ОПУ с червячным приводом: особенности конструкции и применения
Содержание
Введение
Опорно-поворотные устройства (ОПУ) с червячным приводом представляют собой важный элемент различных механизмов и машин, обеспечивающий вращательное движение с высокой точностью позиционирования и самоторможением при отключении привода. Эти устройства играют ключевую роль в строительной, грузоподъемной, горнодобывающей технике и других отраслях промышленности, где требуется обеспечить надежное вращение конструкций с высокими нагрузками.
ОПУ с червячным приводом сочетают в себе функции опорного подшипника, воспринимающего осевые и радиальные нагрузки, и механизма вращения, обеспечивающего точное позиционирование верхней части конструкции относительно нижней. Уникальность червячного привода заключается в его способности обеспечивать высокие передаточные отношения и блокировку обратного хода, что делает эти устройства незаменимыми в определенных типах оборудования.
Конструктивные особенности ОПУ с червячным приводом
Опорно-поворотное устройство с червячным приводом состоит из нескольких ключевых компонентов, каждый из которых выполняет определенную функцию в обеспечении надежной работы механизма:
Основные компоненты ОПУ с червячным приводом
- Внутреннее и внешнее кольца - формируют основную структуру ОПУ, между которыми размещаются элементы качения
- Элементы качения - шарики или ролики, расположенные в беговых дорожках колец
- Зубчатый венец - интегрированный с одним из колец, обеспечивает сцепление с червячным колесом
- Червячная передача - состоит из червячного колеса и червяка
- Уплотнительные элементы - предотвращают попадание грязи и влаги в механизм
- Система смазки - обеспечивает надлежащую смазку элементов качения и зубчатой пары
Типы конструкций ОПУ с червячным приводом
В зависимости от требований к нагрузке и типа применения, ОПУ с червячным приводом могут иметь различную конструкцию:
| Тип конструкции | Описание | Основное применение |
|---|---|---|
| Однорядное ОПУ с червячным приводом | Имеет один ряд элементов качения, подходит для легких и средних нагрузок | Легкое оборудование, поворотные столы, малые краны |
| Двухрядное ОПУ с червячным приводом | Содержит два ряда элементов качения, обеспечивает более высокую грузоподъемность | Автокраны среднего класса, экскаваторы, буровые установки |
| Трехрядное ОПУ с червячным приводом | Три ряда элементов качения для сверхвысоких нагрузок и момента опрокидывания | Тяжелые краны, горнодобывающая техника |
| ОПУ с перекрестными роликами и червячным приводом | Особая конструкция с перекрестным расположением роликов для прецизионного позиционирования | Прецизионное оборудование, манипуляторы, испытательные стенды |
Особенности зацепления червячной передачи
Ключевым элементом ОПУ с червячным приводом является собственно червячная передача, которая имеет ряд конструктивных особенностей:
- Материал червячной пары - как правило, червяк изготавливается из легированной стали с повышенной твердостью, а червячное колесо - из бронзы или других антифрикционных материалов
- Модуль зацепления - влияет на грузоподъемность и точность позиционирования
- Угол подъема витков червяка - определяет передаточное отношение и свойство самоторможения
- Количество заходов червяка - влияет на эффективность и скорость передачи
Принцип работы
Принцип работы ОПУ с червячным приводом основан на комбинации подшипникового узла и червячной передачи. При подаче вращательного движения на червяк происходит передача крутящего момента на червячное колесо, интегрированное с зубчатым венцом ОПУ. Это вызывает вращение одного из колец ОПУ относительно другого, которое обычно фиксируется на неподвижной части конструкции.
Передаточное отношение червячной передачи
i = z₂ / z₁
где:
- i - передаточное отношение
- z₂ - число зубьев червячного колеса
- z₁ - число заходов червяка (обычно от 1 до 4)
Важной характеристикой червячного привода является его способность к самоторможению при определенных условиях. Это происходит благодаря малому углу подъема витков червяка, который не позволяет червячному колесу передавать обратное движение на червяк. Такое свойство обеспечивает фиксацию положения поворотной части механизма при отключении привода, что особенно важно для грузоподъемной техники.
