Ingranaggi a vite senza fine per macchine agricole: guida alla durabilità sul campo

Il costo reale di un guasto agli ingranaggi durante la stagione della semina

Una trapiantatrice di riso con l'albero della vite senza fine bloccato durante la prima settimana della stagione di semina del riso non viene riparata rapidamente. Il centro di assistenza autorizzato più vicino potrebbe trovarsi a 80 km di distanza. Il pezzo di ricambio potrebbe dover essere ordinato da un distributore regionale, il che richiede dai 5 ai 10 giorni. La macchina rimane ferma sul campo. Nella provincia di Jeolla, il periodo ottimale per il trapianto della coltura principale è di circa 18 giorni. Un fermo macchina di 7 giorni all'interno di questo periodo può costare di più, in termini di perdita di raccolto e di manodopera impiegata, rispetto al valore dell'intero sistema di trasmissione della trapiantatrice.

Questo tipo di guasto — una frattura dell'albero a vite senza fine al primo contatto con una pietra sommersa durante la preparazione del riso — non è un evento di sovraccarico meccanico nel senso convenzionale. La coppia nominale dell'albero a vite senza fine indicata nella scheda tecnica non è stata superata. Ciò che si è rotto è stato un frattura fragile al confine tra involucro e nucleo di un albero C45 temprato a induzione, una modalità di rottura che si manifesta sotto carichi d'impatto anche quando la coppia a regime è entro i limiti di tolleranza. Comprendere questa distinzione — tra capacità di coppia sostenuta e resistenza alla frattura da impatto — è il punto di partenza per la specifica delle attrezzature agricole. trasmissioni a vite senza fine che effettivamente sopravvivono alle condizioni sul campo.

La Korea Ever-Power produce Riduttori a vite senza fine per impieghi gravosi per macchine agricole con materiali, trattamenti superficiali e specifiche del lubrificante scelti in base alle tre modalità di guasto sul campo che rappresentano la maggior parte delle sostituzioni di ingranaggi a vite senza fine nelle risaie e nelle regioni orticole della Corea e del Sud-est asiatico.

Tre modalità di guasto che rappresentano la maggior parte delle sostituzioni di ingranaggi a vite senza fine in agricoltura

◆ Modalità di rottura 1 — Frattura fragile al confine di indurimento a induzione

L'acciaio al carbonio medio C45 risponde bene alla tempra a induzione: la superficie raggiunge una durezza di 55-58 HRC, che garantisce una buona resistenza all'usura da scorrimento sulla filettatura della vite senza fine. Il problema risiede nella zona di transizione tra lo strato temprato e il nucleo non temprato. In questa zona, la microstruttura dell'acciaio passa da martensite dura a perlite/ferrite più morbida su una profondità compresa tra 0,5 e 1,5 mm. Sotto carico statico, questo confine non rappresenta un problema. Sotto carico d'urto – ad esempio, un dente di aratro che colpisce una pietra interrata, il meccanismo a dita di una trapiantatrice che incontra una zolla di terra – lo stato di sollecitazione alla base della filettatura include una componente di flessione che si concentra in corrispondenza di questo confine. La frattura fragile si innesca in quel punto e si propaga lungo la sezione della filettatura in pochi millisecondi. L'albero non si piega prima di rompersi. La superficie di frattura è granulare e lucida, caratteristica della rottura fragile, e non opaca e fibrosa come nel caso di sovraccarico duttile.

◆ Modalità di guasto 2: corrosione della memoria e blocco all'avvio

In Corea e nel Sud-est asiatico, le attrezzature agricole vengono utilizzate intensivamente per 1-3 mesi a stagione, per poi essere riposte – spesso all'aperto o in capannoni non riscaldati – per i restanti 9-11 mesi. Durante il periodo di inattività, due processi corrosivi attaccano simultaneamente gli alberi a vite senza fine non protetti. L'umidità atmosferica provoca una generale formazione di ruggine superficiale, visibile e talvolta evidente all'operatore. Ancora più dannosa è la corrosione interstiziale che si sviluppa nello stretto spazio tra i fianchi della filettatura dell'albero e i denti della ruota in bronzo, dove si accumulano l'umidità residua del terreno e la soluzione fertilizzante della stagione di coltivazione. Quando la macchina viene riavviata la stagione successiva, questa zona di corrosione interstiziale può causare un grippaggio adesivo al primo innesto, strappando materiale sia dalla filettatura dell'albero che dalla superficie del dente della ruota e lasciando una superficie ruvida e lacerata che accelera l'usura da quel momento in poi.

