Caja de engranajes de la cosechadora de caña de azúcar: Transmisión para el procesamiento de cultivos pesados

Accionamiento de la base de corte: La mayor demanda de par en la caja de engranajes de la toma de fuerza

La cuchilla base es el primer y más violento punto de contacto entre la cosechadora y el cultivo en pie. Dos conjuntos de discos que giran en sentido contrario, cada uno con 3 a 5 cuchillas pesadas, giran a 400 a 800 RPM a nivel del suelo, cortando cada tallo de caña dentro del ancho de corte de la cosechadora (normalmente de 1 a 2 hileras, separadas entre 1,2 y 1,5 metros). Cada golpe de cuchilla corta un tallo que requiere de 500 a 2000 N de fuerza de corte, dependiendo del diámetro del tallo, la densidad de la fibra y el contenido de humedad; y una sola revolución del disco encuentra de 8 a 15 tallos con densidades típicas de caña. El par de corte acumulado, sumado a la inercia centrífuga de los conjuntos de cuchillas pesadas, crea una demanda de par sostenida que consume entre el 40 y el 60 por ciento de la energía total. caja de engranajes de la toma de fuerza producción durante la cosecha continua.

La caja de engranajes de la base de corte es una unidad de engranajes cónicos de ángulo recto que convierte la rotación horizontal de la toma de fuerza (PTO) en rotación vertical del disco en el plano del suelo. La relación suele ser de 1:1 para una PTO de 540 RPM (que produce una velocidad del disco de 540 RPM) o de 1:1 a 1:1,5 para una PTO de 1000 RPM (que produce de 500 a 700 RPM). A diferencia de las aplicaciones de alta velocidad, donde el desafío de la caja de engranajes es la gestión térmica a altas RPM, el desafío de la base de corte es el par puro: los dientes del engranaje deben transmitir toda la carga de corte más los picos de impacto de los golpes de roca sin agrietamiento por fatiga en la raíz del diente, y los cojinetes deben soportar la carga radial combinada del peso del disco y la fuerza de reacción de corte más el empuje axial del engranaje cónico espiral. Los engranajes cónicos espirales cementados con una dureza superficial de 58 a 62 HRC y una dureza del núcleo de 32 a 38 HRC proporcionan la combinación de resistencia al desgaste superficial y tenacidad del núcleo necesarias para este perfil de carga.

La disposición de doble disco contrarrotatorio requiere dos cajas de engranajes separadas (una por disco, cada una recibiendo la transmisión de la caja de engranajes principal mediante cadenas o engranajes) o una única caja de engranajes de doble salida con dos ejes verticales que giran en direcciones opuestas. La configuración de doble salida garantiza velocidades de disco coincidentes (fundamental para un corte limpio del tallo en la base sin tirones ni desgarros) y simplifica el sistema de transmisión de la cosechadora; sin embargo, la carcasa de la caja de engranajes debe ser sustancialmente más grande y rígida que una unidad de salida única para alojar los dos conjuntos de cojinetes de salida y los pares de reacción de ambos discos que actúan simultáneamente. Para una perspectiva más amplia sobre cómo se diseñan los sistemas de transmisión de cosechadoras multifuncionales para el procesamiento de cultivos pesados, consulte nuestra guía técnica sobre caja de engranajes de la cosechadora arquitectura de accionamiento.

Mecanismo de rodillo de alimentación y picadora: Requisitos de accionamiento secundario

Después de que las cuchillas de la base cortan los tallos, el flujo de cultivo entra en una secuencia de rodillos de alimentación que sujetan, orientan y transportan la caña a través del cuerpo de la cosechadora hasta el conjunto picador. Los rodillos de alimentación son cilindros de acero con un moleteado superficial agresivo o tacos soldados que sujetan los tallos fibrosos, a menudo fangosos, y los arrastran a través de la máquina a una velocidad controlada de 1,5 a 3 m/s. Cada par de rodillos contrarrotatorios requiere un caja de engranajes de la cosechadora de caña de azúcar Salida o despegue accionado por cadena a 200 a 400 RPM, una velocidad relativamente baja pero con un par motor muy alto, porque los rodillos deben sujetar y comprimir varios tallos densos simultáneamente contra una fricción y una contrapresión significativas del picador aguas abajo.

El conjunto de picado en una cosechadora de caña de azúcar corta el flujo continuo de tallos en trozos cortos (de 200 a 350 mm) que luego se elevan a un vehículo de transporte. Los tambores de picado —dos cilindros que giran en sentido contrario, cada uno con 3 a 6 cuchillas— funcionan a 500 a 800 RPM y generan la carga cíclica más severa en el sistema de transmisión de la cosechadora. Cada cuchilla corta de 6 a 12 diámetros de tallo de fibra densa por revolución, produciendo pulsos de torsión que alcanzan de 3 a 5 veces el par de torsión promedio en cada corte. La caja de engranajes del picador debe soportar esta carga pulsante continua sin desarrollar fatiga en los dientes de los engranajes, lo que limitaría su vida útil a una fracción de la temporada de cosecha de caña de azúcar de 4 a 6 meses.

