Flexibilný dizajn diskovej spojky: Geometria disku, náboje a prispôsobenie aplikácie

Za štrnásť mesiacov na tom istom kompresore s výkonom 250 kW zlyhali tri sady diskov a zakaždým, keď tím údržby vymenil spojku. Príčinou bol axiálny rast o 0,9 mm, s ktorým nikto nepočítal. Po zarovnaní zostalo v balení menej ako 0,5 mm axiálnej kapacity, takže každý horúci štart posunul nerezové laminácie o niečo bližšie k ich limitu únavy.

Tento príbeh prináša záver. Konštrukcia flexibilnej kotúčovej spojky nie je výpočtom krútiaceho momentu s poznámkou pod čiarou nesúososti. Ide o hľadanie úzkeho pásma, kde je spojka dostatočne tuhá, aby prenášala krútiaci moment bez navíjania alebo vôle, a dostatočne pružná, aby sily, ktoré prenáša späť do ložísk, skrutiek a vlastných lamiel, zostali v medziach ich únavy. Dizajn a výber sú rovnaký problém, videný z opačných koncov cenovej ponuky.

Ako súprava diskov prenáša krútiaci moment

Balík diskov je zväzok tenkých plechov z nehrdzavejúcej ocele, zvyčajne s hrúbkou 0,2 mm až 0,5 mm, prerazených šiestimi až dvanástimi článkami usporiadanými okolo kruhu svorníka. Každý list je upevnený striedavo k dvom nábojom nasadenými skrutkami, takže krútiaci moment prechádza cez články ako napätie na jednej strane spojky a stlačenie na druhej strane. Nesúososť je absorbovaná iba ohýbaním plechov. Nič sa nešmýka, nič sa nemaže a nič nie je z gumy.

Tento jediný fakt vysvetľuje celý charakter dizajnu: nulová vôľa, žiadne opotrebiteľné povrchy, žiadny elastomér, ktorý by starol alebo vytvrdzoval, a teplotný strop nastavený skôr nábojmi ako flexibilným prvkom. Vysvetľuje to aj slabosť. Spojka bez klzného rozhrania a takmer bez tlmenia má veľmi malú schopnosť rozptýliť energiu, takže akékoľvek napätie, ktoré spojky vidia, vidia pri každej otáčke počas celej životnosti stroja.

Odkazový profil je prvým skutočným návrhovým rozhodnutím. Priamy článok sústreďuje ohybové napätie okolo otvorov pre skrutky. Vrúbkovaný alebo vrúbkovaný článok šíri zakrivenie pozdĺž svojej dĺžky: pružnosť stúpa, vrcholové napätie v otvore klesá a reakčná sila, ktorú balenie tlačí späť do ložísk pri danom nesúosí, klesá spolu s ním. Cena je hustota krútiaceho momentu, pretože vrúbkovaný plech nesie menší krútiaci moment na milimeter šírky ako rovný a balenie ho musí obnoviť s viacerými vrstvami, väčším počtom skrutiek alebo väčším priemerom. Hrúbka plechu, počet vrstiev, šírka spoja a počet skrutiek sú štyri premenné, ktoré rozhodujú o tom, čo dokáže hotová spojka.

Jeden disk alebo dvojitý disk: Rozhodnutie o nesprávnom usporiadaní

Keď je balenie definované, otázkou je, koľko balení potrebuje spojka. Jednodisková jednotka umiestni jedno balenie medzi dva náboje. Pohodlne zvláda uhlové a axiálne posunutie a zle paralelné posunutie, čo vyhovuje krátkym, tesne spriahnutým pohonom: servoosi, malé čerpadlá a testovacie zariadenia, kde oba hriadele už sedia v rozmedzí niekoľkých stotín milimetra.

