del error de excentricidad del par de engranajes en el ruido anormal del reductor. Las conclusiones son las siguientes:

1. Al considerar el error de excentricidad, la velocidad angular del engranaje accionado presenta fluctuaciones regulares. El rango de fluctuación se concentra entre 40,5 y 41,5 rad/s. Esto refleja la frecuencia de rotación del eje de entrada de 25 Hz y la frecuencia de rotación de salida del engranaje accionado de 6,5 Hz, y continúa afectando la transmisión del par de engranajes subsiguiente.

2. En caso de error de excentricidad, el ruido estructural del reductor aumenta de forma más evidente en el rango de baja frecuencia de 0 a 100 Hz. La diferencia máxima alcanza los 15 dB, y el nivel de ruido se incrementa 2,5 veces, intensificando claramente el ruido anómalo de la caja de engranajes.

3. Se proponen varias soluciones, entre ellas mejorar el grado de precisión de la transmisión, optimizar los parámetros de los engranajes y aumentar la frecuencia natural estructural.

Cindy

WhatsApp: +86 191 3738 6654

Correo electrónico: cindywang@hndfcrane.com

Soy Cindy, tengo 10 años de experiencia laboral en la industria de las grúas y he acumulado una gran cantidad de conocimientos profesionales. He elegido grúas satisfactorias para más de 500 clientes. Si tiene alguna necesidad o pregunta sobre grúas, no dude en ponerse en contacto conmigo. ¡Usaré mi experiencia y mi experiencia práctica para ayudarlo a resolver el problema!