Червячният редуктор е едно от най-старите и най-широко използвани механични задвижвания в индустриалните трансмисионни системи. Геометрията е усъвършенствана от ранната индустриална епоха, но инженерният принцип - стоманена червячна резба, плъзгаща се по бронзово червячно колело, за да се осигури високо намаление в единична мрежа - е останал по същество постоянен. Тази статия разглежда какво представлява червячният редуктор, как предава мощност, петте често срещани семейства, специфицирани в корейската и азиатската индустрия, и секторите на приложение, където този тип задвижване печели по инженерни причини, а не само по цена.

Червей-колело - как мощността се предава от стомана към бронз

Червячният редуктор предава въртящ момент чрез присъщо асиметрична двойка компоненти. Входната страна на червячния редуктор е закален стоманен червячен вал, нарязан с дълбока непрекъсната резба по цялата си дължина; изходната страна е бронзово червячно колело - диск с периферни зъби, оформени така, че да захващат тази резба, докато червякът се върти. Когато червякът се завърти с едно пълно завъртане, резбата му се движи по зъбите на колелото и го придвижва с брой зъби, равен на броя на започванията на резбата на червяка (обикновено един, два или четири). Следователно, предавателното число е равно на броя зъби на колелото, разделен на броя на започванията на резбата на червяка: колело с 30 зъба, задвижвано от еднозаходен червяк, дава редукция i=30.

Контактът между червяка и колелото е плъзгащ се, а не търкалящ се. Това е инженерното разграничение, което определя червячния редуктор в сравнение със спиралните, цилиндричните или конусните зъбни колела, където зъбите се търкалят един срещу друг. Плъзгащият контакт има две дълбоки последици. Първо, той генерира повече триене и следователно повече топлина, отколкото търкалящия контакт - което ограничава практическата ефективност на зацепването до 70-85% при едностепенни червячни геометрии, доста под 95-98%, постигнати от спиралните задвижвания. Второ, плъзгащият контакт при правилната геометрия води до самозаключване: червякът не може да бъде задвижван обратно от въртящ момент, приложен към колелото, защото триенето в контактната линия се съпротивлява на обратното въртене. Това второ свойство е причината, поради която асансьорите, повдигащите платформи и винтовите крикове в строителния и промишления сектор са предимно задвижвани от червяци.

Бронзовото колело е износващият се компонент. След десетки хиляди работни часове, зъбните му страни ерозират там, където се е плъзгал стоманеният червяк. Самият закален червячен вал на червячния редуктор остава практически неизносен през същия период - разлика в твърдостта от приблизително два порядъка гарантира, че мекият бронз поема износването. Това е така по конструкция: подмяната на износено бронзово колело чрез комплект за повторно назъбване струва около една трета от пълната подмяна на устройството, докато корпусът, лагерите и червячният вал остават годни за експлоатация през целия конструктивни живот на корпуса от над 100 000 часа.

За екипи по поддръжка, управляващи парк от инсталации, съчетано снабдяване двойки червей и червячно колело Времето за повторно назъбване е ключова част от стратегията за резервни части. Бронзовите колела и стоманените червячни валове се държат на склад с размери, съответстващи на рамки NMRV, WP, RV и Fenner, така че комплектът за повторно назъбване може да бъде специфициран според размера на рамката и предавателното число, без останалата част от червячния редуктор да е извън експлоатация за продължителен период от време.

Геометрия на изхода под прав ъгъл — защо е важна при тесни машинни конфигурации

Червячният редуктор естествено произвежда 90-градусова промяна на посоката на вала. Червячният вал е разположен по една ос; червячното колело е разположено перпендикулярно на нея по изходната ос. Тази геометрия под прав ъгъл прави червячния редуктор предпочитания избор за задвижване в тесни машинни конфигурации, където двигателят трябва да се закрепи с болтове към едната страна на рамката, а товарът трябва да се върти по перпендикулярна ос. Завъртането на 90 градуса е присъщо на геометрията, а не е външно допълнение към съединителя.

