Выбор мотор-редуктора

Наличие кинематической схемы привода упростит выбор типа редуктора. Конструктивно редукторы подразделяются на следующие виды:

Червячный одноступенчатый со скрещенным расположением входного/выходного вала (угол 90 градусов).

Червячный двухступенчатый с перпендикулярным или параллельным расположением осей входного/выходного вала. Соответственно, оси могут располагаться в разных горизонтальных и вертикальных плоскостях.

Цилиндрический горизонтальный с параллельным расположением входного/выходного валов. Оси находятся в одной горизонтальной плоскости.

Цилиндрический соосный под любым углом. Оси валов располагаются в одной плоскости.

В коническо-цилиндрическом редукторе оси входного/выходного валов пересекаются под углом 90 градусов.

ВАЖНО!

Расположение выходного вала в пространстве имеет определяющее значение для ряда промышленных применений.

• Конструкция червячных редукторов позволяет использовать их при любом положении выходного вала.
• Применение цилиндрических и конических моделей чаще возможно в горизонтальной плоскости. При одинаковых с червячными редукторами массо-габаритных характеристиках эксплуатация цилиндрических агрегатов экономически целесообразней за счет увеличения передаваемой нагрузки в 1,5-2 раза и высокого КПД.

Производитель указывает номинальный крутящий момент на выходном валу редуктора. Для цилиндрических редукторов это значение получено путем проведений испытаний на полигонах при проведении всех операций по обслуживанию: замена масла, соблюдение температурного режима эксплуатации. Допустимая нагрузка на испытаниях подбирается таким образом, чтобы редуктор проработал 10 000 часов (14 месяцев в круглосуточном режиме без остановки). Если нагрузку сделать больше, то срок работы значительно сокращается, плюс к тому возникает опасность перегрева и воспламенения масла, разрушения механических частей редуктора.

Максимальный крутящий момент указывается производителем для работы редуктора в циклической нагрузке. Под ним понимается такая нагрузка, которая не приводит к разрушению механических частей, но в то же время, при которой редуктор не может работать постоянно. Ему необходим перерыв на остывание масла. В технических характеристиках это указывается в максимальном времени работы под пиковой нагрузкой, и в необходимом времени для остывания. При остывании необязательно останавливать редуктор полностью, но на практике, промышленные механизмы, работающие под переменной нагрузкой, редки (исключение — грузоподъемные устройства).

КПД редукторов различного типа:

Эксплуатационный коэффициент (сервис-фактор) — поправка, рассчитываемая по условиям эксплуатации: пуск/остановка, время работы, тип нагрузки (постоянная или циклическая). Значение по умолчанию — сервис-фактор, равный 1. Данный показатель означает, что редуктор работает продолжительное время при номинальной загрузке. У многих мотор-редукторов сервис-фактор выше единицы, например 1,4. Повышение сервис-фактора равноценно увеличению запаса надежности и прочности. Например, показатель 1,5 указывает, что мотор-редуктор сохранит работоспособность при перегрузке 50%. Сервис-фактор может быть меньше единицы, что обязательно учитывается при выборе привода на конкретную нагрузку.

Таблица расчета сервис-фактора:

Расчетный крутящий момент — значение крутящего момента, требуемое для привода. Расчетный крутящий момент всегда меньше или равен номинальному. Если этого требования не соблюсти, то мотор-редуктор будет перегреваться. Допускается отклонение от этого требования при повторно-кратковременном режиме работы, но крутящий момент все равно не должен превышать максимально допустимый.

Расчет оборотов и передаточного числа

Надежность и ресурс шестеренчатых передач значительно снижается при работе на высоких оборотах. Это относится не только к шестерням, но и к подшипникам, сальникам и всем трущимся компонентам. По этой причине для промышленных приводов используют электродвигатели со скоростью вращения 600-1500 об/мин. При этом в бытовой технике (пылесосы, кухонная техника) применяются более дешевые электромоторы на 3000-5000 об/мин. Понижение скорости вращения приводит к увеличению габаритов и стоимости электродвигателей в пересчете на каждый кВт мощности, но одновременно с этим во много раз возрастает надежность и продлевается рабочий ресурс. Это технически целесообразное решение для приводов, работающих продолжительное время.

Выбор мотор редуктора для установок, работающих в цехах с людьми, целесообразен с как можно меньшими оборотами электродвигателя. Чем выше обороты — тем выше шум на рабочем месте. Некоторые цилиндрические редукторы имеют допустимую скорость вращения первичного вала 3000 об/мин (50 об/сек). Производимый шум от низ значительно выше, чем от моделей, имеющих верхнее ограничение 1500 об/мин.

Примеры передаточного числа редукторов:

Мотор-редукторы специального применения

Общепромышленные мотор-редукторы имеют передаточное число до 80. Это означает, что при использовании электродвигателей 1500 об/мин на выходном валу будет 18 об/мин. То есть, один оборот вал будет делать за 3-4 секунды. Это очень небольшая скорость, но и ее может оказаться недостаточно для привода мощных тихоходных механизмов. В этом случае целесообразно использование специальных мотор-редукторов.

