Technická knihovna svazek 87
Převodové motory
Princip, konstrukce a nasazení
Franz Josef Mack Michael Wagner-Ambs
verlag moderne industrie
Tato kniha byla vypracována s odbornou podporou firmy SEW-EURODRIVE.
Titulní zobrazení v popředí ukazuje převodové motory firmy SEW-EURODRIVE, v pozadí jejich nasazení na dvojitě sdruženém okruhu.
Přepracování tohoto nákladu: Eiko Filler, Udo Laubenstein
Die Deutsche Bibliothek - CIP-jednotný záznam Mack, Franz Josef: Převodové motory: Princip, konstrukce a nasazení / Franz Josef Mack a Michael Wagner-Ambs. [SEW-EURODRIVE]. 3., aktualizované vydání - Landsberg/Lech: nakladatelství Moderne Industrie, 2001 (Technická knihovna; svazek 87) ISBN 3-478-93247-5
Třetí, aktualizované vydání, 2001 1994 Všechna práva verlag moderne industrie, 86895 Landsberg/Lech http://www.mi-verlag.de Zobrazení: Č. 6: König Transportanlagen, Heddesheim; č. 7: Eisenmann, Böblingen; všechno ostatní SEW-EURODRIVE, Bruchsal Sazba: abc Media-Services GmbH, Buchloe Tisk: Himmer, Augsburg Vazba: Thomas, Augsburg Printed in Germany 930247 ISBN 3-478-93247-5
Obsah Od převodového řemene k inteligentnímu převodovému motoru
4
Převodový motor v každodenní praxi
7
Převodové motory ze stavebnicového systému
10
Převodovky
14
Koaxiální a paralelní hřídelové převodovky ........................................................................................ 14 Úhlové převodovky .............................................................................................................................. 16 Mechanické regulační převodovky....................................................................................................... 18 Převodové skříně .................................................................................................................................. 18 Ozubená kola........................................................................................................................................ 19 Hřídele.................................................................................................................................................. 22 Uložení ................................................................................................................................................. 22 Mazání.................................................................................................................................................. 23 Elektromotor
24
Trojfázový motor.................................................................................................................................. 25 Brzda .................................................................................................................................................... 32 Projektování převodového motoru
33
Odborné termíny
37
Partner této knihy
38
4
Od převodového řemene k inteligentnímu převodovému motoru Pohled do minulosti:
Začátek průmyslové éry
Prosazení decentrálního elektromotoru
1928: Vynález předlohového motoru
1764: James Watt vynalézá parní stroj 1850: Pittler konstruuje revolverový soustruh 1867: Wernher von Siemens staví první dynamo 1872: F. v. Hefner-Alteneck konstruuje první stejnosměrný stroj 1880: Wernher von Siemens staví první výtah s elektrickým pohonem 1887: N. Tesla vynalézá trojfázový motor 1889: J.H. Northop objevuje automatický tkalcovský stav … moderní průmyslová éra začala. Na jejím počátku došlo k rozmachu mechanizace a automatizace opakujících se procesů. Práce, které dosud vykonávali lidé - často fyzicky velmi namáhavé - převzaly nyní stroje. K mechanizaci zpočátku docházelo pomocí takzvaných převodových řemenů: Výkon byl z centrálního hnacího stroje přenášen koženými řemeny přes vodicí kladky a vložené hřídele do míst, kde byl pohyb předáván do příslušného pracovního stroje (zobr. 1). Centrální hnací stroj byl tvořen plynovým motorem nebo vodním pohonem, později také elektromotorem. Vřazenými řemenovými nebo ozubenými převodovkami byly otáčky a krouticí moment přizpůsobovány danému případu použití. Velkou nevýhodou bylo, že centrální hnací stroj musel pracovat i tehdy, byl-li v provozu jen jeden stroj. K tomu ještě přistupovalo velké zatížení hlukem a nebezpečí poranění otevřenými, obíhajícími hřídelemi a řemeny. Tyto nevýhody dopomohly k tomu, že se stále více prosazoval vynalezený decentrální elektromotor. K přizpůsobení otáček motoru a krouticího momentu aplikace byla před motor nejdříve zařazena převodovka: Motor i převodovka byly namontovány na společné základové desce a spojeny spojkou. Kombinací motoru, spojky a převodovky se mohly jednotlivé pohony osamostatnit a převzít pohonné úlohy na místě, na kterém byl potřebný výkon. Avšak i tuto kombinaci bylo možné ještě zlepšit. Spojky dovolovaly jen nepatrné úhlové a polohové tolerance. Proto musela být společná instalační plocha motoru a převodovky přesně opracována. Také kombinace motoru, spojky a převodovky nebyla pro mnoho aplikací vhodná. Na překážku byl i velký počet konstrukčních prvků, což při výpadku ztěžovalo vyhledávání závady. Tyto myšlenky přivedly Alberta Obermosera k tomu, že v roce 1928 nechal pod číslem N576.436 patentovat předchůdce převodového motoru - takzvaný předlohový motor (zobr. 2). Citujeme z patentového spisu: »Vynález se týká motorového převodového agregátu s tělesem motoru připojeným na
Od převodového řemene k inteligentnímu převodovému motoru
5
Zobr. 1 : Stroje v tovární hale poháněné převodovými řemeny
převodovou skříň, u kterého je hřídel motoru uložena na straně, místo v ložiskovém štítu, ve stěně převodové skříně a předlohová hřídel ve dvou stěnách stejné části této skříně. Motorový převodový agregát této konstrukce se vyznačuje tím, že je usnadněno vytvoření přesné a nepohyblivé vzájemné polohy ozubených kol uložených ve skříni převodovky, což je jeden z předpokladů zcela klidného běhu.« Zobr. 2: Předchůdce převodového motoru předlohový motor
6
Od převodového řemene k inteligentnímu převodovému motoru
Další vývoj
V následujících letech byl princip převodového motoru dále důsledně rozvíjen. Nové výrobní postupy vedly ke zvýšení výkonu a zlepšení kvality. Po vítězném tažení čelního převodového motoru následoval převodový motor se šnekovou převodovkou, poté převodový motor s kuželočelní převodovkou. Aby mohly být v širokém rozmezí měněny otáčky, byly mezi motor a ozubený převod vloženy regulační převodovky. Homogenní a kompaktní jednotka, jednoduchá konstrukce a téměř neomezené kombinační možnosti motoru a převodovky tvoří základ úspěchu všech převodových motorů (zobr. 3). Na základě kombinace s planetovými převodovkami a nasazením frekvenčních měničů se převodovému motoru otevřely další možnosti aplikace.
