Муфты для приводов бетононасосов

Назначение и роль муфт в приводах бетононасосов

Муфты для приводов бетононасосов представляют собой критически важные элементы трансмиссии, обеспечивающие надежное соединение гидромоторов и редукторов с рабочими валами насосного оборудования. В гидравлическом приводе бетононасоса муфта выполняет функцию передачи крутящего момента от гидромотора через редуктор к поршневому механизму, обеспечивая при этом компенсацию неизбежных монтажных и эксплуатационных смещений.

Гидропривод бетононасоса состоит из нескольких основных компонентов. Двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель приводит в действие гидронасос, создающий давление в гидравлической системе. Поток рабочей жидкости под давлением направляется к гидромоторам, которые преобразуют гидравлическую энергию в механическое вращение. Это вращение через систему муфт и редукторов передается на рабочие цилиндры бетононасоса, обеспечивая возвратно-поступательное движение поршней.

Типы муфт для бетононасосов

Для соединения гидромоторов и редукторов в приводах бетононасосов применяются различные типы муфт, каждый из которых имеет специфические характеристики и область применения.

Зубчатые муфты

Конструкция и принцип работы

Зубчатые муфты являются наиболее распространенным типом жестких компенсирующих муфт в приводах бетононасосов. Конструкция муфты состоит из двух втулок с внешними зубчатыми венцами эвольвентного профиля и разъемной обоймы с двумя внутренними зубчатыми венцами. Втулки насаживаются на концы соединяемых валов, а обойма охватывает обе втулки, обеспечивая передачу крутящего момента через зубчатое зацепление.

Передача крутящего момента осуществляется следующим образом. Выходной вал гидромотора передает вращение на зубчатый венец первой втулки. Через внутренние зубья обоймы крутящий момент передается на зубчатый венец второй втулки, соединенной с входным валом редуктора. Конструкция с эвольвентным профилем зубьев и углом зацепления 20 градусов обеспечивает плавную работу и высокую нагрузочную способность.

Технические характеристики по ГОСТ Р 50895-96

Зубчатые муфты изготавливаются для передачи крутящих моментов от 1000 до 63000 Нм. Рабочие поверхности зубьев подвергаются термической обработке до твердости 45-55 HRC, что обеспечивает высокую износостойкость. Для муфт, работающих при окружной скорости на делительном диаметре зубчатого соединения до 1 м/с, допускается твердость поверхности зубьев 248-302 НВ.

Компенсационные возможности

Компенсация смещений валов достигается относительным перекосом втулок и обойм за счет боковых зазоров между зубьями и выполнения поверхности выступов зубьев втулок сферической. Перекос оси каждой втулки в процессе эксплуатации относительно оси обоймы не должен превышать 1°30′. Радиальное смещение компенсируется благодаря зазорам в зубчатом зацеплении, а осевое перемещение обеспечивается длиной зубчатых венцов.

Смазка и герметизация

Зубчатые соединения муфт требуют постоянной смазки для обеспечения долговечности и снижения износа. В качестве смазочного материала применяются пластичные смазки типа Литол-24 или индустриальные масла И-20А, И-30А в зависимости от температурных условий эксплуатации. Объем заливаемого масла должен обеспечивать покрытие полной высоты зуба при работе муфты.

Для предотвращения вытекания смазки и попадания загрязнений применяются уплотнительные элементы. На торцевых поверхностях обойм устанавливаются резиновые манжетные уплотнения или лабиринтные уплотнения металлического типа. Периодичность проверки уровня смазки составляет 500 моточасов работы.

Упругие муфты с демпфированием

Упругие втулочно-пальцевые муфты

Упругие втулочно-пальцевые муфты по ГОСТ 21424-93 находят применение в приводах бетононасосов благодаря способности эффективно демпфировать вибрации и снижать динамические нагрузки. Конструкция муфты включает две полумуфты с отверстиями, в которые запрессованы стальные пальцы, и упругие резиновые втулки, надетые на пальцы.

