Sprzęgło elastyczne wykazuje dziesięciokrotnie większą zdolność kompensowania błędów osiowania niż obracające elementy maszyn. Oznacza to, że przy osiowaniu układu powinno się uwzględnić najpierw wymagania napędzanego obciążenia i członu napędzającego, dopiero w dalszej kolejności parametry samego sprzęgła.
Korzyści wynikające z prawidłowego wyosiowania wydają się oczywiste, ponieważ drobne odchylenia pojawiające się w układach pracujących całodobowo mogą powodować poważne problemy. Niewspółosiowość jest najważniejszą przyczyną uszkodzenia łożysk i uszczelek, drgań, wycieku oleju z opraw łożysk, pękania wału i awarii sprzęgła. Osiowanie układu powinno się przeprowadzać możliwie najdokładniej, biorąc pod uwagę względy opłacalności oraz stopień złożoności układu. W ten sposób ogranicza się potencjalne naprężenia, eliminuje zbędne czynności konserwacyjne i przedłuża żywotność urządzeń.
|
Podstawowe zagadnienia:
|
Płaszczyzny zginania
Pojęcie płaszczyzny zginania oznacza punkty zginania sprzęgła. Sprzęgło z dwiema piastami ruchomymi (ang. full-fl ex, double engagement) ma dwa punkty zginania przy każdym połączonym wale. Sprzęgło z punktem zginania z jednej strony i sztywno zamocowanym wałem z drugiej określa się mianem sprzęgła z jedną piastą ruchomą lub półsprzęgła (ang. single-flex, flex-rigid, half-coupling). Punkt zginania może znajdować się pomiędzy oddzielnymi elementami, jak na przykład w zazębieniu piasta-tuleja w sprzęgle zębatym, w zgięciu niedzielonego elementu zginającego, takiego jak tarcza (łącznik płytkowy), membrana lub łącznik elastyczny. Płaszczyzna zginania sprzęgła elastomerowego mieści się w samym elastomerze.
Rodzaje nieosiowości
Wyróżnia się trzy rodzaje nieosiowości: przesunięcie poprzeczne (promieniowe), kątowe oraz połączenie obu tych odchyleń. Przesunięcie osiowe jest rodzajem nieosiowości, z którym sprzęgło powinno samo sobie radzić.
Z przesunięciem poprzecznym (promieniowym) mamy do czynienia, gdy osie wałów napędzającego i napędzanego są równoległe, ale przesunięte względem siebie. W celu zniwelowania tego rodzaju odchyłki stosuje się sprzęgło z dwiema piastami ruchomymi – z dwoma punktami zginania – albo układ dwóch sprzęgieł z jedną piastą ruchomą. W obu przypadkach działa zasada, że im większa jest szczelina osiowa między obiema płaszczyznami zginania, tym większą zdolność eliminowania przesunięcia poprzecznego i promieniowego musi mieć dane sprzęgło. Do typowych modeli z dwiema piastami ruchomymi zalicza się sprzęgła zębate, sprężyste dwutarczowe i membranowe.
Wprawdzie sprzęgła elastomerowe mają tylko jedną płaszczyznę zginania, jednak elastomer o dostatecznym stopniu sprężystości może sam odkształcać się, zapewniając odpowiednią kompensację przestawienia poprzecznego. Sprzęgła te mogą w pewnym zakresie funkcjonować jako sprzęgła z wałami pośrednimi lub pływającymi.
Przesunięcie kątowe oznacza przecinanie się osi wału napędzającego i napędzanego. Sprzęgła z jedną piastą ruchomą (półsprzęgła) radzą sobie tylko z tego rodzaju błędem, ponieważ charakteryzują się jedną płaszczyzną zginania, podobnie jak sprzęgła jednotarczowe i membranowe. Sprzęgła jednotarczowe stosuje się w układach trójłożyskowych oraz po jednej stronie układów z wałami pływającymi.
Przesunięcie osiowe oraz ruchy poosiowe wynikają często z cieplnego wydłużania wału i luzów wirnika. Materiał rozszerza się pod wpływem wysokiej temperatury wytwarzanej w trakcie pracy, prowadzącej do niekontrolowanego wydłużania się wału. Zastosowanie łożyska oporowego na końcu wału (zwykle od strony sprzęgła) może ograniczyć wpływ przesunięcia osiowego lub wzdłużnego rozszerzania się wału. Przesunięcie osiowe powodowane jest także przez przemieszczanie się wirnika w polu magnetycznym. W takim przypadku sprzęgło musi albo skompensować nieosiowość, albo ograniczyć ją, przerzucając opór na łożyska wirnika. Modele ograniczające określa się mianem sprzęgieł z ograniczonym luzem osiowym. W pewnych przypadkach za pośrednictwem sprzęgła celowo przenosi się nacisk osiowy na inną maszynę, jednak nie zawsze można wtedy stosować modele z ograniczonym luzem osiowym. Z przesunięciem osiowym najlepiej radzą sobie sprzęgła zębate, ponieważ zęby piasty mogą przesuwać się osiowo w tulei, nie tracąc zazębienia.
