Что вызывает нагрев червячной передачи

Проверка червячной передачи на нагрев

Червячные передачи работают с большим тепловыделением. Между тем нагрев масла до температуры, превышающей предельную » 95 о С, приводит к потере им защитной способности и к опасности заедания в передаче. Расчет при установившемся тепловом состоянии производят на основе теплового баланса, т.е. приравнивая тепловыделение теплоотдаче.

Поверхность охлаждения корпуса редуктора определяется по зависимости:

, м 2 (3.22)

где а_w в м.

При наличии вентилятора часть поверхности корпуса, обдуваемая им, определяется как .

Для удовлетворительной работы червячного редуктора, установленного на раме, необходимо обеспечить условие:

1). Редуктор без искусственного охлаждения:

(3.23)

где N₁ – мощность на валу червяка, кВт; К_т = 9…17 — коэффициент теплоотдачи (большие значения для хороших условий охлаждения), Вт/м 2 × о С; t_раб – температура корпуса передачи при установившемся режиме работы; t₀=20° – температура окружающего воздуха; y=0,25…0,3 — коэффициент, учитывающий отвод тепла от корпуса в металлическую раму или плиту (при установке корпуса на бетонном или кирпичном фундаменте y=0); [t]_раб=95°С – максимально допустимая температура нагрева масла в масляной ванне редуктора.

2). Редуктор с искусственным охлаждением:

Искусственный обдув осуществляется вентилятором, устанавливаемым на валу червяка. Воздушное охлаждение значительно проще и дешевле водяного, поэтому оно получило наибольшее распространение. Оно более эффективно при расположении червяка под червячным колесом, так как в этом случае воздушный поток охлаждает масляную ванну.

(3.24)

где К_тв коэффициент теплоотдачи обдуваемой части корпуса (табл.3.7).

nв, об/мин

Ктв, Вт/м 2 ×°С

Здесь n_в – частота вращения вентилятора.

Если охлаждение вентилятором недостаточно, то применяют водяное охлаждение или увеличивают размеры корпуса редуктора (передачи).

Список использованной литературы

1. Буланже, А.В., Методические указания по расчёту зубчатых передач редукторов и коробок скоростей/ Н.В.Палочкина, Л.Д.Часовников.– М.: МВТУ, 1980.

2. Гузенков, П.Г. Детали машин: Учеб. пособие для студентов втузов/ П.Г.Гузенков. – М.: Высш. школа, 1982.-351 c.

3. Иванов, М.Н. Детали машин/ М.Н. Иванов – М.: Высш. школа, 1991.-383 c.

4. Решетов, Д.Н. Детали машин: Учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов/Д.Н. Решетов-М.: Машиностроение, 1989.-496 с.

5. Чернавский, С.А. Проектирование механических передач: Учебно-справочное пособие для втузов/С.А. Чернавский, Г.А. Снесарев, Б.С. Козинцов.-М.: Машиностроение, 1984.-560 с.

6. Полетаев, В.П. Расчет зубчатых цилиндрических пердач: Методические указания к курсовому проекту/В.П.Полетаев, А.А.Усов.-Вологда: ВоГТУ, 2003.-20с.

Недостатки червячных редукторов и построенных на них приводов

Недостатки червячных редукторов и построенных на них приводов

1. КПД червячного редуктора ниже, чем КПД цилиндрического. Причём КПД снижается с увеличением передаточного отношения. Это влечёт за собой потери энергии — фактор, который в современном мире ни в коем случае нельзя сбрасывать со счетов. Например, КПД червячного редуктора Ч-80 с передачей 1:80 российского производства составляет 58%. Остальные 42% — потери на необратимое рассеяние энергии. Этот недостаток обусловлен повышенным по сравнению с другими типами передач трением скольжения витков червяка о зубья червячного колеса. В этом смысле червячная передача похожа на передачу «винт-гайка скольжения», тоже не отличающуюся высоким КПД. В период приработки под нагрузкой в течение 200…250 часов КПД может составлять 90% от номинального.

2. Нагрев. Это – следствие предыдущего недостатка. Та кинетическая энергия, которая не была передана червячной передачей, превращается в тепло. Не зря на корпусах именно червячных редукторов выполнены рёбра, делающие их похожими на батареи центрального отопления. Некоторые крупногабаритные червячные редукторы поставляются с вентиляторными крыльчатками на свободном торце быстроходного вала. В других случаях приходится организовывать принудительную циркуляцию масла в корпусе редуктора. Сказанное относится к редукторам с большой передаваемой мощностью (свыше 4…5 кВт). В случаях с меньшей мощностью дополнительные меры по отводу тепла, как правило, не требуются. Однако, нагрев корпуса червячного редуктора при его работе всегда имеет место.