Условие самоторможения червячной передачи
tg γ < f
где:
- γ - угол подъема витка червяка
- f - коэффициент трения в зацеплении
Технические характеристики
ОПУ с червячным приводом характеризуются рядом технических параметров, которые определяют их применимость и эффективность в различных условиях эксплуатации:
Основные технические параметры ОПУ с червячным приводом
| Параметр | Диапазон значений | Влияние на работу |
|---|---|---|
| Диаметр ОПУ | От 300 мм до 4000 мм | Определяет габаритные размеры и применимость |
| Статическая грузоподъемность (осевая) | От 50 кН до 20000 кН | Максимальная допустимая осевая нагрузка |
| Статическая грузоподъемность (радиальная) | От 25 кН до 10000 кН | Максимальная допустимая радиальная нагрузка |
| Момент опрокидывания | От 100 кНм до 40000 кНм | Устойчивость к опрокидывающим нагрузкам |
| Передаточное отношение | От 1:50 до 1:500 | Точность позиционирования и скорость вращения |
| КПД червячной передачи | От 0.4 до 0.85 | Энергоэффективность системы |
| Скорость вращения | От 0.5 об/мин до 5 об/мин | Производительность оборудования |
| Момент вращения | От 5 кНм до 500 кНм | Способность преодолевать сопротивление при вращении |
Материалы изготовления
Качество материалов, используемых при производстве ОПУ с червячным приводом, напрямую влияет на их долговечность и надежность:
- Кольца ОПУ - легированная сталь с поверхностной или объемной закалкой (40ХН, 42CrMo4, 50ХН и др.)
- Элементы качения - подшипниковая сталь повышенной твердости (ШХ15, 100Cr6)
- Червяк - закаленная легированная сталь (20ХН3А, 40ХН с цементацией)
- Червячное колесо - оловянистая бронза (БрО10Ф1, CuSn12) или специальные антифрикционные сплавы
- Уплотнения - синтетические эластомеры, устойчивые к маслам и смазкам (NBR, FKM)
Преимущества и недостатки
Преимущества ОПУ с червячным приводом
- Самоторможение - обеспечивает фиксацию положения при отключении привода
- Высокие передаточные отношения - позволяют получить значительное увеличение крутящего момента
- Плавность хода - минимальные вибрации и шум при работе
- Компактность - меньшие габариты по сравнению с другими типами приводов при том же передаточном отношении
- Высокая точность позиционирования - благодаря большому передаточному отношению
- Надежность - простая конструкция с меньшим количеством деталей, подверженных износу
- Защита от перегрузок - червячная пара может работать как предохранительный элемент
Недостатки ОПУ с червячным приводом
- Низкий КПД - значительные потери на трение в червячной паре
- Нагрев - требуется эффективная система смазки и охлаждения
- Износ - червячное колесо подвержено интенсивному износу
- Высокие требования к точности изготовления - сложность производства
- Невозможность реверса с нагрузкой - в случае самотормозящей передачи
- Высокая стоимость - относительно других типов приводов
- Необходимость регулярного обслуживания - требует периодической смазки и проверки
Области применения
ОПУ с червячным приводом находят широкое применение в различных отраслях промышленности и типах оборудования благодаря своим уникальным характеристикам:
Строительная и грузоподъемная техника
- Автомобильные краны - обеспечивают поворот верхней части крана с высокой точностью
- Башенные краны - используются для поворота башни или стрелы
- Самоходные подъемные платформы - для точного позиционирования рабочей платформы
- Бетононасосы - для вращения распределительной стрелы
Горнодобывающая и землеройная техника
- Экскаваторы - обеспечивают вращение верхней платформы с кабиной и рабочим оборудованием
- Буровые установки - для позиционирования буровой мачты
- Карьерные комбайны - для поворота конвейерной системы
Промышленное оборудование
- Роботы-манипуляторы - для точного позиционирования в автоматизированных системах
- Поворотные столы станков - обеспечивают прецизионное вращение заготовки
- Конвейерные системы - для изменения направления движения материалов
- Антенны и радары - обеспечивают точное наведение на цель
Спецтехника
- Пожарные автолестницы - для точного позиционирования лестницы
- Военная техника - для поворота башен и пусковых установок
- Мобильные сценические конструкции - для поворота сценических платформ
Примечание:
Выбор ОПУ с червячным приводом особенно обоснован в тех применениях, где требуется надежная фиксация положения при отключении привода и плавное, точное позиционирование с высокими моментами нагрузки.
