Червячные редукторы: характеристики и методика расчета технических параметров
Червячные редукторы пользуются большим спросом по сравнению с другими видами приводных механизмов. Устройства, повышающие показатели крутящего момента за счет снижения угловой скорости вращения вала двигателя, повышают эффективность работы оборудования и продлевают его эксплуатационный срок. Редукторы с червячной передачей могут устанавливаться на насосную технику, транспортеры, конвейеры, элеваторы, эскалаторы, лифты и многие другие механизмы. Несмотря на востребованность устройств, их стоимость остается невысокой.
Прежде чем купить червячный редуктор, необходимо провести расчет его основных технических параметров: передаточного числа, габаритов, сервис-фактора, крутящего момента, радиальной нагрузки и др. О том, как это сделать правильно, читайте в нашей статье.
Как устроены червячные редукторы?
Червячные редукторы – одна из категорий механических преобразователей. Передача редукторов данного типа составлена из двух элементов: винта, который называется «червяк», и червячного колеса – одной из разновидностей косозубых колес.
Червячная передача входит в категорию зубчато-винтовых. Червяк – ее ведущее звено, а червячное колесо – ведомое. Валы этих деталей могут перекрещиваться под любым углом, но чаще всего он равняется 90 градусам. Когда червяк вращается, его витки передвигаются вдоль оси, двигая в том же направлении зубья колеса.
Контакт звеньев линейный, а не точечный, что является одним из достоинств червячной передачи перед винтовой зубчатой. У обода червячного колеса вогнутая форма, что отличает его от косозубого колеса. Такая форма, способствуя облеганию червяка, увеличивает площадь поверхности контакта. Резьба червячного винта может быть одно- или многозаходной, левой или правой.
Червячные передачи бывают двух видов:
- цилиндрические – червячные винты имеют цилиндрическую форму;
- глобоидные – с глобоидными червячными винтами.
Также червяки могут классифицироваться по форме профиля
- архимедов – прямолинейный трапецеидальный профиль;
- конволюнтный – прямолинейный профиль в сечении;
- эвольвентный – профиль в форме эвольвенты.
Передаточное отношение червячных редукторов ощутимо больше, чем у преобразователей с обычными зубчатыми передачами. И при этом червячные механизмы значительно компактнее. Благодаря возможности получить большое передаточное число, применяя всего одну ступень передачи, преобразователи востребованы в подъемно-транспортном машиностроении и станкостроении.
Все элементы червячной передачи помещаются в корпус, для изготовления которого в большинстве случаев используется чугун. Корпуса выпускаются в двух исполнениях:
- с двумя окнами на боковых стенках, служащими для ввода в корпус вала с червячным колесом при сборке механизма;
- с плоскостью разъема по оси вала червячного колеса.
Чтобы корпус имел необходимую жесткость, на боковых крышках предусмотрены высокие центрирующие бортики, а также шесть ребер жесткости.
Чаще других используются одноступенчатые червячные редукторы. Самые популярные модели:Ч, 2Ч, РЧН, РЧП.
Преимущества покупки редуктора с червячной передачей
При помощи редукторов с червячной передачи можно решать задачи, недоступные другим передаточным механизмам. Причиной популярности преобразователей стала не только низкая цена, но и большой список преимуществ.
У червячных редукторов валы скрещенные. Поэтому устройства имеют более компактные габариты, если сравнивать с цилиндрическими преобразователями. Это экономит место при комплектации редуктором привода машины.
Передаче червячного типа свойственен большой потенциал понижения частоты вращения и увеличения момента кручения. Поэтому даже у одноступенчатых червячных преобразователей передаточное число достигает 100. Чтобы достичь такого же результата, используя редуктор с цилиндрической или планетарной передачей, потребуется минимум три ступени. Поэтому по сравнению с цилиндрическими преобразователями с аналогичной передаваемой мощностью червячные стоят на порядок дешевле.
Из-за специфики зацепления для червячных устройств характерна низкая шумность. Поэтому их можно устанавливать в оборудовании с особыми требованиями к уровню шума привода. Кроме того, плавность хода у преобразователей с червячной передачей выше, чем у цилиндрических.