La distribución de potencia entre estas funciones secundarias requiere un dimensionamiento preciso de la caja de engranajes. Una cosechadora de caña de azúcar accionada por la toma de fuerza (PTO) con una potencia total de 80 HP puede distribuir esa potencia aproximadamente de la siguiente manera: cortadores de base de 35 a 45 HP (40 a 55 por ciento), rodillos de alimentación de 15 a 20 HP (18 a 25 por ciento), picadora de 15 a 20 HP (18 a 25 por ciento) y elevador de 5 a 8 HP (6 a 10 por ciento). La caja de engranajes principal debe estar diseñada para soportar la suma de todas las cargas simultáneas más un margen del 25 al 30 por ciento para los picos de torque debidos a la alimentación repentina de tallos y los impactos con rocas que ocurren de forma impredecible durante cada hora de operación.

Entorno operativo tropical: calor, jugo y envoltura de fibra.

La caña de azúcar se cultiva exclusivamente en regiones tropicales y subtropicales, donde las temperaturas ambiente diurnas durante la temporada de cosecha oscilan entre los 28 y los 42 grados Celsius, considerablemente más altas que los 15 a 25 grados típicos durante la temporada de cosecha en las regiones templadas de cultivo de cereales. Esta elevada temperatura ambiente reduce el diferencial de temperatura disponible para la disipación del calor de la caja de cambios (la transferencia de calor es proporcional a la diferencia de temperatura entre la superficie de la carcasa y el aire circundante), lo que significa que una caja de cambios que funciona cómodamente a 80 grados en un clima templado puede alcanzar entre 100 y 110 grados en un campo de caña tropical, muy por encima del límite de funcionamiento seguro para el aceite mineral estándar para engranajes y acercándose al umbral de degradación térmica incluso para los lubricantes sintéticos.

El jugo de caña de azúcar es una solución corrosiva de ácido orgánico (pH 5.0 a 5.5) que se rocía desde cada tallo cortado y cubre toda la cosechadora, incluyendo la caja de engranajes de la toma de fuerza carcasa, sellos de eje y sujetadores externos: en una película pegajosa y ácida que atrae el polvo, promueve el crecimiento microbiano e inicia la corrosión en cualquier superficie desprotegida. El jugo también contiene azúcares disueltos que se caramelizan en las carcasas calientes de las cajas de engranajes (que operan a más de 70 a 100 grados), formando una costra dura y aislante que atrapa la humedad contra la superficie metálica y bloquea la transferencia de calor por convección de la que depende la carcasa para la refrigeración. Fabricantes como Caja de engranajes de toma de fuerza Ever-Power Especifique un recubrimiento de polvo epoxi con un espesor mínimo de 80 a 120 micrómetros para las cajas de engranajes de grado caña de azúcar, más grueso que el recubrimiento estándar de 40 a 60 micrómetros utilizado para las cajas de engranajes agrícolas de clima templado, para resistir el ataque químico y térmico combinado del jugo de azúcar en el exterior de la carcasa.

El enredo de fibras es un peligro mecánico exclusivo de la cosecha de cultivos fibrosos. Las fibras sueltas de caña y los restos de hojas migran a lo largo de los ejes giratorios hacia la carcasa de la caja de engranajes, acumulándose en la ubicación del sello del eje hasta que la masa enredada genera suficiente fricción como para sobrecalentar y dañar el labio del sello o, en casos graves, para detener completamente el eje. Los deflectores de eje (protectores cónicos o en forma de disco montados en el eje inmediatamente fuera del sello) interceptan las fibras antes de que lleguen al sello y las alejan del eje por acción centrífuga. Cada eje giratorio expuesto en una cosechadora de caña de azúcar debe tener un deflector de fibras instalado a menos de 20 mm de la cara del sello; una adición económica que previene el modo de falla más común del sello en los equipos de cosecha de caña.

Sistemas de accionamiento de desbrozadoras y defoliadoras: Preparación del cultivo aguas arriba

Antes de que las cuchillas de la base corten el tallo, dos mecanismos preparan el cultivo para una cosecha limpia. El despuntador —un disco o conjunto de cuchillas giratorias montado en la parte delantera de la máquina a la altura de la caña (de 2 a 4 metros del suelo)— corta el punto de crecimiento frondoso de cada tallo. La parte superior eliminada contiene entrenudos inmaduros con bajo contenido de azúcar que diluirían la calidad del jugo si se cosecharan con el tallo maduro. El disco despuntador funciona a 600 a 1000 RPM, impulsado desde la caja de engranajes principal a través de un largo eje vertical o una transmisión por correa dedicada. La demanda de potencia es moderada (de 5 a 10 HP) porque la parte superior es blanda y suculenta, pero el eje de transmisión del despuntador es el eje giratorio sin soporte más largo de la máquina —hasta 3 o 4 metros— y debe estar equilibrado dinámicamente para evitar vibraciones y oscilaciones a velocidad de funcionamiento.

