Червячный редуктор — один из старейших и наиболее широко используемых механических приводов в промышленных системах передачи. Его геометрия совершенствовалась с начала индустриальной эпохи, но принцип работы — стальная червячная резьба, скользящая по бронзовому червячному колесу для обеспечения высокого передаточного отношения в одном зацеплении — остался практически неизменным. В этой статье рассматривается, что такое червячный редуктор, как он передает мощность, пять распространенных типов, используемых в корейской и азиатской промышленности, а также области применения, где этот тип привода выигрывает не только по цене, но и по инженерным соображениям.

Червячная передача — как энергия передается от стали к бронзе

Червячный редуктор передает крутящий момент через по своей природе асимметричную пару компонентов. Входная сторона червячного редуктора представляет собой закаленный стальной червячный вал с глубокой непрерывной резьбой по всей длине; выходная сторона — бронзовое червячное колесо — диск с кольцевыми зубьями, форма которого позволяет ему зацепляться с резьбой при вращении червяка. При каждом полном обороте червяка его резьба перемещается вдоль зубьев колеса и перемещает колесо на количество зубьев, равное числу витков резьбы червяка (обычно один, два или четыре). Таким образом, передаточное отношение равно числу зубьев колеса, деленному на число витков резьбы червяка: 30-зубчатое колесо, приводимое в движение однозаходным червяком, дает передаточное отношение i=30.

Контакт между червяком и колесом происходит скольжением, а не качением. Это инженерное отличие червячного редуктора от косозубых, прямозубых или конических передач, где зубья катятся друг о друга. Скользящий контакт имеет два важных следствия. Во-первых, он создает больше трения и, следовательно, больше тепла, чем катящийся контакт, что ограничивает практическую эффективность зацепления до 70-85 Т/3Т в одноступенчатых червячных передачах, что значительно ниже 95-98 Т/3Т, обеспечиваемых косозубыми передачами. Во-вторых, скользящий контакт при правильной геометрии приводит к самоблокировке: червяк не может быть приведен в обратное вращение крутящим моментом, приложенным к колесу, поскольку трение в линии контакта препятствует обратному вращению. Именно это второе свойство объясняет, почему лифты, подъемные платформы и винтовые домкраты в строительной и промышленной отраслях преимущественно имеют червячный привод.

Износостойким элементом является бронзовое колесо. После десятков тысяч часов работы его зубья истираются в местах скольжения стального червяка. Сам закаленный вал червячной передачи остается практически неизношенным в течение того же периода — разница в твердости примерно в два порядка гарантирует, что износ приходится на мягкую бронзу. Это предусмотрено конструкцией: замена изношенного бронзового колеса с помощью комплекта для восстановления зубьев обходится примерно в треть стоимости полной замены узла, в то время как корпус, подшипники и вал червяка остаются пригодными к эксплуатации в течение всего срока службы корпуса, составляющего более 100 000 часов.

Для ремонтных бригад, обслуживающих парк оборудования, подбор оборудования имеет важное значение. червячные передачи и пары червячных колес Замена зубьев является ключевым элементом стратегии по обеспечению запасными частями. Бронзовые колеса и стальные червячные валы имеются в наличии, точно соответствующих размерам рам NMRV, WP, RV и Fenner, поэтому комплект для замены зубьев можно заказать в соответствии с размером рамы и передаточным отношением без необходимости вывода остальной части червячного редуктора из эксплуатации на длительный период.

Геометрия выходного отверстия под прямым углом — почему это важно при компактной компоновке оборудования.

Червячный редуктор естественным образом изменяет направление вращения вала на 90 градусов. Вал червяка расположен вдоль одной оси; червячное колесо перпендикулярно ей на выходной оси. Именно эта прямоугольная геометрия делает червячный редуктор предпочтительным вариантом привода в условиях ограниченного пространства, где двигатель должен быть прикреплен болтами к одной стороне рамы, а нагрузка должна вращаться вокруг перпендикулярной оси. Поворот на 90 градусов является неотъемлемой частью геометрии, а не дополнительной опцией муфты.

