Приводы вращающихся рабочих органов

С точки зрения самоустанавливаемости, большая часть проблем здесь связана с хорошо известным правилом: «Не ставь жесткий вал на три опоры».

Сразу оговоримся, что главным образом это правило относится к опорам, представляющим собой подшипники, установленные в съемных корпусах на больших станинах, где посадочные места затруднительно или невозможно обработать с одной установки. При некоторых условиях многоопорные валы работают нормально. Например, жесткий коленчатый вал четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания благополучно опирается на пять коренных подшипников. Но эти подшипники выполнены расточкой с одной установки в одной детали – картере двигателя, а опирающиеся на них коренные шейки (шипы) вала прошлифованы также с одной установки. Поэтому пять таких подшипников и коленвал можно рассматривать как одну длинную цилиндрическую  кинематическую пару.

Здесь мы рассмотрим случаи, когда установка жесткого вала более, чем на две опоры приводит к ускоренному износу или поломкам механизма. Характерным примером может служить привод канатного барабана всякого рода лебедок.

Еще несколько десятилетий назад была распространена схема привода, конечным звеном которой была цепная или открытая зубчатая передача. При этом ведомая звездочка или зубчатое колесо закреплялось на теле барабана, а сам барабан опирался своими цапфами на два сферических подшипника. Эти подшипники, благодаря свойству самоустанавливаемости, компенсировали все неточности изготовления барабана и рамы лебедки и на уровне барабана никаких проблем не возникало.

Некоторые проблемы были с цепной или открытой зубчатой передачей: большие габариты, проблема смазки, некачественное зацепление с ведомым звеном и связанный с этим ускоренный износ и т.п.  Стремление устранить эти проблемы привело к применению схем привода барабана непосредственно от закрытых зубчатых передач (редукторов).

Здесь возникли трудности, которые удовлетворительно решаются различными способами, например, с помощью получившей широкое распространение схемы, показанной на рис. 3.4.1.

Рис. 3.4.1.

Здесь барабан левой стороной опирается через сферический шарнир на консольный конец выходного вала редуктора, а крутящий момент передается с этого вала на барабан через зубчатую муфту. Неточности изготовления и монтажа всех элементов системы компенсируются подвижностями сферического шарнира и зубчатой муфты. Схема хорошо работает, но имеет серьезный недостаток – неблагоприятное распределение нагрузки между подшипниками. Наиболее нагружен правый подшипник вала редуктора. Его нагрузка (реакция Rпр1) может превышать внешнюю рабочую нагрузку (натяжение каната FR), приложенную к барабану.

Известны и другие схемы привода, более или менее успешно решающие проблему избыточных связей, но поиски новых решений продолжаются. Видимо, это связано со стремлением избавиться от каких-либо промежуточных звеньев между редуктором и барабаном и использовать имеющиеся в редукторе подшипники в качестве опор барабана. Кроме того, заманчива возможность уменьшить габариты лебедки, путем приближения редуктора к барабану, а в идеале – путем встраивания редуктора в барабан.

И здесь, наряду с успешными, встречаются ошибочные решения. Одно из них показано на рис. 3.4.2.

Рис. 3.4.2.

Здесь выходной вал редуктора жестко состыкован с барабаном, а корпус редуктора и корпус подшипника правой опоры барабана жестко закреплены на станине. Получается жесткий вал на трех опорах со всеми негативными последствиями. Любое отклонение от соосности вала редуктора и корпуса правой опоры вызывает здесь практически не поддающиеся расчету изгибные нагрузки на вал и барабан и «лишние» радиальные нагрузки на подшипники. При удовлетворительной точности они приводят к ускоренному износу подшипников, а при больших отклонениях – к раздавливанию подшипников или к поломкам опорных лап редуктора или других крепежных элементов системы. К этому же приводит и любое отклонение от номинального положения посадочных мест в правой и левой частях барабана, которые невозможно рентабельно обработать с одной установки.

