Elevatore a tazze con trasmissione a catena: guida completa a tipi, componenti, capacità e selezione

Che cos'è un elevatore a tazze con trasmissione a catena e in cosa differisce dai sistemi con trasmissione a cinghia

Un elevatore a tazze con trasmissione a catena è una macchina di trasporto verticale continua che utilizza una o due catene senza fine come elemento di trazione per trasportare una serie di tazze in un ciclo continuo, sollevando materiali sfusi - grano, cemento, fertilizzanti, carbone, minerali o polveri industriali - da un punto di carico inferiore a un punto di scarico elevato. La catena si collega ai pignoni nella parte superiore (testa) e inferiore (bagagli) dell'elevatore, con l'unità di azionamento generalmente posizionata nella sezione della testa dove la catena e le tazze scorrono sopra il pignone e il materiale viene scaricato mediante forza centrifuga, gravità o una combinazione di entrambi in uno scivolo di scarico.

La differenza fondamentale tra gli elevatori a tazze con trasmissione a catena e quelli con trasmissione a cinghia risiede nell'elemento di trazione e nelle condizioni operative adatte a ciascun sistema. Gli elevatori a nastro utilizzano un nastro trasportatore in gomma o tessuto per trasportare le benne, offrendo un funzionamento regolare e silenzioso, una minore usura della benna su materiali fragili e velocità operative più elevate, ma con limitazioni sulla temperatura operativa, abrasività del materiale e altezza massima di sollevamento prima che la tensione della cinghia diventi problematica. Elevatori a tazze con trasmissione a catena , al contrario, utilizzano catene in acciaio in grado di resistere a temperature significativamente più elevate, movimentare materiali grossolani, abrasivi e pesanti che distruggerebbero rapidamente un nastro di gomma e funzionare a velocità inferiori con livelli di riempimento delle benne più elevati: la combinazione che rende gli elevatori a catena la scelta preferita per applicazioni industriali pesanti tra cui la produzione di cemento, l'estrazione mineraria, la movimentazione di materie prime nelle acciaierie e la lavorazione di solidi sfusi caldi o chimicamente aggressivi.

Componenti principali di un elevatore a tazze con trasmissione a catena

Comprendere la funzione di ciascun componente principale aiuta nella specifica, nella risoluzione dei problemi e nella pianificazione della manutenzione. Un elevatore a tazze a catena è costituito da diversi sistemi interconnessi che devono essere correttamente adattati tra loro e alle condizioni operative.

Sezione di testa e gruppo di azionamento

La sezione della testa si trova nella parte superiore dell'elevatore e ospita la ruota dentata di trasmissione, l'albero, i cuscinetti e lo scivolo di scarico. Il pignone di trasmissione si ingrana con la catena e trasmette la coppia dall'unità di azionamento - in genere un motore elettrico collegato tramite un cambio e talvolta un giunto idraulico o un azionamento a frequenza variabile - per tirare la catena caricata e le benne verso l'alto sul lato ascendente. La sezione di testa fornisce anche il punto di scarico in cui il materiale esce dalle benne nello scivolo di uscita. La geometria della sezione della testa (diametro del pignone, forma del cofano e angolo dello scivolo di scarico) determina se lo scarico avviene principalmente per lancio centrifugo, gravità o scarico positivo (guidato), ciascuno adatto a diversi tipi di materiale e velocità operative.

Sezione di avvio e presa

La sezione del bagagliaio alla base dell'elevatore ospita il pignone di coda, l'ingresso di caricamento del materiale e il sistema di recupero della catena. Il materiale viene alimentato nel bagagliaio per gravità attraverso uno scivolo di ingresso (carico centrifugo) o tramite le benne che raccolgono il materiale da una vasca nel bagagliaio (carico con scavo). Il meccanismo di riavvolgimento, tipicamente a vite o a gravità, regola la tensione della catena spostando la posizione dell'albero di coda, compensando l'allungamento della catena dovuto all'usura e all'espansione termica. Mantenere la corretta tensione della catena è fondamentale per un funzionamento regolare e per prevenire il deragliamento della catena dai pignoni. La sezione del bagagliaio è anche il luogo più suscettibile all'accumulo e all'usura del materiale, in particolare negli ascensori con carico da scavo dove le benne colpiscono ripetutamente la pila di materiale durante il riempimento.

