ES2442451B2 - Procedimiento y dispositivo para prevenir el desgaste excesivo en engranajes - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para prevenir el desgaste excesivo en engranajes Download PDF

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Abstract

Procedimiento y dispositivo para prevenir el desgaste excesivo en engranajes, que contempla lubricar el punto de contacto entre ruedas (1) de un engranaje (2) inyectando lubricante en dicho punto a través de unas piezas (3) alojadas en los entalles (4) que determinan los espacios entre dientes (5), a través de un sistema de canales con abertura lateral previsto en dichas piezas (3). La anchura (a) y grosor (b) de las piezas (3) coincide, con la anchura del valle (4) el espacio existente entre la superficie de la cresta (7) del diente (5) que engrana y la del valle (4) en que se aloja. Las piezas (3), tienen perforaciones pasantes (8) conectadas a unas acanaladuras longitudinales (9) que en uno de los extremos confluyen en un entalle (10) abierto lateralmente. Para inyectar la lubricación utiliza el mismo sistema que lubrica el resto del engranaje.

Description

PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA PREVENIR EL DESGASTE EXCESIVO
EN ENGRANAJES
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La invención, tal como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para prevenir el desgaste excesivo en engranajes.
Más en particular, el objeto de la invención se centra en un procedimiento, y un dispositivo para llevarlo a cabo, que tiene como finalidad mejorar el comportamiento y prevenir el desgaste excesivo que se produce en los engranajes de máquinas sometidas a granes esfuerzos, estando particularmente pensado para ser aplicado en los engranajes de las turbinas de los aerogeneradores, estando dicho procedimiento basado en la aplicación de la tecnología microfluidica comprendiendo el desarrollo de un sistema de distribución de grasa a través de unas piezas de material blando (por ejemplo plímeros) que se incorporan en el punto de contacto entre los dientes y los entalles del engranaje.
CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
El campo de aplicación de la presente invención se enmarca dentro del sector de la industria dedicada a la fabricación turbinas para aerogeneradores, centrándose en el ámbito de los sistemas destinados a mejorar el desgaste de los engranajes.ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Para diseñar turbinas de viento más eficaces, la tendencia actual de los fabricantes es aumentar el diámetro del rotor de manera que éste pueda capturar más energía cinética del viento y así incrementar la potencia y generar más energía. De ese modo se logra rentabilizar más rápido la inversión. La carga en componentes y uniones aumenta debido al aumento de tamaño de todo el rotor, y en consecuencia aumentan las deformaciones presentes en todos los materiales que conforman las piezas de la turbina de viento. Las cargas estáticas presentes aumentan de forma importante haciendo aflorar un problema que no era patente en modelos de aerogeneradores previos de potencias menores.
La mayoría de sistemas que conforman el aerogenerador están ensamblados de manera estática, no así el tren de potencia que transmite par al sistema de orientación de la góndola (YAW) y al cambio de paso variable (Pitch).
Durante el proceso de operación dinámica de los aerogeneradores, los rodamientos del sistema de cambio de paso variable (Pitch) se encuentran sometidos a esfuerzos alternantes de tracción y compresión.
De forma similar, el sistema de orientación (Yaw) de la góndola se ve afectado por el mismo ciclo de esfuerzos, pero en este caso debido a diferentes velocidades de viento y a pequeños cambios sobre la dirección de éste.
En cada uno de estos ciclos se produce un micro movimiento en el engranaje que expulsa el lubricante e inicia la fricción entre las dos superficies en contacto de los dientes que están trabajando. El contacto entre el metal producido por la ausencia de lubricante induce un desgaste excesivo en el engranaje.
Estudios de fiabilidad como los realizados por Ribrant en el 2005 [10] muestran que el ratio de fallo de los aerogeneradores se debe en un 13,4% al sistema de pitch y en un 6.7% al sistema de Yaw. Es decir, que podríamos decir que aproximadamente un 20% de los fallos en aerogeneradores podrían estar relacionado con este desgaste excesivo y que esta tasa de fallo puede ir en aumento, si se mantiene el mismo sistema de lubricación y transmisión de potencia, y se incrementa la potencia de los aerogeneradores.
