Электропривод на базе мотор-редуктора

Мотор-редукторы используются в качестве привода различных машин и агрегатов. Назначение мотор-редуктора - понижение скорости электродвигателя и увеличение крутящего момента. Мотор-редуктор - единая конструкция состоящая из электродвигателя и понижающего редуктора. Основными достоинствами мотор-редукторов являются – надежность, простота установки и обслуживания.

Классификация мотор-редукторов по типу передачи

Мировая промышленность выпускает множество различных типов редукторов. По типу передачи эти редукторы классифицируются на следующие типы:

Подробное описание червячных, волновых, цилиндрических, планетарных и конических зубчатых пар.

Червячный мотор-редуктор имеет зубчато-винтовую передачу с линейным контактом. Основными преимуществами червячного редуктора являются большие передаточные числа при меньших габаритах. Червячная передача имеет плавный ход, что позволяет избавиться от шума во время работы мотор-редуктора. Особенность червячной передачи является самоторможение. Мотор-редукторы могут применяться в изделиях, где требуется высокая динамика разгона и остановки, при этом нет обходимости применять дополнительные тормозные устройства. Основная сфера применения червячных редукторов - конвейеры, грузоподъемное оборудование и многие другие области промышленности.

Червячные мотор-редукторы обладают следующими приимуществами:

Цилиндрический мотор-редуктор может применяться для передачи больших мощностей, обладает высоким КПД (более 90%). Цилиндрические мотор-редукторы получили преобладающее распространение в различных отраслях промышленности перед другими видами редукторов. Редукторы данного типа обладают большой долговечностью, имеют компактные размеры и просты в эксплуатации. Скорость вращения выходного вала зависит от передочного отношение, а последнее от количества ступеней передач. Цилиндрические мотор-редукторы имеют, как правило, одну, две или три ступени. Редукторы могут работать в тяжелых условиях в круглосуточном режиме.

Цилиндрические мотор-редукторы обладают следующими приимуществами:

Волновой мотор-редуктор имеет гибкую механическую передачу. Передача и энергии от электродвигателя до выходного вала происходит за счет деформации гибкого элемента редуктора. Преимуществами волновой передачи являются высокие показатели передаточных чисел и плавность движения. Волновые редукторы могут долго работать на высоких нагрузках без какого либо износа механических пар. Волновые редукторы характеризуются низким уровнем шума и отсутствием нежелательных вибраций во время работы.

Волновые мотор-редукторы обладают следующими приимуществами:

Планетарный мотор-редуктор за счет высоких эксплуатационных характеристик может применяться в силовых приводах, где требуются большой момент и высокие коэффициенты передаточных чисел, при этом габариты и вес будут ниже по сравнению с редукторами другого типа. Как и цилиндрический редуктор, планетарный имеет одну, две или три ступени передачи энергии от двигателя до выходного вала. Конструкция мотор-редуктора имеет соосную схему, т.е. редуктор и электродвигатель располагаются на одной оси. В промышленности России получили широкое распространение мотор-редукторы 3МП, обладающие множеством преимуществ перед редукторами других типов.

Планетарные мотор-редукторы обладают следующими преимуществами:

Мотор-редуктор конический, цилиндро-конический передает вращение между двумя перпендикулярными валами. В редукторе применяются конические зубчатые передачи с прямым или криволинейным зубом. Редукторы имеют высокий КПД и могут применяться в силовых установках, где требуется высокий момент. Конструкция редуктора простая и не требует трудоемкого обслуживания. Цилиндро-конические редукторы широко применяются в машиностроении, металлургии, строительстве и сельском хозяйстве.

