ग्रहीय रिड्यूसर के मामले में, उन्हें संभालने के लिए मूल रूप से तीन अलग-अलग टोक़ स्तर होते हैं। पहले को नाममात्र टोक़ (नॉमिनल टोर्क) कहा जाता है, जिसका अर्थ है कि रिड्यूसर दिन-दिन बिना अत्यधिक गर्म हुए या जल्दी घिसे बिना कितना निरंतर घूर्णन बल संभाल सकता है। अधिकांश निर्माता इसका मानक आठ घंटे के दैनिक संचालन के आधार पर निर्धारण करते हैं। फिर हमारे पास चरम टोक़ (पीक टोर्क) होता है, जो सामान्य से लगभग दोगुना होता है। यह तब होता है जब मोटर्स शुरू होती हैं या भार अचानक बदल जाता है, और आमतौर पर केवल दो से तीन सेकंड के लिए रहता है, जब तक कि स्थितियाँ सामान्य न हो जाएँ। आपातकालीन रोक टोक़ (इमरजेंसी स्टॉप टोर्क) का भी उल्लेख करना उचित है। यह अप्रत्याशित रूप से रुकने के दौरान सिस्टम द्वारा सहन की जा सकने वाली अधिकतम भार को मापता है। लेकिन आइए स्वीकार करें, अगर इस तरह के चरम भारण नियमित हो जाते हैं, तो गियर निश्चित रूप से अधिक तनाव महसूस करेंगे और अपेक्षा से तेजी से घिस जाएंगे। इसीलिए समझदार इंजीनियर हमेशा इन संख्याओं की जाँच अपने विशिष्ट अनुप्रयोगों की वास्तविक आवश्यकताओं के खिलाफ करते हैं, ताकि सुनिश्चित हो सके कि लंबे समय तक सब कुछ विश्वसनीय बना रहे।
जब इनपुट टॉर्क रेट की तुलना में अधिक हो जाता है, तो यह धीरे-धीरे यांत्रिक घटकों पर क्षरण शुरू कर देता है। यदि लगभग 10% अतिरिक्त टॉर्क लगाया जाता है, तो गियर में अधिक झुकाव आता है, जिसमें विक्षेपण में लगभग 12 से 18 प्रतिशत तक की वृद्धि हो सकती है। इससे पिछले साल के सिमुलेशन में देखे गए उन तकलीफदायक गड्ढों और सूक्ष्म गड्ढों के विकसित होने की संभावना बहुत अधिक बढ़ जाती है। बेयरिंग्स पर भी भारी प्रभाव पड़ता है, विशेष रूप से उन टेपर्ड रोलर बेयरिंग्स पर। जब टॉर्क अधिक होता है, तो उन्हें बहुत अधिक भार सहन करना पड़ता है, जिससे उनके जीवनकाल में लगभग 40% तक की कमी आ जाती है। जो लोग लंबे समय तक चलने वाले भागों की तलाश में हैं, उनके लिए मोटर्स और रिड्यूसर्स का उचित तरीके से मिलान करना बहुत महत्वपूर्ण है। अधिकांश फील्ड रिपोर्ट्स के अनुसार, रिड्यूसर द्वारा संभाले जा सकने वाले टॉर्क के 85 से 95% पर या उसके नीचे शिखर टॉर्क बनाए रखना ही उचित स्थिति प्रतीत होती है।
आउटपुट टॉर्क की गणना इस सूत्र का उपयोग करके की जाती है:
T_out = T_in × i × η
जहाँ:
उदाहरण के लिए, 96% दक्षता के साथ 10:1 के कमीकरण अनुपात में 10 Nm इनपुट से आउटपुट पर 96 Nm उत्पन्न होता है। हालाँकि, लगातार उच्च भार के कारण तापीय हानि प्रति 20°C तापमान वृद्धि पर दक्षता में 0.5–0.7% की कमी कर देती है, जिससे निरंतर उपयोग के अनुप्रयोगों में स्नेहक के टूटने और घटक विफलता से बचने के लिए डी-रेटिंग की आवश्यकता होती है।