Un 20% de ratio de fallo es suficientemente importante como para motivar que la mayoría de fabricantes de aerogeneradores hayan comenzado a estudiar el desgaste excesivo del conjunto de dientes con mayor carga de trabajo, tanto en el sistema de orientación de la góndola como del sistema de cambio de paso variable que se producen en la región de fricción y su posible solución.
Kürzdörfer, M;2007 [8] de Baier & köppel fue la primera compañía en patentar un sistema para disminuir el desgaste del diente. En su web [11] se puede ver los diferentes sistemas que ha desarrollado con dicha finalidad. La primera invención que patentó estaba basada en un sistema de inyección puntual de lubricante por la parte superior del diente en la posición de desgaste.
Ejemplos siguientes los encontramos en patentes como las de Dimascio, P et al; 2009 [4] que propone sustituir la región dañada de la corona del rodamiento, con una pieza desmontable unida mediante pernos.
Mashue, A; 2011 [2] propone un sistema de marcas para medir el desgaste excesivo del diente y así poder predecir la reparación antes de producirse la falla.
Takadoum J; 2008 [5] publica los parámetros de las condiciones de servicio a optimizar para minimizar el desgaste en engranajes: superficie de trabajo, fuerzas que actúan, contacto mecánico y tribología del sistema.
Mashue, A; 2011 [1] patenta unas condiciones nuevas no utilizadas hasta el momento que consisten en cambiar la dureza de la corona del rodamiento haciéndola superior a la del piñón (concepto de diseño heredado de engranajes piñón sinfín) provocando así el desgaste al piñón que por sus dimensiones es más fácil de sustituir.
Klaus P; 2010 [3] propuso un cambio en la tribología del sistema, ya que añadía en la corona del rodamiento o del piñón unos agujeros que inyectan lubricante nuevo en el punto de contacto de los dientes.
Nielsen, T; 2008 [6] propuso un cambio que consistía en ensamblar dos piñones para transmitir el mismo par y así reducir la presión soportada por cada uno de ellos en la superficie de contacto.
En general todas la patentes anteriormente mencionadas pretenden mejorar el desgaste excesivo modificando los parámetros descritos por Takadoum J; 2008 [5]. Klaus P; 2010 [3] modifica el sistema de lubricación que implica mecanizados complejos, Nielsen, T; 2008 [6] modifica el contacto mecánico añadiendo nuevas piezas al sistema, Mashue, A; 2011 [1] modifica las condiciones de la superficie de trabajo teniendo que sustituir piezas por desgaste. En consecuencia se complica la producción obteniendo aplicaciones costosas y de difícil implantación en aerogeneradores en funcionamiento.
[1] Mashue A, Moorer B.G, Goodwin K, inventors; 2011 Jun. 16. Gear set for pitching blade of rotor of wind turbine utilized for providing electricity to utility grid, has pinion/drive gear comprising set of teeth whose hardness is less than harness of teeth of ring gear. United States patent US 2011142617-A1
[2] Mashue A, Pemrick J, inventors; 2011 Jun. 16. Wind turbine with gear indicating wear. United States patent US 2011138951-A1
[3] Klaus P, inventor; 2010 Apr 20. Actuator for adjusting a rotor blade pitch angle. United States patent US 7699584-B2.
[4] Dimascio P, Close R, Auer G, Grimley R, Hamel A, inventors; 2009 Aug. 29. Hub pitch gear repair method. Canada patent CA 2655691-A1.
[5] Takadoum, Jamal; 2008. Materials and Surface Engineering in Tribology. London: Wiley.
[6] Nielsen T, inventor; 2008 Jun. 26. A gear system for yaw drive or a pitch drive for a wind turbine.World Intellectual Property Organization WO 2008/074320-A1.