Involucro e custodia

L'involucro dell'ascensore racchiude il gruppo catena e benna lungo il percorso verticale tra la testata e il bagagliaio, contenendo il materiale, controllando la polvere e fornendo supporto strutturale. Gli involucri sono generalmente realizzati in lamiera di acciaio dolce per applicazioni standard, con acciaio inossidabile, acciaio resistente all'abrasione o struttura in lega speciale disponibile per materiali corrosivi, ad alta temperatura o altamente abrasivi. Le sezioni dell'involucro sono imbullonate insieme in lunghezze modulari, in genere da 1,5 a 3 metri per sezione, per consentire il trasporto in cantiere e l'assemblaggio sul campo all'altezza di sollevamento richiesta. Gli sportelli di ispezione disposti a intervalli regolari lungo la carrozzeria consentono l'accesso visivo alla catena e alle benne durante il funzionamento e facilitano la manutenzione e la rimozione dei blocchi. Per ambienti con polveri esplosive, di cui la movimentazione dei cereali è l'esempio principale, l'involucro deve essere progettato e costruito per essere conforme agli standard ATEX applicabili o equivalenti in materia di contenimento o sfogo delle esplosioni di polveri.

Catene

La catena è l'elemento che definisce un ascensore a tazze con trasmissione a catena e deve essere selezionata per la combinazione di carico di trazione, abrasione, temperatura e condizioni di corrosione di ciascuna applicazione. I tipi di catena utilizzati negli elevatori a tazze includono catene a maglie forgiate (chiamate anche catene a maglie tonde o a maglie prigioniere), catene in ghisa malleabile, catene in acciaio fuso e catene a rulli di classe ingegneristica. La catena a maglie forgiate è la più comune nelle applicazioni pesanti per l'industria mineraria e del cemento: le maglie in acciaio forgiato offrono un'eccellente resistenza alla fatica e agli urti. La catena a rulli di classe ingegneristica, simile nel concetto alla catena di biciclette o motociclette ma di qualità industriale molto più pesante, viene utilizzata negli ascensori dove il passo preciso è importante per l'innesto del pignone e dove il peso inferiore della catena a rulli rispetto alla maglia forgiata è vantaggioso per applicazioni ad alta velocità. Il passo della catena (la distanza da centro a centro tra i punti di attacco) deve corrispondere esattamente alla spaziatura della benna e alla geometria dei denti del pignone.

Secchi

Secchi are the carrying elements that scoop, transport, and discharge the material. They are manufactured in a range of materials — mild steel, high-chrome white iron, stainless steel, polyethylene, and nylon — and in several profile geometries suited to different material types and operating speeds. Pressed steel buckets are the standard for medium-duty applications. Cast iron or high-chrome white iron buckets are used for highly abrasive materials such as clinker, sand, and ore. Polyethylene and nylon buckets are used for food-grade, pharmaceutical, and mildly abrasive applications where contamination from metal particles is a concern. Bucket profile — the relationship between bucket width, projection (depth), and back-plate height — is matched to the material's bulk density, lump size, and flowability to achieve efficient filling and clean discharge.

Tipi di elevatori a tazze con trasmissione a catena e loro principi di funzionamento

Gli elevatori a tazze a catena sono classificati in base alla configurazione della catena, alla spaziatura delle tazze e al metodo di scarico. Ciascun tipo è ottimizzato per caratteristiche specifiche del materiale e requisiti di capacità.

L'elevatore a tazze continuo, in cui le tazze sono distanziate così ravvicinate che la parte posteriore della benna principale funge da superficie di guida per lo scarico del materiale dalla benna posteriore, merita particolare attenzione perché il suo principio di funzionamento differisce fondamentalmente dai tipi di scarico centrifugo. In testa, invece di lanciare il materiale verso l'esterno per effetto della forza centrifuga, le benne passano sopra la ruota dentata della testa e si inclinano in avanti, scaricando il materiale sul retro della benna precedente e da lì nello scivolo di scarico. Questo meccanismo di scarico positivo è indipendente dalla velocità operativa, il che consente agli elevatori a tazze continui di funzionare a velocità inferiori rispetto ai tipi centrifughi: un vantaggio per i materiali fragili che verrebbero danneggiati dall'impatto ad alta velocità della scarica centrifuga e per materiali appiccicosi o coesivi che non si scaricano automaticamente in modo pulito mediante il lancio centrifugo.