Сравнете това със спирална или цилиндрична скоростна кутия, където входният и изходният вал са успоредни – полезно за редови задвижващи механизми, но безполезно, когато оста на натоварване е перпендикулярна. Или с конусна скоростна кутия, където двете оси се пресичат, но изискват допълнителни производствени стъпки и по-строги допуски за монтаж. Червячните скоростни кутии осигуряват най-чистото завъртане на 90 градуса в най-малкия диапазон. За шайби на конвейерната глава, задвижвани от двигатели, монтирани по протежение на рамката на конвейера, за задвижвания на смесители, където двигателят е разположен хоризонтално, а оста на работното колело е вертикална, за задвижвания на въртящи се маси, където индексиращата ос трябва да се подравни с центъра на масата – всяка една от тези функции се възползва от присъщата правоъгълна архитектура на червячния редуктор.

Обяснение на коефициента на редукция — от i=5 до i=100 в един етап

Предавателното число на червячен редуктор е равно на броя зъби на червячното колело, разделен на броя на стартите на резбата на червячния вал. Колело с 30 зъба, задвижвано от едноходов червяк, произвежда i=30. Същото колело, задвижвано от двуходов червяк, произвежда i=15. Четириходов червяк произвежда i=7.5. Каталожните предавателни числа при i=5, 7.5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 80 и i=100 покриват стандартния диапазон на червячната скоростна кутия, въпреки че не всеки размер на рамката предлага всяко предавателно число.

Геометриите на едностепенните червячни редуктори на практика обхващат диапазони от i=5 до i=100. Под i=5 червячната резба става почти спираловидна, която вече не се самоблокира под товар; над i=100 ефективността на зацепването спада под 60% и скоростната кутия се превръща по-скоро в генератор на топлина, отколкото в предавател на въртящ момент. За приложения, изискващи по-високо редуциране - бавноскоростни бъркалки, пречистватели за отпадъчни води, задвижвания за слънчеви тракери - двустепенната спирално-червячна геометрия комбинира спирална първична степен с червячна вторична степен, разширявайки практическия диапазон на предавателното число до 3631:1 и повече при приемлива ефективност. Серията UNICASE SK 13xxx на Nord е каноничният пример; еквивалентът на Korea Ever-Power се доставя в големи количества в корейски и азиатски инсталации за отпадъчни води и преработвателни предприятия.

Вътре в корпуса — червяк, колело, лагери и уплътнения

Червячният редуктор е изграден около шест основни елемента вътре в корпуса си. Червячният вал е от цементирана легирана стомана — обикновено 20CrMnTi в азиатските и европейските каталози — с повърхностна твърдост от 56-62 HRC на контактната повърхност след шлайфане до фино покритие от 0,4 µm Ra. Червячното колело е от центрофугално лят бронз, като калаеният бронз CuSn12 (≈ ZQSn12-2 съгласно китайския GB/T 1176) е стандартният индустриален вариант, а алуминиевият бронз CuAl10Fe3 е високоциклично подобрение за приложения с повече от 1500 цикъла на повдигане годишно.

Лагерите са следващият критичен елемент на червячния редуктор. Ъглово-контактните двойки са разположени върху червячния вал, за да поемат значителния аксиален натиск, генериран от червячната резба под товар; конусните ролкови двойки са разположени върху изходния вал, за да се справят с тежките напречни товари, типични за ролките на конвейерите и верижните задвижвания. Уплътненията на вала при всяко проникване са Viton маншетни уплътнения - топлоустойчиви, маслоустойчиви, индустриалният стандарт, който замени по-ранните нитрилни каучукови материали преди десетилетия. Смазката е минерална CLP 220 в евтини стандартни пълнежи или синтетична PAG ISO VG 220 в инсталации, работещи непрекъснато при температура на маслена баня над 80°C.

Самият корпус определя екологичния рейтинг на устройството. Алуминиевите корпуси (типични за рамки с NMRV модел RV025 до RV090) са леки, разсейват бързо топлината и са подходящи за интеграция в OEM машини. Чугунените корпуси (типични за рамки с WP модел и по-големите RV110 до RV150) имат три пъти по-голяма топлинна маса и приблизително два пъти по-голяма структурна твърдост от алуминиево тяло с еквивалентен клас, което ги прави подходящи за тежка непрекъсната работа в запрашени среди. Корпусите от неръждаема стомана (по-рядък вариант, обикновено RV110 и нагоре) са подходящи за морски и хранителни приложения, където солената атмосфера или ежедневното измиване изключват боядисаното желязо.

