Гибкая конструкция дисковой муфты: геометрия пакета дисков, ступицы и соответствие условиям применения

Три пакета дисков вышли из строя за четырнадцать месяцев на одном и том же компрессоре мощностью 250 кВт, и каждый раз ремонтная бригада заменяла муфту. Причиной стал осевой рост на 0,9 мм, который никто не предусмотрел в бюджете. После выравнивания в пакете оставалось менее 0,5 мм осевой нагрузки, поэтому каждый горячий пуск подталкивал пластины нержавеющей стали немного ближе к пределу усталости.

Эта история несет в себе вывод. Конструкция муфты с гибким диском не представляет собой расчет крутящего момента с примечанием о несоосности. Это поиск узкого диапазона, в котором муфта будет достаточно жесткой, чтобы передавать крутящий момент без накручивания и люфта, и достаточно гибкой, чтобы силы, которые она передает обратно в подшипники, болты и собственные пластины, остаются в пределах своих пределов усталости. Дизайн и выбор — это одна и та же проблема, если смотреть с противоположных концов предложения.

Как пакет дисков передает крутящий момент

Пакет дисков представляет собой стопку тонких листов нержавеющей стали, обычно толщиной от 0,2 до 0,5 мм, с перфорацией от шести до двенадцати звеньев, расположенных по окружности болта. Каждый лист поочередно крепится к двум ступицам с помощью подогнанных болтов, поэтому крутящий момент передается через звенья в виде напряжения на одной стороне муфты и сжатия на другой. Перекос компенсируется только изгибом листов. Ничего не скользит, ничего не смазано и ничего не сделано из резины.

Этот единственный факт объясняет весь характер конструкции: нулевой люфт, отсутствие изнашиваемых поверхностей, отсутствие стареющего или затвердевающего эластомера, а потолок температуры устанавливается ступицами, а не гибким элементом. Это также объясняет слабость. Муфта без скользящего интерфейса и почти без демпфирования имеет очень небольшую способность рассеивать энергию, поэтому какую бы нагрузку ни испытывали звенья, они испытывают их при каждом обороте в течение всего срока службы машины.

Ссылочный профиль — это первое настоящее дизайнерское решение. Прямостороннее звено концентрирует изгибающее напряжение вокруг отверстий для болтов. Зубчатое или узкое звено расширяет кривизну по своей длине: гибкость повышается, пиковое напряжение в отверстии падает, а вместе с ним падает и сила реакции, которую пакет толкает обратно в подшипники при заданном смещении. Цена — плотность крутящего момента, потому что зубчатый лист выдерживает меньший крутящий момент на миллиметр ширины, чем прямой, и пакет должен компенсировать это за счет большего количества слоев, большего количества болтов или большего диаметра. Толщина листа, количество слоев, ширина звеньев и количество болтов — это четыре переменные, которые определяют, на что способна готовая муфта.

Один диск или двойной диск: решение о перекосе

После того, как пакет определен, возникает вопрос, сколько пакетов потребуется для соединения. Однодисковый агрегат помещает один пакет между двумя ступицами. Он комфортно справляется с угловым и осевым смещением и плохо с параллельным смещением, что подходит для коротких, моноприводных приводов: сервоосей, небольших насосов и испытательных стендов, где оба вала уже находятся в пределах нескольких сотых миллиметра.

Двухдисковая муфта вставляет прокладку между двумя пакетами. Проставка преобразует параллельное смещение в угловое смещение в каждом пакете, что позволяет соединять двигатель и коробку передач на отдельных опорных плитах, не конфликтуя друг с другом. Длина проставки становится настоящей конструктивной переменной: она определяет, какое параллельное смещение может выдержать муфта, сколько она весит и насколько ее собственная масса и поведение при изгибе влияют на трансмиссию.

Компактные двухдисковые конструкции с короткими прокладками и ступицами зажимного типа распространены там, где оболочка плотная, но параллельное смещение все еще необходимо компенсировать, как в приводах станков и станков с ЧПУ.