Calcolo della capacità e dimensionamento per elevatori a tazze a catena

Per dimensionare correttamente un ascensore a tazze con trasmissione a catena è necessario calcolare la portata volumetrica e di massa richiesta, quindi selezionare la dimensione della benna, la spaziatura tra le tazze, la velocità della catena e la potenza di azionamento che insieme garantiscono tale produttività in modo affidabile. Il sottodimensionamento crea un collo di bottiglia del sistema; il sovradimensionamento spreca capitale e aumenta i costi operativi. La metodologia seguente copre le fasi chiave del dimensionamento.

Calcolo della capacità volumetrica

La capacità volumetrica teorica di un elevatore a tazze viene calcolata dal volume della benna, dal fattore di riempimento della benna, dalla velocità della catena e dalla spaziatura delle tazze. La formula è: Q (m³/h) = (V × φ × 3600 × v) / a, dove V è il volume della benna in litri, φ è il fattore di riempimento (tipicamente da 0,6 a 0,85 a seconda della scorrevolezza del materiale e del metodo di carico), v è la velocità della catena in metri al secondo e a è il passo della benna (distanza tra i punti di attacco della benna) in metri. La portata di massa viene quindi ottenuta moltiplicando la capacità volumetrica per la densità apparente del materiale. Per i materiali con elevata densità apparente, come il minerale di ferro da 2,0 a 2,5 t/m³, la catena e la benna devono essere selezionate per l'elevato carico di massa risultante per metro lineare di catena, non solo per la portata volumetrica.

Selezione della velocità della catena

La velocità della catena negli elevatori a tazze è sostanzialmente inferiore alla velocità del nastro negli equivalenti elevatori a nastro, riflettendo la massa più pesante della catena e la necessità di evitare forze centrifughe eccessive sulla catena al contatto del pignone. Le velocità tipiche della catena vanno da 0,4 a 1,0 m/s per gli ascensori a doppia catena con scarico a gravità per carichi pesanti, aumentano da 1,0 a 1,8 m/s per i tipi a scarico centrifugo e raramente superano i 2,0 m/s per qualsiasi applicazione con ascensore a catena. Velocità della catena più elevate aumentano la capacità per un dato volume e spaziatura della benna, ma aumentano anche l'usura della catena, l'usura della ruota dentata e il carico d'impatto sulle maglie della catena quando le benne entrano nella sezione del bagagliaio. Per i materiali abrasivi, grumosi o sensibili alla temperatura, la selezione conservativa della velocità della catena prolunga significativamente la durata.

Calcolo della potenza motrice

La potenza motrice richiesta per un elevatore a tazze a catena è la somma della potenza necessaria per sollevare il materiale (il componente utile di lavoro) e della potenza consumata dall'attrito della catena, dalla resistenza dell'aria della benna e dalle perdite della trasmissione. La potenza di sollevamento è: P_sollevamento (kW) = (Q × H × g) / (3600 × η), dove Q è la portata di massa in t/h, H è l'altezza di sollevamento in metri, g è l'accelerazione gravitazionale (9,81 m/s²) e η è l'efficienza complessiva della trasmissione (tipicamente da 0,85 a 0,92 per le perdite combinate del cambio e della trasmissione a catena). La potenza totale del motore installato include un fattore di servizio da 1,25 a 1,5 superiore al requisito calcolato per sostenere i carichi di avviamento, i sovraccarichi occasionali e l'attrito aggiuntivo della catena che si sviluppa man mano che la catena si usura e si allunga nel corso della sua vita utile.

Compatibilità dei materiali e considerazioni specifiche sull'applicazione

Gli elevatori a tazze con trasmissione a catena gestiscono una gamma più ampia di materiali difficili rispetto agli elevatori a nastro, ma non tutti i materiali sono altrettanto semplici da gestire. Le seguenti caratteristiche dei materiali hanno implicazioni specifiche per la progettazione dell'ascensore e la selezione dei componenti.