Dvojkotúčová spojka vkladá medzi dve balenia dištančnú vložku. Dištančná vložka premieňa paralelný posun na uhlové posunutie v každom balení, čo umožňuje pripojenie motora a prevodovky na samostatných základových doskách bez vzájomného boja. Dĺžka rozpery sa potom stáva skutočnou konštrukčnou premennou: určuje, koľko paralelných presadení môže spojka absorbovať, koľko váži a ako veľmi jej vlastná hmotnosť a ohybové správanie ovplyvňujú hnaciu sústavu.

Kompaktné dvojkotúčové konštrukcie s krátkymi dištančnými vložkami a upínacími nábojmi sú bežné tam, kde je obálka tesná, ale stále musí byť absorbované paralelné posunutie, ako v prípade pohonov obrábacích strojov a CNC.

Pružná upínacia spojka z hliníkovej zliatiny RSK-CPLF s dvojitou membránou Kompaktná dvojmembránová upínacia spojka pre CNC, servo a krokové pohony, s nábojmi z hliníkovej zliatiny, 304 nerezovými membránami, vysokou tuhosťou, nízkou zotrvačnosťou a prevodom bez vôle. Zobraziť produkt →

Pomery tuhosti, reakčné sily a nosný zákon

O tom, či spojka prežije, rozhoduje krútiaci moment. O tom, či všetko okolo prežije, rozhoduje tuhosť. Zoberme si axiálny prípad, ktorý sa vo fáze cenovej ponuky najčastejšie ignoruje. Predpokladajme, že spojka, ktorú potrebujete, má axiálnu tuhosť približne 250 N/mm, čo je realistický údaj pre strednú veľkosť disku, a hriadeľ narastie o 0,8 mm medzi studeným štartom a plným zaťažením. Blok bude tlačiť približne 200 N späť do ložiska nepretržite, navyše k normálnemu zaťaženiu ložiska. Na malom motore to stačí na skrátenie životnosti ložísk z rokov na mesiace a žiadny výpočet krútiaceho momentu to nikdy neodhalí.

Torzná tuhosť pôsobí v opačnom smere. Udáva sa v Nm na radián alebo stupeň a čím je vyššia, tým presnejšie sleduje hnaný hriadeľ motor. Pre polohovacie osi je vysoká torzná tuhosť spolu s nulovou vôľou dôvodom, prečo sa disková spojka vôbec volí. Pre hnaciu sústavu, ktorá musí prejsť torznou rezonanciou počas rozbehu, je rovnaká tuhosť nevýhodou a nízke tlmenie robí vrchol ostrejším. Ak aplikácia zahŕňa veľké motory, vratné zaťaženie alebo prevádzku s premenlivou rýchlosťou, tuhosť spojky patrí skôr do torzného modelu ako do poznámky pod čiarou.

Praktické pravidlo: vyžiadajte si od dodávateľa hodnoty torznej, axiálnej a radiálnej tuhosti spolu s cenovou ponukou, nielen menovitý krútiaci moment a veľkosť otvoru. Zaťaženie ložiska alebo rezonanciu nie je možné skontrolovať iba pomocou krútiaceho momentu.

Skrutky, vyváženie a rýchlostný strop

Skrutkový spoj je časť konštrukcie, ktorú skúsenosti v teréne trestajú ako prvé. Namontované skrutky sú brúsené s kontrolovanou vôľou vo vystružených otvoroch, takže krútiaci moment je prenášaný driekom skrutky v šmyku a nie trením medzi lamelami. To znamená, že na triede prispôsobenia záleží a rovnako aj na spôsobe uzamykania, pretože uvoľnená skrutka zmení rozloženie zaťaženia na celé balenie jediným štartom.