गियर सामग्री पर किए गए अध्ययनों से पता चलता है कि समान ग्रहीय व्यवस्था में उपयोग करने पर हेलिकल गियर सामान्य स्पर गियर की तुलना में लगभग 30 से 50 प्रतिशत अधिक टोक़ संभाल सकते हैं। ऐसा क्या संभव बनाता है? दांतों को सीधे के बजाय कोण पर काटा जाता है, इसलिए वे एक साथ नहीं बल्कि क्रमिक रूप से एक-दूसरे में फंसते हैं। यह धीमी गति से संलग्न होने कई संपर्क बिंदुओं पर बल को फैलाता है, जिससे संचालन के दौरान अचानक झटकों में कमी आती है। जब निर्माता लगभग 12 डिग्री से बढ़कर 15 डिग्री तक हेलिक्स कोण बढ़ाते हैं, तो आमतौर पर टोक़ संभालने में लगभग 17 से 20 प्रतिशत तक सुधार देखा जाता है। इसके अलावा, मशीनें भी अधिक शांत रूप से चलती हैं, जिसमें ध्वनि स्तर में 10 डेसीबल तक की कमी आती है। ये लाभ हेलिकल गियर को उन अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से आकर्षक बनाते हैं जहां शक्ति संचरण दक्षता और कम यांत्रिक तनाव दोनों महत्वपूर्ण होते हैं।
यह डिज़ाइन शक्ति घनत्व और ध्वनिक प्रदर्शन दोनों में सुधार करता है, जो इसे सटीक स्वचालन और भारी मशीनरी के लिए आदर्श बनाता है।
7,500 न्यूटन-मीटर से अधिक टॉर्क को संभालने वाले ग्रहीय रिड्यूसर्स के मामले में, डबल टेपर्ड रोलर बेयरिंग्स अपने प्रदर्शन में लगभग 54% की वृद्धि करके टॉर्शनल दृढ़ता में महत्वपूर्ण योगदान देती हैं। ये बेयरिंग्स आउटपुट शाफ्ट को दोनों सिरों पर समर्थन प्रदान करती हैं, जिससे त्रिज्या विस्थापन की समस्या कम होती है, जो अन्यथा समय के साथ किनारे भारण (एज लोडिंग) और गियर पिटिंग जैसी परेशानियों का कारण बनती है। वास्तविक दुनिया के परीक्षणों में दिखाया गया है कि इन डबल बेयरिंग व्यवस्थाओं को 12,000 न्यूटन-मीटर तक के विशाल आघात भार के सामने आने पर भी स्थिति निर्धारण की शुद्धता को प्लस या माइनस 1 आर्क मिनट के भीतर बनाए रखने में सक्षम बनाता है। इस तरह का प्रदर्शन उन्हें क्रेन होइस्ट और खनन कंवेयर जैसे भारी उपकरणों के लिए पूर्णतया महत्वपूर्ण बनाता है, जहां तीव्र गतिशील संचालन के दौरान परिशुद्धता बनाए रखना सर्वाधिक महत्वपूर्ण होता है।
उच्च टोक़ वाले ग्रहीय रिड्यूसर्स के लिए, लोड होने पर लचीले विरूपण का सामना करने के लिए आवास की दीवारों को सामान्य मॉडल की तुलना में लगभग 25 से 40 प्रतिशत अधिक मोटा होना चाहिए। परिमित तत्व विश्लेषण (फाइनिट एलिमेंट एनालिसिस) के अध्ययनों ने एक दिलचस्प बात सामने लाई है: EN AC-42100 मिश्र धातु से निर्मित रिब्ड एल्यूमीनियम आवास, ढलवां लोहे के संस्करणों की तुलना में 32% अधिक मजबूत बंकन बलों का सामना कर सकते हैं, और साथ ही वजन में काफी बचत भी करते हैं। माउंटिंग सतहों के मामले में, परिशुद्ध ग्राइंडिंग आवश्यक है। इन सतहों को अत्यधिक समतल होना चाहिए, जिसमें 0.02 मिमी प्रति मीटर की सहनशीलता होनी चाहिए, जो समय के साथ आवास के विकृत होने को रोकती है। इस विस्तृत ध्यान से संचालन के दौरान गियर सही ढंग से संरेखित रहते हैं और इन घटकों के प्रतिस्थापन से पहले की आयु बढ़ जाती है।
