Зубчатые (компенсирующие) муфты и несоосность

Зубчатые компенсирующие муфты — это жёсткие компенсирующие муфты, передающие крутящий момент через эвольвентное зубчатое зацепление втулок с обоймами. За счёт радиального зазора в зацеплении и бочкообразной модификации зубьев втулок муфта компенсирует небольшие радиальные, угловые и осевые смещения соединяемых валов, не передавая на опоры существенных дополнительных нагрузок. Применяются в тяжёлых приводах прокатных станов, металлургических и горных машин, насосов, компрессоров, конвейеров и редукторов.

Ниже разобраны устройство и типы зубчатых муфт, виды и допустимые величины несоосности, передаваемые моменты, выбор по расчётному моменту, смазка обоймы, износ зубьев как основной критерий работоспособности и правила монтажа.

Назначение и устройство зубчатой муфты

Зубчатая компенсирующая муфта относится к группе жёстких компенсирующих муфт. Передача крутящего момента происходит через зубчатое зацепление двух зубчатых втулок, насаженных на концы валов, с внутренними зубьями двух фланцевых обойм, стянутых между собой болтами. В этом смысле каждый «полукомплект» муфты — это аналог одного венца, а две втулки–обоймы образуют шарнирно-подвижное соединение, способное передавать момент при небольшом перекосе осей.

Стандартный состав узла:

• две зубчатые втулки с наружными зубьями и посадочными отверстиями для валов (как правило, цилиндрические; реже конические);
• одна или две обоймы с внутренними зубьями того же модуля и числа зубьев, что и втулки;
• фланцевое соединение обойм болтами с гайками — для разборки и доступа к зацеплению;
• уплотнения обойм (манжеты, прокладки) — для удержания смазки и защиты от загрязнений;
• пробки для заливки и слива смазки в обойме;
• пояски на наружной поверхности обойм — базы для центровки валов при монтаже.

Передача момента идёт по всем зубьям зацепления одновременно. Радиальный и боковой зазор в зацеплении в сочетании с бочкообразной модификацией зубьев втулок позволяет втулке свободно «качаться» внутри обоймы в пределах малого перекоса, оставаясь в контакте всеми зубьями.

Принцип компенсации несоосности: бочкообразный зуб втулки катится по внутреннему зубу обоймы с небольшим скольжением. Скольжение и связанный с ним износ — главная плата за способность компенсировать перекос.

Типы зубчатых муфт

Действующий стандарт ГОСТ Р 50895-96 «Муфты зубчатые. Технические условия» предусматривает несколько конструктивных типов общемашиностроительного назначения. По способу соединения валов выделяют:

По исполнению посадочного отверстия втулки делятся на цилиндрические (с продольной шпонкой) и в отдельных случаях на конические. Зубья зубчатых венцов втулок изготовляют бочкообразной модификации, что задаётся требованиями ГОСТ Р 50895-96. Шероховатость рабочей поверхности зубьев нормируется (типовое значение Ra ≤ 5,0 мкм).

Болты соединения фланцев обойм — по ГОСТ 7817, технические требования к крепежу — по ГОСТ 1759.0; рекомендованный класс прочности болтов — не ниже 5.6. Климатические исполнения и категории размещения — по ГОСТ 15150 (У, Т категорий 1–3, 5 и УХЛ, О, ОМ категории 4). Рабочая температура — не выше 120 °С.

Виды несоосности валов

Под несоосностью соединяемых валов в общем случае понимают совокупность трёх независимых отклонений от идеального соосного расположения.

В реальном приводе обычно действует их комбинация. Задача зубчатой муфты — компенсировать эту комбинацию в допустимых пределах без передачи на опоры значительных дополнительных радиальных сил и без выхода зацепления за рабочую зону зубьев.

Допустимые смещения

Допустимые радиальные, угловые и осевые смещения, при которых сохраняется работоспособность зубчатой муфты, определяются её геометрией (модулем, числом зубьев, шириной венца, радиальным зазором), материалом и режимом работы. Общее эксплуатационное правило, принятое в практике конструирования и подтверждённое приложением В ГОСТ Р 50895-96: угол между осью одной из втулок и осью обоймы при работе муфты не должен превышать 0°30′.