Сравните это с косозубым или прямозубым редуктором, где входной и выходной валы расположены параллельно — это полезно для линейных приводных систем, но бесполезно, когда ось нагрузки перпендикулярна. Или с коническим редуктором, где две оси пересекаются, но требуют дополнительных этапов изготовления и более жестких допусков при сборке. Червячные редукторы обеспечивают наиболее плавный поворот на 90 градусов в самых компактных размерах. Для шкивов конвейерной головки, приводимых в движение двигателями, установленными вдоль рамы конвейера, для приводов миксеров, где двигатель расположен горизонтально, а ось рабочего колеса вертикальна, для приводов поворотных столов, где ось индексации должна совпадать с центром стола — каждый из этих случаев выигрывает от присущей червячному редуктору прямоугольной конструкции.

Объяснение коэффициента снижения — от i=5 до i=100 за один этап

Передаточное число червячного редуктора равно количеству зубьев червячного колеса, деленному на количество витков резьбы вала червяка. Колесо с 30 зубьями, приводимое в движение однозаходным червяком, имеет передаточное число i=30. То же колесо, приводимое в движение двухзаходным червяком, имеет передаточное число i=15. Четырехзаходный червяк имеет передаточное число i=7,5. В каталоге указаны передаточные числа i=5, 7,5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 80 и i=100, которые охватывают стандартный диапазон передаточных чисел червячных редукторов, хотя не для каждого типоразмера рамы доступны все передаточные числа.

Геометрия одноступенчатых червячных редукторов практически охватывает диапазон значений i=5 до i=100. Ниже i=5 резьба червяка становится почти спиральной и перестает самоблокироваться под нагрузкой; выше i=100 КПД зацепления падает ниже 60%, и редуктор становится скорее источником тепла, чем передатчиком крутящего момента. Для применений, требующих более высокого передаточного отношения — низкоскоростных мешалок, отстойников сточных вод, приводов солнечных трекеров — двухступенчатая червячная передача сочетает в себе спиральную первичную ступень с червячной вторичной, расширяя практический диапазон передаточных отношений до 3631:1 и выше при приемлемом КПД. Классическим примером является серия UNICASE SK 13xxx от Nord; аналогичная продукция компании Korea Ever-Power поставляется в больших объемах на корейские и азиатские очистные сооружения и технологические установки.

Внутри корпуса — червяк, колесо, подшипники и уплотнения.

Червячный редуктор состоит из шести основных элементов, расположенных внутри корпуса. Вал червяка изготовлен из цементированной легированной стали — обычно 20CrMnTi в азиатских и европейских каталогах — с твердостью поверхности 56-62 HRC на контактной поверхности после шлифовки до мелкозернистой отделки Ra 0,4 мкм. Червячное колесо изготовлено из центробежно отлитой бронзы, при этом в качестве стандарта в отрасли используется оловянная бронза CuSn12 (≈ ZQSn12-2 согласно китайскому стандарту GB/T 1176), а в качестве высокоцикловой бронзы для применений с более чем 1500 циклами подъема в год — алюминиевая бронза CuAl10Fe3.

Подшипники являются следующим важнейшим элементом червячного редуктора. Угловые контактные пары устанавливаются на валу червяка, поглощая значительную осевую нагрузку, создаваемую резьбой червяка под нагрузкой; конические роликовые пары устанавливаются на выходном валу, чтобы выдерживать большие консольные нагрузки, характерные для шкивов головки конвейера и цепных приводов. Уплотнения вала в каждом месте прохода выполнены из витоновых сальников — термостойких, маслостойких, стандартных для промышленного применения, которые десятилетия назад заменили нитриловые резиновые материалы. В качестве смазки используется минеральная смазка CLP 220 в экономичных стандартных заправках или синтетическая PAG ISO VG 220 в установках, работающих при температуре масляной ванны выше 80 °C непрерывно.

Корпус сам по себе определяет экологический класс устройства. Корпуса из литого алюминия (типичные для рам NMRV-типа RV025–RV090) легкие, быстро рассеивают тепло и подходят для интеграции в оборудование OEM-производителей. Корпуса из чугуна (типичные для рам WP-типа и более крупных RV110–RV150) обладают в три раза большей тепловой инерцией и примерно в два раза большей жесткостью конструкции, чем алюминиевый корпус аналогичного класса, что делает их подходящими для интенсивной непрерывной работы в условиях высокой запыленности. Корпуса из нержавеющей стали (более редкий вариант, обычно RV110 и выше) предназначены для применения в морской и пищевой промышленности, где соленая атмосфера или ежедневная промывка исключают использование окрашенного чугуна.