Критерии выбора
Правильный выбор ОПУ с червячным приводом критически важен для обеспечения надежной работы оборудования. При подборе необходимо учитывать следующие факторы:
Основные критерии выбора
- Грузоподъемность - должна соответствовать максимальным осевым и радиальным нагрузкам с учетом коэффициента запаса
- Момент опрокидывания - определяет устойчивость конструкции при работе с эксцентричными нагрузками
- Диаметр ОПУ - зависит от габаритов оборудования и требуемой жесткости конструкции
- Передаточное отношение - влияет на скорость вращения и требуемый крутящий момент привода
- Рядность - однорядное, двухрядное или трехрядное исполнение в зависимости от нагрузок
- Тип элементов качения - шарики или ролики, в зависимости от требуемой грузоподъемности
- Условия эксплуатации - температурный режим, влажность, запыленность, агрессивные среды
- Интенсивность использования - частота и продолжительность работы
Пример выбора ОПУ по грузоподъемности
Для автокрана с максимальной нагрузкой на ОПУ:
- Осевая нагрузка: Fa = 450 кН
- Радиальная нагрузка: Fr = 120 кН
- Момент опрокидывания: M = 650 кНм
С учетом коэффициента запаса k = 1.5, требуемые характеристики ОПУ:
- Статическая осевая грузоподъемность: Fa × k = 450 × 1.5 = 675 кН
- Статическая радиальная грузоподъемность: Fr × k = 120 × 1.5 = 180 кН
- Допустимый момент опрокидывания: M × k = 650 × 1.5 = 975 кНм
На основании этих расчетов подбирается подходящая модель ОПУ с червячным приводом.
Техническое обслуживание
Долговечность и надежность ОПУ с червячным приводом в значительной степени зависят от правильного технического обслуживания. Основные процедуры обслуживания включают:
Регулярные процедуры обслуживания
- Смазка - периодическое добавление смазочных материалов через предусмотренные точки смазки
- Проверка затяжки болтов - контроль моментов затяжки крепежных элементов
- Контроль износа - измерение люфтов и проверка состояния зацепления
- Очистка - удаление загрязнений с наружных поверхностей и уплотнений
- Проверка уплотнений - своевременная замена изношенных уплотнительных элементов
Рекомендуемые смазочные материалы
| Узел | Тип смазки | Периодичность |
|---|---|---|
| Беговые дорожки и элементы качения | Литиевая смазка NLGI 2 (ISO L-XBCHB 2) | Каждые 100-200 часов работы |
| Зубчатый венец | Графитовая или молибденовая смазка | Каждые 50-100 часов работы |
| Червячная пара | Трансмиссионное масло SAE 90 или специальное масло для червячных передач | Проверка уровня каждые 400 часов, замена каждые 2000 часов |
Важно!
Несвоевременное обслуживание ОПУ с червячным приводом может привести к преждевременному износу, снижению точности позиционирования и даже к отказу оборудования. Рекомендуется строго следовать регламенту технического обслуживания, указанному производителем.