Inne rodzaje sprzęgieł, m.in. modele membranowe, mogą zginać się lub rozciągać, kompensując w pewnym stopniu przesunięcie osiowe. W mniejszym zakresie kompensują je sprzęgła tarczowe. W przypadku obu rodzajów sprzęgieł reakcją na przesunięcie osiowe jest opór zwiększający się wraz z wielkością odchyłki.
Porównaniu zdolności kompensacyjnych sprzęgieł służą katalogi różnych producentów. Wielkość dopuszczalnego przesunięcia podawana jest zazwyczaj jako wartość odchyłki kątowej, którą w modelach o dwóch płaszczyznach zginania można wyrazić jako wartość przesunięcia promieniowego i poprzecznego. Zamiana odchyłki kątowej na promieniową to zadanie z zakresu geometrii płaszczyzny. Przesunięcie promieniowe to iloczyn tangensa kąta przesunięcia i odległości między punktami zginania.
Należy pamiętać, że zdolność kompensowania odchyłek i przenoszenia momentu obrotowego oraz trwałość sprzęgła są wzajemnie powiązane. Niewyosiowane sprzęgło wykazuje mniejszą zdolność przenoszenia momentu obrotowego. Skrócenie żywotności może wynikać z większego zużycia, a ograniczona zdolność przenoszenia momentu obrotowego wiąże się z wyższymi naprężeniami zmęczeniowymi.
Tego rodzaju naprężenia są prostą konsekwencją niewyosiowania. Niektórzy producenci podają maksymalną wartość momentu obrotowego, aby zatem określić użyteczną wartość momentu obrotowego, kupujący muszą obniżyć podaną wielkość o pewien współczynnik. Z kolei inni producenci informują o momencie obrotowym zdjętym przy maksymalnym przesunięciu. Wybierając sprzęgło, należy pamiętać, że powinno ono przenosić znamionowy moment obrotowy przy odchyłkach pojawiających się w konkretnym zastosowaniu.
Do czynników wpływających na jakość wyosiowania układu należą zakresy tolerancji, obciążenie rur, rodzaj podłoża oraz takie zjawiska, jak zgięcie wału czy wadliwe posadowienie.
Dopuszczalne odchyłki
Układy dużych mocy i prędkości wymagają dokładnego osiowania, natomiast urządzenia ogólnego zastosowania są dostrajane mniej precyzyjnie. Na przykład maszyna wykonująca ponad 3 tys. obr./min wymaga osiowania z dokładnością 0,0127 mm lub lepszej na 1 mm odległości między punktami zginania. W urządzeniach ogólnego zastosowania dopuszczalny zakres niewyosiowania wynosi 0,0254 mm na 1 mm odległości między punktami zginania. Mniejsze wartości skutkują poprawą jakości pracy, powinny być jednak zgodne z zaleceniami producenta.
Zalecenia te przeważnie odnoszą się do układów bezpośrednio sprzężonych. Użycie wału pośredniego lub pływającego – ze względu na zdolność kompensowania odchyłek promieniowych między dwoma urządzeniami – może sprawić, że zalecenia producentów tych urządzeń stracą ważność.
Niektóre układy wymagają uwzględnienia dużych przesunięć poprzecznych. Trzeba wówczas stosować specjalnie wykonane sprzęgła i połączone z nimi urządzenia. Człony napędzające i napędzane muszą charakteryzować się odpowiednią wytrzymałością z uwagi na powstawanie większych obciążeń postępowo-zwrotnych. Urządzenia z wałem pośrednim lub pływającym projektuje się raczej ze względu na łatwość konserwacji, niż na większą możliwą zdolność kompensowania odchyłek.
Zakresy tolerancji sprzęgieł
Należy pamiętać, że sprzężony układ musi w pierwszej kolejności odpowiadać wymogom i normom określonym przez producenta napędzanej maszyny, a nie parametrom samego sprzęgła. Niewyosiowane sprzęgło elastyczne może przenosić obciążenia postępowo-zwrotne i drgania w zakresie odpowiadającym swoim parametrom, a one niekoniecznie pokrywają się z wytrzymałością połączonych urządzeń.
Przekroczenie dopuszczalnych odchyłek prowadzi do powstawania szkodliwych drgań. Duże niewyosiowanie powoduje przenoszenie na urządzenia szczególnie silnych drgań. Bardzo duże przestawienie poprzeczne jest dopuszczalne tylko w przypadku maszyn pracujących przy niskich obrotach. Natomiast urządzenia wysokoobrotowe, także te z wałami pośrednimi i pływającymi, powinny być dokładnie osiowane w celu ograniczenia drgań i obciążeń postępowo-zwrotnych.
Obciążenia postępowo-zwrotne spowodowane rozosiowaniem
Niewspółosiowość wałów powoduje, że sprzęgło przenosi na napędzane urządzenie obciążenia postępowo-zwrotne (na wały działa tzw. moment przywracający), zwiększające się wraz ze stopniem rozosiowania i zależne od typu sprzęgła. W modelach zębatych siły postępowo-zwrotne powstają w wyniku tarcia ślizgowego na zazębieniu, które jest dość znaczne na styku powierzchni metalowych i w pewnym tylko stopniu niwelowane przez cienką warstwę smaru.
