Dizajn fleksibilne spojke diska: geometrija paketa diskova, glavčine i prilagodba

Tri paketa diskova otkazala su u četrnaest mjeseci na istom kompresoru od 250 kW i svaki put je ekipa za održavanje zamijenila spojku. Uzrok je bio aksijalni rast od 0,9 mm koji nitko nije predvidio. Nakon poravnanja, paketu je ostalo manje od 0,5 mm aksijalnog kapaciteta, tako da je svaki vrući start gurnuo nehrđajuće laminacije malo bliže njihovoj granici zamora.

Ta priča nosi zaključak. Fleksibilni dizajn disk spojke nije izračun zakretnog momenta s fusnotom o neusklađenosti. To je potraga za uskim pojasom gdje je spojka dovoljno kruta za prijenos okretnog momenta bez navijanja ili zazora, i dovoljno fleksibilna da sile koje vraća natrag u ležajeve, vijke i vlastite lamele ostanu unutar svojih granica zamora. Dizajn i odabir isti su problem, gledano sa suprotnih strana citata.

Kako paket diskova nosi okretni moment

Paket diskova je hrpa tankih limova od nehrđajućeg čelika, obično debljine od 0,2 mm do 0,5 mm, izbušenih sa šest do dvanaest karika raspoređenih oko kruga vijka. Svaki lim je naizmjence pričvršćen za dvije glavčine pomoću ugrađenih vijaka, tako da okretni moment putuje kroz karike kao napetost na jednoj strani spojnice i kompresija na drugoj. Neusklađenost se apsorbira samo savijanjem ploča. Ništa ne klizi, ništa nije podmazano i ništa nije od gume.

Ta jedina činjenica objašnjava cijeli karakter dizajna: nula zazora, nema habajućih površina, nema elastomera koji bi trebao stareti ili otvrdnuti, a gornja granica temperature određena je glavčinama, a ne fleksibilnim elementom. To također objašnjava slabost. Spojnica bez kliznog sučelja i gotovo bez prigušivanja ima vrlo malu sposobnost rasipanja energije, tako da bez obzira na opterećenje koje vide karike, vide pri svakom okretaju, tijekom cijelog životnog vijeka stroja.

Link profil je prva prava dizajnerska odluka. Karika s ravnom stranom koncentrira napon savijanja oko rupa za vijke. Nazubljena ili zaobljena karika širi zakrivljenost duž svoje duljine: fleksibilnost raste, vršno naprezanje na rupi opada, a sila reakcije koju paket gura natrag u ležajeve pri određenoj neusklađenosti opada s njom. Cijena je gustoća zakretnog momenta, jer nazubljeni lim nosi manje zakretnog momenta po milimetru širine nego ravni, a paket to mora povratiti s više slojeva, više vijaka ili većim promjerom. Debljina lima, broj slojeva, širina karika i broj vijaka četiri su varijable koje odlučuju što gotova spojka može učiniti.

Jedan disk ili dvostruki disk: Odluka o neusklađenosti

Nakon što je paket definiran, postavlja se pitanje koliko paketa treba spojnici. Jedinica s jednim diskom postavlja jedan paket između dva čvorišta. Udobno se nosi s kutnim i aksijalnim pomakom, a loše s paralelnim pomakom, što odgovara kratkim, blisko spojenim pogonima: servo osovinama, malim pumpama i ispitnim uređajima gdje obje osovine već sjede unutar nekoliko stotinki milimetra.

Spojka s dvostrukim diskom umeće razmak između dva paketa. Odstojnik pretvara paralelni pomak u kutni pomak na svakom paketu, što omogućuje da se motor i mjenjač na odvojenim osnovnim pločama povežu bez međusobnog sukoba. Duljina odstojnika tada postaje stvarna varijabla dizajna: postavlja koliko paralelnog pomaka spojka može apsorbirati, koliko teži i koliko njezina vlastita masa i ponašanje pri savijanju utječu na pogonski sklop.

Kompaktni dizajni s dvostrukim diskom s kratkim odstojnicima i glavčinama steznog tipa uobičajeni su tamo gdje je omotač čvrst, ali paralelni pomak još uvijek mora biti apsorbiran, kao u alatnim strojevima i CNC pogonima.

RSK-CPLF Fleksibilna stezna spojnica s dvostrukom dijafragmom od legure aluminija Kompaktna stezna spojka s dvostrukom dijafragmom za CNC, servo i koračne pogone, s glavčinama od aluminijske legure, 304 nehrđajućim dijafragmama, velikom krutošću, malom inercijom i prijenosom bez zazora. Pogledajte proizvod →

Omjeri krutosti, sile reakcije i račun ležaja

Okretni moment odlučuje hoće li spojka preživjeti. Ukočenost odlučuje hoće li sve oko nje preživjeti. Uzmimo aksijalni slučaj, koji se najčešće zanemaruje u fazi kotiranja. Pretpostavimo da spojka koja vam je potrebna ima aksijalnu krutost od oko 250 N/mm, što je realna brojka za paket diskova srednje veličine, a osovina raste 0,8 mm između hladnog pokretanja i punog opterećenja. Paket će gurnuti otprilike 200 N natrag u ležaj, neprekidno, uz normalno opterećenje ležaja. Na malom motoru to je dovoljno da skrati životni vijek ležaja s godina na mjesece, a nijedan izračun zakretnog momenta to nikada neće otkriti.