Самоторможение – отличительное свойство червячных редукторов. Отсутствие обратимости – второе название этого явления. Если ведущий вал остановлен, ведомый затормаживается. Повернуть его вручную будет невозможно. Это свойство проявляется, если передаточное число превышает 35. Это свойство может быть как плюсом, так и минусом – все зависит от сферы использования редуктора. Например, если преобразователь используется в подъемнике, то свойство самоторможения позволит сэкономить на установке дополнительного тормоза. А вот использовать такой редуктор в приводе многих видов станков, например, закаточных, будет ошибкой.
Если редуктор изготовлен с полым валом, то его можно установить прямо на вал приводимого механизма. Такие преобразователи называют насадными. Такой способ установки упрощает конструкцию механизма и уменьшает его габариты.
Какие минусы имеются у червячных редукторов?
К сожалению, несмотря на все достоинства, червячные редукторы можно задействовать далеко не всегда. Устройства имеют довольно много недостатков. Один из самых существенных – невысокий КПД, который еще и уменьшается, если передаточное число повышается.
Низкая эффективность работы влечет за собой потери энергии и, как следствие – сильный нагрев устройства. Неиспользованная кинетическая энергия переходит в тепло. Поэтому на корпусах преобразователей имеются ребра, улучшающие циркуляцию воздуха. Но в некоторых случаях этого недостаточно. Крупногабаритные преобразователи оборудованы вентиляторами. Иногда нужно организовывать принудительную циркуляцию смазочного материала в корпусе.
Не стоит использовать червячную передачу, если передаваемая мощность превышает 60 кВт. Для такого случая больше подойдет цилиндрический редуктор. В особых ситуациях, например, в лифтовых приводах, используются червячные редукторы с глобоидным червяком, которые могут работать с более высокой мощностью.
У любого типа преобразователей наблюдается люфт выходного вала. Но у червячных его величина больше, и в процессе эксплуатации механизма только увеличивается. Неравномерные нагрузки на выходном валу неподходящее условие для использования червячных редукторов. Режим частых запусков и остановок для этих преобразователей также не подходят.
Принято считать, что эксплуатационный ресурс червячных преобразователей меньше, чем цилиндрических. Из-за высокого трения в зацеплении элементы передачи действительно изнашиваются быстрее. Средний рабочий ресурс редукторов с червячной передачей – 10000 часов, цилиндрических – 25000.
Особенности эксплуатации преобразователей
Червячные редукторы востребованы там, где требуется недорогое оборудование для увеличения крутящего момента, нет значительных ударных нагрузок, невысокая периодичность включений механизмов. Рекомендации производителей по эксплуатации преобразователей рассмотрим ниже.
Если в самоторможении нет необходимости, а передаточное число должно превышать 25 рекомендуется использовать червячно-цилиндрические устройства. Благодаря уменьшению передаточного отношения на червячной ступени КПД такого редуктора будет выше. Ресурс работы оборудования увеличится, а потери энергии будут ниже.
Червячные редукторы нельзя монтировать в приводы оборудования, подвергающегося воздействию ударных нагрузок. Механизм будет перегреваться, его рабочий ресурс резко уменьшится.
Схема установки преобразователя в пространстве также имеет значение. Базовый и рекомендуемый всеми вариант: ось червяка снизу, а ось колеса – сверху.
Червячные редукторы не стоит применять в системах позиционирования. Люфт, который имеется в передаче, оказывает негативное влияние на точность. Хотя многое зависит от условий работы.
При выборе преобразователя следует учитывать наличие самоторможения и возможных негативных последствий этого явления. Например, не стоит устанавливать устройство на привод тележки, если иногда ее приходится передвигать вручную. Передвижение будет затруднено.
Перед тем, как запускать редуктор в работу, его обкатывают без использования нагрузки с целью приработки трущихся поверхностей. Для нормальной работы преобразователю с червячной передачей потребуется более густая смазка, чем редукторным механизмам других типов.
Чтобы работа преобразователя была эффективной, необходимо создать определенные эксплуатационные условия. Скорость вращения входного вала не должна превышать 1500 об/мин. Максимальная степень загрязнения атмосферы пылью – 10 мг/м3. Использование устройств в агрессивной и взрывоопасной среде не рекомендуется. Резких колебаний температуры и влажности лучше избегать. Если редуктор установлен на открытом воздухе, нужно позаботиться о наличии навеса, защищающего механизм от воздействия осадков.