Цилиндро-конические мотор-редукторы обладают следующими преимуществами:

Классификация мотор редукторов по типу кинематической схемы, вида передач и количества ступеней

Тип редуктора	Количество ступеней	Тип механической передачи	Расположение входного и выходного вала
Цилиндрический редуктор	Одноступенчатый	Одна или несколько цилиндрических передач	Параллельное
	Двухступенчатый; трехступенчатый		Параллельное или соосное
	Четырехступенчатый		Параллельное
Конический редуктор	Одноступенчатый	Одна коническая передача	Пересекающееся
Коническо-цилиндрический редуктор	Двухступенчатый; трехступенчатый; четырехступенчатый	Одна коническая передача и одна или несколько цилиндрических передач	Пересекающееся или скрещивающееся
Червячный редуктор	Одноступенчатый; двухступенчатый	Одна или две червячные передачи	Скрещивающееся
Червячный редуктор	Одноступенчатый; двухступенчатый	Одна или две червячные передачи	Параллельное
Цилиндрическо-червячный или червячно-цилиндрический редуктор	Двухступенчатый; трехступенчатый	Одна или две цилиндрические передачи и одна червячная передача	Скрещивающееся
Планетарный редуктор	Одноступенчатый; двухступенчатый; трехступенчатый	Каждая ступень состоит из двух центральных зубчатых колес и сателлитов	Соосное
Цилиндрическо-планетарный редуктор	Двухступенчатый; трехступенчатый; четырехступенчатый	Комбинация из одной или нескольких цилиндрических и планетарных передач	Параллельное или соосное
Коническо-планетарный редуктор	Двухступенчатый; трехступенчатый; четырехступенчатый	Комбинация из одной конической и планетарных передач	Пересекающееся
Червячно-планетарный редуктор	Двухступенчатый; трехступенчатый; четырехступенчатый	Комбинация из одной конической и планетарных передач	Скрещивающееся
Волновой редуктор	Одноступенчатый	Одна волновая передача	Соосное

Расположения осей входного и выходного валов в пространстве по типу кинематической схемы

Монтажные позиции и способ крепления редукторов

Основные технические характеристики редукторов

Согласно представленным ГОСТам различные виды редукторов имеют ряд характеристик, которые можно разделить на следующие категории:

Рабочий ресурс – определяется количеством часов работы редуктора гарантированный производителем. Для различных типов редукторов этот показатель имеет разные значения. Например, червячная передача имеет гарантированный ресурс не менее 11000 часов, а цилиндрическая и планетарная уже более 26000 часов. Также на условия безотказной работы влияет ресурс подшипников, имеющий обычно интервал времени от 500 часов. Производитель обычно гарантирует безотказную работу редуктора в течении 5-6 лет, при условии, что нет перегрузок.

Климатическое исполнение. Определяется в зависимости от местности и климатических условий где будет эксплуатироваться редуктор. Обычно производители определяют условия работы как умеренные, тропические и умеренно-холодные.

КПД редуктора. Данный параметр зависит от типа механической передачи, передаточного отношения и количества ступеней.

Другие характеристики обычно представлены в инструкциях по эксплуатации конкретного редуктора.

Сферы применения мотор-редуктров

Назначение мотор-редуктора - понижение скорости электродвигателя и увеличение момента вращения. В зависимости от поставленных задач редукторы успешно применяются во многих отраслях народного хозяйства. Редукторы просто незаменимы там, где требуется что-то вращать, смешивать, передвигать. Мотор-редукторы с успехом применяются в машиностроении, строительстве, металлургии, при работе в составе ленточных, цепных, роликовых конвейеров, экструдеров, различных подъемных устройств, приводов пил и ножниц, транспортирующих тележек, приводов поворотных механизмов, приводов ходовых винтов. Любая автоматизированная система имеет в качестве привода мотор-редуктор.

Наибольшее распространение получили червячные, цилиндрические, планетарные и конические мотор-редукторы. Все эти редукторы имеют различные варианты крепления и могут комплектоваться специальными электродвигателями со встроенным тормозом или двигателями во взрывозащитном исполнении. Многослойная окраска позволяет эксплуатировать привод на улице под навесом, не опасаясь коррозионных разрушений.