То, что все три подшипника сферические, не меняет дела, поскольку при такой схеме подшипники редуктора практически полностью, а подшипник правой опоры в значительной мере утрачивают свое свойство самоустанавливаемости.

Это ошибочное решение встречается не только в единичных изделиях, выполненных неспециализированными предприятиями. Иногда этим грешат и весьма авторитетные фирмы. Примером может служить комплект привода для канатного барабана, предлагаемый фирмой «Rexroth» и выполненный на базе гидравлического мотор-редуктора серии GFT.  Три следующих рисунка взяты с официального сайта российского представительства фирмы www.boschrexroth.ru, в первом из них только добавлены стрелки, для выделения нужных элементов.

Рис. 3.4.3. Разрез по оси планетарного мотор-редуктора и выносной опоры барабана.

Рис. 3.4.4. Мотор-редуктор и выносная опора, соединенные с барабаном.

Как видно по рис. 3.4.5., фирма предлагает два варианта исполнения привода. В левой части показано исполнение (Representation A) для короткого барабана, опирающегося только на вращающийся корпус мотор-редуктора. Неподвижная часть мотор-редуктора жестко закреплена на станине лебедки.

Это исполнение не вызывает никаких возражений. Здесь схема нагружения двух конических подшипников мотор-редуктора (указаны стрелками на рис. 3.4.3.) идентична схеме, в которой вместо барабана установлено ходовое колесо какой-нибудь мобильной техники. То есть, мотор-редуктор работает также как в составе мотор-колеса, где в основном и используются редукторы такого типа.

Рис. 3.4.5.

Ситуация кардинально меняется при переходе ко второму исполнению привода (Representation B на рис. 3.4.5.). Это исполнение для длинного барабана, который левой стороной опирается точно также как в первом исполнении, а правой стороной – на выносную опору с радиальным подшипником с короткими цилиндрическими роликами (см. рис. 3.4.3).

Здесь к уже имеющимся двум коническим роликовым подшипникам, на которых установлен очень жесткий вал (барабан), добавляется третий подшипник. То есть получается жесткий вал на трех опорах.

Такой механизм может удовлетворительно работать только при очень высокой точности положения посадочных мест на станине и на барабане. В данном случае это две цилиндрические расточки и перпендикулярные к ним две привалочные плоскости на станине и такие же посадочные места на барабане. В идеале это должна быть монолитная станина, а указанные поверхности на ней должны быть обработаны с одной установки. Две расточки и две привалочные плоскости на барабане также желательно обработать с одной установки, что практически невозможно на обычном станочном оборудовании. То есть существенные отклонения от точности неизбежны по одним только условиям обработки барабана. Если еще и опорные детали станины выполнять съемными, как это обычно делается, и обрабатывать раздельно, неизбежные отклонения от точности немедленно скажутся на работе механизма и его подшипники быстро выйдут из строя. Причем показанная на рис. 3.4.3 выносная опора еще хуже, чем опора на рис. 3.4.2. Подшипник примененного здесь типа очень чувствителен к относительному перекосу колец и будет быстро изнашиваться даже при высокой точности изготовления станины и барабана.

Помимо известных правильных решений по компоновке, встроенного в барабан мотор-редуктора можно предложить компоновку по патенту РФ № 2265152 с приоритетом от 2004 г. (Крупногабаритная машина (Варианты)). Вариант, применимый к канатному барабану, показан на рис. 3.4.6.,  где упрощенно показана вся лебедка с двух сторон и увеличенные опорные узлы с вырезами, показывающими их внутреннее устройство.

Рис. 3.4.6.

Эта схема реализована в конструкции лебедки тяжелого каротажного подъемника производства ЗАО «ГИСприбор-М» (г. Псков). В ней применен гидравлический мотор-редуктор CR 51 (максимальный момент 51 кНм) фирмы «Sauer-Danfoss», по конструкции однотипный с редукторами серии GFT фирмы «Rexroth».