3. Самоторможение (подробнее – см. п. 5 «преимуществ»). Его появление иногда вредно – в тех случаях, когда выходной вал требуется провернуть без включения привода червячного редуктора.

4. Ограничения по передаваемой мощности. Технической литературой не рекомендуется использовать червячную передачу при передаваемой мощности более 60 кВт (источник – Справочник конструктора-машиностроителя В. И. Анурьева, т. 2, стр. 606, издание 2001 г.). Червячные редукторы на более высокую мощность, однако, существуют. Это, в основном, глобоидные червячные редукторы, применяемые в специальных случаях (например, приводы лифтов и подъёмнкиов). И всё же при выборе редуктора на такую мощность рекомендуется преимущество отдать цилиндрическим типам редукторов. Насколько мне известно, ведущие зарубежные производители червячных редукторов в основной своей массе выпускают червячные редукторы на передачу мощности до 15 кВт.

5. Люфт выходного вала. Такой люфт существует в любом из типов редукторов, однако, в червячных редукторах его величина, как правило, больше и увеличивается по мере износа.

6.Ресурс червячных редукторов принято считать ниже, чем цилиндрических. Это очень условное утверждение, но из-за наличия повышенного по сравнению с другими типами редукторов трения скольжения в зацеплении износ действительно имеет место. Российские производители редукторов предоставляют следующие данные по параметрам рабочего ресурса редукторов с разными типами передач:

• Червячные — не менее 10 000 часов;
• Цилиндрические редукторы — не менее 25 000 часов (данные завода «Редуктор», Санкт-Петербург).

7. Работа червячного редуктора в условиях неравномерных нагрузок на выходном валу, а так же при частых пусках-остановах не рекомендуется.

Расчет червячной передачи на нагрев

Расчет на нагрев производится исходя из сравнения теплоты, выделяемой червячной передачей, и теплоты, отдаваемой в окружающую среду при установившемся тепловом состоянии.

Тепловой поток, выделяемый червячной передачей в единицу времени, Дж/с:

где Р — мощность на червяке, кВт; т)_черв — КПД червячной передачи.

Тепловой поток, отдаваемый в окружающую среду передачей в единицу времени, Дж/с:

где Ау — коэффициент тепловой отдачи с поверхности корпуса, Вт/(м — С); t₂ — температура масла, °С; t_l — температура окружающего воздуха, °С; А — площадь поверхности корпуса (включается половина поверхности ребер), м (табл. 7.4); у — коэффициент, учитывающий теплоотвод через основание.

Из условия баланса теплоты, приравняв Q_x и Q₂ при известных значениях г|_черв, Л» ^т> h и Л, найдем температуру масла с проверкой условия

где И — допустимая температура (в зависимости от вида масла |/| = = 60-90°, а И_тах = 95-110°С).

Зависимость площади поверхности охлаждения корпуса А (без учета ребер) от межосевого расстояния a_w

Особенности конструкции червячного редуктора

Основной конструктивный элемент редуктора — червячный вал, непосредственно на который передается усилие от приводного двигателя. Червячный вал представляет собой ось с нарезанной резьбой крупного шага. Чаще всего форма зуба резьбы близка к трапецеидальному, но существуют модификации с архимедовым, конволютным или эвольвентным профилем. Вал входит в зацепление с червячным колесом, на котором нарезаны косые зубья. При вращении червяка происходит смещение витков резьбы, которое и вызывает вращение рабочей шестерни.

Отличительная особенность такого редуктора — перпендикулярное расположение осей червячного вала и шестерни. Благодаря этому существенно уменьшены габариты механизма и появилась возможность увеличить передаточное число при заданных габаритах конструкции.

За счет увеличения площади соприкосновения основных рабочих элементов реализована возможность передачи высокого крутящего момента. При этом повышение сил трения обеспечивает эффект самоторможения механизма после остановки приводного двигателя. То есть, появилась возможность точно зафиксировать выходной вал в требуемом положении. Кроме того, провернуть вал вручную при остановленном двигателе невозможно. Эта особенность позволяет обеспечить безопасность эксплуатации лифтов, подъемных устройств, а также повысить точность работы автоматизированных приводов различного назначения.