Это ограничение единое и связывает радиальное и угловое смещение валов между собой: чем больше расстояние между плоскостями зубчатых венцов втулок, тем большему радиальному смещению Δ_r соответствует тот же угол перекоса. Конкретные допустимые величины Δ_r, Δ_α и Δ_a для каждого типоразмера указываются в технической документации производителя; в стандарте приведены соответствующие зависимости и расчётные приложения.

Превышение допустимого перекоса не приводит к мгновенному отказу, но резко ускоряет износ зубьев, выводит контакт за рабочую часть бочкообразного зуба и увеличивает радиальную нагрузку на подшипники соединяемых валов. Это типичная причина «преждевременного выхода муфты из строя» — она не выходит, её выводят неправильной центровкой.

Передаваемый момент и обороты

ГОСТ Р 50895-96 распространяется на муфты общемашиностроительного применения, передающие крутящий момент в диапазоне от 1000 до 63000 Н·м при рабочей температуре не выше 120 °С. Внутри этого диапазона ряд номинальных моментов задаётся типоразмерным рядом муфт. Ряды номинальных крутящих моментов механических муфт в целом нормируются ГОСТ 19107.

Частота вращения для зубчатых муфт практически не ограничена снизу; верхняя граница определяется окружной скоростью на делительном диаметре зубчатого соединения и условиями смазки. Для тяжелонагруженных тихоходных передач и редукторных применений используют жидкую смазку с погружением зубьев, для быстроходных — повышают требования к балансировке, точности изготовления и подбору смазочного материала.

Расчёт и выбор муфты

Зубчатую муфту выбирают по двум критериям одновременно: по максимальному диаметру концов соединяемых валов (геометрический критерий — посадочное отверстие втулки) и по расчётному крутящему моменту.

Выбранный по этому моменту типоразмер муфты должен удовлетворять условию T_{ном.муфты} ≥ T_р при одновременной возможности посадить муфту на конкретный диаметр вала и обеспечить допустимые смещения для имеющейся точности монтажа.

Радиальная сила на концах валов

При работе с компенсацией радиального или углового смещения зубчатая муфта возвращает на концы соединяемых валов дополнительную радиальную силу. В справочниках по деталям машин для зубчатых муфт приведена эмпирическая зависимость:

Эту силу учитывают при расчёте подшипников концевых опор валов и при проверке прогиба самих валов. Она направлена в плоскости перекоса и в общем случае имеет переменную составляющую — частотой, равной частоте вращения, что важно для оценки усталостной долговечности опор.

Смазка обоймы зубчатой муфты

Смазка зубчатого соединения — основной фактор, определяющий ресурс муфты. Обойма имеет внутреннюю полость, в которую при работе помещается смазочный материал; пробка обоймы используется для его заливки и периодической замены.

Жидкая смазка

Для тяжелонагруженных и средненагруженных зубчатых муфт типовое решение — заливка в обойму индустриального масла. Классификация индустриальных масел по ГОСТ 17479.4 разделяет их на группы по назначению; для зубчатых соединений применяют масла группы И-Г (для тяжелонагруженных гидравлических и зубчатых систем). Подбор класса вязкости делается по окружной скорости на делительном диаметре, рабочей температуре и нагрузке: тихоходные тяжелонагруженные передачи требуют более вязких сортов, быстроходные — менее вязких.

Пластичная смазка

Для малых скоростей и небольших мощностей допускается набивка обоймы пластичной смазкой — например, смазкой Литол-24 по ГОСТ 21150 или иной смазкой соответствующего класса консистенции (NLGI 2 как типовая) и температурного диапазона. Пластичная смазка проще удерживается в обойме и меньше требует поддержания уплотнений, но хуже отводит тепло и хуже промывает зону контакта.

Конкретная марка смазки и периодичность её замены устанавливаются руководством по эксплуатации муфты и инструкцией предприятия по смазке оборудования. Смешивать масла и смазки разных типов и баз без подтверждения совместимости нельзя.

Износ зубьев и контроль работоспособности

Износ зубьев — основной критерий работоспособности зубчатой муфты. Прочность зубьев на изгиб и контактную выносливость в подавляющем большинстве типоразмеров заведомо избыточна; ресурс определяет именно скорость износа рабочих поверхностей.