आधुनिक ग्रहीय रिड्यूसर निश्चित गियर अनुपात और अनुकूलित घटक विन्यास के माध्यम से उल्लेखनीय टोक़ गुणक प्राप्त करते हैं। एकल-चरण डिज़ाइन 12:1 तक अनुपात प्रदान कर सकते हैं, जबकि संयुक्त चरण 250:1 से अधिक तक पहुँचते हैं, जो उच्च टोक़ की मांग के लिए संक्षिप्त समाधान सक्षम बनाता है।
गियर प्रणालियों में टॉर्क के कार्य को देखते समय, हम पाते हैं कि निर्गत टॉर्क, इनपुट टॉर्क को गियर अनुपात और दक्षता से गुणा करने पर प्राप्त होता है। व्यवहार में इसका अर्थ यह है: GR गियर अनुपात के लिए है जबकि η दक्षता स्तर को संदर्भित करता है जो आमतौर पर लगभग 94% से 98% के बीच होता है। एक सरल उदाहरण लें जिसमें 10:1 का गियर अनुपात हो और 100 Nm इनपुट में आ रहा हो। ऊष्मा हानि को ध्यान में रखने से पहले, ऐसी व्यवस्था से निर्गत में लगभग 940 से 980 Nm उत्पन्न होगा। इन संख्याओं के बीच संबंध काफी सीधा है, जो यह स्पष्ट करता है कि विशिष्ट कार्यों के लिए रिड्यूसर्स का चयन करते समय गियर अनुपात इतना महत्वपूर्ण क्यों है। सही अनुपात प्राप्त करने से यह सुनिश्चित होता है कि घटकों को अनावश्यक रूप से अतिभारित किए बिना विभिन्न परिस्थितियों के तहत प्रणाली ठीक से कार्य करे।
जबकि उच्च अनुपात टॉर्क को बढ़ाते हैं, वे दक्षता में कमी और ऊष्मीय चुनौतियाँ पेश करते हैं:
| गियर अनुपात सीमा | टोक़ लाभ | दक्षता में गिरावट | ऊष्मीय प्रभाव |
|---|---|---|---|
| 3:1 - 10:1 | 3x - 10x | प्रति स्टेज 2-3% | ≈15°C वृद्धि |
| 15:1 - 50:1 | 15x - 50x | प्रति चरण 5-7% | 40-60°C वृद्धि |
| 60:1 - 250:1 | 60x - 250x | प्रति चरण 8-12% | 40-60°C वृद्धि |
50:1 से अधिक अनुपात वाले तंत्र को लंबे समय तक संचालन के दौरान ऊष्मा का प्रबंधन करने और स्नेहक के क्षरण को रोकने के लिए अक्सर बलपूर्वक शीतलन या तेल संचरण प्रणाली की आवश्यकता होती है।
डिजाइनर गियर अनुपात चुनते समय चार प्राथमिक कारकों का संतुलन बनाए रखते हैं:
सही अनुपात का चयन आजीवन या प्रणाली प्रतिक्रियाशीलता के बलिदान के बिना प्रभावी टॉर्क वितरण सुनिश्चित करता है।