Особенности конструкции червячного редуктора

Червячный редуктор представляет собой, как правило, червячную передачу, за­ключённую в корпус. Основными элементами передачи являются червяк 7 и червячное колесо 11 (рис. 1), оси вращения валов которых перекрещиваются обычно под углом 90°. Движение в редукторе передается от червяка к червяному колесу и пре­образуется по принципу винтовой пары.

Достоинством червячных редукторов является возможность передачи движения под прямым углом, а также реализация одной червячной парой (ступенью) большего передаточного отношения (до 80) по сравнению с зубчатой передачей (до 10). При этом червячная передача вследствие хорошей приработке трущейся пары работает более бесшумно и плавно, чем зубчатая передача.

К недостаткам червячных передач относится то, что при скольжении витков червяка по зубьям червячного колеса выделяется много тепла и происходит интен­сивный износ трущихся пар. Поэтому в червячных редукторах надо отводить тепло.

Для этого червяки изготавливают из углеродистых или легированных сталей. Их витки шлифуют и полируют. Зубья же червячных колёс чаще всего выполняют из бронзы. Самые лучшие антифрикционные свойства у пары стальной червяк — оловянно-фосфористая бронза типа Бр. ОФ 10-1 и др. Однако, оловянные бронзы доро­ги и дефицитны и их применяют для изготовления зубьев червячных колес при ско­рости скольжения в передаче 5 … 25 м/с. Безоловянные бронзы, например алюминиево-железистые типа Бр. АЖ 9-4 и др., дешевле оловянных бронз, менее дефи­цитны и их применяют для изготовления червячных колес, при скорости скольже­ния в передаче 2…5 м/с. При скорости скольжения меньше 2 м/с применяют серый (ГОСТ 1412-85) или модифицированный чугун.

Для уменьшения расхода дорогостоящей бронзы при изготовлений червячного колеса его делают составным: зубчатый венец изготовляют из бронзы, а ступицу — из чугуна или стали.

В зацеплении червячной передачи возникают большие радиальные и осевые силы, поэтому на валы передачи устанавливают радиально-упорные шариковые или роликовые конические подшипники, воспринимающие такие нагрузки.

Основным отличием редуктора от передачи является наличие корпуса, который служит опорой для валов с подшипниками и зубчатыми колесами, ограждает их от вредного влияния окружающей среды и позволяет организовать смазку трущихся элементов передачи: зубчатых колёс и подшипников.

Корпус червячного редуктора так же, как и корпус зубчатого редуктора, имеет сложную конфигурацию и изготавливается при серийном производстве литьём из серого чугуна или алюминиевых сплавов. При индивидуальном производстве кор­пус может быть выполнен в виде стальной сварной конструкции.

Корпус служит опорой вращающихся деталей редуктора, изолирует их от вред­ного влияния окружающей среды и позволяет организовать их смазку.

Для удобства монтажа корпус червячного редуктора имеет большие боковые крышки (при межосевом расстоянии передачи aw

≤160
мм
) или горизонтальную плоскость разъёма (при
aw>
160
мм
).

На корпусе червячного редуктора предусмотрены следующие специальные приливы: лапы для установки редуктора на опорную раму или плиту, бобышки или гнезда для установки в корпус валов с подшипниками, проушины для подъёма и транспортировки редуктора или его корпусных деталей и фланцы для крепления крышек к корпусу. Оребрение корпуса увеличивает площадь поверхности его теп­лообмена с окружающим холодным воздухом и служит для дополнительного охла­ждения передачи. С этой же целью в случае необходимости дополнительно ставят вентилятор на валу червяка для увеличения скорости теплообмена.

Для заливки масла в редуктор и периодического контроля состояния элементов червячной передачи в корпусе есть смотровой люк с крышкой. Для слива отрабо­танного масла в нижней части корпуса предусмотрено отверстие, закрываемое пробкой. Уровень масла в редукторе контролируется с помощью маслоуказателя.

В целом, червячные редуктора дороже и сложнее зубчатых, поэтому их приме­нение оправдано там, где невозможно или нерационально использовать зубчатые редуктора.

Существующие типы типов редукторов

В зависимости от назначения и конструктивного исполнения червячные редукторы могут отличаться параметрами основных рабочих элементов:

• Червячный вал имеет одно-, двух- или четырехзаходную резьбу с различным шагом.
• Червячное колесо может располагаться над, под или сбоку от основного вала.