Полумуфты изготавливаются из стали 45 или стали 40Х методом ковки или литья для крупных типоразмеров. Пальцы выполняются из стали 45 с термообработкой до твердости 45-50 HRC. Упругие втулки изготавливаются из резины с твердостью 60-70 единиц по Шору А или из полиуретана с твердостью 85-95 единиц по Шору А для применения в тяжелых условиях.

Демпфирующие свойства

Упругие элементы муфты обеспечивают гашение крутильных колебаний и ударных нагрузок, возникающих при работе гидропривода бетононасоса. При резких изменениях крутящего момента резиновые втулки деформируются, поглощая энергию динамических нагрузок и предотвращая их передачу на подшипниковые опоры.

Упругие муфты со звездочкой

Упругие кулачковые муфты со звездочкой по ГОСТ Р 50894-96 применяются для соединений с меньшими крутящими моментами до 400 Нм. Конструкция состоит из двух полумуфт с радиальными кулачками и упругой звездочки из полиуретана или резины, расположенной между кулачками.

Преимуществами данного типа муфт являются компактность, возможность быстрой замены упругого элемента без разборки соединения валов, высокая степень демпфирования крутильных колебаний и простота монтажа. Муфты со звездочкой обеспечивают компенсацию радиальных смещений до 0,5 мм и угловых смещений до 1 градуса.

Компенсация смещений валов

Типы смещений в приводах бетононасосов

В процессе монтажа и эксплуатации гидропривода бетононасоса неизбежно возникают различные виды смещений соединяемых валов. Радиальное смещение характеризуется параллельным смещением осей валов в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Угловое смещение определяется непараллельностью осей валов, измеряемой углом между ними. Осевое смещение представляет собой изменение расстояния между торцами валов вдоль оси.

Температурные деформации рамы бетононасоса при нагреве гидросистемы могут вызывать радиальное смещение до 0,5-1,0 мм. Прогиб вала гидромотора под действием консольной нагрузки приводит к угловому смещению до 0,5-1,0 градуса. Осевые перемещения валов возникают при тепловом расширении элементов трансмиссии и могут достигать 3-5 мм.

Влияние смещений на работу привода

Некомпенсированные смещения валов приводят к возникновению дополнительных радиальных и осевых нагрузок на подшипники гидромотора и редуктора. Эти нагрузки значительно сокращают ресурс подшипниковых узлов, вызывают вибрации и повышенный уровень шума. При радиальном смещении 1 мм дополнительная нагрузка на опоры может достигать 2000-3000 Н.

Методы компенсации

Зубчатые муфты компенсируют смещения за счет зазоров в зубчатом зацеплении и сферической формы поверхности зубьев втулок. Упругие муфты обеспечивают компенсацию путем деформации упругих элементов - резиновых втулок или звездочек. При этом возникающие реактивные силы существенно меньше, чем при использовании жестких муфт.

Компенсация пульсаций давления

Природа пульсаций в гидроприводе

Гидравлический привод бетононасоса характеризуется значительными пульсациями давления, обусловленными цикличным характером работы поршневых насосов. Рабочие цилиндры бетононасоса совершают возвратно-поступательное движение, создавая переменную нагрузку на гидромоторы. В момент начала такта нагнетания бетонной смеси давление в гидросистеме резко возрастает до максимальных значений 300 бар, а при обратном ходе поршня падает до 50-100 бар.

Частота пульсаций определяется производительностью бетононасоса и обычно составляет 30-60 циклов в минуту. Амплитуда колебаний давления может достигать 150-200 бар. Такие динамические нагрузки передаются через муфты на валы гидромоторов и редукторов, вызывая крутильные колебания и дополнительные напряжения в элементах трансмиссии.

