Вълнови предавки
Начало > Механични системи > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 8, 2010
Уникалните им предимства обуславят специфични области на приложение
В минал брой на сп. Инженеринг ревю акцентирахме върху актуалната тема за патентования от американския изобретател У. Маснер принцип на предаване на движение - вълновата предавка. В статията бяха представени принципни схеми на вълнови редуктори, предимства и недостатъци в сравнение с конвенционалните зъбни предавки, както и характерни приложения. В настоящия материал продължаваме темата с критериите за работоспособност на предавката
В процеса на работа на предавката основните й елементи получават различни повреди. На базата на статистически наблюдения са определени следните основни критерии за работоспособност на редукторите с вълнови зъбни предавки:
- якост на гъвкавото звено;
- повреда на лагерите на генератора;
- коравина на генератора и на недеформиращото се звено;
- износване на зъбите;
- загряване.
Гъвкавото звено е най-тежко натовареният елемент на предавката. То e подложено на напрежения на усукване и на циклично огъване. Разрушава се главно от умора на материала и много по-рядко вследствие на претоварване или нарушаване коректността на зацепването (интерференция, прескачане на зъбите и др.). Обикновено пукнатините от умора възникват в междузъбията и продължават по образуващата на гъвкавия цилиндър. Опасността от разрушаване се увеличава при по-малки предавателни отношения. Производителите гарантират дълготрайност на звеното от 10 до 25 хил. часа. С цел предотвратяване на повредата е необходимо гъвкавото звено да се изчисли на умора и да се направи подходящ избор на параметрите на зацепване, като се отчитат възможните претоварвания и точността на изработване.
Разрушаването на гъвкавия лагер би могло да е резултат от счупване на вътрешната гривна от умора или вследствие на претоварване. Нарушаването на работоспособността на лагера при увеличаване на радиалната хлабина вследствие на износване и питинг е една от основните причини, които определят товароносимостта и дълготрайността на вълновите редуктори.
Коравината на генератора и недеформиращото звено влияе положително върху зацепването и товароносимостта. При недостатъчна коравина, вследствие на интерференция на зъбите се получава заклинване на предавката. Нерядко се наблюдава и счупване на гъвкавото звено или на генератора, възможно е също така зъбите да "прескачат", вследствие на което водимото колело да не се движи.
При нормално натоварване, добро смазване и достатъчна твърдост на работните повърхнини на зъбите, абразивното им износване е незначително и практически не влияе върху работоспособността на вълновите предавки. При редуктори със сравнително малки габарити, допустимото загряване също би могло да е един от факторите, които ограничават товароносимостта. Загряването зависи от загубите на мощност, честотата на въртене на генератора, начина на смазване и др.
Обикновено
КПД се определя експериментално
тъй като зависи от редица конструктивни, технологични и експлоатационни фактори. Вълновите редуктори се отличават с достатъчно висок KПД, който е съизмерим с този на многостъпалните зъбни и планетни предавки. На фиг.1а е показано изменението на коефициента на полезно действие в зависимост от предавателното отношение (i) за вълнови предавки с гърбичен генератор при нормално натоварване и честота на въртене на генератора n1=1500 min-1. За същите предавки - фиг. 1б, е показана зависимостта на КПД от n1 при различни предавателни отношения (i).
Някои конструктивни решения
Вълновите предавки се произвеждат както като отделни елементи за вграждане, така и като редуктори и мотор-редуктори с общо и със специално предназначение. Вълновите редуктори с общо предназначение се използват вместо многостъпалните зъбни или планетни редуктори при големи предавателни отношения. При близки параметри (предавателно отношение, максимален въртящ момент и КПД) един сериен вълнов редуктор би могъл да има три пъти по-малка маса, четири пъти по-малък обем и значително по-ниска себестойност от един планетен.
Вълнови редуктори с общо предназначение се произвеждат серийно в Европа, САЩ, Япония и Китай. До 1992 г. са произвеждани и у нас от "Берое" - Стара Загора. Компаниите предлагат както вълнови зъбни редуктори и двигател-редуктори, така и отделни комплекти от основните им елементи, включително генератор, гъвкаво и недеформиращо се звено, за вграждане в машини, механизми и др.
На фиг. 2 е показан вълнов редуктор с делителен диаметър на гъвкавото звено 6,5 инча (165 mm). Конструкцията се отличава със следните специфики: генераторът е гърбичен, съединен е с вала чрез вулканизирана гумена шайба; гъвкавото звено има форма на чаша с еластично дъно. Звеното е щамповано с последваща механична обработка и уякчаване и е свързано с изходящия вал чрез сглобка със стегнатост. Недеформиращото се звено е свързано твърдо с тялото чрез фланец и група винтове. На вала на генератора е поставен вентилатор, а на капака на тялото има ребра за подобряване на охлаждането.
Някои от компаниите-производителки предлагат модели с обхват на предавателното число от 78 до 320 и въртящ момент до 4060 Nm. Те гарантират дълготрайност на елементите до 10 000 часа. В техническите паспорти данните за допустимия въртящ момент често се задават за продължителност на включване ПВЈ60% и непрекъсната работа не по-дълга от 30 минути. При денонощна работа с постоянно натоварване, допустимият момент намалява с 1,25 пъти, а при удари - до 2 пъти. Допустимото кратковременно претоварване е до 200%.