Именно от этих конструктивных особенностей и зависит передаточное число и габариты механизма.

Одноступенчатый червячный редуктор

Этот вид оборудования получил наибольшее распространение. Визуально одноступенчатый червячный редуктор можно определить по перпендикулярному расположению входного и выходного вала.

Отличается более простой конструкцией, обеспечивающей повышенную надежность механизма. Может работать в системах электропривода с постоянной или изменяющейся нагрузкой. Допускается реверсирование направления вращения рабочего вала. Могут иметь исполнение с валами на входе и выходе или с фланцами для подключения электродвигателя и обслуживаемого оборудования. КПД одноступенчатого червячного редуктора может достигать 70–80%.

Двухступенчатый червячный редуктор

Используется при необходимости существенного увеличения крутящего момента и снижения скорости вращения вала. Отличается повышенным передаточным числом. Оси входного и выходного валов этого механизма расположены параллельно.

По сути, представляют собой два одноступенчатых редуктора, размещенных в общем корпусе. Комбинация различных ступеней делает возможность повышения передаточного числа механизма до нескольких тысяч единиц. Чаще всего такие механизмы используются в установках, для которых важна высокая кинетическая точность работы.

Увеличение числа червячных пар приводит к уменьшению КПД механизма, который обычно не превышает 40–50%. Кроме того, установки этого класса подвержены перегреву при эксплуатации в режимах с повышенными нагрузками. Отметим и более сложное техническое обслуживание редуктора по сравнению с одноступенчатыми модификациями.

Виды червячных редукторов

Червячные редукторы могут существенно отличаться в зависимости от области применения механизма.

Основные отличия, которые могут использоваться в конструкции:

• Разное число заходов;
• Материал детали;
• Направление резьбы;
• Профиль резьбы;
• Типами применяемого винта.

Данные отличия могут присутствовать в различных сочетаниях. Какие виды червячных редукторов использовать решает инженер на стадии проектирования и разработки устройств и механизмов, использующих такие типы передачи крутящего момента.

Область применения

Учитывая особенности конструкции, червячные редукторы получили наибольшее применение в следующих промышленных механизмах:

• Конвейерное оборудование различного типа.
• Подъемники и лифтовое хозяйство.
• Электроприводы раздвижных и распашных ворот.
• Механизмы систем автоматического управления технологическими процессами.
• Насосы и компрессорные установки.

В большинстве случаев червячные редукторы используются в условиях ограниченного рабочего пространства при необходимости обеспечить значительное повышение крутящего момента и снижение скорости вращения вала. Чаще всего это характерно для компактных тихоходных механизмов.

Подробнее о технологии
Червячные редуктора предназначены для изменения крутящего момента и частоты вращения при использовании червяной передачи, которая состоит из червяка и червячного колеса. Ведущим звеном обычно является червяк.

Недостатками червяной передачи являются: сравнительно низкий КПД, большие потери на трение (тепловыделение), повышенный износ и склонность к заеданию, повышенные требования к точности сборки, необходимость регулировки и специальных мер по интенсификации теплоотвода.

Примеры применения финишного плазменного упрочнения на практике

Услуги Применение Оборудование

С целью повышения надежности и долговечности деталей червячных редукторов предлагается использовать процесс финишного плазменного упрочнения с нанесением износостойкого покрытия толщиной до 3 мкм на рабочие поверхности червячных валов. Нанесенное покрытие обладает повышенной твердостью, не изменяет своих свойств до температур 1200˚С, обладает химической инертностью, низким коэффициентом трения, диэлектрическими свойствами, имеет высокую адгезию к основе, улучшает параметры исходной шероховатости, обеспечивает возможность нанесения покрытия на выполненные по окончательным размерам рабочие поверхности.

Испытания, проведенные в ЗАО « (Санкт-Петербург), одноступенчатого универсального редуктора РЧ100-31.5-52, собранного с червяком, изготовленным из стали Ст45 после ФПУ рабочих поверхностей витков увеличило нагрузочную способность редуктора по крутящему моменту на 25%, КПД вырос с 75 до 81% (увеличение на 6%).

Преимущества и недостатки

Среди основных преимуществ червячного редуктора выделяют следующие эксплуатационные характеристики:

• Увеличенное передаточное число механизма, которое может достигать 1 к 110 и даже более для спецмодификаций.
• Высокая плавность хода, отсутствие рывков при запуске электропривода.
• Малошумность редуктора, позволяющая использовать его даже в жилых помещениях.
• Эффект самоторможения, обеспечивающий остановку и фиксацию выходного вала в требуемом положении.