Роль муфт в демпфировании пульсаций

Упругие элементы муфт выполняют функцию механических демпферов, поглощающих энергию колебаний крутящего момента. При резком возрастании нагрузки резиновые втулки или звездочки сжимаются, накапливая энергию деформации. При снижении нагрузки упругие элементы отдают накопленную энергию, сглаживая неравномерность вращения. Этот процесс сопровождается рассеянием энергии за счет внутреннего трения в материале упругого элемента.

Дополнительные средства снижения пульсаций

Для эффективного снижения пульсаций давления в гидросистеме бетононасоса применяется комплексный подход. Гидравлические аккумуляторы баллонного типа устанавливаются в напорной линии гидросистемы и работают как пневматические демпферы. При повышении давления аккумулятор принимает часть рабочей жидкости, а при снижении давления отдает ее обратно в систему, сглаживая пульсации.

Правильный подбор объема аккумулятора осуществляется из расчета 0,5-1,0 литра на каждый литр рабочего объема гидромотора. Давление предварительной зарядки аккумулятора азотом должно составлять 60-80 процентов от рабочего давления в системе. Совместное применение гидроаккумуляторов и упругих муфт позволяет снизить амплитуду пульсаций давления на 70-80 процентов и значительно повысить ресурс гидравлического оборудования.

Материалы и конструктивные особенности

Материалы металлических элементов

Полумуфты зубчатых и упругих муфт изготавливаются из углеродистых конструкционных сталей 40, 45, 40Х по ГОСТ 1050-88. Для крупных типоразмеров муфт с диаметром более 150 мм допускается применение литых заготовок из стали 45Л по ГОСТ 977-88. Обоймы зубчатых муфт выполняются из стали 35, 40 с последующей термообработкой для обеспечения необходимой прочности.

Термическая обработка включает закалку и отпуск для получения твердости рабочих поверхностей 45-55 HRC. Зубчатые венцы дополнительно подвергаются цементации или азотированию на глубину 0,5-0,8 мм для повышения износостойкости. Параметры шероховатости рабочей поверхности зубьев не должны превышать Ra 5,0 мкм, посадочных и центрирующих поверхностей - Ra 3,2 мкм.

Упругие элементы

Резиновые втулки и звездочки изготавливаются из маслостойких резин на основе нитрильных каучуков с твердостью 60-70 единиц по Шору А. Температурный диапазон эксплуатации резин NBR составляет от минус 40 до плюс 120 градусов Цельсия, кратковременно до плюс 130 градусов. Для условий повышенных температур применяются резины на основе этиленпропиленовых каучуков.

Полиуретановые элементы обладают более высокой износостойкостью и применяются при твердости 85-95 единиц по Шору А в тяжелонагруженных соединениях. Рабочий температурный диапазон полиуретана составляет от минус 60 до плюс 110 градусов Цельсия для материалов типа СКУ ЛУР-СТ, или от минус 50 до плюс 80 градусов для стандартных полиуретанов.

Крепежные элементы

Для соединения фланцев обойм зубчатых муфт применяются болты класса прочности не ниже 5.6 по ГОСТ 7817. В ответственных соединениях используются болты класса прочности 8.8 или 10.9. Крепежные элементы муфт климатических исполнений Т и ОМ должны иметь защитное покрытие - кадмиевое электролитическое с хромированием или цинковое горячее толщиной 9-21 мкм по ГОСТ 9.306.

Выбор муфт для конкретного применения

Определение расчетного крутящего момента

Выбор муфты начинается с определения расчетного крутящего момента, который должна передавать муфта. Расчетный момент Tр определяется по формуле: Tр = Tн × K, где Tн - номинальный крутящий момент гидромотора или редуктора, Нм; K - коэффициент режима работы.

Коэффициент режима работы учитывает характер нагрузки и условия эксплуатации. Для гидромоторов бетононасосов с равномерной нагрузкой K = 1,25-1,5. При работе с частыми пусками и реверсами K = 1,5-1,8. Для особо тяжелых условий с ударными нагрузками K = 1,8-2,0. Выбранная муфта должна иметь номинальный крутящий момент не менее расчетного значения Tр.