Zobr. 3: Převodové motory dnešní generace
Dnes tvoří převodový motor a elektronická regulace otáček zharmonizovanou jednotku. I prostorově mají motor a frekvenční měnič blízko k sobě. Integrované frekvenční měniče jsou namontovány přímo na převodovém motoru. Již není nutný kabel mezi měničem a motorem. Vzniká kompaktní a optimální hnací jednotka (zobr. 4). Zobr. 4: Jednotka: Převodový motor s integrovaným frekvenčním měničem
Inteligentní převodový motor
Případy použití převodových motorů nelze v našem přetechnizovaném světě ani spočítat. Převodové motory se uplatňují téměř ve všech oblastech průmyslové produkce, výroby, a přepravy. Přitom převodový motor plní nejen jednoduché, ale také komplexní pohonné úlohy. Ve spojení s měničem přebírá řídicí a procesní funkce, a tak se stává inteligentním převodovým motorem.
7
Převodový motor v každodenní praxi Univerzálnost převodového motoru umožňuje spoustu možností nasazení ve všech oblastech každodenního života, někdy dokonce i v případech, ve kterých člověk ani netuší, že se za pohybem stroje skrývá převodový motor. Následující příklady představují některé případy použití, u nichž jsou využívány nejdůležitější vlastnosti převodového motoru y robustní, kompaktní konstrukce, y spolehlivost, y příznivá cena. Pohon směrových antén Požadavky: Extrémní mezní podmínky charakterizují požadavky na pohon směrových antén. Provozovatel vyžaduje absolutně spolehlivý provoz a stálou funkční pohotovost za každého počasí, tedy příkladně v horku, za mokra a mrazu - a to také po několikaměsíční odstávce. Směrová anténa (zobr. 5) musí jít přesně napolohovat a poté již nesmí být tato poloha změněna. K tomu je nutno ještě počítat s tím, že se pohybující se hmotnost může námrazou zdvojnásobit, zatímco silný vítr způsobuje velké příčné síly.
Řešení: Dvojitý čelní převodový motor s trojfázovým asynchronním motorem s přepínáním pólů, s mechanickou brzdou a těžkým ventilátorem jako dodatečná setrvačná hmotnost. K dosažení nízkých výstupních otáček je zvolena dvojitá převodovka. Motor s přepínáním pólů umožňuje rozdílné otáčky: pro rychlé procesy a k přesnému najetí do polohy.
Vlastnosti převodového motoru
Zobr. 5: Směrová anténa
8
Převodový motor v každodenní praxi
Plynulý rozběh
Dlouhé přepravní trasy
Brzda slouží jen jako zádržná brzda, protože na základě vysokého vnitřního tření směrové anténní soustavy jsou k přesnému napolohování dostačující nízké otáčky. Těžký ventilátor motoru se stará o plynulý rozběh a povlovné přepínání otáček. Kombinace pohonu představuje jednoduchou a spolehlivě pracující jednotku. Pohony při výrobě nápojů Požadavky: K dodání přepravky čerstvých nápojů do obchodu je zapotřebí mnoha jednotlivých zpracovávatelských kroků. V továrně na výrobu nápojů musí být použité lahve vyjmuty z přepravky, vyčištěny a znovu naplněny. Po zazátkování jsou lahve opatřeny novými etiketami, vloženy do přepravek a k expedici nastohovány na palety. Od začátku až do konce výroby je nutné překonat dlouhé přepravní trasy. Láhve jsou oddělovány a podle potřeby shromažďovány v obalech. Dnes požadovaná výroba velkého počtu kusů a přesnost při zpracovávání by nebyly při manuální manipulaci myslitelné. Řešení: O pohyb v jednotlivých zpracovávatelských strojích nebo o transport mezi těmito stroji se stará velké množství převodových motorů (zobr. 6). Více než 100 šnekových, kuželočelních a čelních převodových motorů zaručuje plynulý průběh výroby. Vedle konstantně běžících pohonů se stále stejnou zadanou přepravní rychlostí jsou nasazeny i převodové motory s proměnlivými výstupními otáčkami. Frekvenční měniče při změně výroby umožňují potřebné přizpůsobení pracovních postupů. Dynamicky taktované převodové motory jsou poháněny řízením orientovaným na magnetický tok etikety přesně umísťují na určené místo na lahvi.
Zobr. 6: Nakládání a vykládání z palet 150 sudů/hodinu
Zvláštní antikorozní ochrana
Pohony jsou částečně vystaveny extrémním vnějším vlivům. Svou funkci musí plnit jak v suchých, tak i mokrých oblastech. Také používané čisticí prostředky nesmí poškodit převodový motor. Před agresivním prostředím chrání zvláštní antikorozní nátěr. Teplotní čidla zabudovaná v elektromotoru chrání pohon před tepelným přetížením. K zajištění potřebné bezpečnosti při paletizaci jsou pohony zdvihacích zařízení vybaveny mechanickou brzdou. Trvalá provozní výkonnost a dlouhá životnost zde použitých převodových motorů jsou předpokladem bezpečné, produktivní funkce zařízení.
Převodový motor v každodenní praxi Pohony v automobilovém průmyslu Požadavek: Při průmyslové výrobě automobilů jsou pracovní úseky přísně rozděleny. V úseku »karosárna« se montuje karoserie, v úseku »povrchová úprava« se surová karoserie lakuje ekologickým, ve vodě rozpustným lakem. Při montáži přestavuje spojení karoserie a motoru zvláštní moment - »svatbu«. Během celého výrobního procesu je vozidlo přizpůsobováno individuálním přáním zákazníků. V moderní výrobě je dnes na základě dosaženého stupně automatizace možná výroba až 800 vozidel za den. Dopravní systémy různých druhů - válečkové, závěsné, pozemní dopravníky a zdvihací zařízení - dopravují jednotky k různým oblastem zpracovávání. Konstrukční celky a jednotlivé díly jsou just in time (právě včas) připraveny k montáži. Svařování, lakování rovněž i montáž sedadel, oken a dveří probíhají převážně automaticky.