Как и в предыдущем примере, вращающаяся часть редуктора встроена в барабан лебедки и жестко соединена с ним. Но неподвижная его часть соединена со станиной не жестко, а опирается на нее через два опорных узла – через серьгу и маятниковый рычаг. Серьга установлена на двух серийных сферических шарнирных подшипников ШС 35. В верхней головке маятникового рычага установлен такой же шарнирный подшипник, а нижняя его головка соединена с опорой цилиндрической вращательной парой.

В съемной выносной опоре барабана установлен роликовый двухрядный сферический подшипник. Его внутреннее кольцо фиксировано в осевом направлении на цапфе барабана, а наружное – в корпусе опоры. Таким образом, этот подшипник, помимо радиальной нагрузки, воспринимает осевые нагрузки.

Два конических роликовых подшипника внутри редуктора, серьга и маятниковый рычаг с их шарнирами, кинематически эквивалентны полностью самоустанавливающейся сферической опоре, обеспечивающей вращение барабана и передачу на раму реактивного момента редуктора.

Для иллюстрации принципа действия этой схемы удобнее рассмотреть ее в варианте не со встроенным в барабан, а с внешним редуктором, выходной вал которого одновременно является опорной цапфой барабана. Такой вариант показан на рис. 3.4.7.

Рис. 3.4.7.

Здесь вместо серьги показана кинематически идентичная ей шарнирная стойка. На рис. 3.4.8. показана та же схема с преувеличенно изогнутой главной осью и ряд последовательных положений системы.

Рис. 3.4.8.

Положение а) – исходное, в котором изгиб главной оси направлен вверх. Последующие положения соответствуют каждое повороту барабана на четверть оборота. Стрелками показаны движения, которыми элементы переходят в текущее положение из предыдущего. Положение д) идентично исходному.

В реальной конструкции происходят такие же по направлениям, но многократно меньшие по величине перемещения редуктора и его опорных элементов, которые тем больше, чем больше отклонения от точности взаимного положения посадочных мест барабана и других элементов системы, о которых говорилось при разборе схемы привода канатного барабана фирмы «Rexroth».

На лебедке с диаметром барабана по ребордам около 1,5 м и длиной около 1,2 м, обработанного на обычном универсальном металлорежущем оборудовании, перемещения опорных элементов едва заметны глазу. Эти небольшие перемещения (движения самоустанавливаемости) компенсируют погрешности изготовления элементов системы и освобождают их от очень больших нагрузок, которые неизбежны при жестком креплении неподвижной части редуктора к станине.

Воспользуемся это же схемой, чтобы проиллюстрировать один из способов анализа механизма на самоустанавливаемость (на отсутствие избыточных связей или на статическую определимость).

Это способ мысленной сборки, основанный на том, что статически определимый механизм (механизм без избыточных связей) собирается без натягов и не требует какой-либо регулировки или подгонки по месту его отдельных звеньев. Оговоримся, что речь идет не о кинематических парах (шарнирах, подшипниках и т.п.), которые предполагаются выполненными достаточно точно, и для установки которых в звенья механизма могут потребоваться определенные натяги (например, при запрессовке подшипника в корпус). Имеется в виду, что в самоустанавливающемся механизме не требуется регулировка длины, углового положения, параллельности, перпендикулярности отдельных звеньев. Эти звенья должны приводиться к соединению между собой простыми движениями, не требующими значительных усилий, приводящих к тем или иным деформациям звеньев.

Таким образом, нужно мысленно представить себе процесс сборки механизма и при выполнении каждого соединения смотреть, какие нужны для него движения. При этом для каждого соединения нужно смотреть, что произойдет, если положение одного из соединяемых звеньев отклоняется от номинала. Не потребуется ли деформировать другие звенья или подгонять их по месту.

На рис. 3.4.9 показаны движения, которыми приводятся в соединение звенья нашего механизма.

Рис. 3.4.9.