El defoliador (también llamado deshojador o deshojador) elimina los restos de hojas secas de los tallos en pie antes de que lleguen a los rodillos de alimentación. Los conjuntos de defoliadores utilizan dedos de goma giratorios, bucles de alambre giratorios o almohadillas de goma oscilantes que desprenden las hojas secas por fricción, dejando el tallo intacto. La velocidad de accionamiento del defoliador suele ser de 300 a 600 RPM, similar a la velocidad de los rodillos de alimentación, y la demanda de torque es moderada pero muy variable dependiendo del estado del cultivo: los restos secos y sueltos se desprenden fácilmente, mientras que las hojas verdes o mojadas por la lluvia se adhieren al tallo y requieren una fuerza de desprendimiento sustancialmente mayor. Esta variabilidad crea fluctuaciones de carga en el caja de engranajes de la cosechadora de caña de azúcar La salida aumenta la carga cíclica de las fresas base y la picadora, lo que añade otra dimensión al perfil de par ya complejo que la caja de engranajes debe soportar sin sufrir daños en los cojinetes ni fatiga en los dientes de los engranajes.

Protección contra sobrecargas para cortadoras de base a nivel del suelo.

Las cuchillas de base operan en la superficie del suelo, la zona de mayor impacto en cualquier cosechadora. Rocas, terrones de tierra endurecida, tuberías de riego enterradas y masas de raíces se encuentran en la trayectoria de corte y generan picos de torsión instantáneos que pueden superar la capacidad nominal de la caja de engranajes entre 5 y 10 veces en cuestión de milisegundos. El embrague deslizante de la toma de fuerza es el principal mecanismo de protección, pero debe complementarse con pernos de seguridad individuales o dispositivos de acoplamiento con resorte en cada disco de corte de base para evitar que un solo impacto se transmita a través de todo el sistema de transmisión.

El hierro dúctil (hierro SG, grado EN-GJS-400-15 o equivalente) es la especificación mínima del material de la carcasa para las cajas de engranajes de las cortadoras de caña de azúcar. El hierro fundido gris estándar (EN-GJL-250), que es adecuado para aplicaciones en campos limpios donde la carga de impacto es moderada, se fractura bajo las severas cargas de choque típicas de la operación de las cortadoras de caña; una grieta en la pared de la carcasa produce una pérdida total de aceite, falla de los cojinetes y una reparación de varios días que cuesta mucho más que la diferencia de precio entre las carcasas de hierro gris y hierro dúctil. Algunos fabricantes especifican carcasas de acero soldado para las aplicaciones más extremas (suelos volcánicos rocosos en Hawái, Indonesia y Filipinas), sacrificando la ventaja de conductividad térmica del hierro fundido por la resistencia superior al impacto del acero estructural.

Mantenimiento durante la temporada de cosecha en condiciones tropicales

La temporada de cosecha de caña de azúcar se extiende de 4 a 6 meses en la mayoría de las regiones productoras, uno de los períodos de uso continuo más largos para cualquier cultivo. caja de cambios agrícola Aplicación. Con un funcionamiento de 10 a 14 horas diarias, la caja de engranajes acumula entre 1200 y 2500 horas de funcionamiento en una sola temporada, lo que exige el mismo nivel de planificación de mantenimiento que una instalación de caja de engranajes industrial que funcione durante todo el año.

Los intervalos de cambio de aceite deben ser de 200 a 300 horas para el aceite sintético para engranajes y de 100 a 150 horas para el aceite mineral, y el intervalo real se acortará aún más si el aceite muestra signos visibles de degradación térmica (oscurecimiento) o contaminación por agua (aspecto lechoso por condensación en la humedad tropical). Drene el aceite tibio al final de cada día de operación cuando corresponda un cambio de aceite; el aceite tibio arrastra los contaminantes suspendidos fuera de la carcasa de manera más efectiva que el aceite frío que ha permitido que las partículas se depositen en las superficies internas. El aceite sintético a base de PAO ISO VG 320 (un grado más pesado que el VG 220 utilizado en climas templados) proporciona la viscosidad elevada necesaria para mantener un espesor de película de aceite adecuado a las temperaturas de operación más altas de la cosecha de caña tropical.

eje de la toma de fuerza El mantenimiento de las cosechadoras de caña de azúcar requiere el engrase diario de las juntas universales y los tubos estriados; el jugo de caña y la fibra aceleran la corrosión y el agarrotamiento de los componentes de la transmisión mucho más rápido que en condiciones de campo limpio. Inspeccione semanalmente la calibración del embrague deslizante (el calor tropical puede vitrificar el material de fricción del embrague, aumentando el par de activación por encima del umbral de protección previsto) y los deflectores de fibra en todos los ejes giratorios expuestos para detectar acumulación de material. Elimine inmediatamente cualquier acumulación de fibra; un deflector que ya está cargado con material enredado no puede evitar que la fibra adicional llegue al sello.

Preguntas frecuentes

Editor: Cxm