Komplexní výrobní proces
Zobr. 7 Nůžkový zdvižný stůl pro karoserii vozidla
Řešení: Více než 2500 převodových motorů nejrůznějšího provedení se stará ve všech oblastech závodu o časově optimální výrobní proces (zobr. 7). Největší část pohonů v rozsahu výkonů 0,25 kW a 11 kW je vybavena 4-pólovými trojfázovými převodovými motory, které jsou poháněny přímo na síti. Pro úlohy s proměnnou rychlostí je nasazeno 300 frekvenčních měničů. Ale také jsou použity převodové motory s přepínáním pólů. Tyto pohony u přímého síťového provozu umožňují s nízkým počtem pólů rychlý a při připojení vinutí s vyšším počtem pólů pomalý provoz. Tento druh provozu se používá k jednoduchému polohování na iniciátorech.
4-pólové trojfázové převodové motory
9
10
Převodové motory ze stavebnicového systému
Kombinace jednotlivých komponent
Zobr. 8: Stavebnicový systém převodových motorů SEW
Druhy motorů
Předchozí kapitola představila jen nepatrnou část rozmanitých možností použití převodového motoru. Tato mnohotvárnost aplikací téměř neumožňuje, aby byly převodové motory vyráběny ze speciálně zhotovených jednotlivých součástí. Bylo by to velmi drahé a často spojeno s dlouhými dodacími lhůtami. Z tohoto důvodu je k dispozici stavebnicový systém, ze kterého mohou být vybrány jednotlivé komponenty motoru a převodovky a sestaveny do jednoho převodového motoru.
Cílem stavebnicového systému je, aby byl z minimálního počtu komponent zkombinován co největší počet konečných výrobků. Moderní technika zná stavebnicové systémy v nejrůznějších oblastech: y O stavebnicovém systému lze hovořit při výrobě obráběcích strojů, protože konstrukční celky lze namontovat na různé typy nebo velikosti strojů. y O stavebnicovém systému motoru lze hovořit při výrobě automobilů, protože motory stejného typu mohou být vestavěny do různých modelů osobních automobilů. y V elektronice jsou konstrukční celky (základní desky) zaintegrovány do různých přístrojů a tak vytváří stavebnicový systém. Pokud jde o převodový motor, princip stavebnicového systému znamená, že lze motory, převodovky a montované díly různých typů a různých stavebních velikostí vzájemně kombinovat (zobr. 8). Motor může být přitom proveden jako y trojfázový asynchronní motor, y stejnosměrný motor, y asynchronní nebo synchronní servomotor.
Převodové motory ze stavebnicového systému Nejčastěji montované převodovky jsou y čelní převodovka - i v ploché pracovní poloze, y kuželočelní převodovka, y šneková převodovka, y planetová převodovka. Tyto kombinace představují »klasické« převodové motory. Existují však také požadavky, u kterých se mezi motor a převodovku vloží přídavný modul: y regulační převodovka pro proměnlivé otáčky y univerzální adaptér, např. s namontovanou kluznou třecí spojkou y čelní převodovka jako předřazená převodovka pro zvláště nízké výstupní otáčky Následovně je na příkladu čelního převodového motoru, skládajícího se z čelní převodovky a trojfázového asynchronního motoru, ukázáno, jaké kombinační možnosti stavebnicový systém nabízí. Platí právě tak pro kombinace ostatních typů převodovek a motorů.
11
Druhy převodovek
Přídavné moduly
Zobr. 9: Definice stavební velikosti u elektromotorů
Stavební velikosti trojfázových asynchronních motorů jsou oklasifikovány podle standardu IEC podle výšky osy hřídele (zobr. 9). Konstrukční řada SEW obsahuje 13 výšek os od 63 do 280 mm, přičemž zároveň se stavební velikostí stoupá i výkon motoru (zobr. 10). Dalšího odstupňování výkonu lze dosáhnout různými stavebními délkami, takže pro nástavbu na převodovku je k dispozici přes 200 různých motorových výkonů (tab. 1). Zobr. 10: Trojfázové asynchronní motory různých stavebních velikostí
12
Převodové motory ze stavebnicového systému
Tab. 1: Výkonové stupně trojfázových asynchronních motorů
Počet pólů motoru 2 4 6 8 s přepínáním pólů Σ
Rozsah výkonu v kW Výkonové stupně 0,18-22 17 0,12-75 23 0,09-45 20 0,15-15 14 0,01-45 139 213
Zobr. 11: Čelní převodové motory různých velikostí a výkonů (dolní a horní rozsah výkonu)
Převodovky jsou rovněž odstupňovány v různých stavebních velikostech. Označení stavebních velikostí není normováno, ale je to ponecháno na výrobci. Na zobrazení 11 jsou znázorněny čtyři zástupci jedné řady čelních převodovek, které dohromady zahrnují 13 stavebních velikostí. Převodovky stejného typu, avšak rozdílné stavební velikosti jsou po geometrické stránce postaveny podobně. Převoditelný krouticí moment stoupá zároveň se stavební velikostí, rovněž tak jako výkon trojfázového asynchronního motoru. Zobrazení 12 znázorňuje souvislost mezi stavební velikostí převodovky a výstupním momentem. Zobr. 12: Převoditelný krouticí moment stoupá zároveň se stavební velikostí převodovky
Pomocí stavebnicového systému převodovky lze do stejné skříně namontovat různá ozubená kola, takže pro každou velikost převodovky je k dispozici 30 až 40 různých převodů mezi i ≈ 4 a i ≈ 200. Teoreticky by mohly být převodové motory sestaveny ze všech motorů a převodovek, které jsou k dispozici (zobr. 13). Protože by ale v praxi měla být optimálně využita výkonnost převodového motoru, je kombinační mnohotvárnost poněkud omezena.
Převodové motory ze stavebnicového systému
13
Zobr. 13: Čelní převodovka stavební velikosti 97 kombinovaná s motory stavebních velikostí 80 a 160
Tak například y u kombinace příliš velkého motoru s malou převodovkou je převodovka přetížena a y u kombinace příliš malého motoru s velkou převodovkou není převodovka plně zatížena. Převodovky jedné stavební velikosti je možné smysluplně kombinovat se čtyřmi až šesti různými stavebními velikostmi motorů. Dohromady se 30 rozmanitými převodovými stupni z toho vyplývá cca 150 kombinací motorů s převodovkou pro každou velikost převodovky. Připočítají-li se k tomu motory s přepínáním pólů, tak lze se 13 velikostmi převodovky dosáhnout cca 10 000 kombinací motorů s převodovkami. S přihlédnutím ke všem možnostem ukázaných na zobrazení 8 (viz str. 16/17) lze pomocí stavebnicového systému složit více než milion motorů s převodovkami pro každodenní využití.