Rýchlosť je druhým stropom a nie je lineárna. Zvyšková sila nevyváženosti rastie s druhou mocninou rýchlosti otáčania: približne 1 g-mm nevyváženosti vytvára približne 1,1 N rotačnej sily pri 10 000 ot./min. a približne 4,4 N pri 20 000 ot./min. Kvalita vyváženia sa riadi rovnakou logikou. Všeobecné priemyselné pohony sú zvyčajne prijateľné pri G6.3, vysokorýchlostné pohony a pohony pre obrábacie stroje zvyčajne vyžadujú G2.5 a veľmi vysokorýchlostné alebo veľmi ľahké rotory môžu potrebovať G1. Nad menovitými otáčkami spojky nepomáha žiadne vyvažovanie, pretože limit pochádza z odstredivého napätia v samotnom zväzku kotúčov. Ak je prevádzkový bod blízko stropu, jedinou rozumnou odpoveďou je účelový vysokorýchlostný dizajn.

Materiály: Nerezové obaly, oceľové alebo hliníkové náboje

Balenie diskov je takmer vždy austenitická nehrdzavejúca oceľ, pričom 301 a 302 sú bežnou voľbou kvôli ich kombinácii únavovej pevnosti a odolnosti proti korózii. Stupne vytvrdzovania zrážaním ako 17-4 PH sa objavujú tam, kde sa vyžaduje vyššia pevnosť alebo vyššia teplotná schopnosť. Hub je miesto, kde výber materiálu nasleduje aplikáciu. Náboje z hliníkovej zliatiny v 6061 alebo 7075 udržujú nízku zotrvačnosť, čo je dôležité na servo osiach, kde každý gram rotujúcej hmoty pridáva na veľkosti motora. Oceľové náboje z 1045 alebo zliatiny, často s úpravou čiernym oxidom, dominujú ťažkým priemyselným pohonom a pohonom s dlhým rozpätím a nerezové náboje sa používajú tam, kde je prítomná oplachovacia alebo morská atmosféra.

Pripojenie náboja k hriadeľu si zaslúži viac pozornosti, než sa mu zvyčajne dostáva. Spojenie s kľúčom vytvára vôľu, ktorú nemôže kompenzovať žiadna súprava diskov s nulovou vôľou, takže náboje typu svoriek a zostavy bezkľúčového uzamykania sú bežnou špecifikáciou pri polohovaní a pohonoch s vysokým spätným chodom. O povrchovej úprave rozhoduje skôr prostredie ako záťaž: černenie pre mierne korozívne vnútorné zariadenia, nerezové alebo pokovované kovanie pre vonkajšie a námorné prevádzky.

RSK-CPNLT začiernená dvojitá membránová upínacia spojka Čiernaná spojka odolná voči korózii pre servo a krokové pohony s drážkou pre pero, 304 nerezovými membránami, 45# oceľovými nábojmi, upínacími skrutkami a vysokou tuhosťou krútiaceho momentu. Zobraziť produkt →

Tolerancie lokality: Kde sa dobrý dizajn stáva zlou inštaláciou

Zarovnanie v teréne premení správny návrh na nesprávnu inštaláciu častejšie ako ktorákoľvek iná príčina. Bežné ciele pre kotúčovú spojku sú uhlová chyba pod 0,5 stupňa a axiálne nastavenie v rozmedzí 0,5 až 1,5 mm, ale tieto čísla patria ku konkrétnej veľkosti a baleniu, takže by mali pochádzať skôr z údajového listu dodávateľa než zo zvyku. Zarovnanie by sa malo skontrolovať za studena a ak stroj beží za tepla, znova overiť pri prevádzkovej teplote, pretože hriadeľ, ktorý narastie o 2 mm v rozpätí 100 mm, môže spotrebovať celú axiálnu toleranciu spojky, ktorá bola na stole dokonale vyrovnaná.

Dva zvyky spôsobujú neúmerné škody. Prvým je použitie spojovacích skrutiek na sťahovanie dvoch hriadeľov k sebe, čím sa balík axiálne predpína ešte pred spustením stroja. Druhým je meranie iba uhlovej chyby a ignorovanie paralelného odsadenia na dvojkotúčovej jednotke, kde ju dištančná vložka zväčšuje do uhlového posunu pri oboch baleniach. Pri konštrukciách výsuvných rozpier musí byť rozpera tiež podopretá počas montáže tak, aby jej hmotnosť neohýbala balenia pred utiahnutím skrutiek.