Примеры с большим передаточным числом:

1. Коническо-цилиндрические многоступенчатые мотор-редукторы с передаточным числом до 300. Сфера применения — транспортеры, конвейеры, сборочное и сортировочное оборудование.
2. Червячные мотор-редукторы двухступенчатые. Передаточное число до 1000-10000, но они подходят только для небольшой мощности. В противном случае будет перегрев и вскипание масла в картере.
3. Крановые мотор-редукторы для колесных пар. (Используются для привода промышленных кранов на рельсах с приводом железнодорожного типа).
4. Волновые мотор-редукторы с приводом через гибкую шестерню и генератор волн. Передаточное число — до 350. Имеют самый низкий уровень шума, обеспечивают плавные движения, поэтому рекомендуются для станков, сборочных роботов и промышленных манипуляторов.

КПД волновых редукторов с гибкой шестерней

Выбор по типу крепления

Покупка мотор-редукторов проводится при ремонте и модернизации имеющегося на предприятии оборудования, либо при изготовлении новых единиц. В любом случае учитывается тип крепления. Широкое распространение получило только два способа: торцевой (фланцевый) и на плоской платформе. Торцевой способ крепления позволяет сделать приводную установку более компактной. В тоже время, крепление на платформе более удобно для обслуживания и оно обеспечивает возможность регулировки положения картера редуктора при неточно просверленных крепежных отверстиях. Второй плюс крепления на платформе — отсутствие передачи тепла от нагретого картера приводимому оборудованию.

Помимо крепления картера, мотор-редуктор соединяется с оборудованием через втулку выходного вала. Крановые мотор-редукторы имеют полый вал. В общепромышленном исполнении используется обычный цилиндрический вал с соединением шпонкой. Оборудование с большой инерцией подвижных частей, соединяется с мотор-редуктором через различные муфты.

Выбор по типу питания

Мотор-редукторы общепромышленного исполнения работают от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 380/400 вольт. Однофазные приводы на 220 вольт имеют меньший КПД и надежность из-за наличия щеточного узла. Везде где можно, желательно применять электромоторы от трехфазного тока. Их дополнительное преимущество — возможность работать от частотных преобразователей.

Эксплуатационный коэффициент (сервис-фактор)

Сервис-фактор (Sf) рассчитывается экспериментальным методом. В расчет принимаются тип нагрузки, суточная продолжительность работы, количество пусков/остановок за час эксплуатации мотор-редуктора. Определить эксплуатационный коэффициент можно, используя данные таблицы 3.

Параметры для расчета эксплуатационного коэффициента

Мощность привода

Правильно рассчитанная мощность привода помогает преодолевать механическое сопротивление трения, возникающее при прямолинейных и вращательных движениях.

Элементарная формула расчета мощности [Р] – вычисление соотношения силы к скорости.

При вращательных движениях мощность вычисляется как соотношение крутящего момента к числу оборотов в минуту:

P = (MxN)/9550

где
M – крутящий момент;
N – количество оборотов/мин.

Выходная мощность [P2] вычисляется по формуле:

P2 = P x Sf

где
P – мощность;
Sf – сервис-фактор (эксплуатационный коэффициент).

ВАЖНО!
Значение входной мощности всегда должно быть выше значения выходной мощности, что оправдано потерями при зацеплении:

P1 > P2

Нельзя делать расчеты, используя приблизительное значение входной мощности, так как КПД могут существенно отличаться.

Коэффициент полезного действия (КПД)

При расчете редуктора КПД определяется как отношение мощности на выходном валу к мощности, подаваемой на входной. Он измеряется в процентах и вычисляется по следующей формуле: n = (P2/P1) x 100. В устройствах, работающих по принципу червячной передачи, величина Р2 всегда будет заметно ниже, чем Р1, поскольку часть мощности расходуется при зацеплении пары во время передачи вращения. 

На итоговый размер коэффициента полезного действия влияют такие факторы, как передаточное число (чем оно выше, тем КПД ниже), длительность эксплуатации (обуславливающая износ элементов агрегата), тип и состав смазочных материалов, а также частота их замены (поскольку от них в широких пределах зависит изменение коэффициента трения). 

Типы взрывозащищенного исполнения

Выделяют 3 основные категории редукторов и мотор-редукторов по классу взрывозащищенности:

• Е – устройства с повышенной степенью защищенности. Пригодны для эксплуатации в любых условиях, в том числе при возникновении внештатных ситуаций. Благодаря высокой герметичности корпуса подходят для использования в средах взрывоопасных и горючих газов и газо-воздушных смесей без риска воспламенения последних;
• D – мотор-редукторы со взрывонепроницаемым корпусом, неразрушимым в случае взрыва самого агрегата. Отличаются полной герметичностью оболочки и безопасностью, которая позволяет использовать их в средах любых взрывоопасных газов и смесей, а также при предельно высоких эксплуатационных температурах;
• I – устройства с увеличенной искробезопасностью. Подразумевают поддержку взрывобезопасного тока в питающей цепи в соответствии с конкретными производственными условиями.