Расчет технических параметров червячных редукторов
Расчет червячного редуктора должен производиться профессиональным инженером, имеющим соответствующий опыт. Верный выбор механизма влияет на эффективность его работы и срок службы. Многие поломки оборудования, а также его неправильная работа зачастую являются следствием ошибок, которые были допущены при расчете редуктора.
Для начала необходимо рассчитать сервис-фактор, то есть, степень влияния условий внешней среды на работу преобразователя. При расчете используется коэффициент эксплуатации S.f. Его определяет ежедневное время работы механизма и число включений. При этом учитывается характер нагрузок. Сервис-фактор, который был рассчитан, должен равняться рекомендуемым значениям, приведенным в таблицах, или быть меньше.
Чтобы провести точный расчет сервис-фактора червячного редуктора, нужно учитывать такие параметры:
- тип нагрузки оборудования: А, В, С;
- длительность рабочего времени – часов/день;
- частота пусков – запуск/час.
Для расчета используется формула:
fa = Je/Jm,
Je (кг/м2) – момент сниженной инерции внешней нагрузки на ведомом валу;
Jm (кг//м2) – момент инерции двигателя.
Второй этап – расчет крутящего момента червячного редуктора. Крутящим моментом называют физическую величину, которая характеризует вращательное действие силы на твердый предмет. Этот показатель определяет усилие на тихоходном (выходном) валу.
Для расчета крутящего момента используют формулу:
M2 = (P x 9550 x i x RD)/n1;
М2 – крутящий момент;
P – мощность двигателя;
i – передаточное число;
RD – КПД преобразователя;
n1 – количество оборотов двигателя.
Передаточное отношение – одна из самых важных характеристик червячного редуктора. Это величина, определяющая, во сколько раз преобразователем будут уменьшены передаваемые обороты и увеличен крутящий момент. Например, если передаточное число устройства равно 10, то обороты на выходе будут уменьшены в 10 раз. Соответственно, если вал двигателя, соединенного с редуктором, вращается со скоростью 1400 об/мин, то скорость вращения тихоходного вала преобразователя составит 140 об/мин.
Передаточное отношение рассчитывается по формуле:
i = n1/n2,
i – передаточное число;
n1 – количество оборотов электродвигателя;
n2 – количество оборотов выходного вала.
Радиальной называется нагрузка, которая прикладывается на ось вала в наиболее благоприятных условиях относительно направления и угла вращения. Максимально допустимая осевая нагрузка составляет пятую часть радиальной нагрузки. Если в редукторе используются двухсторонние валы с радиальной нагрузкой на обеих сторонах, их максимальное значение определяется в соответствии с условиями эксплуатации.
Для расчета радиальной нагрузки нужно использовать формулу:
Fre (Н) - результирующая радиальная нагрузка;
M (Нм) - крутящий момент на валу;
D (мм) - диаметр элемента трансмиссии, который установлен на валу;
Fr (N) - максимально допустимая радиальная нагрузка Fr1-Fr2;
fz = 1,1 ведущая шестерня;
1,4 – звездочка;
1,7 - v-шкив;
2,5 - плоский шкив.
Если к центральной оси вала не прикладывается результирующая радиальная нагрузка, то допустимую радиальную нагрузку Fr1-Fr2 нужно рассчитывать по формуле:
a , b – значения, указанные в таблице;
x = расстояние от точки приложения нагрузки до заплечика вала.
В таблице для входного вала указывается максимально допустимое значение Fr2. Оно не должно быть превышено, поскольку рассчитывается в зависимости от прочности корпуса. Если к центральной оси вала преобразователя не прикладывается результирующая радиальная нагрузка, то допустимую нагрузку Fr2 регулируют по такой формуле:
На сайте компании «Промпривод» представлены червячные редукторы Ч, 2Ч и РЧН. Цены на оборудование у нас на 3-10% ниже рыночных, гарантия действует в течение 12 месяцев. Если потребуется помощь в подборе подходящей модели или информация об условиях покупки, ее предоставят наши менеджеры.
