Електромагнитни съединители

Механични системиСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2009

В какви приложения е добре да се използват електромагнитни триещи и прахови съединители?

 

  Пред машинните инженери е добре известно, че динамичните качества и ресурсът на механизмите на машинните агрегати до голяма степен зависят от типа и характеристиките на избрания съединител. Основната функция на всеки съединител е да съединява краищата на валовете и да предава въртящ момент от един вал на друг или на свободно поставен върху него машинен детайл. Наред с това, съединителите изпълняват и редица други функции. Това обяснява защо принципът на действие и конструкциите на използваните съединители са толкова разнообразни. Сред широко използваните конструкции са електромагнитните съединители, които са обект на разглеждане в настоящия материал.

Използват сили на магнитно взаимодействие
Електромагнитните съединители се отнасят към групата на управляемите съединители. Характерно за тях е, че използват силите на магнитно взаимодействие, включително:
l За осъществяване на сила на включване - при електромагнитните триещи съединители;
l За създаване на сили на сцепление на феромагнитни частици и предаване на въртящ момент - при електромагнитните прахови съединители;
l За индуциране на вихрови токове между магнитните полета на индуктор и котва, с цел предаване и регулиране на въртящия момент - при индукционните съединители.
Електромагнитни
триещи съединители
Представляват триещи, фрикционни, съединители с електромагнитна система на включване. При тях притискането на триещите повърхнини се осъществява от електромагнити, вградени в конструкцията на съединителя.
Предимства на електромагнитните триещи съединители са:
l Бързодействие, съчетано с висока надеждност на включване и изключване при различни ъглови скорости;
l Малък момент на празен ход – 0,5 до 2% от предавания момент;
l Отсъствие на неуравновесени сили;
l Лесно дистанционно и автоматизирано управление;
l Възможност за точно регулиране на въртящия момент.
Най-голямо разпространение са намерили многодисковите електромагнитни триещи съединители. Те се отличават с малки диаметрални размери и се използват при високоскоростните предавки. Тъй като се характеризират с редица предимства, този вид съединители намират приложение в металорежещите машини с програмно управление, в текстилната, хранително-вкусовата промишленост и др.

Класификация и устройство
Електромагнитните триещи съединители са стандартизирани по БДС 13649-76 за предаване на въртящи моменти от 10 до 4000 Nm. Избират се чрез използването на базовите данни за стандартни съединители, както и от каталозите на производители. Водещите компании в областта предлагат електромагнитни триещи съединители за моменти до 16000 Nm.
Съществуват различни признаци за класификация на този тип съединители, сред които:
l Според разположението на дисковия триещ пакет по отношение на магнитната верига, те се разделят на съединители с магнитопроводящи дискове (б.ред. последните са елемент от магнитната верига) и на съединители с изнесени дискове (б.ред. те не са елемент от магнитната верига);
l В зависимост от относителното разположение на дисковия пакет спрямо електрическата бобина се определят като съединители с аксиален и с радиален пакет;
l Според относителното движение на бобината се говори за съединители с въртяща се (подвижна) и с неподвижна бобина.

Съединител с магнитопроводящи дискове
Многодисковият електромагнитен съединител с магнитопроводящи дискове (фиг. 1а) се състои от следните основни части: вътрешен полусъединител с вграден електромагнит 1 и бобина 2, пакет външни и вътрешни триещи дискове 3, котва 4 и външен полусъединител, който не е показан на чертежа. Бобината обикновено се залива с епоксидна смола, което дава възможност на съединителя да работи потопен в масло.
Съединителят се управлява чрез захранване на електромагнита с постоянен ток, който се подвежда чрез контактен пръстен. Той е свързан с единия извод на бобината, а другият извод е присъединен към корпуса. Характерно за описаната конструкция е, че пръстеновидният магнитен поток пресича дисковете и се затваря през котвата, като я притегля и притиска дисковете към тялото 1 при включване на съединителя. За да не се затваря магнитният поток през триещите дискове (виж. фиг. 1б), в тях се изработват пръстеновидни прорези, разположени срещу бобината. Котвата е съставна и се състои от вътрешен и външен пръстен, което осигурява по-равномерното й притискане към дисковете. Тези съединители работят в масло и осигуряват автоматична компенсация на износването.