Přes milion motorů s převodovkami
14
Převodovky Měnič krouticího momentu a otáček
Na základě své funkce jako měniče krouticího momentu a otáček je převodovka základním stavebním kamenem převodového motoru. Přitom, v závislosti na směru přenosu síly, jsou rozlišovány koaxiální popř. paralelní hřídelové převodovky a úhlové převodovky.
Zobr. 14: Směr přenosu síly u nejdůležitějších druhů převodovek
U koaxiálních a paralelních hřídelových převodovek leží vstupní a výstupní hřídel na stejné úrovni - přenos síly je lineární. U úhlových převodovek jsou vstupní a výstupní hřídele k sobě postaveny kolmo - přenos síly je přesměrován do pravého úhlu (zobr. 14).
Koaxiální a paralelní hřídelové převodovky Nejdůležitější element přenosu síly
Dvojice ozubených kol, takzvané převodové stupně, přenášejí sílu ze vstupní strany na výstupní stranu. Nejdůležitější úlohu přitom hrají čelní ozubená kola jako nejvýznamnější elementy přenosu síly tvarovým stykem ve strojírenství. Aby mohla být čelní ozubená kola vyráběna levně a postupně pomocí ne příliš komplikovaných nástrojů, mají většinou evolventní ozubení. Proto jsou čelní převodovky, jejichž »vnitřní život« se skládá jen z čelních stupňů,
Zobr. 15: Čelní převodový motor
Úsporné provedení z hlediska místa
nejčastěji používanými převodovkami. Standardní provedení se dvěma popř. třemi převodovými stupni v jedné skříni umožňuje úsporné provedení z hlediska místa a tím úzkou a nízkou konstrukci centrálního pohonu (zobr. 15). Jednoduchou a robustní konstrukcí splňuje čelní převodovka požadavky většiny aplikací. U čelních plochých převodovek běží vstupní a výstupní hřídele paralelně k sobě. Centrální pohon je z toho důvodu krátký a úzký, proto jsou tyto převodovky nasazovány především do zúžených
Převodovky
15
prostor (zobr. 16). Při paralelním uspořádání hřídelí je výstupní hřídel většinou provedena jako dutá hřídel, což je přednost např. u pohonu pojezdu - probíhající osou může být síla synchronně přenášena na obě hnací kola. Zobr. 16: Čelní plochý převodový motor
Planetové převodovky patří ke skupině oběhových převodovek. Tři nebo více planetových kol se otáčí kolem centrálního kola (zobr. 17). U těchto velmi kompaktních koaxiálních převodovek se vstupní a výstupní hřídel otáčí ve shodném směru. Z hlediska použití se planetové převodovky dělí na Zobr. 17: Princip funkce planetových převodovek
y
průmyslové planetové převodovky, např. pro velká míchací zařízení a y přesné planetové převodovky, např. pro dynamické a polohově přesné manipulační stroje. Přesné planetové převodovky se vyznačují vysokou torzní tuhostí a nepatrnou krouticí vůlí (zobr. 18). Průmyslové planetové převodovky mají vysokou hustotu výkonu a dovolují vysoké krouticí momenty.
16
Koaxiální a paralelní hřídelové převodovky
Zobr. 18: Přesný planetový převodový motor
Úhlové převodovky
Nejdůležitější druhy ozubení
U mnoha aplikací lze do zařízení nebo stroje optimálně zaintegrovat jen úhlovou převodovku. Aby byl přenos síly přesměrován do pravého úhlu, musí být pro úhlové převodovky použity komplikované ozubené části. Nejdůležitějšími druhy ozubení jsou y ozubení SPIROPLAN® y šnekové ozubení y kuželočelní ozubení U těchto úhlových převodovek mohou být jako výstupní hřídele namontovány jak duté tak plné hřídele. Pohonné úlohy s malými vstupními výkony a převodovými poměry až i = 75 lze nepříliš nákladně realizovat jednostupňovou převodovkou SPIROPLAN® (zobr. 19). U těchto převodovek se pozice
Zobr. 19: Převodový motor SPIROPLAN®
Kuželočelní převodovka pro velké pohony
Zobr. 20: Šnekový převodový motor
pastorku ke kolu pohybuje mezi extrémními polohami kuželočelního popř. šnekového ozubení. Je-li od převodovky dodatečně požadováno dobré tlumení kmitání, lze výhodně využít šnekovou převodovku (zobr. 20). Velké pohony, u kterých hraje
Úhlové převodovky
17
roli ztrátový výkon, by měly být spíše provedeny s kuželočelními převodovkami, protože šneková převodovka - podle převodového poměru - vykazuje menší účinnost než kuželočelní převodovka (zobr. 21). Ve středním rozsahu výkonu jsou maximálně rovnocenné jak šnekové, tak i kuželočelní převodovky. Přitom se musí dbát na to, aby vysoce zatížené šnekové převodovky podléhaly přirozenému opotřebení. Příležitostně se používá statická samosvornost šnekových převodovek s větším převodovým poměrem jako dodatečná bezpečnostní brzda. V tabulce 2 jsou porovnány nejdůležitější typy převodovek. Zobr. 21: Kuželočelní převodový motor
Typ převodovky Zkratka firmy SEW Přenos síly Max. krouticí moment v Nm 2. konec hřídele Výstupní dutá hřídel Počet stupňů Max. převodový poměr na stupeň Min. převodový poměr na stupeň Rozmezí převodového poměru (bez dvojité převodovky) imin imax Účinnost
Max. vstupní výkon v kW Minimální otáčky v min-1 (jako dvojitá převodovka) Maximální otáčky v min-1 (jako dvoustupňová převodovka)
Čelní R
SPIROPLAN® W
50 000
Šneková S pravoúhlý 4000
1/2 10
možná možná 3 4,2