RSK-CPLF Гибкая хомутовая муфта с двойной мембраной из алюминиевого сплава Компактная двухдиафрагменная зажимная муфта для ЧПУ, сервоприводов и шаговых приводов, со ступицами из алюминиевого сплава, диафрагмами из нержавеющей стали 304, высокой жесткостью, низкой инерцией и безлюфтовой передачей. Посмотреть продукт →

Коэффициенты жесткости, силы реакции и корпус подшипника

Номинальный крутящий момент определяет, выживет ли муфта. Жесткость решает, выживет ли все вокруг. Возьмем, к примеру, осевой случай, который чаще всего игнорируется на этапе котирования. Предположим, что нужная вам муфта имеет осевую жесткость около 250 Н/мм, что вполне реально для пакета дисков среднего размера, а вал увеличивается на 0,8 мм между холодным запуском и полной нагрузкой. Пакет будет непрерывно выталкивать обратно в подшипник примерно 200 Н в дополнение к нормальной нагрузке на подшипник. На небольшом двигателе этого достаточно, чтобы сократить срок службы подшипников с нескольких лет до месяцев, и никакой расчет крутящего момента никогда этого не покажет.

Торсионная жесткость работает в противоположном направлении. Он указывается в Нм на радиан или на градус, и чем он выше, тем точнее ведомый вал следует за двигателем. Для позиционирующих осей высокая жесткость на кручение вместе с нулевым люфтом является причиной выбора дисковой муфты. Для трансмиссии, которая должна проходить через крутильный резонанс во время разгона, такая же жесткость является проблемой, а низкое демпфирование делает пик более острым. Если приложение включает в себя большие двигатели, возвратно-поступательные нагрузки или работу с регулируемой скоростью, жесткость муфты относится к модели кручения, а не к сноске.

Практическое правило: вместе с предложением запросите у поставщика значения крутильной, осевой и радиальной жесткости, а не только номинальный крутящий момент и размер отверстия. Вы не можете проверить нагрузку на подшипник или резонанс, используя только показатель крутящего момента.

Болты, баланс и потолок скорости

Болтовое соединение — это часть конструкции, которую опыт эксплуатации наказывает в первую очередь. Установленные болты шлифуются до контролируемого зазора в рассверленных отверстиях, так что крутящий момент передается хвостовиком болта при сдвиге, а не за счет трения между пластинами. Это означает, что класс посадки имеет значение, а также метод фиксации, поскольку ослабленный болт меняет распределение нагрузки по всему пакету за один запуск.

Скорость — это второй потолок, и он не линейный. Остаточная сила дисбаланса растет пропорционально квадрату скорости вращения: дисбаланс около 1 г/мм создает примерно 1,1 Н вращающего усилия при 10 000 об/мин и примерно 4,4 Н при 20 000 об/мин. Качество баланса следует той же логике. Общепромышленные приводы обычно приемлемы при G6.3, высокоскоростные приводы и приводы станков обычно требуют G2.5, а для очень высокоскоростных или очень легких роторов может потребоваться G1. Выше номинальной скорости муфты никакая балансировка не помогает, поскольку ограничение возникает из-за центробежного напряжения в самом пакете дисков. Если рабочая точка расположена близко к этому потолку, единственным разумным решением будет специально разработанная высокоскоростная конструкция.

Материалы: пакеты из нержавеющей стали, стальные или алюминиевые втулки.

Пакет дисков почти всегда изготавливается из аустенитной нержавеющей стали, причем обычно выбирают марки 301 и 302 из-за сочетания усталостной прочности и коррозионной стойкости. Марки дисперсионного твердения, такие как 17-4 PH, используются там, где требуется более высокая прочность или устойчивость к более высоким температурам. В основе выбора материала лежит применение. Ступицы из алюминиевого сплава 6061 или 7075 сохраняют низкую инерцию, что важно для сервоосей, где каждый грамм вращающейся массы увеличивает размер двигателя. Ступицы из стали 1045 или сплава, часто с обработкой черным оксидом, доминируют в приводах тяжелой промышленности и с большим пролетом, а ступицы из нержавеющей стали используются там, где присутствует промывка или морская атмосфера.

Соединение ступицы с валом заслуживает большего внимания, чем обычно. Шпоночное соединение приводит к появлению люфта, который не может компенсировать никакой дисковый блок с нулевым люфтом, поэтому ступицы зажимного типа и узлы блокировки без ключа являются обычной спецификацией для позиционирующих и высокооборотных приводов. Окружающая среда, а не нагрузка, определяет обработку поверхности: чернение для слабокоррозионных внутренних установок, нержавеющая или гальваническая фурнитура для наружных и морских условий.