Петте често срещани семейства червячни редуктори

Индустриалните каталози в Корея и Азия организират семействата червячни редуктори в пет модела, всеки с фини, но важни геометрични и материални различия. Изборът на правилното семейство за дадено приложение е първата стъпка от спецификацията, преди да се определи размерът на рамката и предавателното число.

ЯМРВ / ЕП-ЯМРВ — Стандарт за алуминиев корпус с италиански модел. Геометрия на едностепенен червяк; междуосови разстояния от 25 мм (NMRV025) до 150 мм (NMRV150); предавателни числа от i=7,5 до i=100 в единадесет каталожни стъпки; колело от калаен бронз със стоманена главина; стандарт за фланец на двигателя по IEC. Най-специализираното семейство червячни редуктори в азиатските производители на оригинално оборудване, включително корейския Ever-Power. MRV050 червячен редуктор и по-широкия вариант с изходен фланец EP-NMRV..F.

Семейство WP (WPA / WPS / WPO / WPDA / WPDS / WPWA / WPWO / WPWDKS) — Китайски индустриален модел. Чугунен корпус; по-тежък от NMRV; множество подтипове се различават по конфигурациите на входния и изходния вал. Буквите в кода идентифицират входната страна (S = плътен входен вал, A = адаптер за отделен двигател, K = комбиниран входен адаптер) и изходната страна (O = изходен фланец, DA = двоен вал, DKS = двоен вал с плътен изход). Чугуненият корпус прави агрегатите от WP-модел стандартни за циментови, минни и промишлени приложения с непрекъснат режим на работа.

RV / EP-RV — Вариант на червячен мотор с десен ъгъл, често използван за винтови задвижвания в конструкции с гъвкави конструкции и механизми за повдигане на сцени, където геометрията с десен ъгъл се подава директно към вертикален вал. Същите рамки за RV служат за обща промишлена употреба, където приложението се възползва от плътно интегриран адаптер за мотор.

Спирално-червей — Двустепенен хибрид, комбиниращ спирална първична степен с червячна вторична степен, разширяващ диапазона на предавателното число до 3631:1 и повече, като същевременно поддържа комбинирана ефективност над 80% в по-голямата част от диапазона. Серията UNICASE SK 13xxx на Nord и еквивалентите на SEW-Eurodrive определят тази категория в европейските каталози; Korea Ever-Power и други азиатски производители произвеждат размерно взаимозаменяеми заместители.

Универсален / Комбиниран — Специализирани агрегати, комбиниращи едностепенен червячен редуктор с планетарен или спирален входен етап за много високи предавателни числа (5000:1 и повече), използвани в задвижвания на валци в металургията, системи за въртене на пещи и други нишови приложения, където изискването за предавателно число надвишава това, което може да постигне двустепенен спирален червяк.

Самозаключващо се поведение — свойство за безопасност, което нищо друго няма

Самозаключващият се механизъм е свойството, което отличава червячния редуктор от спиралните, планетарните и конусните задвижвания в повдигателни приложения. В червячен редуктор, когато ъгълът на водещата част на червячната резба е достатъчно малък - което съответства на съотношения при i ≥ 30 надеждно и i = 15 до 25 частично - триенето при плъзгащия контакт се съпротивлява на всеки обратен въртящ момент от товара. Ако двигателят спре, товарът остава на място. Скоростната кутия не се движи по инерция и не се отклонява назад. Под i = 10 геометрията вече не е самозаключваща се и външната спирачка става задължителна за всяко повдигащо приложение.

Това механично свойство е причината, поради която асансьорите, винтовите крикове, ножичните повдигачи, строителните платформи с кофраж и механизмите за повдигане на сцени са предимно задвижвани от червяци. Винтовите и планетарните задвижвания се движат лесно назад под статично натоварване - те се нуждаят от активна спирачка, за да задържат позицията си. Червячният редуктор задържа позицията си пасивно чрез геометрия на триене, премахвайки един критичен режим на повреда в безопасността (неизправност на спирачката) от анализа на опасностите на повдигащото приложение.

Обърнете внимание, че корейските разпоредби за безопасност в строителството (Закон за безопасност и здраве при промишлеността) и еквивалентите им на повечето азиатски пазари все още изискват активна спирачка на платформите за повдигане на хора. Самозаключването е вторичният слой за безопасност след задвижваната спирачка, а не основният. Но резервирането е истинско и значително подобрява цялостната надеждност на асансьорната система - точно поради тази причина спецификациите, написани за платформи с гъвкави механизми и задвижвания на асансьори, постоянно изискват червячна геометрия, а не спирални или планетарни алтернативи.