Первой на раму свободно устанавливается выносная опора со сферическим роликовым подшипником. Затем редуктор приводится в соединение с маятниковым рычагом движениями, показанными на рис. а). В последнюю очередь выполняется соединение редуктора с шарнирной стойкой (рис. б). Вся сборка выполняется свободными движениями, следовательно, механизм статически определим и не имеет избыточных связей.

Так же мысленно можно проверить его на отсутствие лишних подвижностей. В каждый момент времени механизм должен занимать строго определенное положение, то есть не должен «болтаться» из стороны в сторону.

В данном случае от смещений в осевом направлении механизм удерживается подшипником в выносной опоре. В горизонтальном поперечном к оси барабана направлении его удерживают маятниковый рычаг и тот же подшипник выносной опоры. Наконец в вертикальном направлении механизм удерживается всеми тремя опорными узлами. В механизме есть одна рабочая подвижность – возможность вращения барабана вокруг своей оси, для чего он и предназначен. При этом вращении происходят показанные выше перемещения опорных элементов и самого барабана (движения самоустанавливаемости), но в каждый отдельно взятый момент, система имеет необходимую для работы жесткость и устойчивость. Отметим, что в механизме есть одна, так называемая местная подвижность. Это возможность поворота шарнирной стойки или эквивалентной ей серьги вокруг своей оси. Но это совершенно безвредная подвижность, которая никак не отражается на работе механизма в целом.

С точки зрения самоустанавливаемости интересен привод барабана автобетоносмесителя (рис. 3.4.10).

Рис. 3.4.10.

Типичная современная компоновка привода смесительного барабана такой машины схематично показа на рис. 3.4.11.

Рис. 3.4.11.

Наклонный барабан смесителя приводится во вращение гидравлическим планетарным мотор-редуктором, выходной вал которого жестко соединен с корпусом барабана. Верхняя часть барабана через бандаж опирается на два катка, установленных на раме. Корпус мотор-редуктора также жестко закреплен на раме агрегата, которая установлена на автомобильном шасси. Последнее обстоятельство усиливает значение самоустанавливаемости, так как здесь к обычным проблемам, связанным с погрешностями изготовления механизма, добавляется проблема утраты исходной точности монтажа из-за деформаций рамы при движении машины по неровной дороге.

Как правило, самоустанавливаемость механизма здесь обеспечивается особой конструкцией редуктора, как это делает, например, фирма «Sauer-Danfoss».

На рис. 3.4.12.- 13 и 14 показаны общий вид, кинематическая схема и осевой разрез мотор-редуктора этой фирмы, специально разработанного для привода барабана бетоносмесителя.

В этой конструкции самоустанавливаемость обеспечивается тем, что выходной вал внутри редуктора опирается на единственный сферический роликовый двухрядный подшипник А (см. осевой разрез). Второй опорой для этого вала, жестко соединяемого с барабаном смесителя, служат установленные на раме под бандажом барабана опорные катки.

Рис. 3.4.12.

Рис. 3.4.13.

Рис. 3.4.14.

Судя по уширенному наружному кольцу, это специальный подшипник, рассчитанный на большие чем для обычных подшипников этого типа перекосы вала (колебания фланца вала показаны штриховыми линями на кинематической схеме).

В связи с этими большими перекосами в выходном узле установлено специальное воротниковое уплотнение.

Крутящий момент снимается с водила второй планетарной ступени и передается на выходной вал зубчатой муфтой В.

Передний конец выходного вала выполнен в виде сферического подпятника С, на который опирается водило второй ступени.

Зубчатая передача с паразитной шестерней в левой верхней части разреза служит для привода водяного насоса смесителя и почти не влияет на работу основного привода.

Опирание верхней части барабана через бандаж на два катка (см. рис. 3.4.11) эквивалентно кинематической паре второго класса. То есть оно накладывает на барабан две связи – блокирует его перемещение вдоль осей Y и Z  и оставляет свободу перемещения вдоль оси Х, а также поворота вокруг всех трех осей.