Пять распространенных семейств червячных редукторов

В промышленных каталогах Кореи и Азии семейства червячных редукторов подразделяются на пять типов, каждый из которых имеет тонкие, но важные геометрические и материальные отличия. Выбор подходящего семейства для конкретного применения — это первый шаг в определении технических характеристик, предшествующий выбору размера рамы и передаточного отношения.

NMRV / EP-NMRV — Стандартный алюминиевый корпус итальянского образца. Одноступенчатая червячная передача; межосевые расстояния от 25 мм (NMRV025) до 150 мм (NMRV150); передаточные числа от i=7,5 до i=100 в одиннадцати ступенях каталога; колесо из оловянной бронзы со стальной ступицей; фланец двигателя стандарта IEC. Наиболее востребованное семейство червячных редукторов среди азиатских производителей оборудования, включая корейскую компанию Ever-Power. Червячный редуктор MRV050 а также более широкий вариант выходного фланца EP-NMRV..F.

Семейство WP (WPA/WPS/WPO/WPDA/WPDS/WPWA/WPWO/WPWDKS) — Китайская промышленная модель. Корпус из чугуна; более прочная, чем NMRV; несколько подтипов различаются конфигурацией входного и выходного валов. Буквы в коде обозначают входную сторону (S = цельный входной вал, A = адаптер для отдельного двигателя, K = комбинированный входной адаптер) и выходную сторону (O = выходной фланец, DA = двухвальный узел, DKS = двухвальный цельный выход). Чугунный корпус делает агрегаты WP стандартными для цементной, горнодобывающей и промышленной отраслей, работающих в режиме непрерывной нагрузки.

RV / EP-RV — Вариант двигателя с червячной передачей под прямым углом, часто используемый в приводах винтовых домкратов в опалубочных конструкциях и механизмах подъема сцен, где геометрия под прямым углом напрямую передает нагрузку на вертикальный вал. Те же самые рамы автодомов используются в общем промышленном применении, где преимуществам является плотно интегрированный адаптер двигателя.

Спиральный червь — Двухступенчатый гибрид, сочетающий спиральную первичную ступень с червячной вторичной, расширяющий диапазон передаточных чисел до 3631:1 и выше, при этом сохраняя суммарный КПД выше 80% на большей части диапазона. Серия UNICASE SK 13xxx от Nord и ее аналоги SEW-Eurodrive определяют эту категорию в европейских каталогах; Korea Ever-Power и другие азиатские производители выпускают взаимозаменяемые по размерам запасные части.

Универсальный / Комбинированный — Специальные узлы, сочетающие одноступенчатый червячный редуктор с планетарной или косозубой входной ступенью для очень высоких передаточных чисел (5000:1 и выше), используемые в приводах роликов в металлургии, системах вращения печей и других нишевых областях применения, где требуемое передаточное число превышает возможности двухступенчатого червячного редуктора.

Самоблокирующийся механизм — свойство безопасности, которого нет ни у чего другого.

Самоблокировка — это свойство, отличающее червячный редуктор от косозубых, планетарных и конических передач в подъемных механизмах. В червячном редукторе, когда угол захода резьбы червяка достаточно мал (что соответствует передаточным отношениям i ≥ 30 надежно и i = 15–25 частично), трение в зоне скольжения препятствует возникновению обратного крутящего момента от груза. Если двигатель останавливается, груз остается на месте. Редуктор не движется накатом и не смещается назад. При i < 10 геометрия перестает быть самоблокирующейся, и для любого подъемного механизма становится обязательным использование внешнего тормоза.

Именно это механическое свойство объясняет, почему лифты, винтовые домкраты, ножничные подъемники, строительные платформы и подъемные механизмы для сцен преимущественно имеют червячный привод. Косозубые и планетарные приводы легко возвращаются в исходное положение под статической нагрузкой — им необходим активный тормоз для удержания положения. Червячный редуктор удерживает положение пассивно за счет трения, исключая один из критических режимов отказа (неисправность тормоза) из анализа опасностей при подъемных работах.

Следует отметить, что корейские правила техники безопасности в строительстве (Закон о промышленной безопасности и охране труда) и аналогичные нормы на большинстве азиатских рынков по-прежнему требуют наличия активного тормоза на подъемных платформах. Самоблокировка является дополнительным уровнем безопасности после механического тормоза, а не основным. Однако резервирование является подлинным и существенно повышает общую надежность подъемной системы — именно поэтому в технических условиях для подъемных платформ и лифтовых приводов неизменно указывается червячная передача, а не винтовая или планетарная.