RSK-CPNLT Черненая ступенчатая двухмембранная зажимная муфта Коррозионностойкая черненая муфта для сервоприводов и шаговых приводов, со шпоночным пазом, диафрагмами из нержавеющей стали 304, ступицами из стали 45#, зажимными винтами и высокой жесткостью крутящего момента. Посмотреть продукт →

Допуски на месте: где хороший проект становится плохой установкой

Выравнивание на месте эксплуатации приводит к тому, что правильная конструкция становится неправильной установкой чаще, чем любая другая отдельная причина. Обычными целевыми показателями для дисковой муфты являются угловая погрешность менее 0,5 градуса и осевая регулировка от 0,5 до 1,5 мм, но эти цифры относятся к конкретному размеру и упаковке, поэтому их следует брать из технических данных поставщика, а не по привычке. Соосность следует проверять в холодном состоянии, а если машина перегревается, проверять еще раз при рабочей температуре, поскольку вал, рост которого составляет 2 мм при промежутке 100 мм, может поглотить весь осевой допуск муфты, которая была идеально выровнена на стенде.

Две привычки причиняют непропорциональный ущерб. Первый заключается в использовании стяжных болтов для стягивания двух валов вместе, что обеспечивает предварительную осевую нагрузку пакета еще до запуска машины. Второй измеряет только угловую погрешность и игнорирует параллельное смещение на двухдисковом агрегате, где проставка увеличивает ее до углового смещения на обоих пакетах. В конструкциях с выпадающими проставками проставку также необходимо поддерживать во время сборки, чтобы ее вес не сгибал пакеты до затяжки болтов.

Виды отказов, которые стоит учитывать при проектировании

Большинство сбоев во время эксплуатации происходят из-за небольшого количества узнаваемых закономерностей:

• Усталостные трещины, исходящие из отверстий под болты в звеньях диска, почти всегда являются результатом длительного смещения, превышающего номинал, а не перегрузки.
• Истирание и удлинение отверстия, вызванные микродвижениями в суставе, предварительная нагрузка которого потеряна.
• Ослабленные или отсутствующие контргайки после ремонта перераспределяют нагрузку на оставшиеся болты.
• Проскальзывание отверстия ступицы на валу из-за неправильной посадки или из-за шпоночного соединения, которое считалось достаточно плотным.
• Коррозионная точечная коррозия или коррозионное растрескивание под напряжением в промывной, прибрежной или химической атмосфере.
• Крутильный резонанс, возбуждаемый пульсациями крутящего момента с двойной линейной частотой, частотами прохождения лопастей или частотами зубчатого зацепления, при этом жесткость муфты никогда не учитывалась в модели трансмиссии.

Практическая последовательность выбора

Реальный порядок действий, независимо от того, проектируете ли вы муфту или покупаете ее:

1. Рассчитайте непрерывный крутящий момент по мощности и скорости: крутящий момент в Нм равен 9550 умножению мощности в кВт на скорость в об/мин.
2. Примените коэффициент эксплуатации, который соответствует приводимой машине, обычно от 1,5 до 2 для плавных нагрузок и 2,5 или более для возвратно-поступательного движения или работы с высокими ударными нагрузками.
3. Проверьте пусковой, тормозной и остановочный моменты по пиковому, а не постоянному номинальному значению.
4. Зафиксируйте рабочую скорость, затем выберите степень балансировки, которая действительно требуется для скорости.
5. Установите реальные перекосы: угловые, параллельные и осевые, холодные и горячие, включая производственные допуски между двумя машинами.
6. Преобразуйте несоосность в силу реакции, используя жесткость муфты, и прибавьте ее к нагрузке на подшипник.
7. Подтвердите диаметр отверстия, тип ступицы, шпоночное или зажимное соединение, длину проставки и доступный размер.
8. Подтвердите окружающую среду: температуру, влажность, химические вещества и частоту промывки.

Что входит в запрос

Поставщик, который запрашивает только диаметр отверстия и крутящий момент, не понял ваш привод, и полученное предложение будет номером по каталогу, а не решением. Отправляйте непрерывный и пиковый крутящий момент, скорость и рабочий цикл, все три компонента несоосности, температуру окружающей среды и рабочую температуру, подверженность коррозии, доступный диапазон, тип отверстия и соединения, а также степень балансировки, если скорость высокая. Эти восемь элементов представляют собой разницу между муфтой, которая спокойно переживет соседние с ней подшипники, и муфтой, которая становится плановым расходным материалом.

Если на одном и том же заводе эксплуатируется несколько типов муфт, от диафрагменных сервоприводов до тяжелых зубчатых муфт, общий справочник по выбору, охватывающий типы и стандарты муфт DIN, является полезным дополнением к единому предложению, поскольку он делает сравнение возможных конструкций конкретным, а не устным.

Типы муфт DIN, стандарты и руководство по выбору