◆ Modalità di guasto 3 — Degradazione termica del grasso durante il funzionamento estivo

In Corea e nel Sud-est asiatico, durante il funzionamento estivo diurno, quando la temperatura ambiente raggiunge i 33-38 °C e l'alloggiamento è esposto alla luce solare diretta, una vite senza fine chiusa e sigillata con grasso minerale NLGI 2 raggiunge tipicamente temperature interne di 65-80 °C. La maggior parte dei grassi agricoli standard a base minerale ha un punto di gocciolamento di 170-185 °C, ma inizia a mostrare una riduzione della viscosità e una separazione dell'olio a temperature sostenute superiori a 75 °C. L'olio base trasuda dall'addensante e migra lontano dalla zona di contatto, lasciando l'addensante secco sulle superfici degli ingranaggi. La vite senza fine continua a girare sul film rimanente per un certo periodo, quindi mostra un'usura adesiva che inizia con una caratteristica sbavatura e lucidatura della superficie del dente della ruota in bronzo, per poi progredire fino al grippaggio.

Gamma di specifiche — Applicazione agricola

Impianto di produzione

La metallurgia alla base di alberi a vite senza fine e ruote resistenti sul campo

Risolvere il problema della frattura fragile richiede la comprensione di cosa effettivamente cambia quando si passa dalla tempra a induzione C45 alla tempra a cuore 40Cr. La tempra a induzione riscalda solo lo strato superficiale dell'albero, in genere fino a una profondità di 1,5-3,0 mm, e lo tempra in martensite a 55-58 HRC. Il nucleo rimane non temprato, morbido e relativamente tenace, ma la zona di transizione tra le due regioni crea una discontinuità metallurgica locale. Sotto carichi di flessione alla base della filettatura, si sviluppano concentrazioni di stress in corrispondenza di questo confine e la martensite ad alto tenore di carbonio presente nello strato superficiale, che è dura ma non duttile, non ridistribuisce lo stress mediante snervamento locale prima dell'inizio della frattura.

La tempra a cuore con 40Cr elimina questo limite. L'intera sezione trasversale dell'albero viene riscaldata e temprata per ottenere una durezza uniforme, quindi rinvenuta a 50-55 HRC in superficie con una durezza costante lungo tutta la sezione. Non vi è né nucleo morbido, né guscio duro, né discontinuità metallurgica tra di essi. Sotto lo stesso carico di flessione da impatto alla base della filettatura, il materiale temprato a cuore con 40Cr ridistribuisce le sollecitazioni mediante una deformazione plastica su piccola scala prima della frattura, assorbendo l'energia d'impatto che fratturerebbe un albero temprato a induzione in acciaio C45 nelle stesse condizioni. Il compromesso è una durezza superficiale di picco leggermente inferiore (50-55 HRC contro 55-58 HRC), che influisce leggermente sulla resistenza all'usura da scorrimento, ma è del tutto accettabile per le pressioni operative a contatto con i denti degli ingranaggi a vite senza fine in agricoltura.

Per la ruota elicoidale, la scelta tra bronzo alluminio-ferro (ZCuAl10Fe3) e bronzo stagno (ZCuSn10Pb1) implica un compromesso diretto tra resistenza e resistenza all'usura. Il bronzo stagno ha una resistenza alla trazione di circa 250-280 MPa e forma uno strato di trasferimento tribologico auto-rinnovante all'interfaccia di ingranamento che offre eccezionali proprietà antiusura e antigrippaggio in condizioni di scorrimento continuo. Il bronzo alluminio-ferro ha una resistenza alla trazione di 550-600 MPa, più del doppio, e una resistenza agli urti sostanzialmente migliore, ma un comportamento antigrippaggio leggermente inferiore in condizioni di scorrimento continuo ad alta velocità. Per le trasmissioni agricole, dove l'evento di carico determinante è un impulso d'urto dovuto a un ostacolo di pietra piuttosto che un funzionamento continuo ad alta velocità, il bronzo alluminio è la specifica corretta. Per applicazioni a servizio continuo come i riduttori per sistemi di irrigazione a pivot, è preferibile il bronzo stagno.