možná možná 2 42
možná možná 1 75
1,5
4
1,4
5,5
8,2
3,8 281,7 97 %
4100 98 %
5,4 197,4 96 %
6,8 288 40-93 % (i- a v závislosti na otáčkách)
8,2 75 45-90 % (i- a v závislosti na otáčkách)
200 0,11
22 0,13
1,1 18
224
221
168
Planetová PSF
Kuželočelní K
18 000
Plochá F lineární 18 000
3200
2/3 6,5
možná možná 2/3 6,7
1,5
3,4 289,7 97 %
160 0,05
jako 4-pólový převodový motor 160 22 0,18 14
418
Tab. 2: Porovnání nejdůležitějších typů převodovek
246
350
90
18
Mechanické regulační převodovky
Mechanické regulační převodovky
Plynulá změna otáček
Možnosti nastavení
Mnohé úlohy v pohonné technice vyžadují konstantní počet otáček a mohou být proto řešeny převodovkou s pevným převodovým poměrem. Existují však i aplikace, u kterých musí být otáčky pohonu měněny plynule, aby např. byla přizpůsobena rychlost dopravních pásů různým procesům. I přes obrovský pokrok v oblasti elektronicky řízených pohonů zaujímají mechanické regulační převodové motory i nadále své místo v pohonné technice. Pomocí převodovky s ozubeným klínovým řemenem mohou být realizovány převodové poměry „do pomala“ (až i = 3:1) ale také „do rychla“ (až i = 1:2,7). Ozubený klínový řemen mění svůj účinný průměr běhu na hnacím regulačním kotouči pomocí axiálního posunu regulačních kotoučů. Stejnou měrou se mění průměr běhu na hnaném regulačním kotouči. Osová vzdálenost obou řemenic zůstává přitom konstantní. Další možnost mechanického přestavení otáček představuje třecí převodovka. Pružina tlačí výstupní hřídel třecím kroužkem z vhodného nekovového materiálu proti hnacímu kotouči z oceli. Regulačním vřetenem je hnací kotouč s hnacím motorem veden podél třecího kroužku. Přitom se mění účinné poloměry a tím také převodový poměr. Na základě tohoto principu lze realizovat převodové poměry „do pomala“ (až i = 3:1) a „do rychla“ (až i = 1:1,6). Otáčky mohou být nastaveny u obou typů regulačních převodovek manuálně, hydraulicky nebo elektrickým pomocným pohonem. Dříve než převodovka může ve stroji plnit svou funkci, musí mít konstruktér převodovky představy o následujících bodech: y převodová skříň y ozubená kola y hřídele y ložiska, mazání
Převodové skříně
Skříně ze šedé litiny…
… a hliníku
Konstrukci a tvar převodových skříní ovlivňují různé faktory: y pevnost skříně vůči deformacím a kmitáním y utěsnění skříně y počet vestavěných stupňů ozubených kol y technologický postup výroby y montážní požadavky y varianty skříně Převodové skříně se vyrábějí převážně z šedé litiny GG20. Šedá litina je torzně tuhá a také při obrábění nemá sklon ke kmitání, takže může být s rozměrovou stálostí a účelně obrobena na jedno upnutí. Dobré kluzné vlastnosti GG20 ulehčují zalisovávání valivých ložisek do k tomu připravených otvorů. K zabezpečení tuhosti mají skříně vnitřní žebra nebo litou střední stěnu, která doplňkově tlumí hluk vznikající při kmitání. U malých stavebních velikostí převodovek se často také jako materiál ke konstrukci skříně používá hliník. Hliníkový odlitek litý pod tlakem lze lehce opracovat i při menší hmotnosti. »Lehké« převodovky jsou velmi výhodné zejména u současně se pohybujících hnacích jednotek.
Převodové skříně Moderní pomocné prostředky jako jsou metody konečných prvků (FEM) k vypočítání skříní a ozubených kol dovolují optimalizaci pracovní polohy (zobr. 22). Zobr. 22: Výpočet zatížení převodové skříně metodou konečných prvků (FEM)
Ideální jsou převodové skříně koncipované tak, aby pro každý typ převodovky mohly pojímat maximální počet předpokládaných stupňů ozubených kol. Velikost skříně je určována jen velikostí ozubených kol a hřídelí, tzn. maximálně převoditelným krouticím momentem. Tvar skříně závisí na nabízených variantách (zobr. 23): Zobr. 23: Různé převodové skříně u čelních převodovek
y y y y
patková skříň (1) přírubová skříň (2) patková-přírubová skříň (3) přírubová skříň s prodlouženou přírubou (4)
Ozubená kola Ozubená kola jsou nejdůležitějším konstrukčním prvkem převodovky. Správný výběr materiálů, technologie zpracování a projektová kritéria mají pro provoz převodovky velký význam. Materiál Čelní a kuželová kola rovněž i šneky převodovek jsou zpravidla vyrobeny z legované cementační oceli (16 MnCr 5 nebo 20 MoCr 4). Materiál ozubených kol má na základě předkování hrubých kusů stejnoměrnou a vysoce pevnou konstrukci.
Nejdůležitější konstrukční prvky
19
20
Ozubená kola Pro šnekové kolo se používá bronz (SnBz 12), který má dobré kluzné vlastnosti - i při nedostatku maziva. Šnekové převodovky patří k odvalovacím šroubovým převodovkám, u kterých mezi boky zubů šneku a šnekového kola dochází ke stálému klouzání. Technologie zpracování Další vývoj obráběcích strojů na ozubená kola vede k rovnoměrné výrobní kvalitě, která umožňuje i lepší využívání materiálů (zobr. 24). Na základě teoretických výpočetních metod jako je např. FEM mohou být ozubená kola menší a tím, při stejném přenositelném krouticím momentu, mohou být ušetřeny i suroviny.