• Materiali ad alta temperatura: I materiali con temperature superiori a 100°C, tra cui clinker di cemento a temperatura compresa tra 80 e 150°C, allumina calcinata o ceneri calde, richiedono una struttura della catena resistente al calore con maglie di acciaio legato, lubrificanti per alte temperature nelle maglie della catena e nei cuscinetti e secchi in acciaio anziché in plastica. I giunti di dilatazione dell'involucro devono consentire la crescita termica della struttura. La catena a rulli standard con guarnizioni in polimero non è adatta al di sopra di circa 80°C; per il funzionamento prolungato a temperature elevate è necessaria una catena a maglie forgiate o una catena a rulli per alte temperature.
• Materiali altamente abrasivi: Quarzite, sabbia silicea, clinker e minerale di ferro impongono una grave usura ai bordi e al dorso delle benne e alle maglie della catena che entrano in contatto con la vasca del bagagliaio. Le benne in ferro bianco ad alto contenuto di cromo o acciaio hardox con labbri antiusura sostituibili prolungano significativamente la durata utile in queste applicazioni. La sezione del bagagliaio e le zone di contatto della catena con la carcassa devono essere rivestite con piastrelle in acciaio o ceramica resistenti all'usura. Il monitoraggio mensile dell'allungamento della catena e la sostituzione della catena prima che si allunghi oltre il 2-3% della lunghezza primitiva originale impediscono il salto dei denti del pignone che causa il deragliamento improvviso della catena.
• Materiali appiccicosi e coesivi: Argilla bagnata, carbone umido o sostanze chimiche adesive possono aderire alle superfici della benna e non riuscire a scaricarsi in modo pulito dalla testa, accumulandosi nel tempo e causando squilibrio, blocco ed eventuali guasti meccanici. I tipi di elevatore a scarico positivo (a tazze continue) riducono al minimo questo problema rispetto allo scarico centrifugo. Il trattamento della superficie della benna (finitura liscia, rivestimento in PTFE o rivestimento della benna in polietilene) riduce l'adesione. Alcune installazioni utilizzano vibratori sulla sezione della testa per facilitare il rilascio del materiale da materiali appiccicosi.
• Materiali in polvere esplosivi o combustibili: Grano, farina, zucchero, polvere di carbone e molte polveri chimiche formano miscele esplosive di polvere e aria all'interno degli involucri degli ascensori in normali condizioni operative. Gli elevatori a tazze a catena che movimentano questi materiali devono essere progettati secondo gli standard ATEX Zona 21 o standard equivalenti: pannelli di sfogo dell'esplosione sull'involucro a intervalli regolari, catena e tazze antistatiche, messa a terra di tutti i componenti metallici e monitoraggio della velocità per rilevare lo slittamento della cinghia o della catena che potrebbe generare calore a livello di accensione per attrito. Storicamente, le esplosioni degli elevatori del grano hanno causato numerosi decessi e la conformità alle normative applicabili sull'esplosione delle polveri è un requisito non negoziabile per queste applicazioni.
• Materiali corrosivi: Fertilizzanti contenenti nitrato di ammonio o cloruro di potassio, polveri chimiche o materiali in ambienti costieri umidi possono causare una rapida corrosione della catena in acciaio dolce e dei componenti dell'involucro. Sono necessari catena in acciaio inossidabile, struttura dell'involucro in acciaio inossidabile o rivestimenti protettivi con programmi regolari di ispezione e sostituzione. La catena zincata fornisce una protezione limitata: in ambienti chimici aggressivi, il rivestimento di zinco si esaurisce rapidamente e l'acciaio inossidabile è una soluzione più duratura nonostante il suo costo iniziale più elevato.

Selezione della catena e gestione del carico di trazione

La catena è il componente più critico e più soggetto a guasti in un ascensore a tazze con trasmissione a catena. La corretta selezione della catena e la gestione del carico di trazione sono le decisioni tecniche più importanti nella progettazione di ascensori.