Специалните вълнови редуктори се използват в механизми и устройства, към които са предявени специални изисквания по отношение на кинематична точност, херметичност, инерционност, минимална маса, размери и др.
Създадени са и са изпитани силови вълнови предавки в конструкциите на строителни и пътни машини
Използването на вълновата предавка в механизмите за завъртане на кранове и ескаватори, мотор-барабани за лебедки и телфери, мотор-колела за електрокари е позволило в някои от случаите масата на механизма да се намали до осем пъти. При портативни автомобилни и бордови самолетни лебедки замяната на обикновения зъбен редуктор с вградена в барабана вълнова предавка (i = 100-130) позволява намаляване повече от два пъти на масата и общите габарити.
Редуктор с общо предавателно отношение i=3390, от което 285 се получава от вълнова предавка, се използва в подвижни ракетни платформи. На всяко от дванайсетте двойки колела на платформата е монтиран по един редуктор, който се задвижва от електродвигател с мощност 2,2 kW при 1800 min-1.
Вълнова предавка (маса 18 kg, предавателно отношение i=130, въртящ момент T = 25 000 Nm) е била използвана в механизма за завъртане, във вертикална равнина, на витлата на четиривитлов самолет с вертикално излитане Bell X-22A V/STOL.
Приема се, че вълновите предавки са особено подходящи за антенни въртящи устройства
При използването на вълнова предавка с i = 172 в редуктора на 1,83-метрова параболична радарна антена са намалени три пъти габаритите и два пъти масата на механизма. При това, по всички останали показатели, вълновата предавка превъзхожда обикновения зъбен редуктор - мъртвият ход не превишава 30'', а КПД е 85%. По аналогичен начин е използвана вълнова предавка в механизми за повдигане и спускане на портативна лентова антена. В случая целият редуктор с двигателя е вграден вътре в барабана.
Стандартни елементи на вълнови предавки намират приложение в задвижването на роботи и манипулатори. Типични примери са механизмите на самоходен радио-управляем манипулатор за възстановителни, спасителни и други подобни работи в зони с висока радиация. Използваните вълнови предавки имат i = 250 и минимален мъртъв ход, което позволява да се манипулира с товари до 1100 kg с различни инструменти и точност до 3 mm. Има информация, че задвижването на американския "лунен автомобил" също е осъществено с вълнови редуктори, вградени във всяко от колелата му.
Вълнови предавки с пластмасови звена се използват за малки мощности при периодично действащи механизми, от които се изискват компактност, малка маса и ниска цена, съчетани с високи показатели за КПД, плавност на работа и малка инерция на подвижните части. Такива вълнови предавки са използвани в механизми за вертикално завъртане на фаровете на автомобили
Предавката е с въртящ момент 10 Nm при маса 1,1 kg заедно с двигателя. Подобна предавка е използвана в механизма за повдигане на вратите на гараж, както и за отваряне вратите на асансьор. Изпитванията при режим, еквивалентен на десетгодишна експлоатация, са доказали високата надеждност на механизма.
Като особено перспективно се приема приложението на вълновите предавки в уредостроенето. Голямо приложение намират в космическата и военната техника.
В уранодобива и медицината се използват херметичните вълнови предавки и съединители. Херметична вълнова предавка е вградена в механизмите за завъртане на слънчевите панели на спътници. Такава предавка е използвана в електронно-вакуумно устройство с цел записване на видеосигнала, постъпващ от движещ се обект (самолет, спътник) и последващото му възпроизвеждане. Конструкцията на устройството се състои от тънка затворена лента от неръждаема стомана, която се движи с постоянна скорост вътре в електронно-лъчева тръба. Вълновата предавка предава движението от разположения отвън двигател вътре в тръбата и осигурява необходимата постоянна скорост на движение на лентата.
Освен като редуктори, вълновите зъбни предавки с успех се използват и като мултипликатори (ускорители)
Компания произвежда нисковолтов генератор с ръчно задвижване чрез две ръчки с 60 min-1. Вълновата предавка ускорява движението и изходящият вал се върти с около 6000 min-1. Общата маса на генератора с мощност 50 W е 3,85 kg.
Ускорителна вълнова предавка е използвана в механизма за инерционно погасяване на усилията в сервозадвижването на безпилотен вертолет. Вълновата предавка увеличава 80 пъти скоростта на въртящите се маси, което позволява многократно намаляване на масата им. Предавката осигурява висок КПД и надеждна работа и е приета като стандартно оборудване за тези вертолети.
Разгледаните примери показват, че възможностите на вълновите предавки удовлетворяват специфичните изисквания към много от предавателните механизми в машиностроенето, уредостроенето, роботизацията, радиоелектрониката и космическата техника. Приложението на вълновите предавки в тези области е значително и се дължи на техните функционални, експлоатационни и икономически предимства.
Вижте още от Механични системи
Новият брой 6/2024