Torzijska krutost djeluje u suprotnom smjeru. Izražava se u Nm po radianu ili po stupnju, a što je veći, pogonska osovina točnije prati motor. Za osi pozicioniranja, visoka torzijska krutost zajedno s nultim zazorom je razlog zašto je disk spojka uopće odabrana. Za pogonski sklop koji mora proći kroz torzijsku rezonanciju tijekom zaleta, ta ista krutost je problem, a nisko prigušenje čini vrhunac oštrijim. Ako primjena uključuje velike motore, klipna opterećenja ili rad s promjenjivom brzinom, krutost spojke pripada torzijskom modelu, a ne fusnoti.

Praktično pravilo: zatražite od dobavljača vrijednosti torzijske, aksijalne i radijalne krutosti s ponudom, a ne samo okretni moment i veličinu provrta. Ne možete provjeriti opterećenje ležaja ili rezonanciju samo pomoću vrijednosti momenta.

Vijci, ravnoteža i ograničenje brzine

Vijčani spoj je dio dizajna koji iskustvo na terenu prvo kažnjava. Ugrađeni vijci su izbrušeni do kontroliranog zazora u probušenim rupama tako da se okretni moment prenosi na dršku vijka u smicanju, a ne trenjem između lamela. To znači da je klasa pristajanja važna, kao i metoda zaključavanja, jer otpušteni vijak mijenja raspodjelu opterećenja na cijelom paketu u jednom pokretanju.

Brzina je drugi plafon, a nije linearna. Preostala sila neravnoteže raste s kvadratom rotacijske brzine: oko 1 g-mm neravnoteže proizvodi otprilike 1,1 N rotacijske sile pri 10 000 okretaja u minuti i otprilike 4,4 N pri 20 000 okretaja u minuti. Kvaliteta ravnoteže slijedi istu logiku. Opći industrijski pogoni obično su prihvatljivi na G6.3, pogoni velike brzine i pogoni alatnih strojeva obično zahtijevaju G2.5, a vrlo brzi ili vrlo lagani rotori mogu trebati G1. Iznad nazivne brzine spojke, nikakva količina balansiranja ne pomaže, jer ograničenje dolazi od centrifugalnog naprezanja u samom paketu diskova. Tamo gdje je radna točka blizu tog stropa, namjenski izrađen dizajn velike brzine jedini je razuman odgovor.

Materijali: paketi od nehrđajućeg čelika, čelične ili aluminijske glavčine

Paket diskova je gotovo uvijek od austenitnog nehrđajućeg čelika, pri čemu su 301 i 302 uobičajeni izbor zbog njihove kombinacije čvrstoće na zamor i otpornosti na koroziju. Stupnjevi taložnog stvrdnjavanja kao što je 17-4 PH pojavljuju se tamo gdje je potrebna veća čvrstoća ili sposobnost veće temperature. Središte je mjesto gdje izbor materijala slijedi primjenu. Glavine od aluminijske legure u 6061 ili 7075 održavaju nisku inerciju, što je važno na servo osovinama gdje svaki gram rotirajuće mase povećava veličinu motora. Čelične glavčine od 1045 ili legure, često s crnim oksidom, dominiraju teškim industrijskim pogonima i pogonima velikog raspona, a glavčine od nehrđajućeg čelika koriste se tamo gdje je prisutna ispiranje ili morska atmosfera.

Spoj glavčina-osovina zaslužuje više pažnje nego što se inače dobiva. Veza s ključem uvodi zazor koji niti jedan paket diskova bez zazora ne može kompenzirati, tako da su glavčine sa stezaljkama i sklopovi za zaključavanje bez ključa uobičajena specifikacija za pozicioniranje i pogone s velikim hodom unazad. Okolina, a ne opterećenje, odlučuje o površinskoj obradi: crnjenje za blago korozivne sobne biljke, nehrđajući ili pozlaćeni hardver za vanjsku i pomorsku upotrebu.