La tensione massima della catena si verifica sul lato carico ascendente in corrispondenza del pignone di testa ed è la somma del peso della catena caricata e dei cestelli sul lato ascendente più la tensione necessaria per tirare la catena vuota e i cestelli sul lato discendente contro gravità e attrito. Per un ascensore a doppia catena, la tensione totale è divisa equamente tra le due catene, quindi la tensione di lavoro per catena è la metà della tensione totale calcolata. La catena selezionata deve avere un carico di rottura minimo (MBL) significativamente superiore alla tensione di esercizio calcolata: un fattore di sicurezza minimo di 7:1 rispetto al MBL è convenzionale per le catene per elevatori a tazze in funzionamento continuo, che sale a 10:1 per applicazioni con carichi d'urto gravi dovuti a materiali di grandi dimensioni o avviamenti frequenti a pieno carico.

L'affaticamento della catena (il progressivo indebolimento delle maglie della catena sotto carichi ciclici ripetuti) è la principale modalità di guasto nelle catene di ascensori ben mantenute piuttosto che il sovraccarico statico. La durata a fatica di una catena dipende fortemente dal rapporto tra tensione di lavoro e MBL: le catene utilizzate a frazioni inferiori del loro MBL durano sproporzionatamente più a lungo rispetto alle catene spinte più vicino alla loro capacità nominale. La scelta della dimensione della catena successiva al di sopra del minimo richiesto dal calcolo è spesso giustificata da motivi di costo del ciclo di vita, poiché il costo incrementale della catena più pesante è piccolo rispetto al costo dei tempi di fermo non pianificati per la sostituzione della catena.

Pratiche di manutenzione che determinano l'affidabilità dell'elevatore a catena

Un ascensore a tazze con trasmissione a catena è una macchina meccanicamente semplice, ma che si degrada rapidamente se viene trascurata la manutenzione. Le seguenti pratiche di manutenzione hanno il maggiore impatto sulla durata e sulla disponibilità.

• Monitoraggio dell'allungamento della catena: Misurare il passo della catena in più punti attorno all'anello ogni tre-sei mesi (più frequentemente in applicazioni abrasive) utilizzando un misuratore di usura della catena o misurando la lunghezza di una sezione di dieci maglie e confrontandola con la nuova dimensione nominale della catena. Sostituire la catena quando l'allungamento raggiunge il 2% della lunghezza primitiva originale: a questo punto, la catena non ingrana più correttamente con i denti del pignone, causando un'usura accelerata del pignone e il rischio di salti della catena. Sostituire la catena prima che venga raggiunta questa soglia è notevolmente più economico che sostituire insieme catena e pignoni usurati.
• Lubrificazione della catena: Le maglie della catena richiedono lubrificazione per ridurre l'usura di perni e boccole. In molte applicazioni di elevatori a tazze, i sistemi di lubrificazione automatica della catena che applicano una quantità dosata di lubrificante ai perni della catena mentre la catena supera un punto di lubrificazione forniscono una lubrificazione più uniforme e affidabile rispetto alla lubrificazione manuale. Le specifiche del lubrificante devono essere compatibili con il materiale da trattare: per applicazioni alimentari e farmaceutiche è necessario un lubrificante di grado alimentare e alcune applicazioni chimiche richiedono lubrificanti resistenti a solventi o corrosivi specifici.
• Ispezione e sostituzione della benna: Ispezionare mensilmente i bordi della benna, il retro e i fori dei bulloni di attacco. I bordi usurati della benna riducono l'efficienza di riempimento e consentono al materiale di ricadere nello spazio tra benna e corpo. I cestelli incrinati o rotti devono essere sostituiti immediatamente: un frammento del secchio rilasciato nella carcassa dell'ascensore può incepparsi tra la catena e il pignone, causando un improvviso guasto della catena o danni alla carcassa. È necessario controllare la coppia corretta degli attacchi della benna imbullonati ad ogni ispezione programmata, poiché le vibrazioni allentano progressivamente gli elementi di fissaggio.
• Regolazione dell'assorbimento: Ispezionare mensilmente l'abbassamento della catena nella sezione del bagagliaio e regolare la tensione per mantenere la corretta tensione della catena. Una tensione insufficiente provoca un cedimento della catena che può entrare in contatto con la carcassa o causare il distacco della catena dai pignoni. Una tensione eccessiva accelera l'usura della catena, della ruota dentata e dei cuscinetti e aumenta il consumo di potenza della trasmissione. Registrare la posizione del tenditore ad ogni regolazione: una tendenza all'aumento dell'estensione del tenditore indica l'allungamento della catena e aiuta a prevedere quando sarà necessaria la sostituzione della catena.
• Pulizia della sezione di avvio: L'accumulo di materiale nella sezione del bagagliaio, inevitabile nella maggior parte delle applicazioni, aumenta il livello al quale le benne iniziano l'azione di scavo, aumentando la resistenza allo scavo e la tensione della catena. La pulizia regolare del boot, tramite pulizia manuale programmata o sistemi di controllo automatico del livello di boot, mantiene condizioni di carico costanti e riduce il rischio di picchi di boot che sovraccaricano il sistema di azionamento.

