Одна из приоритетных задач современного машиностроения в области конструирования механических систем заключается в достижении высокой производительности при условии соблюдения приемлемой гибкости отдельных элементов таких машин. И здесь в ближайшей перспективе на первом месте останется необходимость контроля за скоростью обработки.
Устойчивым трендом последнего времени является постоянное увеличение скорости механизированного перемещения, которое вскоре превысит показатель 50 000 об/мин. Обладающие такими скоростями приводы позволяют существенно повысить производительность обрабатывающих машин и центров – за счет увеличения скорости подачи и ускорения.
Современная технология
До настоящего времени почти 90% соединительных элементов подобных систем – это муфты. Специализированная литература говорит о том, что конструкция и жесткость тех же, например, металлических сильфонных муфт идеально подходит для решения вышеописанных задач. Но на высоких скоростях стремительно возрастают и резонансные колебания (вибрации), которые уже не могут быть погашены металлическими сильфонными муфтами.
Именно поэтому компания R+W Antriebselemente GmbH (далее R+W) некоторое время назад приступила к выпуску муфт с прокладками из эластомера. Однако, даже не смотря на уже весьма большой набор пособий и соответствующей литературы по таким муфтам, актуальным оставался вопрос о том, на каких скоростях все же реально могут работать муфты с прокладками из эластомера?
Для получения четкого ответа на этот весьма важный вопрос сотрудниками R+W и специалистами специально выбранного для этой цели университета и была проведена недавно большая серия тестов.
Условия испытаний и основные критерии
Принимая во внимание, что ранее ни условия проведения, ни результаты подобных экспериментов не получали широкой огласки, первым, с чем пришлось столкнуться инженерам R+W в процессе подготовки серии тестов, стала необходимость выработки критериев проведения самих испытаний, которые должны были осуществляться в условиях, максимально приближенных к условиям реального применения испытуемого оборудования.
Одним из первых вопросов, вставших перед специалистами компании и сотрудниками университетской исследовательской лаборатории, явилось определение – в каком состоянии эластомера (под нагрузкой или нет) уровень центробежной силы выше. Специализированная литература ответа на данный вопрос не давала – пришлось искать его самим участникам эксперимента.
Учитывая, что эластомеры имеют способность укреплять свою структуру под воздействием нагрузки, в описываемых испытаниях было решено моделировать рабочие условия, в которых муфта работала бы в ненагруженном режиме. Подвижная часть муфты подсоединялась к обычному асинхронному двигателю, запитываемому от частотного преобразователя. Это обеспечило возможность достижения частоты вращения в диапазоне от 0 до 4000 об/мин. А для достижения скоростей более 20 000 об/мин были использованы шкивы и высокоэффективные приводные ремни (с коэффициентом передачи 10:1). И, наконец, на валах были смонтированы специальные подшипники, с помощью которых достигалась имитация скоростей до 40 000 об/мин.
Результаты испытаний: количество говорит само за себя
По итогам тестов экспертами был сделан вывод о том, что муфты с прокладками из эластомера Servomax производства компании R+W могут применяться в высокоскоростных приводах, имеющих частоту вращения не менее 40 000 об/мин. Используемый в таких муфтах материал (эластомер) продемонстрировал высокую устойчивость к деформации – даже под воздействием больших окружных скоростей (внешние диаметры – от 16 до 140 мм). При этом единственной специальной мерой явилась балансировка втулки – в остальном муфта представляла собой стандартный образец продукции данного рода. На перспективу это означает, что можно будет отказаться от дополнительных направляющих колец или опорных колец для эластомерной вкладки.
Оценивая результаты испытаний, специалисты компании R+W отмечают, что если сегодня муфты с прокладками из эластомера применяются только в схемах для передачи крутящего момента величиной не более 60 Нм и на скоростях до 14 000 об/мин, то в недалеком будущем стандартом станет их использование на скоростях вплоть до 40 000 об/мин. Это троекратное увеличение рабочего диапазона!
Пока же инженеры и программисты R+W, используя результаты данного эксперимента, работают над созданием специального «симуляционного» программного обеспечения, которое подошло бы для всех имеющихся муфт стандартных размеров. Используя в качестве отправных точек конечную форму эластомерной вкладки и моделируя структуру полимерного материала для нее, можно будет, основываясь на требованиях заказчика, разработать практически любые муфты данного типа. Причем в ходе расчетов можно учитывать как величину центробежной силы, так и температуру, в условиях которой будет эксплуатироваться данная муфта.