Където червячните задвижвания печелят пред спиралните, конусните и планетарните алтернативи

Три характеристики на приложението налагат инженерния избор към червячен редуктор пред алтернативните геометрии на задвижването. Първо, високото намаляване в единична мрежа — геометрията на червяка осигурява i=100 в един етап, докато спиралните и конусните задвижвания се нуждаят от 2-3 етапа със съответните загуби по отношение на разходите и заеманото място. Второ, разположението на изхода под прав ъгъл е вградено в геометрията на червяка, а не се постига чрез външно свързване. Трето, самозаключващият се задържащ въртящ момент е уникален за червячните задвижвания; нищо друго не задържа позицията пасивно.

Където алтернативите печелят сравнението: ефективност (спирална при 95-98% спрямо червячна при 70-85%), хлабина (планетарна под 5 дъгови минути спрямо червячна обикновено при 30+ дъгови минути) и непрекъсната работа с висока скорост (спиралната се справя с входни обороти от 3000+ об/мин, където термичните граници на червячната система обикновено са ограничени до 1500 об/мин). За серво задвижвани индексиращи ротационни механизми, прецизни задвижвания с винтово подаване или приложения с високи обороти, планетарните или спиралните задвижвания са правилният избор. За всичко останало, където съотношението, разположението под прав ъгъл или самозаключващото се захващане имат значение - приложения, най-добре обслужвани от червячен редуктор - който покрива по-голямата част от приложенията за индустриални механични задвижвания - геометрията на червячната предавка остава инженерната настройка по подразбиране.

Индустрии, работещи с червячни задвижвания — бърза карта на секторите

В корейската и азиатската индустрия приложенията на червячните редуктори се групират в осем основни сектора. Всеки сектор има типични конвенции за размер на рамката, предавателно число, мощност на двигателя и материали на корпуса, разработени в продължение на десетилетия практически опит.

Индустриални конвейерни системи — Задвижванията на главата и ролките за средно тежки до тежкотоварни ремъчни и верижни конвейери са най-голямото приложение на червячни редуктори във всички сектори. Типичните рамки варират от NMRV063 (леки опаковъчни конвейери) до FU1000 или WPDA-180 (обработка на тежки насипни товари). Чугуненият корпус доминира над 2,2 kW.

Машини за опаковане и хранителни продукти — Картонизиращите машини, пълнителите, индексиращите машини и конвейерите за измиване работят с червячен редуктор. Алуминиевите корпуси се отличават тук с компактния си правоъгълен изход и гладките си външни повърхности, подходящи за измиване.

Строително повдигащо оборудване — Платформите с платформи за скачане, ножичните повдигачи и винтовите крикове използват самозаключващ се червячен редуктор, където самозаключването е определящият критерий за избор. Синхронният двигател на многокриковите платформи гарантира, че масивът се изкачва перфектно нивелирано цикъл по цикъл.

Бъркалки и миксери за технологични инсталации — Задвижвания с ниска скорост на смесване, при които високото предавателно число на червячния редуктор се среща с ниска изходна скорост (типично 3-15 об/мин). Чугуненият корпус поема радиалния момент от натоварването от теглото на работното колело.

Възобновяема енергия — Задвижванията на слънчеви тракери при i=100 до i=400 използват червячен редуктор за бавно и прецизно въртене, следвайки слънцето. Самозаключването държи панела срещу натоварване от вятър без активна спирачка.

Цимент, минно дело и минерали — Спомагателни задвижвания, работещи с силен прах, където чугуненият корпус издържа, докато по-леките алтернативи се повреждат в рамките на месеци. Сертификацията за прах ATEX Зона 22 е все по-често срещана при тези спецификации.

Отпадъчни води и отпадъчни води — Бавни задвижвания на скрепера, пречиствателя и аератора със скорости под 1 об/мин, постижими само чрез двустепенна спирално-червячна геометрия. Често срещани са варианти от боядисано желязо и неръждаема стомана.

Морски и офшорни — Задвижващи механизми за люкове, задвижвания на лебедки, повдигачи за катерещи се кофражи на пилони, където корпусите от неръждаема стомана издържат на солена атмосфера в продължение на много десетилетия.

Често задавани въпроси

Редактор: Cxm