Съединител с изнесени дискове
В електромагнитния съединител с изнесени дискове и въртяща се бобина (фиг. 1в) магнитният поток не преминава през дисковете. Котвата, изпълнена като едно цяло със специални тяги (виж фиг. 1г), се притегля от електромагнита към полусъединителя 1 и притиска дисковете.
Съединителите с изнесени дискове се използват при необходимост от повишено бързодействие и при работа в среда, характеризираща се с отделяне на топлина. Тези съединители могат да работят както в масло, така и на сухо.
През последните години се разширява приложението на съединителите с неподвижна бобина (фиг. 1д), при които контактните пръстени отсъстват и се намалява масата на въртящите се детайли. При включване на съединителя се запазва постоянна хлабина между подвижния и неподвижния магнитопровод с вградената бобина.

Материали на елементите на съединителите
Корпусните детайли и котвата на съединителите се изработват от меки стомани, например АСт3 или армко-желязо. За дисковете, при магнитопроводящ дисков пакет, се използва стомана 10 с циментация на повърхностния слой, с дебелина 0,25 mm и твърдост HRC = 50 - 58. В конструкцията на съвременните съединители, като триеща двойка, се използва стомано-металокерамичен (синтерован) материал. Той се нанася чрез пресоване, с дебелина 0,2 до 2 mm. Външните дискове се изработват от стомана 45 или от 65Г, с твърдост HRC = 40 - 45.
Практиката показва, че триещите двойки с вътрешни металокерамични дискове - работещи в масло, обикновено се набраздяват със спирални канали. Тяхна специфика е, че предаваният въртящ момент нараства много бързо в пусковия период и достига високи стойности за кратко време. Ако каналите върху синтерованото покритие са радиални или тангенциални, в тях се задържа масло и моментът нараства по-бавно.
Съединителите с гладки металокерамични дискове включват „меко”, с по-плавно нарастване на момента. При работа на сухо, дисковете не се набраздяват.

Електромагнитни прахови съединители
Принципът на действие на електромагнитните прахови съединители (ЕМПС) се основава на способността на прахообразните смеси от феромагнитни частици да изменят структурата си, когато през тях преминава магнитен поток.
Предимствата на ЕМПС са подобни на характерните за електромагнитните триещи съединители. По-специално, би могло да се отбележи, че те се отличават с:
l Изключително високо бързодействие;
l Възможност за точно управление на предавания момент;
l Слаба зависимост на момента от скоростта на приплъзване;
l Висока износоустойчивост на работните повърхнини.
При еднакви размери между един електромагнитен прахов съединител и един индукционен съединител - първият предава значително по-голям момент. Причината е, че в конструкцията на праховия съединител работи целият обем на феромагнитната смес, а не само работната й повърхност.

Типични приложни области на ЕМПС
ЕМПС могат да се използват и като предпазни, тъй като при дадена стойност на управляващия ток, с увеличаване на момента се стига до състояние, в което връзките между магнитните частици се разкъсват. Следователно двете части на съединителя започват да се въртят една спрямо друга. Към недостатъците им могат да се отнесат „стареенето” и необходимостта от периодична смяна на работната смес, както и трудностите по уплътняването, свързани с износване на уплътнителните устройства.
Типични примери за ефективно приложение на ЕМПС са: спирачни динамометрични устройства - следящи системи, както и системи за автоматично управление, предавки за точни премествания, пускови устройства за ускоряване на машини с големи инерционни маси. Известни са случаи на приложение на електромагнитни прахови съединители в задвижването на мощни конвейери с въртящ момент от 250 до 2000 Nm, в сондажни установки с момент до 4000 Nm, в механизми за въртене и движение на кранове и др.