[8] Kürzdörfer, M inventor; 2007 Mar. 21. Anstellwinkeleinstellvorrichtung für eine Windkraftanlage. European Patent EP 1764544-A2.
[10]Ribrant, Johan; 2005-2006. Reliability performance and maintenance - A survey of failures in wind power systems. Master thesis. Sweden. KTH School of Electrical Engineering.
[11]Especificaciones de producto Baier & köppel, Disponible a: www.beka-lube.de, 2012-05-07.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
En la presente invención se presenta un nuevo sistema de lubricación del punto de contacto entre los dos engranajes que ofrece la posibilidad de lubricar exactamente la zona en contacto con un control de la cantidad de grasa necesaria, el cual, además, es compatible tanto para los nuevos diseños de aerogeneradores como para los que se hallan actualmente en funcionamiento.
De forma concreta, el procedimiento que la presente invención propone se basa en la aplicación de la tecnología microfluidica y por tanto la micro fabricación de un sistema de distribución de grasa que puede adaptarse en el dedendum del engranaje a lubricar.
Para ello se contempla, por una parte, la incorporación de una pieza de micro fabricación cuyas dimensiones serán acordes a la geometría del diseño del engranaje, de manera que para cada caso se diseñará la pieza para adaptarla al conjunto.
En cualquier caso dicha pieza consiste en una tira que se adapta al hueco del dedendum o pie del diente, contemplándose, lógicamente, la incorporación de una pieza de éstas en cada uno de los dedendum que determinan dos crestas o dientes en, al menos, los dientes que sufren un desgaste excesivo.
Las tiras de distribución de lubricante se fabrican preferentemente con materiales blandos (por ejemplo polímero) para evitar daños al engranaje en caso de un contacto accidental.
Estas tiras, además, están provistas, cada una de ellas, de una pluralidad de perforaciones que constituyen canales de distribución microfluidica del lubricante.
Si tomamos valores de diseño de modulo 12 y 15 dientes del piñón, valores similares a los usados en engranajes de Pitch y Yaw en los aerogeneradores, obtenemos que los valores de anchura y grosor de la pieza serán de 13.4mm y 3mm respectivamente, valores perfectamente fabricables mediante microtecnología.
Una vez montadas las tiras a un engranaje, la inyección de lubricante a través de las mismas se lleva a cabo integrándolas al propio sistema de lubricación automática disponible normalmente en los engranajes, especialmente en los del tipo a que se destina esencialmente la invención, es decir, de turbinas de aerogeneradores.
Un ejemplo de su integración a dicho sistema de lubricación es conectar la bomba de grasa a un distribuidor con los correspondientes tubos de retorno, de alimentación a los elementos rodantes del rodamiento, a la corona dentada y de alimentación a la tira para lubricar el punto de desgaste. Para controlar la acción de la lubricación de dicho punto, se dispone de la válvula de control que puede ser accionada mecánicamente por el propio motor o por el control del aerogenerador cuando este situado a la posición de trabajo.
Visto lo que antecede, se constata que el descrito procedimiento y dispositivo para prevenir el desgaste excesivo en engranajes representa una innovación de características desconocidas hasta ahora para tal fin, razones que unidas a su utilidad práctica, la dotan de fundamento suficiente para obtener el privilegio de exclusividad que se solicita.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando de la invención, y para ayudar a una mejor comprensión de las características que la distinguen, se acompaña la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, de un juego de planos, en los que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:
La figura número 1.- Muestra una vista en perspectiva de dos ruedas dentadas engranadas, a las que se ha incorporado el dispositivo objeto de la invención.
La figura número 2.- Muestra una vista en sección y en detalle del engrane entre el diente de una rueda con el entalle de la otra, apreciándose la configuración y disposición de la tira que conforma el dispositivo de la invención alojada en el dedendum de dicho entalle.
Las figuras número 3, 4 y 5.- Muestran sendas vistas de un ejemplo de realización de la tira que comprende el dispositivo de la invención, representada, respectivamente, en planta superior, planta inferior y alzado lateral.