Показатели надежности

Подразумевается срок службы (ресурс) тех или иных частей агрегата при условии продолжительной эксплуатации. Для валов и элементов передачи (зубчатых колес, червячных пар) он составляет:

• у редукторов планетарного, коническо-цилиндрического, конического и цилиндрического типов – 25 000 часов;
• у редукторов глобоидного, червячного и волнового типов – 10 000 часов.

Для подшипников, используемых в указанных ниже редукторах, ресурс составляет:

• коническо-цилиндрических, планетарных, цилиндрически и конических – 12 500 часов;
• червячных – 5 000 часов;
• волновых, глобоидных – 10 000 часов.

При расчете редукторов нужно учитывать, что указанные конструктивные элементы должны оставаться в работоспособном состоянии в течение срока, составляющего не менее 90% от приведенных величин. Это относится только к нормальным условиям эксплуатации. При их нарушении (например, несвоевременной замене масла) скорость износа комплектующих резко увеличится, а ресурс сократится.

Как подобрать мотор редуктор

Выбор мотор-редуктора осуществляется с учетом нескольких критериев. Для начала следует определиться с требуемым типом устройства. Конструктивно различаются цилиндрические, червячные, волновые, планетарные и т. д. В них применяются различные виды передачи и число ступеней, также в зависимости от разновидности может меняться расположение осей. Подробнее рассмотрим каждый вариант:

• Цилиндрические мотор редукторы. Могут иметь от 1 до 4 ступеней, одну или две цилиндрические передачи. Валы устанавливаются параллельно или соосно.
• Червячные мотор редукторы. Устройство с 1 ступенью, в которых применяется червячная передача. Валы располагаются скрещиваются. Валы располагаются параллельно или скрещиваются.
• Конические мотор редукторы. Имеют 1 ступень, используют коническую передачу. Оси валов пересекаются между собой.
• Планетарные мотор редукторы. Мотор-редукторы с 1, 2 или 3 ступенями, для передачи крутящего момента используют зубчатые колеса и сателлиты. Оси валов соосны между собой.

Следующая характеристика, которую стоит учесть при подборе мотор-редуктора, – это передаточное значение. Его потребуется определить по специальной формуле, путем деления показателей вращения вала на входе на значение на выходе. Полученная цифра обычно округляется до целого числа, которое также указывается в технических характеристиках конкретного агрегата.

Показатели передаточного числа будут различаться для устройств различного типа и будут зависеть от количества ступеней. Например, цилиндрические одноступенчатые редукторы имеют передаточное значение в диапазоне 2–6, а двухступенчатые – от 8 до 50. Для червячных редукторов с 1 ступенью этот показатель будет равняться 8–80, а для двухступенчатой разновидности – от 25 до 10000.

При подсчетах передаточного числа стоит учесть, что скорость вращения входного вала не может превысить 1500 об/мин. Исключением являются только цилиндрические соосные агрегаты, в которых этот показатель может составлять до 3000 об/мин.

Для того чтобы подобрать двигатель к редуктору, потребуется учесть и расчетный вращающий момент. Он вычисляется по определенной формуле:

Mr2 x Sf ≤ Mn2,

где Sf – это сервис-фактор (показатель, который рассчитывается экспериментальным способом);

Mr2 – требуемый момент вращения (показатель, который определяется с учетом требований производства);

Mn2 – номинальный момент вращения (максимально допустимое значение, которое обеспечивает безопасную передачу).

Следующий фактор, на который стоит обратить внимание, – это мощность привода. Правильный расчет такой величины позволит преодолеть имеющееся сопротивление трения. Показатель входной мощности рассчитывается следующим образом:

(M x N) / 9550,

где M – это собственно момент вращения;

N – число совершаемых оборотов за минуту.

Также для выбора электродвигателя для редуктора стоит рассчитать и выходную мощность. Она определяется как произведение входной мощности и сервис-фактора. Стоит помнить, что показатели входной мощности в любом случае больше выходной, что объясняется затратами при зацеплении.

Полученные данные входной и выходной мощности позволят рассчитать КПД агрегата. Для этого достаточно разделить выходную мощность на входную, а затем умножить полученное число на 100%.

При выборе устройства многие забывают о таком критерии, как взрывозащищенное исполнение. Выделяют три варианта таких редукторов:

• Класс «Е». К этой группе относятся устройства с повышенной степенью защиты. Могут использоваться в любом режиме, в том числе, при возникновении внештатных ситуаций.
• Класс «I». Варианты с искробезопасной цепью. За счет этого присутствует поддержка взрывобезопасного тока в электросети.
• Класс «D». Мотор-редукторы со взрывонепроницаемой оболочкой. Их корпус устойчив к деформации и отличается повышенной герметичностью. Поэтому агрегаты могут применяться при высоких температурах или со взрывоопасными смесями.