Эксплуатационные коэффициенты и характеристики нагрузки

Эксплуатационные коэффициенты и характеристики нагрузки в таблицах показывают характер нагрузки при различных применениях, что помогает выбрать редуктор, подходящий для определенной задачи. Для выбора модели необходимо использовать фактическую нагрузку, а не характеристики мотора или первичного двигателя. Системы, оснащенные моторами с большим моментом или моторами для прерывистых операций, а также системы с регулярными ударными нагрузками или необходимостью поглощения высоких нагрузок, например при потерях скорости, требуют особого внимания. Системы, связанные с необычными или большими нагрузками, а также системы, требующие высокой надежности, должны быть тщательно изучены инженерным отделом.
Эксплуатационные коэффициенты представляют обычное отношение между номинальной мощностью системы и непрерывно потребляемой мощностью. Как правило, эксплуатационные коэффициенты делятся на равномерные, коэффициенты для средних и высоких нагрузок. Если при установке тормозов на входе двигателя номинальный момент тормоза превышает номинальный момент мотора, редуктор следует выбирать в соответствии с моментом тормоза. Для редких запусков (менее 5 запусков в час) максимальная моментальная или стартовая нагрузка не должна превышать 275 % номинальной (175-процентная перегрузка). Для частого запуска (более 5 запусков в час) фактическая максимальная моментальная или стартовая нагрузка не должна превышать 200 % номинальной (100-процентная перегрузка). Номинальная нагрузка определяется системой с эксплуатационным коэффициентом 1,0. Опубликованная гарантия производителя относится ко всем закрытым приводам, если выполняются указанные ниже условия. Установка защищена от внешнего воздействия, как указано производителем, во внутреннем или внешнем хранилище с момента получения покупателем до момента установки. Система правильно установлена и смазана в соответствии с указаниями производителя.
Используется совместимая система соединенных вращающихся деталей, не достигающая критических скоростей, и не подверженная торсионной или другой вибрации в указанных пределах скорости.

Эксплуатационные коэффициенты

Эксплуатационные коэффициенты используются для изменения номинальной механической мощности. На практике фактическая мощность умножается на выбранный эксплуатационный коэффициент для получения так называемой эквивалентной мощности. Эта эквивалентная (механическая) мощность используется для выбора редуктора из таблиц. Эксплуатационные коэффициенты не применяются к тепловой мощности, только к механической.

Механические показатели

Списки номинальных механических мощностей в таблицах выбора относятся к непрерывной работе на протяжении 8–10 часов и допускают 100-процентную перегрузку при запуске и моментальных нагрузках. Все компоненты рассчитаны на менее чем 5 запусков в час, пиковые нагрузки в 275 % от указанных номиналов с перегрузками, не превышающими 75 % предела текучести материала. Если механический показатель превышает тепловой, можно применять полный механический номинал, при условии принятия соответствующих мер по охлаждению.

Тепловые показатели

Номинальная тепловая мощность — это показатель мощности, непрерывно передаваемой на протяжении 3 или более часов без несвоевременных скачков температуры. Она применяется только если механическая мощность выше тепловой, и не принимались меры по охлаждению. Тепловые показатели следует учитывать, если период непрерывной работы не превышает трех часов, а время отключения больше или равно времени работы. Если время работы превышает время отключения, выбор следует выполнять на основании теплового показателя либо следует принять меры по охлаждению.

Внешние радиальные нагрузки

Если на вал редуктора действует внешняя радиальная нагрузка, найдите подходящую для выбранного редуктора тягу по указанной ниже формуле.

кВт - фактическая передаваемая мощность.
об./мин - количество оборотов вала в минуту.
D - диаметр ведущей шестерни или шкива на валу в мм.
F - коэффициент, принимающий следующие значения:
шкив - 1,0 / ведущая шестерня - 1,25 / ремень - 1,5 / плоский ремень - 2,5.