पावर ट्रांसफर सन गियर के साथ शुरू होता है, जो इसके चारों ओर पहिए की तरह लगे तीन से सात छोटे प्लैनेट गियर्स में से किसी भी स्थान पर ड्राइव करता है। प्रत्येक प्लैनेट पर कितना लोड आता है यह इस बात पर निर्भर करता है कि उनकी संख्या कितनी है। जब केवल तीन प्लैनेट का उपयोग किया जाता है, तो वे आमतौर पर कुल टॉर्क का लगभग एक तिहाई हिस्सा लेते हैं। लेकिन जब सात प्लैनेट काम साझा करते हैं, तो प्रति गियर लोड लगभग 12-14% तक घट जाता है। लोड क्षमता की बात करें, तो रिंग गियर यहाँ एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। अधिकांश निर्माता इन घटकों को लगभग 60-62 HRC तक कठोर करते हैं ताकि वे उन तीव्र चक्रीय तनावों का सामना कर सकें जो 500 MPa से अधिक तक पहुँच सकते हैं। कठोरता का यह स्तर खुदाई मशीनों और बुलडोज़र जैसी भारी मशीनरी के अनुप्रयोगों में सभी अंतर बनाता है, जहाँ दिन भर कार्यभार में लगातार परिवर्तन के बावजूद भागों को कार्य करते रहने की आवश्यकता होती है।
हाल ही में उन ग्रह गियर्स पर टॉर्क कैसे वितरित होता है, इसे लेकर काफी चर्चा रही है। इंजीनियरिंग के क्षेत्र में कुछ लोग असमान लोडिंग वाली व्यवस्था को वरीयता देते हैं, जहाँ शायद एक तरफ 35%, दूसरी तरफ 30%, और फिर लीनियर एक्चुएटर्स के साथ काम करते समय वापस 35% हो। वे दावा करते हैं कि इससे समय के साथ चीजों के ढीली होने से बचा जा सकता है। लेकिन रुकिए - पिछले साल किए गए हालिया परीक्षणों में कुछ अलग ही बात सामने आई। जब इन असमान वितरणों को परखा गया, तो घटकों में घिसावट के लक्षण अपेक्षा से काफी तेजी से दिखाई देने लगे, कुछ मामलों में लगभग 12 से 18 प्रतिशत तक तेजी से। दूसरी ओर, जब टॉर्क को सभी भागों के बीच समान रूप से बांटा जाता है, तो हमने देखा है कि सिस्टम में अचानक झटकों को संभालने की क्षमता में वास्तविक सुधार होता है। इस दृष्टिकोण का उपयोग करने वाली रोबोटिक बाजू दूसरों की तुलना में लगभग 15 प्रतिशत बेहतर तरीके से झटके सह सकते हैं। यह कई लोगों की पहले की मान्यताओं के विपरीत जाता है और उन डिजाइनों के पक्ष में मजबूत तर्क देता है जो तब उपयोगी होते हैं जब विश्वसनीयता सबसे अधिक महत्वपूर्ण होती है।
उच्च टोक़ वाले ग्रहीय रिड्यूसर में केस हार्डन्ड स्टील मिश्र धातु अभी भी उद्योग के मानक के रूप में प्रचलित हैं। इन सामग्रियों की सतह की कठोरता 60 HRC से अधिक होती है, जिससे वे 2000 Nm से भी अधिक अपरूपण प्रतिबल का सामना कर सकते हैं। ASM के पिछले वर्ष के अनुसंधान के अनुसार, 20MnCr5 स्टील के कार्बुराइज्ड संस्करण में पारंपरिक 18CrNiMo7-6 की तुलना में लगभग 18% बेहतर थकान प्रतिरोधकता होती है। इससे घटकों का जीवन लंबे समय तक कठिन परिचालन चक्रों के दौरान भी बढ़ जाता है। जब क्षरणकारक परिस्थितियों का सामना करना पड़ता है, तो निर्माता अक्सर डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील 1.4462 की ओर रुख करते हैं। इसमें लगभग 1100 MPa की तन्य शक्ति होती है और यह क्लोराइड के खिलाफ भी काफी सहनशीलता दिखाता है। लेकिन एक समस्या है। यह सामग्री सामान्य कार्बन स्टील की तुलना में लगभग 12 से 15 प्रतिशत अधिक महंगी होती है, इसलिए इंजीनियरों को अपनी विशिष्ट अनुप्रयोग आवश्यकताओं के लिए संभावित लाभों के विरुद्ध इस अतिरिक्त लागत का आकलन करना पड़ता है।
