Эластомерные муфты: как они работают, типы и руководство по выбору

Что такое эластомерная муфта

Зажмите блок полиуретана между двумя стальными губками, прикрутите его к паре валов, и вы получите рабочий сердечник эластомерной муфты. Конструкция выглядит слишком простой для промышленного применения, однако эти муфты обычно круглосуточно переносят сотни ньютон-метров крутящего момента на насосы, вентиляторы и приводы конвейеров.

Эластомерная муфта соединяет два вращающихся вала с помощью металлических ступиц на обоих концах и неметаллического гибкого элемента — обычно резины или полиуретана — зажатого между ними. Эластомер выполняет три функции одновременно: передает крутящий момент от ведущего вала к ведомому валу, изгибается, поглощая небольшие перекосы валов, и смягчает трансмиссию от вибрации и ударных нагрузок. Именно эта комбинация является причиной того, что эластомерные конструкции доминируют в соединениях двигателя с насосом общего назначения и двигателя с вентилятором, где идеальное выравнивание валов редко бывает практичным, а небольшая встроенная прощающая способность экономит подшипники.

Как эластомерные муфты передают крутящий момент

В этих муфтах крутящий момент не проходит через контакт металл-металл — он проходит через эластомер, и то, как это происходит, разделяет категорию на два семейства.

Конструкции с нагрузкой на сжатие , как и в случае с кулачковыми и крестовинными муфтами, зажмите гибкий элемент между блокирующими выступами на каждой ступице. Когда ведущая ступица вращается, ее выступы прижимаются к лепесткам крестовины, которые, в свою очередь, давят на выступы ведомой ступицы. Элемент никогда не растягивается и не сдвигается, а только сжимается, что распределяет нагрузку на большую поверхность и продлевает срок службы.

Конструкции, нагруженные сдвигом Соединения типа штифт-втулка или шинные муфты воздействуют на эластомер скручивающим или изгибающим движением, а не с чистым сжатием. Такая геометрия часто обеспечивает больший путь изгиба и большую устойчивость к перекосам за счет несколько более низкой пиковой плотности крутящего момента по сравнению с типами сжатия.

Большинство эластомерных муфт также имеют встроенный запас прочности: если гибкий элемент изнашивается или выходит из строя, металлические ступицы во многих конструкциях создают кратковременный механический контакт, позволяя крутящему моменту сохраняться с пониженной мощностью достаточно долго для контролируемого отключения, а не для внезапной потери привода.

Распространенные типы эластомерных муфт

Не все эластомерные муфты выглядят одинаково, и различия имеют значение при выборе. Три конструкции охватывают большую часть промышленного применения.

• Кулачковые и крестовинные муфты используйте две втулки со сцепленными губками и звездообразной эластомерной крестовиной между ними. Они компактны, просты в обслуживании — крестовину можно заменить, не перемещая вал — и не допускают умеренного углового и параллельного смещения.
• Шинные муфты замените крестовину полной резиновой «шиной», обернутой вокруг обеих ступиц. Больший гибкий объем обеспечивает им самый широкий диапазон несоосности среди эластомерного семейства, а также прочную электрическую изоляцию между валами, что важно там, где блуждающие токи угрожают подшипникам.
• Эластичные штифтовые (штыревые и втулки) муфты проденьте металлические штифты в резиновых втулках через отверстия в двух соединительных фланцах. Стальные штифты несут большую прямую нагрузку, чем конструкция из чистого эластомера, что повышает крутящий момент, сохраняя при этом амортизацию.

Выбор эластомерного материала и твердости

Резиновый или полиуретановый блок выполняет больше инженерной работы, чем предполагает его простая форма, а выбранный сорт материала меняет поведение муфты под нагрузкой.

Натуральный каучук обеспечивает сильное гашение вибрации и хорошо работает в холодных условиях, но имеет ограниченную устойчивость к маслам и повышенным температурам. Полиуретан обменивает небольшое демпфирование на более высокий крутящий момент, лучшую износостойкость и гораздо лучшую маслостойкость, поэтому он доминирует в общем промышленном использовании. Специальные эластомеры, такие как Hytrel, устраняют этот пробел, сохраняя свои свойства в более широком диапазоне температур и в сложных условиях эксплуатации.