Учет условий эксплуатации

При выборе муфты необходимо учитывать климатические условия эксплуатации. Для работы в условиях умеренного климата применяются муфты исполнения У категорий 1-3. В тропическом климате используются муфты исполнения Т. Для работы в условиях повышенной влажности и агрессивных сред требуются муфты с антикоррозионными покрытиями.

Частота вращения валов влияет на выбор типа муфты. Зубчатые муфты рассчитаны на окружную скорость до 25 м/с на начальной окружности зубчатого сопряжения. Упругие муфты имеют ограничение по частоте вращения, связанное с центробежными силами, действующими на упругие элементы. Для втулочно-пальцевых муфт максимальная частота вращения составляет 3000-4000 об/мин в зависимости от типоразмера.

Критерии выбора типа муфты

Зубчатые муфты рекомендуются для применения в соединениях с большими крутящими моментами более 2000 Нм, при необходимости компенсации значительных смещений валов и в компактных конструкциях привода. Упругие втулочно-пальцевые муфты предпочтительны при наличии вибраций и динамических нагрузок, для защиты подшипников от перегрузок и снижения уровня шума.

Техническое обслуживание и эксплуатация

Монтаж муфт

Монтаж муфты следует производить с использованием специальных приспособлений в условиях, когда исключено загрязнение и повреждение деталей. Перед установкой необходимо проверить соосность валов. Радиальное биение валов не должно превышать 0,05 мм на длине 100 мм. Несоосность осей валов проверяется по центрирующим буртикам на втулках зубчатых муфт или по торцам полумуфт упругих муфт.

При монтаже зубчатых муфт контрольная метка на впадине зуба обоймы и на выступе зуба втулки должны совпадать. Контрольные метки на наружной поверхности буртов зубчатых обойм также должны совпадать. Посадка втулок на валы осуществляется с натягом по 7-му квалитету точности. При монтаже втулки с валом сопрягаемые поверхности необходимо смазывать солидолом.

Эксплуатационный контроль

В процессе эксплуатации необходим периодический контроль состояния муфт. Проверка уровня смазки в зубчатых муфтах проводится каждые 500 моточасов работы или не реже одного раза в три месяца. Масло должно покрывать полную высоту зуба. При снижении уровня масла производится доливка через пробку заправочного отверстия.

Признаки неисправностей

Повышенная вибрация муфты свидетельствует о дисбалансе полумуфт, износе упругих элементов или ослаблении крепежа. Шум в зоне зубчатой муфты указывает на недостаточный уровень смазки или износ зубьев. Нагрев муфты выше температуры окружающей среды более чем на 40 градусов является признаком перегрузки или неправильной соосности валов.

Течь смазки из зубчатой муфты свидетельствует о повреждении уплотнений. Трещины на упругих элементах, задиры и вырывы материала указывают на необходимость замены резиновых втулок или звездочек. Износ упругих элементов определяется визуально при осмотре и по увеличению люфта между полумуфтами.

Замена изношенных элементов

Замена упругих элементов втулочно-пальцевых муфт требует полной разборки соединения и демонтажа одной из полумуфт. Изношенные резиновые втулки извлекаются с пальцев, пальцы очищаются от загрязнений. Новые втулки устанавливаются с применением смазки для облегчения монтажа. После установки необходимо проверить равномерность расположения втулок на пальцах.

Замена упругой звездочки в кулачковых муфтах выполняется без демонтажа полумуфт. Полумуфты разводятся на величину, достаточную для извлечения звездочки. Новая звездочка устанавливается между кулачками, после чего полумуфты сводятся в рабочее положение. Правильность установки проверяется равномерностью зазоров между кулачками и звездочкой по всей окружности.

Часто задаваемые вопросы