选择完美的联轴器

发布时间:2010-07-08
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图1  正确的设计在安全联轴器零部件的设计过程中,物理学数据有着重要影响,如扭矩、扭转刚性、转速、弹簧刚度、转动惯量、动平衡及间隙大小等

机械式安全联轴器的优点在于:在整套机械设备中,每根传动轴只有几个安全保护零部件。因此,只需对这几个零部件的工作情况进行监控,就可保证设备工作时的安全。当机床过载时,这些零部件可保证在任何情况下都能可靠的强制断开动力传动系统,并保证其本身在最坏的情况下也不会失效。

在过去的一年里,机床设备传动系统中的零部件数量明显增多。相应的,这些机械零部件的设计和计算工作量,如联轴器的设计和计算工作量也随之增大。在这些零部件的设计过程中,物理学数据有着重要影响,如扭矩、扭转刚性、转速、弹簧刚度、转动惯量、动平衡及间隙大小等(图1)。为了保证驱动系统较高的运转平稳性,整个传动系统的动平衡误差应尽可能小。所谓的动平衡误差源于零部件制造的不对称,即由于零部件质量的不均匀分布引起的离心力令传动零部件产生了振动。


图2  双质量模型:驱动系统所有的零部件几乎都能简便的同时计算出来

 

几种联轴器的设计方法

有几种不同的联轴器设计方法可以有效提高传动系统的动平衡性能(图2)。利用加工平衡孔使整个零部件的质量分布更加均匀就是其中的一个方法。在驱动技术中,对动平衡的精度等级进行了规定,并对允许的最大不平衡量进行了限制。常用的动平衡精度等级为G 16、G 6.3和G 2.5,数字越小,动平衡精度越高(允许的残余不平衡量越小)。按照滚珠-棘齿原理进行安全保障工作的安全联轴器大多数情况下都是根据脱开扭矩进行工作的。在动态性能较高的情况下使用时,还要附加考虑谐振频率的影响,对谐振频率的大小进行计算,因为扭转刚度对动平衡也有着重要影响。快速正确的联轴器设计依赖于额定扭矩或者脱开扭矩的确定。当传动系统传递的扭矩达到额定数值时,联轴器就会发挥安全保护作用,使传动系统的动力输入和输出断开。脱开扭矩是正常情况下作用在驱动系统输入端的扭矩。此外,考虑到加速力矩和其他影响因素,在实际应用中使用的综合安全系数为1.5。可根据下式来选择安全联轴器。

 

式中TKN是联轴器传递的额定扭矩,单位为Nm;TAN是传动系统输入侧的额定扭矩,单位也是Nm。


图3  安全联轴器把伺服电动机与机床的滚珠丝杠连接在一起

 

通常情况下,驱动侧的额定扭矩TAN可以从设备的铭牌中得知。如果铭牌中没有这一数据,则可利用驱动设备的传递功率和转速通过经验公式计算得出,并利用机床设备制造中的常用数字9550转换成Nm。

 

式中PAN是驱动侧功率,单位为kW;n是转速,单位为r/min。

确定扭矩的另一种方法是利用(无负载启动时的)加速扭矩。利用这个方法需要考虑质量的分布情况和驱动系统的转动惯量,在设备和使用条件决定的修正系数(冲击修正系数或者负载修正系数)的帮助下,可以确定加速扭矩的数值。多数情况下,可根据三种不同的工况确定冲击系数和负载系数:SA=1(谐波负载);SA=2(周期性负载);SA=3~4(非周期性负载)。

可利用下列公式来确定扭矩。

 

式中α是角加速度,单位为1/s2;JL是输出侧和联轴器件I的扭转刚度,单位为kgm2;JA是输入侧和联轴器件II的扭转刚度,单位为kgm2;TAS是驱动侧的峰值扭矩;SA是冲击系数或者负载系数。

若要求精确确定扭矩时则必须考虑安全联轴器的加速扭矩和负载扭矩(有负载启动时)。这种精确计算考虑了经常处于负荷加速和制动的工况。除了考虑加速扭矩之外,还要考虑负载扭矩TAN。下式描述了它们之间的相互关系。

 