Сравнение с другими типами ОПУ
ОПУ с червячным приводом имеют свои особенности по сравнению с другими типами опорно-поворотных устройств, что определяет их преимущества и недостатки в различных применениях:
| Характеристика | ОПУ с червячным приводом | ОПУ с гидроприводом | ОПУ с зубчатым приводом |
|---|---|---|---|
| Самоторможение | Высокое | Среднее (зависит от конструкции) | Отсутствует (требуются тормоза) |
| КПД | Низкий (40-60%) | Средний (60-80%) | Высокий (85-95%) |
| Точность позиционирования | Высокая | Средняя | Средняя |
| Плавность хода | Очень высокая | Высокая | Средняя |
| Стоимость | Средняя | Высокая | Низкая |
| Компактность | Высокая | Низкая | Средняя |
| Сложность обслуживания | Средняя | Высокая | Низкая |
| Скорость вращения | Низкая | Высокая | Высокая |
Рекомендации по выбору типа ОПУ
- ОПУ с червячным приводом - оптимальны для применений, где требуется надежная фиксация положения, высокая точность позиционирования и плавность хода, а также компактность конструкции
- ОПУ с гидроприводом - подходят для применений с высокими требованиями к скорости вращения и возможности точного регулирования скорости
- ОПУ с зубчатым приводом - эффективны в применениях с высокими требованиями к КПД и низкой стоимостью
Расчет нагрузок и выбор ОПУ
Для правильного выбора ОПУ с червячным приводом необходимо провести расчет действующих нагрузок и определить требуемые технические характеристики устройства:
Основные формулы для расчета
1. Эквивалентная нагрузка на ОПУ:
Pэкв = X · Fr + Y · Fa
где:
- Pэкв - эквивалентная нагрузка
- Fr - радиальная нагрузка
- Fa - осевая нагрузка
- X, Y - коэффициенты, определяемые конструкцией ОПУ
2. Требуемый момент привода:
Mпривода = Mнагрузки · k / (i · η)
где:
- Mпривода - требуемый момент на валу привода
- Mнагрузки - момент сопротивления вращению
- k - коэффициент запаса (обычно 1.3-1.5)
- i - передаточное отношение червячной передачи
- η - КПД червячной передачи
3. Расчетный ресурс ОПУ:
L10 = (C / P)p · 106 / (60 · n)
где:
- L10 - расчетный ресурс в часах
- C - динамическая грузоподъемность ОПУ
- P - эквивалентная нагрузка
- p - показатель степени (p = 3 для шариковых ОПУ, p = 10/3 для роликовых ОПУ)
- n - частота вращения в об/мин
Пример расчета требуемого момента привода
Исходные данные:
- Момент сопротивления вращению: Mнагрузки = 25 кНм
- Коэффициент запаса: k = 1.4
- Передаточное отношение червячной передачи: i = 80
- КПД червячной передачи: η = 0.5
Расчет:
Mпривода = 25 × 1.4 / (80 × 0.5) = 35 / 40 = 0.875 кНм = 875 Нм
Таким образом, для обеспечения вращения требуется электродвигатель с крутящим моментом не менее 875 Нм (или меньшим моментом с дополнительным редуктором).
Источники и дополнительная информация
Данная статья подготовлена на основе технической документации производителей ОПУ и справочных материалов по проектированию механизмов с червячным приводом. Приведенная информация носит ознакомительный характер и может быть использована в качестве справочного материала.
Список использованных источников:
- ГОСТ 26291-84 "Опорно-поворотные устройства строительных и дорожных машин. Технические условия"
- ГОСТ 16162-85 "Редукторы червячные цилиндрические. Параметры"
- ISO 12210-1 "Cranes - Anchoring devices for in-service and out-of-service conditions"
- Расчет и проектирование опорно-поворотных устройств / Под ред. В.М. Ковалева. - М.: Машиностроение, 2018
- Техническая документация производителей опорно-поворотных устройств (Rothe Erde, SKF, Liebherr, Thyssen Krupp)
Отказ от ответственности:
Приведенная в статье информация носит исключительно ознакомительный характер и не может использоваться как руководство по проектированию или расчету без дополнительной проверки и консультации со специалистами. Компания "Иннер Инжиниринг" не несет ответственности за возможные ошибки или неточности в представленных данных, а также за любые убытки, возникшие в результате использования данной информации. Для получения точных технических характеристик конкретных моделей ОПУ рекомендуется обращаться к официальной документации производителя.
Купить ОПУ по выгодной цене
Компания Иннер Инжиниринг предлагает широкий выбор ОПУ от разных производителей. Выберите необходимые компоненты для вашего проекта и приобретите их у нас с гарантией качества и надежной доставкой.
Заказать сейчасВы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.