Zobr. 24: Stále se zvyšující kvalita technologie zpracování je pro vysoce zatížená ozubená kola samozřejmostí: pracovní prostor čelního brousicího stroje řízeného CNC
Důležité konstrukční kroky při stavbě ozubeného kola 1. Stanovení požadovaného maximálního výstupního momentu převodovky Tím jsou také zhruba stanoveny vzájemné osové vzdálenosti hřídelí, protože tyto jsou proporcionální ke krouticímu momentu. 2. Zadání požadovaného celkového rozsahu převodového poměru a odstupňování převodového poměru ϕ V praxi jsou potřebné převodové poměry mezi imin ≈ 4 a imax ≈ 200. Minimální odstupňování dvou za sebou jdoucích převodových poměrů je s ϕ = 1,2 dostatečně jemné, takže řada převodových poměrů převodovky by mohla vypadat takto: imin = 5
…
↓
↓
i2 = ϕ ⋅ i1 = 6 ↓
in-1 = 159,74 ↓
i3 = ϕ ⋅ i2 = 7,2 imax = 191,69 ↓ i4 = ϕ ⋅ i3 = 8,64
Převodovky Tyto celkové převodové poměry jsou zase výsledkem převodových poměrů jednotlivých převodových stupňů tvořených poměrem počtů zubů:
icelk =
z 2 z 4 z6 z ⋅ ⋅ ⋅ ... ⋅ 2 m z1 z3 z5 z 2 m −1
m počet převodových stupňů 3. Stanovení počtu převodových stupňů 2- a 3-stupňové převodovky ve stejné skříni se zadají být v praxi jako dobrý kompromis (zobr. 25). Zobr. 25: Uspořádání hřídelí u 2- a 3stupňových převodovek
4. Omezení počtů zubů U ozubených kol s velmi nízkými počty zubů dochází k takzvanému »podříznutí« v patě zubu s nebezpečím zlomení zubu při plném zatížení: Ozubená kola s velmi vysokými počty zubů vyžadují delší časy potřebné k opracování. Proto dochází k omezení rozsahu na 11 ≤ z ≤ 118. Další omezení vyplývá z požadavku, aby počty zubů páru ozubených kol neměly společného dělitele: Pak jsou totiž různé zuby stále spolu v záběru, což má za následek nepatrné odchylky ozubení. 5. Výpočet možných počtů zubů S přihlédnutím k okrajovým podmínkám kroků 1 až 4 jsou vypočítány možné počty zubů. Výsledek slouží jako základ k následovnému stanovení geometrie ozubeného kola. 6. Stanovení geometrie ozubeného kola Na základě empirických hodnot jsou stanoveny geometrické hodnoty jako je průměr kola, šířka ozubení, tloušťka náboje atd. Přitom jsou také zohledněny již existující nástroje a obráběcí stroje. 7. Vypočítání bezpečnosti Pro každý pár ozubených kol se pro zatížení, které bylo zadáno pod bodem 1, vypočítá bezpečnost paty zubu vůči zlomení zubu a bezpečnost boku zubu vůči pittingu. Podkladem je norma DIN 3990. Jsou-li výsledky výpočtu v přípustném rámci, je akceptován zjištěný pár ozubených kol a dochází ke kontrole dalšího páru. Jsou-li překročeny přípustné mezní hodnoty, musí být opravena buď geometrie ozubeného kola nebo dokonce i změněn počet zubů.
21
22
Ozubená kola
Tab. 3: Převodové poměry a páry ozubených kol fiktivní čelní převodovky icel 235.49 201.61 169.98 143.77 117.57 97.91 80.69 67.57 56.85 47.64 40.08 37.46 31.07 26.10 21.49 17.90 14.98 12.50 10.65 10.20 8.40 6.99 5.86 4.89 4.16
i1 5.94 5.08 4.29 3.63 2.96 2.47 2.03 1.70 1.43 1.70 1.43 5.17 4.29 3.60 2.96 2.47 2.07 1.72 1.47 3.60 2.96 2.47 2.07 1.72 1.47
Výsledkem těchto iteračních kroků je matice v tabulce 3. »Vnitřní život« nové převodovky je stanoven. 2- a 3-stupňová čelní převodovka z1/z2 i2 z3/z4 16/95 5.47 17/93 12/61 21/90 24/87 28/83 32/79 29/59 27/46 30/43 27/46 3.86 28/108 30/43 18/93 21/90 30/108 28/83 32/79 30/62 29/50 32/47 30/108 28/83 32/79 30/62 29/50 32/47
i3 7.25
z5/z6 12/87
7.25
12/87
2.83
18/51
Hřídele Spojující prvek
Hřídele převodovky zachycují - převážně spojením zalícovaným perem - ozubená kola a vzájemně spojují převodové stupně. Vstupní a výstupní hřídele vytváří spojení k motoru popř. pracovnímu stroji. Hřídele podléhají vnějším silám vycházejícím z pracovního stroje a reakčním silám z ozubených kol. Proto musí být u hřídelí kontrolováno dodržování bezpečnostních hodnot a dostatečné dimenzování. Výrobci zakládající si na kvalitě vyrábí hřídele převodovky výhradně jen z nelegované oceli k zušlechťování C45. Tento materiál nabízí nejlepší vlastnosti, co se týká pevnosti hřídelí, pevnosti při střídavém namáhání ohybem a vrubové houževnatosti.
Uložení Valivá ložisky jsou nejvhodnější
Uložení umožňuje otáčení hřídelí ve skříni při nepatrném tření, síly působící na hřídele jsou ložisky odváděny do převodové skříně. V konstrukci převodovky se prosadila valivá ložiska především proto, že jsou to levné, normované díly, a mohou být namontovány bez velkých nákladů. Již při nízkých otáčkách vyvíjejí maximální nosnost. Ozubené kolo, hřídel a ložisko lze uspořádat dvěma způsoby (zobr. 26), oboustranné nebo letmé uložení. Na zobrazení 26 jsou znázorněny i síly působící na koncový stupeň čelního kola při oboustranném (vlevo) a letmém (vpravo) uložení koncového kola. Na ložiska působí ozubené síly koncového stupně čelního kola
Uložení
23
(vnitřní síly) a vnější síly F. Při stejném ozubení a celkovém rozestupu 1 lze hřídel u oboustranného uložení zatížit o 40 % více. K tomu se při letmém uložení na základě ohybu hřídele a s tím spojené šikmé polohy koncového kola zhoršují poměry záběrů zubů. Proto jsou koncová kola převodovek uložena oboustranně, aby vedle vysoké zatížitelnosti bylo docíleno i vysoké životnosti ložisek. Zobr. 26: Oboustranné a letmé uložení koncového stupně čelního kola
Mazání Mazivo musí na převodovce vytvářet kluzný film mezi boky zubů v záběru a co nejvíce zabraňovat kovovému styku. Kromě toho mazací prostředek odvádí ztrátové teplo na povrch skříně a během provozu a také při zastavení chrání proti korozi. Pro princip ponorného mazání je olej mazivem, které optimálně splňuje všechny požadavky. Množství oleje je změřeno tak, aby dole uložená ozubená kola dopravovala mazivo z olejové lázně do záběru zubů nahoře uložených ozubených kol. Odvzdušňovací ventil na nejvyšším místě převodové skříně se stará o vyrovnání tlaku - zahříváním by jinak v převodovce vznikl přetlak. K bezproblémové údržbě mají převodovky kontrolní a vypouštěcí šroub oleje. Při konstrukci je zvláště důležité těsnění, neboť unikající mazací prostředek znečišťuje životní prostředí, a zároveň ohrožuje mazání ozubených kol a ložisek. Všechna těsnicí místa jsou vybavena vysoce jakostními radiálními těsnicími kroužky, uzávěry a povrchovými těsněními podle nejnovějších technických znalostí. Poloha radiálních těsnicích kroužků je zobrazena na příkladu explozivního provedení (zobr. 27). Znázornění poskytuje přehled o uspořádání konstrukčních prvků čelní převodovky.