В любом материале твердость является переменной, определяющей производительность. Более мягкие соединения легче изгибаются и лучше гасят вибрацию, но передают меньший крутящий момент, прежде чем чрезмерно деформироваться; более твердые соединения несут больший крутящий момент и крепче удерживают нагрузку, за счет некоторого поглощения ударов. Производители оценивают это свойство по твердости по твердости, чаще всего по шкале Шора А, проверяемой по твердости. Стандарт ASTM для твердости резины при вдавливании . Более мягкий элемент с твердостью по Шору А 80–85 подходит для применений, где амортизация имеет наибольшее значение, а более жесткий элемент с твердостью по Шору А 95–98 подходит для приводов, которым требуется более высокая плотность крутящего момента при меньшей гибкости.

Компенсация несоосности и гашение вибрации

В реальном мире валы никогда не бывают идеально выровнены, и эластомерные муфты существуют в основном для того, чтобы сделать это несовершенство безвредным.

• Угловое смещение происходит, когда две осевые линии вала пересекаются под углом, а не идут параллельно. Эластомер изгибается неравномерно по окружности, поглощая это напряжение, не передавая изгибающую нагрузку на подшипники.
• Параллельное смещение происходит, когда оси валов остаются параллельными, но смещены из стороны в сторону. Гибкий элемент слегка срезается, чтобы закрыть зазор.
• Осевое (концевое плавающее) перемещение возникает в результате теплового расширения или изменения зазора подшипника. Большинство эластомерных конструкций допускают некоторое осевое скольжение без передачи осевых нагрузок обратно через трансмиссию.

Эффективность демпфирования обусловлена ​​той же гибкостью. При колебаниях крутящего момента — из-за скачков при запуске двигателя, неравномерной нагрузки на конвейере или циклической нагрузки в поршневом насосе — эластомер слегка растягивается и расслабляется, вместо того, чтобы проходить каждый пик напрямую. Это сглаживает крутильную вибрацию до того, как она достигнет подшипников и редукторов, что является основной причиной того, что эластомерные муфты часто превосходят жесткие соединения в приложениях с переменной нагрузкой.

Выбор подходящей эластомерной муфты

Выбор неправильного типа муфты является более распространенной причиной неисправности, чем выбор просто недостаточного размера. Короткая последовательность принятия решений позволяет сделать выбор обоснованным в реальных условиях эксплуатации.

1. Рассчитать пиковый крутящий момент , включая пусковой пуск и любые ударные нагрузки, и примените коэффициент эксплуатации (обычно 1,25–2,5), соответствующий приводимому оборудованию.
2. Оцените достижимое выравнивание. Если выравнивание при установке будет приблизительным или будет меняться со временем, отдайте предпочтение конструкции с большой способностью к смещению, такой как шинная муфта, а не типу губок с более жестким допуском.
3. Взвесьте воздействие вибрации и ударов. Поршневые компрессоры, дробилки и приводы конвейеров «старт-стоп» выигрывают от использования более мягких сортов эластомеров, в которых приоритет отдается демпфированию.
4. Проверьте операционную среду. Воздействие нефти предпочтительнее полиуретана по сравнению с натуральным каучуком; Большие перепады температур могут потребовать использования специального состава.
5. Подтвердите соответствие диаметра, скорости и размера относительно номинального диапазона производителя для включенного в короткий список семейства муфт.

Для более широкого применения эластомерных конструкций в сравнении с жесткими, зубчатыми и диафрагменными муфтами это Полное руководство по типам муфт вала двигателя более подробно проходит полное дерево решений.

Признаки технического обслуживания и неисправностей

Эластомерные муфты в основном не требуют технического обслуживания по сравнению со смазанными зубчатыми или решетчатыми конструкциями, но гибкий элемент изнашивается и заслуживает периодического внимания. Во время планового осмотра обращайте внимание на наличие трещин или дефектов на поверхности эластомера, видимого удлинения или постоянной деформации сжатой крестовины, заметного увеличения вибрации или шума в зоне соединения, а также любого затвердевания или изменения цвета, которые указывают на химическую или тепловую деградацию.

Положительная сторона эластомерной конструкции проявляется именно здесь: в большинстве муфт типа «кулачок», «шина» и «штифт-втулка» гибкий элемент можно заменить, не нарушая соосность вала и не вытягивая любую подключенную машину, превращая то, что на других типах муфт было бы капитальным ремонтом, в рутинную замену деталей. Исследуйте полный спектр конструкций гибких муфт для сравнения размеров отверстий, номинальных крутящих моментов и материалов элементов с конкретными требованиями привода.