上述设计方法与生产厂家给出的动力输入和输出部件有关。除考虑扭矩数值外,还要考虑质量惯性矩和可能出现的加速度。按照进给力确定脱开扭矩是另一种可行的计算方法。此方法不仅可以用于传动轴类的传动系统,而且也适用于齿形皮带传动的传动系统。

在传动轴驱动系统中,传动轴的丝杠螺距和效率对驱动扭矩也有着重要影响。输入的驱动扭矩可按下式计算。

 


式中s是丝杠螺距,单位为mm;FV是进给力,单位为N;η是传动轴的效率。

若动力输入与动力输出不是由同一传动轴来实现动力传递的,而是利用齿形皮带来传递的,则输入扭矩可按下式计算。

 


式中d0是小齿形皮带轮直径,其单位为mm。

若联轴器的工作范围超出了谐振频率的范围,则需要详细了解各个参数。传动系统的各个组成部件都有自己的自振频率。驱动系统不应在所谓的谐振频率范围内工作。按照下式可以计算联轴器和整个传动系统的谐振频率。但使用该公式的前提是将传动系统各个部件的转动惯量汇集成一个总的转动惯量。总转动惯量的扭矩刚度对振动同样有着重要影响。

 


自振频率的单位是1/min,可按下式计算:

 

式中?e是传动系统的自振频率;CT是扭转刚度,单位为Nm/rad;ne是系统的自振频率。

整个设备的扭转刚性在联轴器的设计和计算时都有着重要作用。一台机床设备的刚性和减振性能究竟是设计的高一些还是低一些,与机床设备的使用情况密切相关,原则上应全面考虑所有零部件的刚性。

物体在一定的受力(扭矩)条件下会发生扭曲,扭转角度用物体的刚性(抵抗扭转的功)来表示。下式明确说明了它们之间的关系。

 

式中φ是扭转角,单位为度。

按照扭矩、谐振频率或者扭转刚性对安全联轴器进行准确的设计和计算时,与联轴器生产厂家进行适当的、反复的对话和技术咨询是非常必要的。他们在该领域的经验可保证其能准确确定联轴器的尺寸。


图4  R+W公司研发生产的安全联轴器的结构非常紧凑根据安全联轴器的规格大小和所传递的扭矩,开关环的行程距离应在0.7~3mm之间,这样就可以保证机床和设备的安全了。

 

快速脱离且仅有很小的残余摩擦力

今天机床设备中的联轴器必须具备两大功能,即可快速脱离和脱离后很小的残余摩擦力。当过载时,联轴器需在几微秒内断开动力输入和输出,以保护整个驱动系统。其主要目的是尽可能快的将驱动系统脱开,以降低驱动系统受损后的维修费用。在安全联轴器脱开之后,残余摩擦力不能太大,以便被连接部件不会因转动惯量过大而继续加速。这是因为安全联轴器脱开后的残余摩擦力越小,动力输入侧和输出侧在脱开状态下的负载就越小。

 

利用一个设计精密的碟形弹簧可实现上述两项功能的要求。曲线图5中的X轴表示安全联轴器的脱开和接通时间,Y轴表示输入扭矩。图中红色区域表示由脱开速度曲线和传动系统输入扭矩所构成的面积。

使用碟形弹簧后,联轴器过载时的反映过程较快,联轴器的脱开或动力输入端与输出端的脱离也比较快。此外,沿X轴方向的脱开速度还受联轴器部件质量的影响,如开关环。其重量应尽可能轻,以便实现快速的轴向移动。红色区域的面积表示系统脱开过程中所做的功。红色面积的区域越大,表示从传动系统中散发出来的热量就越多。这种类型的安全联轴器以其极佳的脱开性能和性能曲线中相对较小的红色区域而著称。一个专门研发设计的有着特殊弹簧特性的碟形弹簧承担着稳定安全联轴器调节范围和降低脱开时动力输入端和输出端残余摩擦力矩的任务。其工作特性不是按照普通的特性曲线来进行的,而是有自己独特的工作特性曲线。与其他所有安全联轴器需要利用感应式接近开关或者终点开关进行控制一样,这种开关环的开关行程也要受到监控。为了保证在受到污垢污染时也能可靠的工作,开关环的控制行程应尽可能大一些。

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