Износ зависит от:

• величины компенсируемого перекоса (скольжение растёт с углом);
• передаваемого момента (контактные напряжения на зубе);
• состояния смазки (вид, вязкость, чистота, количество);
• температурного режима и герметичности уплотнений обоймы;
• точности изготовления самой муфты и качества бочкообразной модификации зубьев.

В эксплуатации контроль состояния муфты включает:

1. Периодический внешний осмотр. Следы течи смазки через уплотнения и фланцевый разъём, нагрев корпуса муфты (по отношению к опорам), шум в зоне зацепления.
2. Контроль вибрации. Рост виброскорости или появление характерных гармоник, кратных частоте вращения, — признак развития перекоса или нарушения центровки.
3. Замена смазки. При замене визуально оценивается её состояние: цвет, наличие металлических частиц, продуктов окисления. Анализ отработанного масла на содержание частиц износа применяется в ответственных приводах.
4. Контроль зазоров и бокового зазора в зацеплении при плановых остановках.
5. Дефектация зубьев при ремонте: измерение толщины зуба, контроль геометрии бочкообразной модификации, поиск трещин и сколов.

Монтаж и центровка

Центровка валов под зубчатую муфту — типовая работа при сборке привода. Зубчатая муфта компенсирует остаточную несоосность, оставшуюся после центровки, а не заменяет её собой: заведомо плохая центровка приведёт к быстрому износу муфты и подшипников.

1. Установка втулок на валы. Втулки сажают на концы валов по посадке, указанной в технической документации. Шпонка по ГОСТ 23360 (или иному стандарту на шпонку конкретного типа), затяжка по моменту. Перед посадкой проверить отсутствие забоин на посадочных поверхностях.
2. Предварительная центровка. Соединяемые механизмы устанавливают на штатные опоры, выставляют по уровню и предварительно центруют по фланцам или специальным базам.
3. Точная центровка. Контролируют радиальное и торцевое биение по специальным пояскам на обоймах с помощью индикаторов часового типа или лазерного центровщика. Радиальное и угловое отклонение приводят к нормам, заданным в документации.
4. Установка обойм и сборка зацепления. Зубчатые венцы втулок очищают и смазывают тонким слоем смазки. Обоймы надевают на втулки, проверяют свободу осевого хода и отсутствие заклинивания.
5. Затяжка фланцевых болтов. Болты затягивают равномерно крест-накрест моментным ключом до значения, заданного для конкретного класса прочности и диаметра.
6. Заправка смазки. Через пробку заливают расчётный объём масла (или закладывают необходимый объём пластичной смазки), затем устанавливают пробку и проверяют герметичность.
7. Прокручивание вручную, пробный пуск без нагрузки. Контроль шума, вибрации, нагрева муфты в течение установленного времени; устранение замечаний.

Сравнение с другими компенсирующими муфтами

Типовые ошибки

• «Муфта сама всё скомпенсирует». Расчёт на компенсирующую способность зубчатой муфты вместо нормальной центровки валов — гарантированный быстрый износ зубьев и подшипников.
• Работа без смазки или с пластичной смазкой неподходящего типа. Заклинивание зацепления, задиры, локальный выход бочкообразных зубьев из контакта.
• Перегрузка по моменту. Использование муфты при моментах выше номинального стандартного типоразмера — постепенное смятие зубьев и потеря бочкообразной геометрии.
• Игнорирование радиальной силы на валах. Расчёт подшипников без учёта дополнительной силы от компенсации несоосности — преждевременный отказ опор соединяемых валов.
• Затяжка фланцевых болтов «на глаз». Болты класса прочности ниже рекомендованного либо без контроля момента затяжки — расхождение фланцев, течь смазки, ослабление при вибрации.
• Применение в зоне рабочих температур выше нормы. Для типового исполнения ГОСТ Р 50895-96 — до 120 °С; при более высоких температурах требуется специальное исполнение, иная смазка, иные материалы уплотнений.
• Смешивание масел и смазок разных баз и присадок при доливке — потеря смазочных свойств, выделение шламов, ускоренный износ.
• Эксплуатация с течью смазки. Уход масла через изношенные манжеты быстро переводит зацепление в «полусухой» режим со взрывным ростом износа.

Вопросы и ответы