EN
Заказчик указывает червячный редуктор для подъёмного устройства, поскольку червячные передачи самотормозящиеся, и груз не может соскользнуть вниз. Тормоз не требуется — экономия затрат.
Такое рассуждение встречается во многих конструкциях машин и настолько опасно, что приводится в виде прямого предупреждения в техническом документе AGMA:
Примечание: Червячные передачи не следует считать самотормозящимися. При определённых условиях нагрузки обратное вращение червячного колеса возможно.
Устоявшийся инженерный справочник формулирует это ещё резче, указывая конкретную область применения:
На практике червячную передачу не следует использовать в качестве тормозного устройства в системах, связанных с безопасностью (например, лебёдки). Некоторые материалы и условия эксплуатации могут привести к обратному проскальзыванию червячной передачи.
Если вы проектируете лебёдку, подъёмник, ворота или любое другое устройство, при падении груза которого возможны травмы людей, вам необходим тормоз. Геометрия червяка не является его заменой.
Вот инженерное обоснование этого утверждения.
Самоторможение зависит от соотношения между углом подъёма винтовой линии червяка и углом трения. Опубликованные формулировки этого правила из трёх независимых источников:
· Самоторможение возникает, когда угол подъёма винтовой линии червяка равен arctg(коэффициент трения), обычно в диапазоне 2–8 градусов дальность действия
· Если угол подъёма меньше угла трения, то червячное колесо не может приводить червяк в обратном направлении
· Условие выглядит так: угол подъёма < arctg(коэффициент трения)
Все три источника выражают одну и ту же мысль разными способами. При значениях угла подъёма ниже определённого порога передача препятствует обратному приведению.
В критерии используется коэффициент трения. Какой именно коэффициент трения?
При нулевой скорости скольжения опубликованное значение составляет 0.15. Это статическое значение, и оно является максимальным. Как только начинается скольжение, коэффициент трения снижается.
Один из источников отмечает, что именно статический коэффициент трения применим для предела самоторможения, поскольку запуск передачи в этом случае невозможен.
Это механизм, лежащий в основе отказов. В состоянии покоя сила трения высока, и привод удерживает нагрузку. При появлении вибрации привод подвергается микродвижениям. Микродвижения переводят контакт из статического состояния в динамическое, где сила трения ниже. Угол трения, достаточный для удержания нагрузки, уменьшается, и нагрузка начинает медленно смещаться.
Вибрация — не экзотическое явление. Это может быть работающее поблизости оборудование, запуск электродвигателя на той же раме или проезжающий мимо здания транспорт. Всё это способно нарушить статическую самотормозимость.
В опубликованной литературе, доступной нам, отсутствует количественно определённый коэффициент снижения характеристик при вибрации. Само по себе это отсутствие информативно: инженерный ответ заключается не в понижении расчётных характеристик самотормозимости, а в отказе от её использования.
Самотормозимость и эффективность — два взгляда на одну и ту же геометрию. Привод, препятствующий обратному вращению, теряет много энергии при прямом ходе.
Эффективность червячной передачи в зависимости от числа заходов. Самотормозящее поведение наблюдается только в области низкой эффективности.
Основная формула:
η = tan(λ) / tan(λ + φ)
где λ — угол подъёма витка червяка, а φ — эквивалентный угол трения.
Опубликованный расчётный пример: для однозаходного червяка с λ = 5 градусов и φ = 6 градусов эффективность составляет 45,01 %.
Эффективность в зависимости от числа заходов червяка:
| Тип червяка | Опубликованная эффективность |
| Однозаходный | 40–50 % |
| Однозаходная резьба, хорошие условия и высокая точность обработки | 50–70% |
| Двухзаходная резьба | 70–78 % |
| Многозаходная резьба | 78–92% |
Для конструкций с высокой эффективностью рекомендуемый угол подъёма составляет 10–20 градусов . Обратите внимание: это значительно превышает диапазон самоторможения (2–8 градусов). Одновременно достичь обоих параметров невозможно.
Согласно одним данным, общий диапазон КПД составляет от 98 % при самых низких передаточных отношениях до 20 % при самых высоких. Другие источники указывают КПД в пределах 50–90 % в зависимости от угла подъёма, числа заходов и коэффициента трения.
Компромисс неизбежен: самоторможение приводит к потерям более чем половины подводимой мощности.
Если требуется самотормозящее поведение:
· Использовать однозаходную резьбу, малый угол подъёма, КПД 40–50 %
· Подбирать двигатель с учётом потерь, а не только нагрузки
· Подбирать редуктор с учётом теплоотвода, поскольку теряемая мощность преобразуется в тепло
·Всё равно устанавливайте тормоз если обратное вращение может привести к травме или повреждению
Если требуется высокий КПД:
· Многозаходная резьба, угол подъёма 10–20 градусов, КПД 78–92 %
· Принять, что привод будет работать в режиме обратного вращения
· Установить тормоз, противовес или использовать другой тип передачи
Если требуются оба свойства, червячная передача — неподходящий выбор. Рассмотрите цилиндрическую или коническо-цилиндрическую передачу с надёжным удерживающим тормозом.