Un'avvertenza fondamentale sulla compatibilità dei lubrificanti: il bronzo alluminio-ferro è chimicamente sensibile agli additivi per oli ad alta pressione (EP) a base di composti di zolfo o cloro. Lo zolfo reagisce con il rame e l'alluminio presenti nella lega, formando prodotti di reazione corrosivi sulla superficie del dente che accelerano l'usura, a volte più rapidamente che in assenza di lubrificazione. Si consiglia di utilizzare olio minerale senza additivi EP, oppure grassi sintetici a base di PTFE e solfonato di calcio, tutti compatibili con entrambe le tipologie di bronzo.

Progettazione di un sistema di trasmissione a vite senza fine per il rimessaggio fuori stagione di 10 mesi.

La conservazione fuori stagione è un vincolo di progettazione specifico per l'agricoltura, che la letteratura sull'ingegneria degli ingranaggi a vite senza fine in ambito industriale affronta solo marginalmente. Un alloggiamento per ingranaggio a vite senza fine, se riposto in un fienile non riscaldato da novembre a marzo nella Corea centrale, subisce circa 120 cicli di gelo-disgelo. L'umidità intrappolata all'interno di un alloggiamento non adeguatamente sigillato si condensa sulla superficie dell'albero della vite senza fine ogni mattina, quando la temperatura aumenta, per poi evaporare parzialmente attraverso il tappo di sfiato. I minerali del terreno e i residui di fertilizzante presenti nella condensa si concentrano sulla superficie dell'albero nel corso dei cicli successivi. In primavera, la superficie dei denti di un albero a vite senza fine C45 non trattato può presentare uno strato di ruggine arancione visibile sui fianchi della filettatura e, ancor più gravemente, una sottile pellicola di prodotto di corrosione nella zona di contatto tra le ruote, che agisce come un fine abrasivo al primo avviamento.

Il trattamento con fosfato di zinco sull'albero a vite senza fine affronta questo meccanismo alla radice. Lo strato di fosfato di zinco è un rivestimento inorganico microporoso che trattiene il lubrificante sulla superficie dell'albero per capillarità, anche quando il grasso in massa migra dalla superficie dell'albero durante lunghi periodi di stoccaggio. Quando si verifica la condensazione e inizia a formarsi ruggine superficiale sul sottile strato di lubrificante, la ruggine si forma preferenzialmente sullo strato di ossido di fosfato di zinco piuttosto che sul substrato di acciaio. Ciò ritarda il momento in cui la corrosione del metallo di base raggiunge la zona di contatto dei denti, in genere di un tempo sufficiente a resistere a un periodo di stoccaggio di 10 mesi seguito da un innesto pulito al primo avvio.

Le specifiche di lubrificazione per la conservazione richiedono un olio base sintetico anziché minerale. I grassi a base di olio minerale mostrano una perdita di olio misurabile a temperature superiori a 60-70 °C, il che significa che durante il rimessaggio estivo (il tetto di un fienile può raggiungere una temperatura superficiale di 50 °C a luglio, con conseguenti temperature interne di 45-50 °C e ventilazione limitata), l'olio fuoriesce dall'addensante del grasso e migra verso il punto più basso dell'alloggiamento. Entro novembre, le superfici degli ingranaggi potrebbero non avere praticamente più alcun film lubrificante. Il grasso sintetico a base di PAO NLGI 2 al solfonato di calcio mantiene la resistenza alla separazione dell'olio fino a 80 °C e oltre, e il suo punto di scorrimento inferiore a -40 °C garantisce che non si indurisca al punto da impedire l'innesto degli ingranaggi alle temperature di avviamento invernali.

Riferimento per la sostituzione delle apparecchiature

I marchi citati di seguito sono riportati esclusivamente a scopo di confronto dimensionale e non implicano alcuna relazione di approvazione commerciale o ingegneristica. Tutti i marchi sono di proprietà dei rispettivi proprietari.

Referenze di progetti dei clienti

Specifiche agricole standard vs. specifiche per campi ad alta durabilità

Per le applicazioni agricole che richiedono un'unità di trasmissione completamente sigillata, sono disponibili coppie di ingranaggi a vite senza fine abbinati in alloggiamenti con grado di protezione IP65 e IP67, riempiti in fabbrica con il grasso sintetico specificato sopra. Compatto e chiuso riduttori a vite senza fine Per trapiantatrici, seminatrici e sistemi di irrigazione sono disponibili azionamenti per il montaggio diretto senza modifiche all'alloggiamento. Visita wormwheelgear.top per la gamma completa di componenti per ingranaggi a vite senza fine per applicazioni agricole.

Domande frequenti