Režimy zlyhania, ktoré stojí za to navrhnúť

Väčšina porúch v prevádzke sa spája s malým počtom rozpoznateľných vzorov:

• Únavové praskliny vyžarujúce z otvorov pre skrutky v článkoch kotúča, takmer vždy sú výsledkom trvalého nesúosovosti nad menovitým výkonom a nie preťaženia.
• Odieranie a predĺženie otvoru spôsobené mikropohybom v spoji, ktorého predpätie sa stratilo.
• Uvoľnené alebo chýbajúce poistné matice po prestavbe, čo prerozdeľuje zaťaženie medzi zostávajúce skrutky.
• Vŕtanie náboja prekĺzlo na hriadeli v dôsledku nesprávneho uloženia alebo spojenia s perom, o ktorom sa predpokladalo, že je dostatočne tesné.
• Korózna jamka alebo korózne praskanie pod napätím v oplachovej, pobrežnej alebo chemickej atmosfére.
• Torzná rezonancia vybudená zvlnením krútiaceho momentu s dvojnásobnou frekvenciou, frekvenciami prechodu lopatiek alebo frekvenciami záberu ozubených kolies, kde tuhosť spojenia nebola nikdy zadaná do modelu hnacej sústavy.

Praktická výberová sekvencia

Funkčné poradie operácií, či už spojku navrhujete alebo kupujete:

1. Vypočítajte trvalý krútiaci moment z výkonu a otáčok: krútiaci moment v Nm sa rovná 9550-násobku výkonu v kW vydelený rýchlosťou v ot./min.
2. Použite servisný faktor, ktorý odráža poháňaný stroj, zvyčajne 1,5 až 2 pre hladké zaťaženie a 2,5 alebo viac pre vratný pohyb alebo prevádzku s vysokým nárazom.
3. Skontrolujte štartovacie, brzdové a pádové momenty podľa maximálnej hodnoty, nie podľa priebežnej hodnoty.
4. Upravte prevádzkovú rýchlosť a potom vyberte stupeň vyváženia, ktorý rýchlosť skutočne vyžaduje.
5. Stanovte skutočnú nesúososť: uhlové, paralelné a axiálne, studené a horúce, vrátane výrobných tolerancií medzi týmito dvoma strojmi.
6. Premeňte nesúososť na reakčnú silu pomocou tuhosti spojky a pridajte ju k zaťaženiu ložiska.
7. Potvrďte dieru, typ náboja, drážku alebo svorku, dĺžku rozpery a dostupnú obálku.
8. Potvrďte prostredie: teplota, vlhkosť, chemikálie a frekvencia umývania.

Čo patrí do dopytu

Dodávateľ, ktorý požaduje iba vŕtanie a krútiaci moment, nepochopil váš pohon a ponuka, ktorá sa vráti, bude skôr katalógovým číslom ako riešením. Pošlite nepretržitý a špičkový krútiaci moment, rýchlosť a pracovný cyklus, všetky tri komponenty nesúosovosti, okolitú a prevádzkovú teplotu, vystavenie korózii, dostupnú obálku, typ otvoru a pripojenia a stupeň vyváženia, ak je rýchlosť vysoká. Týchto osem položiek je rozdiel medzi spojkou, ktorá pokojne prežije ložiská vedľa nej, a spojkou, ktorá sa stane plánovaným spotrebným materiálom.

Ak ten istý závod prevádzkuje niekoľko typov spojok, od servomembránových jednotiek až po ťažké ozubené spojky, všeobecný výberový odkaz pokrývajúci typy spojok DIN a normy je užitočným doplnkom k jedinej cenovej ponuke, pretože porovnanie medzi kandidátskymi návrhmi robí konkrétnym namiesto slovného.

Typy spojok DIN, normy a sprievodca výberom