Ponorné mazání olejem
Důležité: těsnění
Zobr. 27: Konstrukční prvky čelní převodovky
24
Elektromotor Nasazené elektrické motory
Ke kompletaci převodového motoru se v pohonné technice zpravidla používají motory, které pracují podle elektrických principů y trojfázového asynchronního motoru (rotor nakrátko, kroužkový rotor, magnet s točivým polem, motor na střídavý proud), y asynchronního nebo synchronního servomotoru nebo y stejnosměrného motoru. Stejnosměrné motory a trojfázové motory s kroužkovým rotorem stále více ztrácejí na významu, protože trojfázové motory v bezúdržbovém provedení s rotorem nakrátko mohou být řízeny frekvenčními měniči. Ostatní druhy konstrukce trojfázového asynchronního motoru mají v pohonné technice jen nepatrnou prioritu. Proto zde není uveden bližší popis. Nezávisle na elektrickém principu motoru má způsob montáže na převodovku zvláštní význam pro mechanickou konstrukci motoru. SEW k tomu používá speciálně přizpůsobené motory. Zobrazení 28 ukazuje motor normovaný podle IEC a speciální motor pro montáž na převodovku.
Zobr. 28: Motor normovaný podle IEC a speciální motor pro montáž na převodovku
Typ motoru Výhody Motor podle normy IEC Sériová výroba → příznivé výrobní náklady
Nevýhody Zvýšené náklady na sestavení motorů a převodovek, převážně pomocí adaptéru a/nebo spojky → dražší
Normované montážní rozměry → bezproblémová Špatné přizpůsobení hřídele, příruby a uložení výměna také mezi různými továrními značkami s ohledem na zatížení a geometrii → velká hlučnost v převodovce, nepatrná životnost ložisek v motoru, často rušivé přírubové kontury Speciální motor Velké množství variací s menším počtem rozdíl- Bez normování → nelze vyměnit za jiné tovární s čepem pastorku ných konstrukčních prvků → příznivé výrobní značky. k montáži na převodov- náklady ku Dobré přizpůsobení hřídele, příruby a uložení s ohledem na zatížení a geometrii → malá hlučnost a vysoká životnost ložisek Bez adaptérů/spojek → kompaktní, krátká stavební délka převodového motoru Tab. 4: Výhody a nevýhody mechanické konstrukce
Tabulka 4 zobrazuje výhody a nevýhody obou konstrukcí. Zobrazení 29 znázorňuje, kolik je možných velikostí ozubených částí u motoru s pastorkovými čepy.
Elektrický motor
25
Zobr. 29: Variační rozpětí ozubených částí u motoru s pastorkovými čepy
Trojfázový motor Elektrické stroje, jejichž činnost spočívá na magnetickém poli točícím se ve vzduchové štěrbině mezi statorem a rotorem, jsou sdruženy do skupiny strojů s točivým polem. Nejdůležitějším a nejčastěji používaným pracovním strojem této skupiny je trojfázový asynchronní motor v provedení jako rotor nakrátko (zobr. 30). Vyznačuje se y jednoduchou, robustní konstrukcí, y velkou provozní bezpečností, y chodem bez obsluhy a y příznivou cenou.
Trojfázový asynchronní motor
Zobr. 30: Průřez trojfázovým asynchronním motorem
Konstrukce Běžec nebo rotor Vinutí (např. z hliníku) vložené nebo vstříknuté do drážek je na obou koncích spojeno nakrátko kroužky ze stejného materiálu. Je-li bráno v úvahu jen vinutí s kroužky spojovače nakrátko, tak to připomíná klec. Proto je k dispozici druhý užívanější název - asynchronní motor s kotvou nakrátko.
26
Trojfázový motor Stojan nebo stator Do poloviny uzavřených drážek svazku plechů statoru je vloženo vinutí zalité syntetickou pryskyřicí (zobr. 31). K docílení různých počtů pólů se střídá počet cívek a krok cívky.
Zobr. 31: Navinutý stator trojfázového asynchronního motoru
Ložiskové štíty Ložiskové štíty z šedé litiny nebo hliníkového odlitku litého pod tlakem uzavírají vnitřní motorový prostor strany A a B. Provedení určuje druh krytí motoru. Hřídel rotoru Rotor je postaven na ocelové hřídeli, která proniká ložiskový štíty. Na straně A je výstupní konec hřídele (čep pastorku), na straně B jsou namontovány lopatky ventilátoru k vlastní ventilaci a doplňující systémy jako mechanické brzdy, čidla atd. Skříně motoru Skříně motoru jsou u provedení s malými až středními výkony vyrobeny většinou z hliníkového odlitku litého pod tlakem, u provedení s většími výkony z šedé litiny. Na skříni je namontována svorkovnice, do které k elektrickému připojení vedou konce vinutí statoru. Chladicí žebra na povrchu skříně zlepšují odvod ztrátového tepla do prostředí. Ventilátor, kryt ventilátoru Na ventilátoru umístěném na konci hřídele na straně B je kryt, který přes žebra skříně řídí vzniklý proud vzduchu nezávisle na směru otáčení. Ložiska Ložiska mechanicky spojují otáčející se díly se stojícími. Většinou se používají radiální kuličková ložiska, méně již válečková ložiska. Stavební velikost ložisek závisí na silách, které musí ložisko zachytit. Způsob činnosti Symetrický, trojfázový systém vinutí statoru je připojen k 3-fázové síti střídavého proudu konstantního napětí a frekvence. V každé ze tří větví vinutí protékají sinusové proudy stejné amplitudy, které jsou vůči sobě elektricky posunuty o 120o. Stator, pomocí větví prostorově přesazených o 120o, upravuje magnetické pole, které se točí frekvencí přiloženého napětí.