Конструкция на праховите съединители
Основен конструктивен елемент на електромагнитния прахов съединител (фиг. 2) са два полусъединители - във вид на дискове, плътни или кухи цилиндри. Хлабината между тях е запълнена със смес от феромагнитен прах и смазочно вещество (сухо или течно). Върху един от полусъединителите е вградена управляваща намотка (би могла да бъде повече от една), която чрез контактни пръстени се захранва с прав ток (обикновено с напрежение 24 V). Създаденият от намотката магнитен поток се затваря през работната хлабина, при което феромагнитните частици образуват връзки, ориентирани по дължината на магнитните силови линии. Тези връзки между подвижния и неподвижния диск създават съпротивление срещу приплъзване, което е толкова по-голямо, колкото по-намагнитен е феромагнитният слой, т.е. колкото по-силен е токът през управляващата намотка.
При включен съединител, най-голямото относително преместване на прахообразните частици се наблюдава в средата на слоя, докато частиците, прилепнали към намагнитените повърхнини на дисковете не се преместват спрямо тях и не ги износват. Когато намотката не е захранена с ток, а задвижващият вал се върти, центробежната сила изтласква феромагнитната смес по периферията на цилиндъра на полусъединителя. Сместа образува пръстен, който не се допира до неподвижния елемент и така се осигурява пълното разделяне на двата вала.

Основни характеристики на ЕМПС
Конструкциите на ЕМПС са много разнообразни, но класификацията им се основава на няколко основни признаци. Например според вида на смазочното вещество, те се разделят на съединители с течна или със суха смазка. Според разположението на работните хлабини спрямо оста на въртене – на радиални и на аксиални съединители. При големи моменти ЕМПС се изпълняват с няколко работни хлабини и с повече от една намотка. Захранването на управляващата намотка се осъществява чрез контактни пръстени или безконтактно, ако намотката е неподвижна.
Сравнително елементарно устройство и лесна поддръжка имат цилиндричните еднополюсни ЕМПС, които логично намират най-широко разпространение.
Предаваният от съединителя въртящ момент зависи от редица геометрични и експлоатационни параметри, както и от характеристики, които се определят от протичането на електромагнитните явления. Като статична характеристика на съединителя се определя зависимостта на въртящия момент Т от силата на тока в намотката I. Доказано е, че зависимостта между предавания момент и тока е почти линейна. Обикновено се строят две опитни криви – едната при синхронно въртене, а другата – при разлика в ъгловите скорости. За дадена конструкция и типоразмер на този тип съединители, стойностите на максималния и остатъчния въртящ момент, както и на други основни експлоатационни и монтажни параметри и характеристики, се отчитат от каталозите на фирмите-производителки.

Материали за елементите на съединителите
Елементите на магнитопроводите на бързодействащите ЕМПС се изработват от нисковъглеродна електротехническа стомана (армко-желязо), с висока начална магнитна проницаемост. А за бавнодействащите съединители – от нисковъглеродни стомани 10 или 20. С цел да се намали магнитното разсейване, останалите части на ЕМПС се изработват от немагнитни или малко намагнитващи се материали (аустенитни и неръждаеми хромови стомани, месинг, дуралуминий и др.).
Работните хлабини на съединителя се избират от 0,5 до 2 mm. Като напълнител се използва прахообразно карбонилно желязо с 0,7 – 0,8 % въглерод, във вид на сферични частици с диаметър от 4 до 8 mm. Във функцията на течни смазочни вещества (до 20% от масата на железния прах) обикновено се прилагат трансформаторни и индустриални масла, стабилизирани с прибавки. При по-високи температури се използват силикони. Маслото добре защитава праха от окисление, осигурява плавно включване на съединителя, но има по-ниска температурна устойчивост и по-трудно се уплътнява. Сухи смазочни вещества, използвани в ЕМПС, са немагнитни прахове - графит, молибденов дисулфид, цинков окис или талк.
При експлоатацията на ЕМПС е добре да се има предвид, че след продължителна работа, а още повече при бездействие, работната смес се уплътнява, което води до промяна на свойствата й (старее), с което се нарушава действието на съединителя. Поради това, големи прекъсвания на работата на съединителя не се препоръчват, а след една - до двегодишна експлоатация сместа трябва да се замени. Необходимо е периодично да се проверява и техническото състояние на лагерните възли и уплътнителните устройства.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top