RSK-CPNLT Pocrnjena stepenasta stezna spojnica s dvostrukom dijafragmom Pocrnjena spojka otporna na koroziju za servo i koračne pogone, s utorom za klin, dijafragmama od nehrđajućeg čelika 304, glavčinama od čelika 45#, steznim vijcima i velikom krutošću zakretnog momenta. Pogledajte proizvod →

Tolerancije mjesta: gdje dobar dizajn postaje loša instalacija

Poravnanje polja pretvara ispravan dizajn u neispravnu instalaciju češće nego bilo koji drugi pojedinačni uzrok. Uobičajeni ciljevi za disk spojnicu su kutna pogreška ispod 0,5 stupnjeva i aksijalna postavka unutar 0,5 do 1,5 mm, ali ti brojevi pripadaju određenoj veličini i pakiranju, tako da bi trebali doći iz podatkovne tablice dobavljača, a ne iz navike. Poravnanje treba provjeriti hladno i, ako stroj radi vruće, ponovno provjeriti na radnoj temperaturi, jer osovina koja naraste 2 mm u rasponu od 100 mm može potrošiti cijeli aksijalni dopušteni spoj spojke koja je bila savršeno poravnata na stolu.

Dvije navike uzrokuju nesrazmjernu štetu. Prvi je korištenje spojnih vijaka za spajanje dviju osovina, što aksijalno predopterećuje paket prije nego što se stroj uopće pokrene. Drugi je mjerenje samo kutne pogreške i ignoriranje paralelnog pomaka na jedinici s dvostrukim diskom, gdje ga odstojnik povećava u kutni pomak na oba paketa. Na izvedbama odstojnika koji se ispuštaju, odstojnik također mora biti podržan tijekom sastavljanja tako da njegova težina ne savija pakete prije nego što se vijci zategnu.

Načini kvarova protiv kojih se isplati dizajnirati

Većina kvarova tijekom rada seže do malog broja prepoznatljivih uzoraka:

• Pukotine nastale uslijed zamora koje se šire iz rupa za vijke u karikama diska, gotovo uvijek rezultat dugotrajne neusklađenosti iznad vrijednosti, a ne preopterećenja.
• Fretting i produljenje otvora, uzrokovano mikro-pomakom na zglobu čije je predopterećenje izgubljeno.
• Labave ili nedostajuće sigurnosne matice nakon ponovne izrade, što preraspodjeljuje opterećenje na preostale vijke.
• Klizanje provrta glavčine na osovini, zbog nepravilnog prianjanja ili spoja s klinom za koji se pretpostavljalo da je dovoljno čvrst.
• Korozijska rupa ili naponska korozija u atmosferi ispiranja, obalnim ili kemijskim atmosferama.
• Torzijska rezonancija pobuđena valovitošću okretnog momenta dvostruke frekvencije linije, frekvencijama prolaza lopatice ili frekvencijama zaprege zupčanika, pri čemu krutost spojke nikada nije unesena u model pogonskog sklopa.

Praktičan slijed odabira

Izvediv redoslijed operacija, bilo da dizajnirate spojku ili je kupujete:

1. Izračunajte kontinuirani zakretni moment iz snage i brzine: zakretni moment u Nm jednak je 9550 puta snaga u kW podijeljen s brzinom u o/min.
2. Primijenite servisni faktor koji odražava pogonski stroj, obično 1,5 do 2 za glatka opterećenja i 2,5 ili više za klipne ili udarne uvjete.
3. Provjerite moment pokretanja, kočenja i zaustavljanja u odnosu na vršnu vrijednost, a ne kontinuiranu.
4. Popravite radnu brzinu, a zatim odaberite razinu ravnoteže koju brzina stvarno zahtijeva.
5. Utvrdite stvarno odstupanje: kutno, paralelno i aksijalno, hladno i vruće, uključujući proizvodne tolerancije između dva stroja.
6. Pretvorite neusklađenost u reakcijsku silu koristeći krutost spojke i dodajte je opterećenju ležaja.
7. Potvrdite provrt, tip glavčine, utor za klin ili sponu, duljinu razmaknice i dostupnu omotnicu.
8. Potvrdite okolinu: temperaturu, vlagu, kemikalije i učestalost pranja.

Što spada u upit

Dobavljač koji traži samo provrt i zakretni moment nije razumio vaš pogon, a povratna ponuda bit će kataloški broj, a ne rješenje. Pošaljite kontinuirani i vršni zakretni moment, brzinu i radni ciklus, sve tri komponente neusklađenosti, temperaturu okoline i radnu temperaturu, izloženost koroziji, dostupnu omotnicu, provrt i vrstu veze te ocjenu ravnoteže ako je brzina visoka. Tih osam stavki razlika je između spojke koja tiho nadživi ležajeve pored nje i one koja postaje planirani potrošni materijal.

Ako ista tvornica koristi nekoliko tipova spojki, od servo membranskih jedinica do teških zupčastih spojki, opća referenca odabira koja pokriva DIN tipove spojki i standarde koristan je dodatak jednoj ponudi, jer čini usporedbu između dizajna kandidata konkretnom umjesto verbalnom.

DIN tipovi spojnica, standardi i vodič za odabir