Допустимые радиальные нагрузки рассчитаны для центра удлинений вала

Устройство и принцип работы мотор редуктора

Редуктор и электродвигатель, соединенные в единую конструкцию, называют мотор-редуктором. Мотор-редуктор имеет компактные размеры, обычно его монтаж не вызывает каких любо трудностей. Редуктор состоит из корпуса, куда укладывается червячная, или цилиндрическая, или коническая, или планетарная передача - зависит от типа редуктора. Также в состав редуктора входят валы, подшипники и сальники. Корпус изготавливается из сплава алюминия или чугуна - зависит от назначения и типоразмера редуктора. Сами же передачи обычно состоят из одной или нескольких ступеней, надежно заключенных в подшипники. Материалом передач служит прочная сталь и бронза, последняя из которых применяется только в редукторах червячного типа. Передаточное отношение обычно зависит от количества зубьев соприкасаемых шестеренок, а также от количества ступеней.

Устройство мотор-редуктора достаточно простое. Каждый из типов редукторов имеет различные конструктивные особенности. Так, например цилиндрический мотор-редуктор серии 4МЦ2С представляет собой механизм на базе двухступенчатого редуктора и электродвигателя. Редуктор имеет соосную схему сборки, оси валов двигателя и редуктора расположены в вертикальной плоскости. Ведущая шестерня монтируется непосредственно на вал двигателя и передает энергию на зубчатое колесо, напрессованное на вал шестерню. Вал-шестерня крепится на двух конических подшипниках и передает вращение, находясь в зацеплении с другим зубчатым колесом напрессованным на выходной вал, который вращающается на двух роликовых подшипниках. Цилиндрическая передача имеет косозубое эвольвентное заципление. Выходной вал уплотнен манжетой, а неподвижные соединения прокладками и герметиком. Принцип работы заключается в передаче вращения от вала электродвигателя на первичный вал, далее на блок зубчатых пар, а потом на выходной вал редуктора. Куда более простую конструкцию имеет червячный мотор-редуктор. Момент передается от двигателя на червячный винт, а далее на зубчатое колесо насаженное на выходной вал редуктора. Каждый тип редукторов имеет свои достоинства и недостатки. Например илиндрический мотор редуктор позволяет передавать высокий момент без потерь на трения, а червячный - позволяет передать вращение под прямым углом.

Планетарный мотор редуктор представляет собой устройство, в котором объедены зубчатый планетарный редуктор и электродвигатель. Планетарная передача представляет собой механизм, состоящий из центрального колеса насаженного непосредственно на вал электродвигателя передающего момент на три сателлита установленных на подшипниках. Оси сателлитов запрессованы консольно на водило на длину равную 1,2 диаметра оси. Водило первой ступени и колесо второй ступени выполнены «плавающими», что обеспечивает равномерное распределение момента среди трех сателлитов.

Как правильно выбрать мотор редуктор?

При постановке задачи разработки или модернизации оборудования, где применяется привод, возникает вопрос: "Как правильно выбрать мотор-редуктор?".

Ниже перечислены основные характеристики, влияющие на правильный выбор мотор-редуктора:

Вышеперечисленные данные помогут определить передаточное отношение i, мощность электродвигателя P1 и типоразмер редуктора.

Выходной крутящий момент Mk можно найти, зная какое усилие F2 действует на определенное расстояние r2 (плечо)

Надежная работа мотор-редуктора определяется таким параметром как коэффициент эксплуатации Sm. Его можно определить зная вид нагрузки, длительность работы в сутки, а также число пусков в течении часа. Выбирая типоразмер редуктора, следует учитывать, чтобы коэффициент эксплуатации Sm был ниже сервис-фактора редуктора Sf.