Cosa valutare quando si specifica o si acquista un elevatore a tazze con trasmissione a catena

L'acquisto di un elevatore a tazze con trasmissione a catena rappresenta un investimento di capitale significativo e le prestazioni operative e il costo totale di proprietà dipendono in larga misura da quanto le specifiche corrispondono ai requisiti dell'applicazione effettiva. Il seguente quadro di valutazione copre le domande chiave da risolvere prima di impegnarsi con un fornitore o un progetto.

• Il materiale è stato completamente caratterizzato? Fornire al fornitore i dati completi del materiale: densità apparente (sciolta e compattata), distribuzione delle dimensioni dei pezzi, intervallo di contenuto di umidità, intervallo di temperatura, abrasività (indice di lavoro del legame o durezza di Mohs per la valutazione dell'abrasivo), angolo di riposo e qualsiasi proprietà chimica rilevante per la compatibilità del materiale. La caratterizzazione incompleta dei materiali è la causa più comune di prestazioni inferiori e di usura prematura degli ascensori. Se il materiale varia stagionalmente o in base alla fonte, specificare le condizioni peggiori anziché le condizioni medie.
• Qual è la capacità richiesta e come è stata calcolata? Confermare se il requisito di capacità dichiarato è un servizio di punta (massimo rendimento istantaneo) o un rendimento medio. Progettato per il servizio di punta con un fattore di servizio. Verifica che il calcolo della capacità del fornitore utilizzi la densità apparente e il fattore di riempimento corretti per il tuo materiale specifico: fattori di riempimento generici per materiali "simili" possono produrre errori significativi nella produttività effettiva per materiali coesivi o variabili.
• Quale fattore di sicurezza della catena viene applicato? Richiedere al fornitore i calcoli per la selezione della catena indicanti la tensione di lavoro, l'MBL della catena e il fattore di sicurezza risultante. Un fattore di sicurezza minimo di 7:1 contro MBL è appropriato per il funzionamento continuo; meno di questo dovrebbe essere interrogato e giustificato. Confermare che il fattore di sicurezza tenga conto dei carichi dinamici dall'avvio rispetto al pieno carico, non solo della tensione di funzionamento a regime.
• Quali disposizioni di accesso e manutenzione sono incluse? Confermare il numero e la posizione delle porte di ispezione, la disposizione di accesso per le sezioni della testa e dello stivale, il metodo di regolazione della tensione della catena e il punto di accesso e se la disposizione della trasmissione consente la manutenzione senza disturbare la catena o la carcassa. Gli ascensori difficili da ispezionare e manutenere non verranno sottoposti a manutenzione adeguata, con conseguenti guasti prematuri e tempi di fermo non pianificati.
• Quali sistemi di sicurezza sono inclusi di serie? Come minimo, verificare che l'ascensore includa un dispositivo antiretro (per impedire la rotazione inversa e lo scorrimento della catena sotto carico in caso di interruzione di corrente), un monitor di velocità (per rilevare slittamenti, rotture o blocchi della catena) e una protezione da sovraccarico sul motore di azionamento. Per applicazioni con polveri esplosive, confermare la documentazione di conformità ATEX e le basi di progettazione per la protezione dalle esplosioni.
• I pezzi di ricambio sono in magazzino? Conferma che il fornitore o un distributore regionale disponga di scorte di parti soggette a usura critiche (catena (comprese lunghezze di ricambio abbinate), set di benne e ruote dentate) per il modello e la dimensione specifici dell'ascensore che stai acquistando. Un ascensore che non può essere rimesso in servizio entro 24-48 ore da un guasto alla catena o alla benna a causa dell'indisponibilità dei componenti presenta un profilo di rischio operativo inaccettabile per la maggior parte delle applicazioni critiche per la produzione.