Понимание редукторов скорости: подбор, монтаж и обслуживание

Подбор и интеграция редукторов скорости предполагает гораздо больше, чем просто выбор из каталога. В большинстве случаев максимальные значения крутящего момента, скоростей и радиальных нагрузок, указанные в каталогах, не могут использоваться одновременно. Необходимо применять правильные коэффициенты эксплуатации для учета широкого спектра динамических применений. И, как только подходящий редуктор выбран, правильная установка и обслуживание становятся ключевыми для максимизации срока службы.

Категории редукторов скорости

Широкий спектр механических устройств снижения скорости включает ремни, шестерни, зубчатые колеса и тренные приводы. Существуют также электрические изделия, способные менять скорость двигателя. Данное обсуждение сосредоточится на закрытых приводах редукторов скорости, также называемых зубчатыми приводами и редукторами, которые имеют две основные конфигурации: в линию (коаксиальные) и перпендикулярные. Каждая из них может быть реализована с разными типами шестерен. В линейные модели обычно состоят из косых или прямых шестерен, планетарных шестерен, циклоидальных механизмов или гармонических волновых генераторов. Планетарные конструкции обычно обеспечивают наибольший крутящий момент в самом компактном корпусе. Циклоидальные и гармонические приводы предлагают компактные конструкции с более высокими передаточными числами, в то время как косые и зубчатые редукторы обычно самые экономичные. Все они достаточно эффективны.

Червячные передачи, пожалуй, самое экономичное решение для редукции, но обычно имеют минимальное передаточное число 5:1 и теряют значительную эффективность по мере увеличения передаточного числа. Конические редукторы очень эффективны, но имеют эффективный верхний предел снижения скорости 6:1. Тип применения определяет, какой дизайн редуктора лучше всего соответствует требованиям.

Перед выбором любого редуктора необходимо собрать технические данные для правильного подбора и установки: крутящий момент, скорость, мощность, КПД редуктора, коэффициент эксплуатации, положение монтажа, переменные соединения и требуемый срок службы. В некоторых применениях также важны величина люфта, ошибка передачи, крутильная жесткость и момент инерции.

Взаимосвязь крутящего момента, скорости и мощности

Необходимый крутящий момент, пожалуй, самый важный критерий, так как он переводится в объем работы, которую должен выполнить редуктор. В простых применениях определение крутящего момента может быть относительно простым, но в сложных механизмах это может быть затруднительно. Инерция, трение и гравитация — физические явления, склонные сопротивляться движению — должны быть идентифицированы, чтобы сгенерировать достаточный крутящий момент для их преодоления. Учет коэффициентов трения и разгона/торможения инерционных масс важен при расчете необходимого крутящего момента. Сокращенный путь к определению необходимого крутящего момента для существующей машины — измерить ток двигателя, определив потребление тока. Затем можно рассчитать необходимую мощность. Наконец, используя стандартную формулу крутящего момента и учитывая различные передаточные числа, можно получить итоговое значение крутящего момента.

После определения необходимой мощности, коэффициент эксплуатации должен быть учтен для правильного подбора размера устройства. Коэффициент эксплуатации учитывает другие эксплуатационные параметры, включая длину рабочего дня, количество пусков и остановов, характер нагрузки и источники питания. Большинство редукторов рассчитаны на максимальный крутящий момент при заданном числе часов наработки. Ограничивающим фактором в этих рейтингах является не прочность шестерен или валов, а срок службы подшипников. Поскольку подшипники должны воспринимать рассепарационные силы шестерен под нагрузкой, нагрузка ниже максимального рейтинга увеличивает срок службы редуктора. И наоборот, увеличение переменных нагрузки, указанных выше, приведет к сокращению срока службы редуктора. Поэтому для получения эффективного требования к крутящему моменту необходимо применить соответствующие коэффициенты эксплуатации.

На этом этапе можно подобрать редуктор и двигатель. Обычно выбирают первичный источник питания, например двигатель, работающий на определенной скорости. Получение правильного передаточного числа редуктора и результирующего умножения крутящего момента — это просто деление скорости двигателя на скорость ведомого элемента. Затем правильный размер двигателя можно найти, подставляя различные факторы и значения в стандартную формулу мощности двигателя.

После выбора следующим вопросом является то, как редуктор будет интегрирован в машину. Главные проблемы — как редуктор будет установлен и как он будет подключен к контроллеру и ведомой нагрузке.

Ориентация валов — одно из первых соображений. Во многих применениях желательно расположить входной или выходной вал вертикально. В этом случае необходимо с большой осторожностью обеспечить правильную смазку. Масло или смазка редуктора не только защищает от износа шестерен, но и уменьшает износ подшипников. Таким образом, когда один из валов смонтирован вертикально, верхний опорный подшипник может не получать необходимую смазку. В некоторых конструкциях редукторов разбрызгивание и туман от вращающихся шестерен в ванне масла достаточно для обеспечения правильной смазки, но для низкоскоростных типов необходимо устанавливать предварительно смазанные герметичные подшипники. В еще других высокоскоростных применениях может потребоваться использовать внутренние или внешние насосы для подачи смазки в нужное место. Всякий раз, когда необходимо установить вал вертикально, важно определить, требуется ли альтернативный метод смазки.

Следующий вопрос — как подключить редуктор к источнику питания и ведомой нагрузке. Варианты включают привод через ремень, зубчатый вал или шестерню, соединение с муфтой, валом линии или карданным шарниром, и прямое нахождение на ведомом валу.

При подключении через ремень, звездочку или шестерню главная проблема — радиальная нагрузка, обычно называемая нависающей нагрузкой. Подшипники валов рассчитаны не только на восприятие сил, раздвигающих шестерни, но и на передачу определенной радиальной и осевой нагрузки на сами валы. При приводе через ремни и шестерни возникает радиальная сила, так как ремень или цепь пытаются повернуть вал. Величина этой силы может быть рассчитана как передаваемый крутящий момент, деленный на радиус шкива или звездочки. Обычно, однако, это не единственная боковая сила. Ремень или цепь натянуты на ведущей стороне, но имеют зазор на задней. Обычно устанавливают натяжитель для снижения шума и предотвращения пробуксовки ремня или пропуска зубьев. Когда ремень или цепь натянуты, возникает дополнительная радиальная нагрузка. При выборе зубчатого привода комбинация радиальной нагрузки от момента и натяжения должна учитываться.

При подключении редуктора к муфте и в меньшей степени к валовым линиям и карданным шарнирам главная проблема — выравнивание. Рекомендуются эластичные муфты из-за допусков механической обработки корпусов редукторов и монтажных плит. Без точного выравнивания использование жесткой муфты может создавать избыточные боковые нагрузки на подшипники валов. Даже с эластичными муфтами правильное выравнивание необходимо, так как большинство муфт допускают только 0,005–0,010 дюйма параллельного смещения и 1–3° углового. Многие конструкции муфт подходят для различных применений, но для максимального срока службы редуктора муфта должна соответствовать задаче.

Третий вариант подключения редуктора — монтаж непосредственно на ведомый вал с полым выходным валом. Это устраняет проблемы с выравниванием и радиальными нагрузками и экономит место. Опора от редуктора к раме машины предотвращает вращение редуктора вокруг вала.

Множество конструкций шестерен позволяют прямо устанавливать двигатель на редуктор. Эти конструкции содержат либо сверхточные фланцы для прямого подключения двигателя к редуктору, либо другие адаптеры с интегрированными муфтами. Это устраняет необходимость отдельного монтажа двигателя, но это обычно практично только с малыми двигателями.