W rozosiowanym sprzęgle zębatym siły tarcia i opory tworzą moment zginający, który może stanowić obciążenie rzędu 10% przekazywanego momentu obrotowego, co stanowi wielokrotnie większą wartość niż w przypadku sprzęgła tarczowego.
O ile zastosowanie sprzęgła tarczowego zamiast zębatego może okazać się w pewnych przypadkach korzystne, zawsze należy ocenić rzeczywistą wielkość rozosiowania, jaką trzeba będzie skompensować w konkretnych warunkach. Na przykład w pewnej maszynie papierniczej w miejsce sprzęgła zębatego założono sprzęgło tarczowe, które jednak pierwszą awarię miało już po 90 dniach pracy. W wyniku dokładnego badania ustalono, że parametry zastosowanego sprzęgła tarczowego nie odpowiadały poziomowi rozosiowania w danych warunkach, czego rezultatem były usterki maszyn.
Co więcej, wadliwe sprzęgło było trudne w montażu i wymagało wiele obsługi. Nowe sprzęgło tarczowe okazało się znacznie sprawniejsze ze względu na lepsze parametry kompensacji odchyłek, dzięki czemu uniknięto kosztownych przestojów. Ponieważ nie zawierało ono ruchomych (zużywających się) części, nie wymagało smarowania, co w efekcie dawało oszczędności na przestojach i konserwacji.
Sprzęgła tarczowe i membranowe kompensują odchyłki kątowe i osiowe poprzez zginanie cienkich części metalowych, przy czym im cieńszy element, tym mniej siły potrzeba do jego zgięcia. Z kolei sprzęgła z wkładem przenoszącym łącznik elastyczny oraz sprężynowe radzą sobie także z obciążeniami postępowo-zwrotnymi w stopniu proporcjonalnym do wielkości obciążenia.
Wielkość obciążeń postępowo-zwrotnych wiąże się również z masą samego sprzęgła. Ze względu na fakt, że masa urządzenia jest z reguły związana z jego rozmiarem, mniejsze sprzęgła o większej zdolności przenoszenia momentu obrotowego (takie jak sprzęgła zębate) wykazują mniejsze obciążenia postępowo-zwrotne, przekazując porównywalny moment obrotowy. W celu zmniejszenia masy i bezwładności duże sprzęgła wykonuje się często z lekkich materiałów.
Obciążenia przekazywane przez samo sprzęgło zależą od punktu przyłożenia obciążenia, czyli punktu (płaszczyzny) zginania. Sprzęgła, w których punkt zginania przesuwa się do najbliższego łożyska, określa się mianem sprzęgła z ogranicznikiem momentu obrotowego, ponieważ ograniczają one obciążenie postępowo-zwrotne przekazywane na łożysko.
Osiowanie już w trakcie montażu
Dobrym rozwiązaniem jest osiowanie układu już w trakcie montażu sprzęgła. Należy wówczas wziąć pod uwagę warunki, w jakich urządzenia będą znajdować się w stanie spoczynku i pracy, ponieważ w temperaturze roboczej ulegają one rozszerzeniu. Zestrajając sprzęgło na zimno, umieszcza się je w takiej pozycji, żeby proces rozszerzania przyczynił się do dokładniejszego wyosiowania układu.
Oprócz czynnika temperaturowego na wyosiowanie układu mają wpływ także zakresy tolerancji, obciążenie rur, rodzaj podłoża oraz takie zjawiska, jak zgięcie wału czy wadliwe posadowienie. O ile to możliwe, należy wybierać takie modele sprzęgieł, które wymagają tylko wstępnego osiowania. Nie trzeba przekonywać, że zatrzymywanie maszyn, odłączanie, ponowne podłączanie i osiowanie sprzęgieł oznacza wielogodzinne przestoje i straty wydajności.
Korzyści wynikające z precyzyjnego osiowania
Właściwie wyważone układy charakteryzują się stabilną pracą. Powszechnie wiadomo, że każdemu 10-stopniowemu wzrostowi temperatury silnika odpowiada spadek oczekiwanej żywotności sprzęgła. Niewyosiowane maszyny generują nadmierne obciążenia, które bada się, między innymi mierząc amplitudę drgań. Zbyt duże siły mają szkodliwy wpływ na żywotność łożysk. Wzrost naprężeń (przy zachowaniu wszystkich innych czynników na tym samym poziomie) powoduje spadek przewidywanej trwałości tyle razy, ile wynosi kwadrat wzrostu naprężenia. Oznacza to, że dwukrotny wzrost naprężeń powoduje ośmiokrotne skrócenie trwałości łożyska.
UR
Kevin Remark, kierownik ds. rozwoju produktu w firmie Lovejoy Inc., w której pracuje od 24 lat; z wykształcenia inżynier mechanik.
Artykuł pod redakcją Michała Andrzejczaka
Autor:
Kevin Remack, Lovejoy Inc., Downers Grove, USA