Червячные передачи превосходят винтовые, конические и планетарные передачи.

Три характеристики применения склоняют инженеров к выбору червячного редуктора вместо альтернативных вариантов геометрии привода. Во-первых, высокое передаточное число в одном зацеплении — червячная геометрия обеспечивает передаточное число i=100 за одну ступень, тогда как для косозубых и конических передач требуется 2-3 ступени с соответствующими затратами и габаритами. Во-вторых, угловая компоновка выходного вала заложена в геометрию червяка, а не достигается за счет внешней муфты. В-третьих, самоблокирующийся удерживающий момент является уникальной особенностью червячных передач; ничто другое не удерживает положение пассивно.

В сравнении альтернативы выигрывают по следующим параметрам: эффективность (винтовые редукторы с передаточным отношением 95-981 TP3T против червячных с 70-851 TP3T), люфт (планетарный редуктор менее 5 угловых минут против червячного с люфтом более 30 угловых минут в среднем) и непрерывная высокоскоростная работа (винтовой редуктор справляется с входной скоростью более 3000 об/мин, тогда как тепловые пределы червячного редуктора обычно составляют 1500 об/мин). Для сервоприводных индексирующих роторов, прецизионных винтовых приводов или высокоскоростных применений правильным выбором являются планетарные или винтовые редукторы. Для всего остального, где важны передаточное отношение, угловая компоновка или самоблокирующееся крепление — применений, для которых лучше всего подходит червячный редуктор, — что охватывает большую часть промышленных механических приводов, — червячная геометрия остается инженерным стандартом.

Отрасли, работающие на червячных накопителях — краткая карта отраслей.

В корейской и азиатской промышленности червячные редукторы подразделяются на восемь основных секторов. Для каждого сектора разработаны типичные размеры корпуса, передаточное число, мощность двигателя и материалы корпуса, основанные на многолетнем опыте эксплуатации.

Промышленные конвейерные системы — Приводы шкивов для ленточных и цепных конвейеров средней и высокой мощности являются наиболее распространенным типом червячных редукторов во всех отраслях. Типичные рамы варьируются от NMRV063 (легкие упаковочные конвейеры) до FU1000 или WPDA-180 (для тяжелых грузов). Корпуса из чугуна преобладают в моделях мощностью более 2,2 кВт.

Упаковочное и пищевое оборудование — Картонные машины, разливочные машины, индексаторы и конвейеры для мойки — все они работают на червячном редукторе. Алюминиевые корпуса здесь превосходят другие благодаря своей компактности, прямоугольному расположению выходного отверстия и гладкой внешней поверхности, удобной для мойки.

Строительное подъемное оборудование — В подъемных платформах, ножничных подъемниках и винтовых домкратах используется самоблокирующийся червячный редуктор, причем самоблокировка является определяющим критерием выбора. Синхронный входной сигнал двигателя на многодомкратных платформах обеспечивает идеально ровное перемещение конструкции цикл за циклом.

Технологические мешалки и смесители — Низкоскоростные смесительные приводы, в которых высокое передаточное число червячного редуктора сочетается с низкой выходной скоростью (типичное значение 3-15 об/мин). Чугунный корпус поглощает радиальный момент от нагрузки, создаваемой весом рабочего колеса.

Возобновляемая энергия — В приводах солнечных трекеров с параметрами i=100–i=400 используется червячный редуктор для медленного и точного вращения вслед за солнцем. Самоблокировка удерживает массив от ветровой нагрузки без активного тормоза.

Цемент, горнодобывающая промышленность и полезные ископаемые — Вспомогательные приводы, работающие в условиях сильной пылезащиты, где чугунный корпус выдерживает нагрузку, в то время как более легкие аналоги выходят из строя в течение нескольких месяцев. Сертификация ATEX Zone 22 по пылезащитным характеристикам становится все более распространенной для таких спецификаций.

Сточные воды и стоки — Медленные приводы скребков, отстойников и аэраторов, работающие на скоростях ниже 1 об/мин, достигаются только с помощью двухступенчатой ​​червячной передачи. Распространены варианты как из окрашенного чугуна, так и из нержавеющей стали.

Морская и шельфовая — Приводы люков, приводы лебедок, подъемники для подъема пилонов и опалубки, где корпуса из нержавеющей стали выдерживают воздействие соленой атмосферы на протяжении многих десятилетий эксплуатации.

Часто задаваемые вопросы

Редактор: Cxm