Отметим, что при соизмеримом передаточном числе и передаваемой мощности червячные редукторы имеют более компактные габариты. Благодаря этому могут использоваться в приводах установок, к которым предъявляются жесткие требования по размерам.

Но следует отметить и негативные моменты, обусловленные конструкцией червячного редуктора:

• Повышенное трение между рабочими элементами редуктора приводит к снижению КПД механизма.
• По этой же причине существенно увеличен и нагрев редукторов червячного типа.
• Увеличенный люфт выходного вала, который растет на протяжении всего периода эксплуатации. Это обусловило меньший рабочий ресурс механизма.
• Червячные редукторы целесообразно использовать только при передаваемой мощности не более 60 кВт. При этом большинство импортных модификаций имеют еще более жесткие ограничения в пределах 15 кВт.
• Не рекомендуется применять оборудование этого типа в механизмах, работающих в режиме с частыми пусками.

Обращаем внимание — из-за высоких значений сил трения механизм чувствителен к качеству и соблюдения периодичности смазки, качеству используемых смазочных материалов. Нарушение регламента техобслуживания приводит к повышению рабочей температуры механизма, снижению его надежности и сокращению общего рабочего ресурса.

Недостатки червячных редукторов

Данный механизм имеет и недостатки, которые накладывают значительные ограничения на использование червячной передачи, если мощность агрегата превышает 60 кВт. К недостаткам редуктора этого типа относятся:

Низкий КПД

В сравнении с другими устройствами по трансформации крутящего момента, КПД червячного редуктора значительно ниже, поэтому там, где не требуется высокая плавность хода и низкий уровень шума, данные механизмы не применяются по экономическим соображением.

Нагрев

Несмотря на то, что червячная передача находится в рабочей смазке в течение всего срока эксплуатации, все равно происходит значительный нагрев в результате трения металлического червяка и ведомой шестерни.

Особенно сильно этот нежелательный эффект проявляется, если мощность агрегата превышает 16 кВт.

Невозможно применить данную конструкцию, если мощность передаваемого крутящего момента слишком велика

Особенности конструкции, а также низкий КПД не позволяют использовать данное устройства для мощных установок. Наиболее распространённые механизмы, в которых реализованный способ червячной передачи крутящего момента не превышает значения 15 кВт.

Большой люфт между валами

Данная проблема проявляется при значительном износе червячного привода и имеет большее значение, чем в других видах передаточных механизмов.

На что обращать внимание при выборе червячного редуктора

При выборе червячного редуктора обязательно обращайте внимание на следующие конструкционные особенности и технические характеристики:

• Необходимое взаимное расположение входного и выходного валов.
• Допустимые габаритные размеры с учетом особенностей оборудования, к которому предполагается подключение.
• Требуемое передаточное число и величину мощности с которой придется работать.
• Создаваемый при работе уровень шума.

Обращаем внимание на тот факт, что в промышленных установках различного назначения большее применение получили именно отечественный редукторы червячного типа, так как они обладают большим запасом прочности и рабочим ресурсом. А вот в системах автоматизации с редукторами небольших габаритных размеров лучше себя зарекомендовали импортные механизмы.

Преимущества червячных редукторов

Среди преимуществ этого механизма по трансформации крутящего момента можно выделить следующие достоинства:

Высокое передаточное число

Червячный редуктор позволяет передавать крутящий момент с соотношением до 1000/1, что практически невозможно реализовать при других технических решениях.

Компактность

Червячный одноступенчатый редуктор имеет небольшие габариты, поэтому данный механизм и двигатель могут быть объединены в одном корпусе.

Бесшумность

В сравнении с другими редукторами, червячный механизм производит меньший уровень шума во время работы.

Плавность хода

Передача крутящего момента посредством червячного редуктора, позволяет добиться идеальной плавности хода подключённых к данному устройству механизмов.

Отсутствие обратного хода

Если передаточное число червячного редуктора превышает значение 35/1, полностью отсутствует эффект «обратного хода». Ведущее колесо в этом случае невозможно провернуть и при небольшом угле подъёма червяка. Если данный показатель будет слишком мал, то блокировка обратного хода произойдёт и при меньшем передаточном соотношении.