Червячные редукторы обычно ограничены по тепловому, а не по механическому параметру . Зубья шестерён способны передавать больший крутящий момент, чем корпус может рассеять в виде тепла.
Это прямое следствие приведённых выше значений КПД. Однозаходная червячная передача с КПД 45 % преобразует более половины входной мощности в тепло внутри компактного корпуса. Именно поэтому в каталогах червячных редукторов указаны отдельные тепловые и механические номинальные значения, причём зачастую именно тепловое значение является определяющим ограничением.
Практические последствия:
· Номинальные значения для непрерывного режима работы значительно ниже, чем для кратковременного
· Температура окружающей среды имеет значение: редуктор, рассчитанный на работу в помещении с температурой 20 °C, будет вести себя иначе в производственном помещении с температурой 40 °C
· Принудительное охлаждение или более крупный корпус зачастую обходятся дешевле, чем устранение преждевременного выхода из строя
Крышки одноступенчатых червячных редукторов 5:1–75:1 согласно одним источникам, по другим данным — 5:1–300:1 для червячных передач, применяемых специально при больших передаточных отношениях.
Высокая величина передаточного отношения в одной ступени действительно является преимуществом червячной передачи, наряду с расположением под прямым углом и тихой работой, обусловленной скольжением контактирующих поверхностей. Именно эти причины определяют выбор такой передачи. Самоторможение не должно входить в их число.
Для стандартного нормального угла давления 20 градусов угол подъёма должен оставаться ниже 25 градусов .
Червячные колёса работают из бронзы против закалённого стального червяка. Причина — скольжение в зоне контакта: в червячной передаче происходит именно скольжение, а не качение, поэтому пара должна состоять из разнородных материалов, обладающих хорошими характеристиками при скольжении и способностью к вдавливанию. Бронза и сталь — это проверенная комбинация.
Червяк закалён и заточен; колесо является жертвенным компонентом. Это сделано намеренно. При износе привода заменяется более дешёвая и лёгкая в замене деталь.
Скорость по делительной окружности может достигать 30 м/с в идеальных условиях, однако большинство промышленных червячных передач работают значительно ниже этого значения.
Можно ли использовать червячный редуктор для удержания нагрузки без тормоза?
Нет — там, где падение груза может причинить вред. Опубликованные рекомендации AGMA и общепринятые инженерные справочники прямо указывают, что червячные пары не следует считать самотормозящимися, а также специально предупреждают против их применения в качестве тормозных устройств в подъёмных механизмах.
Мой червячный редуктор удерживает нагрузку уже годы без проскальзывания. Значит, он самотормозящийся?
Он является статически самотормозящимся при текущих условиях. Смените смазку, допустите износ зубьев, добавьте вибрацию от нового оборудования или увеличьте нагрузку — и это может измениться. Самоторможение — это условие, а не свойство.
Почему мой червячный редуктор работает так горячо?
Поскольку червячные передачи неэффективны, а теряемая мощность превращается в тепло. Проверьте, не превышаете ли вы тепловые допустимые значения, а не механические; это разные величины, и тепловые ограничения обычно достигаются первыми.
Поможет ли двухзаходный червяк решить мою проблему с эффективностью?
Это повысит КПД с диапазона 40–50 % до диапазона 70–78 %. При этом также исчезнет самотормозящее поведение. Убедитесь, что ни один элемент машины не зависит от этого свойства.
Какой КПД следует использовать при подборе двигателя?
Используйте значение, соответствующее вашему конкретному передаточному отношению и числу заходов, взятое из данных производителя редуктора, а не какое-либо усреднённое значение. Диапазон КПД у разных конструкций червячных передач настолько широк, что применение усреднённого значения приведёт к неправильному подбору двигателя.
Является ли бронза единственным вариантом для червячного колеса?
Бронза — стандартный материал по веской причине, однако конкретный её сорт зависит от режима эксплуатации. Укажите требуемый сорт совместно с поставщиком редуктора, исходя из нагрузки, скорости и цикла работы.
Компания Tianjin HaoRongShengYe Electrical Equipment Co., Ltd. производит пары червяк–червячное колесо: бронзовое колесо в сочетании с закалённым шлифованным стальным червяком в однозаходном и многозаходном исполнении. Сообщите нам передаточное отношение, цикл нагружения и необходимость защиты от обратного привода — и мы честно скажем, подходит ли червячная передача для вашей нагрузки.