Тип нагрузки	Число пусков в час	Время работы редуктора в сутки (час)
Тип нагрузки	Число пусков в час	<2	2-8	9-16	17-24
Нормальная динамика разгона, отсутствие ударных нагрузок, низкая начальная масса (транспортные червяки, монтажные ленты, вентиляторы, шестеренные насосы, мешалки жидкостей, расфасовочные и упаковочные машины)	<10	0,9	1	1,2	1,5
	>10	1	1.1	1.2	1.3
Динамика разгона с небольшими ударными нагрузками, неравномерная нагрузка во время работы, средняя начальная масса (лебедки, мешалки смесительные, транспортные ленты, лифты, деревообрабатывающие, печатные и текстильные машины)	<10	1,0	1,3	1,5	1,6
	10-50	1,2	1,4	1,7	1,9
	50-100	1,3	1,6	2,0	2,1
	100-200	1,5	1,9	2,3	2,4
Тяжелая динамика разгона, сильные удары в процессе работы, высокая начальная масса (компрессоры, молоты, бетономешалки, всасывающие насосы, прокатные станы, гибочные машины и прессы, конвейеры тяжелого груза, машины с переменным движением)	<10	1,2	1,5	1,8	2,0
	10-50	1,4	1,7	2,1	2,2
	50-100	1,6	2,0	2,3	2,5
	100-200	1,8	2,3	2,7	2,9

Сервис фактор Sf – это отношение максимально допустимого момента M2 max указанного в паспорте редуктора к номинальному моменту M2 зависящего от мощности электродвигателя.

Далее находим мощность электродвигателя P1 по формуле:

М2 - момент на валу редуктора - Н/м
n2 - частота вращения вала – об/мин
n - показатель КПД редуктора - %

Радиальная и осевая нагрузка вала

Радиальная нагрузка Fr рассчитывается при условии, что нагрузка прикладывается на середину вала редуктора. Рассчитанная нагрузка не должна превышать значения указанные в паспорте. Если же приложенная нагрузка смещена от центра, то нагрузку придётся уменьшить. Если в качестве радиальной нагрузки используется шкив с ремнем, звездочка с цепью или шестерня, то радиальную нагрузку можно найти по формуле:

k - коэффициент нагрузки
D - диаметр шкива или шестерни на выходном валу [мм]
M2 - выходной крутящий момент [Nm]
1,10 звездочка
1,25 шестерня
1,50 ременный шкив

Из вышеуказанной формулы следует, что радиальная нагрузка Fr зависит от диаметра шкива D притом, чем больше диаметр, тем ниже нагрузка.

Осевую нагрузку Fa max можно найти, зная значения радиальной нагрузки Fr.

Fa max [N] – максимально допустимая осевая нагрузка
Fr [N] – максимально допустимая радиальная нагрузка

Что такое передаточное отношение и как его определить?

Для подбора аналога вышедшего из строя редуктора требуется ряд параметров, которые можно определить самому без помощи специалистов. Так, например, типоразмер редуктора можно определить померив диаметр выходного вала, аналогично можно определить мощность установленного на редуктор электродвигателя. Передаточное отношение можно определить опытным путем, вращая входной вал до тех пор, пока выходной вал не сделает один полный оборот, при этом не забывая считать обороты входного вала. Соотношение количества оборотов приложенных к входному валу, при которых выходной вал провернется на один полный оборот - и есть передаточное отношение.

Бывает, что редуктор, который нужно заменить аналогом не проворачивается по причине заклинивания зубчатых пар, а бывает наоборот - какая-либо передача износилась, и вращение быстроходного вала не передается к тихоходному валу. В таких случаях поможет методика подсчета количества зубов на шестерне и заходов на винте. Данный метод актуален для червячных редукторов.

В червячном редукторе основными элементами являются зубчатое колесо и червячный винт. Допустим нам нужно определить передаточное отношение редуктора серии Ч125.

Для этого на редукторе нужно снять крышку со стороны выходного вала.

За ней находится зубчатое колесо, на котором нужно подсчитать количество зубов. В нашем случае - 32 зуба.

Далее считаем количество заходов червячного винта. В нашем случае - один заход.

Получив исходные данные - 32 зуба на колесе и 1 заход на винте, находим передаточное отношение, разделив 32/1.