Сферический подшипник внутри редуктора накладывает на вал, жестко соединенный с барабаном, три связи – блокирует перемещения вдоль всех трех осей и оставляет свободным поворот вокруг этих осей.

Таким образом, на барабан и выходной вал редуктора наложены пять минимально необходимых связей и у него остается одна степень свободы – поворот барабана вокруг оси Х, для чего он и предназначен. Поэтому механизм в части барабана и его опорных узлов полностью статически определим, в нем нет избыточных связей, что обеспечивает его длительную нормальную работу.

Как показывает практика, зубчатые зацепления планетарных ступеней редуктора здесь также работают добротно.

Анализ этого редуктора на наличие избыточных связей достаточно сложен и для него нужно иметь рабочие чертежи почти всех деталей. Но избыточные связи в редукторе определенно есть, поскольку налицо один из признаков их присутствия.

Избыточные связи имеются там, где требуется высокая точность взаимного положения кинематических пар (не самих пар, например подшипников, а именно их положения друг относительно друга).

Здесь такими парами являются сферический подшипник А и сферический подпятник С (см. рис. 3.4.14.). Для идеальной работы механизма редуктора центры сфер этих двух пар должны идеально совпадать. При любом их несовпадении на каждом обороте выходного вала имеются принудительные радиальные смещения водила второй ступени, которые влияют на работу зубчатых зацеплений обоих ступеней редуктора. Видимо, технология фирмы обеспечивает достаточную точность, при которой их негативное влияние практически незаметно.

Однако устранение избыточных связей всегда желательно и здесь это возможно путем обеспечения самоустанавливаемости смесительного барабана не внутренним устройством редуктора, а изменением его соединения с рамой агрегата.

При этом возможно и существенное упрощение конструкции редуктора.

Для этого пригоден, например, один из вариантов по упомянутому выше патенту РФ. Такое решение показано на рис. 3.4.15., на котором показан мотор-редуктор и нижняя часть барабана смесителя. Имеется в виду, что опорные катки под бандажом барабана остаются без изменений.

Рис. 3.4.15.

Здесь применена схема соединения корпуса редуктора с рамой, сходная со схемой для рассмотренного выше привода канатного барабана. Отличие в том, что вместо маятникового рычага установлен одиночный сферический шарнир, расположенный снизу корпуса редуктора.

Поскольку здесь проблема самоустанавливаемости решается внешними опорами редуктора, его внутреннюю конструкцию нужно изменить и выполнить, например, в соответствии с кинематической схемой, показанной на рис. 3.4.16.

Редуктор, выполненный по этой схеме существенно проще редуктора по рис. 3.4.14.  Здесь упразднены специальный подшипник А, зубчатая муфта В и сферический подпятник С. Вместо специального воротникового уплотнения выходного вала применена обычная манжета. Выходной вал установлен на двух обычных роликовых конических подшипниках, а водило второй планетарной ступени жестко соединено с этим валом.

Таким образом, редуктор специального исполнения заменяется на обычный двухступенчатый планетарный редуктор, принципиальная схема которого многократно проверена на работоспособность в самых различных машинах и в котором заведомо меньше избыточных связей. Конструкция такого редуктора существенно проще и с ним вся машина будет дешевле, поскольку вводимые внешние опоры, построенные на серийно выпускаемых подшипниках, стоят заведомо меньше, чем удаленные из редуктора детали и узлы специального исполнения.

Осевой габарит можно уменьшить, если конструктивно выполнить водило второй ступени заодно с выходным валом, а опорный фланец барабана смесителя сделать насадным на этот вал.

При таких опорах здесь можно применить без каких-либо доработок и серийный редуктор другого типа, например, планетарный редуктор с вращающимся корпусом.

Рис. 3.4.16.

Далее в этом разделе предполагается рассмотреть пример механизма с вертикальной осью вращающегося рабочего органа и некоторые приемы обеспечения самоустанавливаемости подшипниковых опор.

buy wellbutrin sr