La figura número 6.- Muestra un esquema del circuito de lubricación de un engranaje al que se ha incorporado el dispositivo de la invención.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de las mencionadas figuras, y de acuerdo con la numeración adoptada, se puede apreciar en ellas un ejemplo de realización preferida de la invención, la cual comprende las partes y elementos que se describen en detalle a continuación.
Así, el procedimiento preconizado contempla la lubricación del punto de contacto entre las dos ruedas (1) de un engranaje (2) mediante técnica microfluídica para lo cual, tal como se observa en la figura 1, se contempla en al menos una de dichas dos ruedas (1), la incorporación de una pieza (3) de microfabricación alojada en cada uno de los entalles (4) que determinan los espacios entre los dientes (5) de dicha rueda (1), siendo dicha pieza (3) una pieza de configuración plantar aproximadamente rectangular y que se adapta ajustadamente al dedendum (6) de cada uno de dichos entalles (4).
Es importante señalar que dicho ajuste de cada una de las piezas (3) en espacio del dedendum (6) de cada entalle (4) se consigue dimensionándola en cada caso para que la anchura
(a) de la misma coincida con la anchura del dedendum (6) en que se aloja, y para que el grosor (b) sea igual o inferior al espacio existente entre la superficie de la cresta (7) del diente (5) de la rueda que engrana y la superficie del dedendum (6) en que se aloja la pieza (3).
Cada una de dichas piezas (3), además, están dotadas de medios para canalizar lubricante en la zona en que se incorporan, preferentemente aunque no de forma limitativa, utilizando el propio sistema de lubricación del conjunto del engranaje (2).
Para ello, cada una de dichas piezas (3), como muestran las figuras 3 a 5, presentan una pluralidad de perforaciones pasantes (8) que atraviesan la pieza desde su superficie superior (3a) a la inferior (3b), estando, por dicha parte inferior, conectadas a unas acanaladuras longitudinales (9) que en uno de los extremos de la pieza (3) confluyen en un entalle
(10) abierto lateralmente, de tal forma que, en conjunto, constituyen un sistema de canales de distribución del lubricante el cual será inyectado en ellas a través de dicha abertura lateral que forma dicho entalle (10).
Así, dado que las dimensiones de los entalles del espacio del dedendum (6), son variables en función del módulo del engranaje y de la geometría del mismo, en cada caso se adaptará el diseño de la tira, tanto en dimensiones, anchura
(a) y grosor (b), como en el sistema de distribución de lubricante.
Atendiendo a la figura 6, se observa el esquema de funcionamiento del dispositivo que, una vez montadas las piezas (3), utiliza para su lubricación el mismo sistema que lubrica el resto del engranaje, y donde se aprecia la bomba de grasa (11) conectada a un distribuidor (12) con el correspondiente tubo de retorno (13), existiendo un primer tubo de alimentación (14) que alimenta de grasa a los elementos rodantes del rodamiento del engranaje (2), un segundo tubo de alimentación (15) que alimenta de grasa una de las ruedas (1), concretamente a la corona dentada, y un tercer tubo de alimentación (16) que es el que alimenta, a través de los entalles laterales (10) las piezas (3) del dispositivo preconizado lubricando exactamente el punto de desgaste. Además, para controlar la acción de la lubricación de dicho punto, en dicho tercer tubo de alimentación (16) se dispone de una válvula de control (17) que puede ser accionada mecánicamente por el propio motor (18) o por el control del aerogenerador cuando esté situado a la posición de trabajo.
Así, el dispositivo descrito puede aplicarse a cualquier tipo de máquina, pero ventajosamente, en aerogeneradores en el engranaje de cambio de paso (pitch) y en el engranaje de orientación (Yaw).
Permite realizar el aporte de lubricante 5 independiente a cada engranaje del sistema.