गियर फ्लैंक्स पर सटीक गैस नाइट्राइडीकरण 0.3–0.5 मिमी की विसरण परत बनाता है, जो निरंतर संचालन में सूक्ष्म-पिटिंग प्रतिरोध को 40% तक बढ़ा देता है (ASTM 2021)। ड्यूल-फ्रीक्वेंसी प्रेरण दृढीकरण रिंग गियर के दांतों को 62–64 HRC तक स्थानीय रूप से कठोर करने की अनुमति देता है, बिना कोर लचीलेपन को कम किए—यह नाममात्र टॉर्क के 300% तक के अस्थायी अतिभार को सहने के लिए आवश्यक है।
त्वरित परीक्षण (AGMA 2023) दिखाता है कि नाममात्र टॉर्क के 150% पर चलने वाले गियर सेट्स में दरार फैलने की गति 73% अधिक तेज होती है। 8 घंटे के निरंतर शीर्ष संचालन से सभी-इस्पात विन्यास में अपेक्षित आयु 20,000 घंटे से घटकर 6,500 घंटे रह जाती है। संपर्क तनाव और तापीय प्रसार असंगति को कम करके संकर सिरेमिक-इस्पात ग्रह गियर इसे बढ़ाकर 9,200 घंटे कर देते हैं।
लगभग अपनी अधिकतम टॉर्क क्षमता के 90% पर चलते समय, हेलिकल प्लैनेटरी गियर स्टेज आमतौर पर 96 से 97 प्रतिशत के बीच दक्षता प्राप्त करते हैं। लेकिन एक बार उस दहलीज को पार करने पर स्थिति तेजी से बदल जाती है। ISO 14635 मानकों द्वारा परिभाषित लगातार अतिभार स्थितियों के तहत, दक्षता गिरकर लगभग 88% रह जाती है। यहां मुख्य दोषी बढ़ी हुई घर्षण और वे चिंताजनक चर्निंग नुकसान हैं जो जमा होने लगते हैं। नामित स्तर से प्रत्येक 15% टॉर्क वृद्धि के साथ, तेल भंडार में लगभग 22 डिग्री सेल्सियस अतिरिक्त ऊष्मा बनने की उम्मीद की जा सकती है। इसका अर्थ है कि स्नेहक की श्यानता को सुरक्षित सीमा के भीतर रखने के लिए, घटकों में क्षरण और प्रारंभिक घिसावट को रोकने के लिए आदर्श रूप से 65 डिग्री सेल्सियस से नीचे रहने के लिए सक्रिय शीतलन बिल्कुल आवश्यक हो जाता है।
3% MoS2 एडिटिव्स के साथ सिंथेटिक PAO-आधारित स्नेहक 2.5 गीगापास्कल तक फिल्म शक्ति बनाए रखते हैं, लेकिन FZG 2022 के अनुसार 120% टोर्क लोड के तहत 1,200 घंटे के बाद अपने घर्षण-प्रतिरोधी गुणों का 40% खो देते हैं। 10-माइक्रॉन फ़िल्ट्रेशन के साथ संचारित तेल प्रणाली मुहरबंद ग्रीस-पैक इकाइयों की तुलना में पुनः स्नेहन अंतराल को 300% तक बढ़ा देती है, जिससे उच्च-चक्र संचालन में उपयोग समय में महत्वपूर्ण सुधार होता है और रखरखाव लागत में कमी आती है।
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