Se puede adaptar el ancho (a) y grosor (b) de las tiras a las características geométricas de un engranaje cualquiera para poder instalarlo y, además, la geometría y
10 posición de las perforaciones que constituyen el sistema de canales de distribución de lubricante de las tiras también son variables.
Descrita suficientemente la naturaleza de la presente
15 invención, así como la manera de ponerla en práctica, no se considera necesario hacer más extensa su explicación para que cualquier experto en la materia comprenda su alcance y las ventajas que de ella se derivan, haciéndose constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en
20 otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba siempre que no se altere, cambie o modifique su principio fundamental.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1.- PROCEDIMIENTO PARA PREVENIR EL DESGASTE EXCESIVO EN ENGRANAJES que, siendo del tipo que contempla la inyección de lubricante al punto de contacto entre las dos ruedas (1) de un engranaje (2), está caracterizado porque dicha inyección de lubricante en dicho punto se realiza a través de unas piezas (3) alojadas en, al menos, alguno de los entalles (4) que determinan los espacios entre dientes (5) de una de dichas ruedas (1), siendo dicho lubricante inyectado en dichas piezas (3) a través de un sistema de canales con abertura lateral previsto en ellas para tal fin.
  2. 2.- PROCEDIMIENTO PARA PREVENIR EL DESGASTE EXCESIVO EN ENGRANAJES, según la reivindicación 1, caracterizado porque la inyección se realiza utilizando el mismo sistema que lubrica el resto del engranaje, incorporando al mismo un tercer tubo de alimentación (16) que se suma a los ya previstos normalmente.
  3. 3.- PROCEDIMIENTO PARA PREVENIR EL DESGASTE EXCESIVO EN ENGRANAJES, según la reivindicación 2, caracterizado porque para controlar la acción de la lubricación de los puntos de contacto se dispone una válvula de control (17) en dicho tercer tubo de alimentación (16), que puede ser accionada mecánicamente por el propio motor
    (18) o por el control del aerogenerador.
  4. 4.- DISPOSITIVO PARA PREVENIR EL DESGASTE EXCESIVO EN ENGRANAJES, según el procedimiento descrito en cualquiera de las reivindicaciones 1-3 caracterizado porque comprende unas piezas (3) de configuración planar aproximadamente rectangular, que se adaptan ajustadamente al dedendum (6) de cada uno de los entalles (4) de la rueda (1) en que se incorporan; y
    porque dichas piezas (3) disponen de un sistema de canales de distribución de lubricante.
  5. 5.- DISPOSITIVO PARA PREVENIR EL DESGASTE EXCESIVO EN ENGRANAJES, según la reivindicación 4, caracterizado porque la anchura (a) y el grosor (b) de las piezas (3) es variable y se adapta en cada caso, respectivamente, a la anchura del dedendum (6) en que se aloja y con el espacio existente entre la superficie de la cresta (7) del diente (5) de la rueda que engrana y la superficie del dedendum (6) en que se aloja.
  6. 6.- DISPOSITIVO PARA PREVENIR EL DESGASTE EXCESIVO EN ENGRANAJES, según la reivindicación 4 ó 5, caracterizado porque el sistema de canales de distribución de lubricante es de número variable según la geometría del engranaje adaptado a la posición del dedendum del diente del engrane.
  7. 7.- DISPOSITIVO PARA PREVENIR EL DESGASTE EXCESIVO EN ENGRANAJES, según la reivindicación 6, caracterizado porque el sistema de canales de distribución de lubricante comprende una pluralidad de perforaciones pasantes (8) conectadas, por la parte inferior de la pieza, a unas acanaladuras longitudinales (9) que en uno de los extremos de la pieza (3) confluyen en un entalle
    (10) abierto lateralmente.
  8. 8.- DISPOSITIVO PARA PREVENIR EL DESGASTE EXCESIVO EN ENGRANAJES, según cualquiera de las reivindicaciones 4-7, caracterizado porque las piezas
    (3) son de material blando, preferentemente polímero.
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