Elektrický motor
nsyn =
60 ⋅ f1 p
[min-1]
Otáčky točivého pole
nsyn otáčky točivého pole (synchronní otáčky) f1 frekvence p počet pólpárů Toto točící se magnetické pole - krátce pojmenované točivé pole indukuje v rotorovém vinutí elektrické střídavé napětí. Protože je vinutí přes kroužek spojeno nakrátko, protékají proudy nakrátko. Společně s točivým polem upravují síly a přes poloměr rotoru vytváří krouticí moment, který zrychluje rotor. S přibývajícími otáčkami rotoru klesá frekvence získaného napětí v rotoru, protože rozdíl mezi otáčkami točivého pole a otáčkami rotoru je menší. Takto vzniklé nižší, indukované napětí způsobuje menší proudy a tím menší síly a krouticí momenty. Pokud by měl rotor dosáhnout stejných otáček jako točivé pole, tzn. točil by se synchronně, nebylo by indukováno žádné napětí - motor by nemohl vyvolávat žádný krouticí moment. Zatěžovací moment a třecí ztráty v ložiscích však způsobují rozdíl mezi otáčkami rotoru a točivého pole a tím výsledný krouticí moment. Motor běží »asynchronně«. Podle zatížení motoru je tento rozdíl větší nebo menší, ale nikdy nula, protože při běhu naprázdno je ve hře vždy také tření. Tento relativní pohyb mezi točivým polem a otáčkami potřebný k fungování je definován jako skluz s:
s=
nsyn − n n
Asynchronní běh
Skluz
⋅100 [%]
s skluz n otáčky rotoru synchronní otáčky nsyn U motorů menšího výkonu může prokluz činit 10 % až 15 %. Motory většího výkonu mají prokluz cca 2 % až 5 %. Chování v provozu Trojfázový motor s rotorem nakrátko přijímá ze sítě napětí elektrický činný výkon a přeměňuje ho na mechanický výkon, tzn. otáčky a krouticí moment. Pab = 2 ⋅ π ⋅ n ⋅ M
[W]
n otáčky rotoru v s-1 M krouticí moment v Nm Pokud by motor pracoval bezeztrátově, odpovídal by odevzdávaný mechanický výkon Pab přijatému elektrickému výkonu Pauf. Stejně jako u každého stroje vznikají také v trojfázovém motoru s rotorem nakrátko ztráty, které jsou schematicky znázorněny na zobrazení 32: Ztráty v mědi PCu a ztráty v prachu Pz vznikají zahříváním, které vzniká ve vodiči, jímž protéká proud. Ztráty v železe PFe vznikají zahříváním při přemagnetovávání. Třecí ztráty PRb vznikají třením v ložiscích a obíháním chladicího vzduchu.
Výkon
Ztráty
27
28
Trojfázový motor
Zobr. 32: Tok výkonu v trojfázovém asynchronním motoru v motorickém provozu
Z toho vyplývá následující bilance výkonu: Bilance výkonu
Pauf - PCu - PFe - Pz - PRb = Pab Poměr odevzdávaného výkonu k přijatému je definován jako účinnost stroje:
Účinnost
η=
Pab ⋅100 [%] Pauf
η účinnost V posledních letech se větší měrou přihlíží k nasazování motorů s optimální účinností. Příslušné úmluvy k tomu účelu definují třídy účinnosti, které mnozí výrobci zahrnuli do technických dat. Pro konstrukci elektromotorů to ke zredukování hlavních ztrát závislých na stroji znamená y větší využívání mědi v motorovém vinutí (→ PCu), y více plechového materiálu (→ PFe) a y optimalizovanou geometrii ventilátoru (→ PRb). Jsou-li krouticí momenty a proud zaznamenávány otáčkami, je zachována charakteristická křivka krouticího momentu-otáček trojfázového motoru s rotorem nakrátko (zobr. 33). Až k dosažení stabilního pracovního bodu běží motor po každém zapnutí podle těchto charakteristických křivek. Počet pólů, konstrukční provedení a materiál rotorového vinutí ovlivňují průběh charakteristických křivek. Zobr. 33: Průběh proudového a krouticího momentu u trojfázového motoru s rotorem nakrátko jako funkce otáček
Elektrický motor Znalost těchto charakteristických křivek je zvláště důležitá u pohonů, které jsou provozovány zátěžnými momenty (např. zdvihací zařízení). Je-li zátěžný moment pracovního stroje vyšší než sedlový moment, zůstávají otáčky rotoru »viset v sedle«. Motor nedosáhne stabilního, tepelně bezpečného pracovního bodu. Je-li zátěžný moment dokonce vyšší než rozběhový moment, zůstává motor »stát«. Je-li běžicí pohon přetížen (např. nadměrně zatížený dopravní pás), s přibývajícím zatížením klesají otáčky. Překročí-li zátěžný moment klopný moment, motor se »naklopí« a otáčky klesnou na sedlové otáčky nebo dokonce na nulu. Všechny případy způsobují velmi vysoké proudy v rotoru a statoru, takže se oba velmi rychle přehřejí. Nejsou-li k dispozici žádná vhodná ochranná zařízení, může toto přivodit tepelné zničení motoru - motor se »spálí«.
29
Motor chránit před přehřátím
Spínání Při rozběhu motoru přijímají trojfázové motory s rotorem nakrátko na základě druhu konstrukce čtyř- až osminásobný jmenovitý proud jako spínací proud. Toto právě u větších motorů vede k silným zatížením napájecí sítě, což je důvodem, že tyto pohony nemohou být spínány přímo. Zobr. 34: Charakteristická křivka trojfázových motorů s rotorem nakrátko u spouštění hvězda-trojúhelník
Cenově výhodným a jednoduchým řešením je postup hvězdatrojúhelník (zobr. 34), při kterém se spínací proud, ale také dostupný rozběhový moment, sníží na třetinu. Tepelné třídy Teplo vznikající v elektrickém vodiči, jímž protéká proud, je závislé na odporu vodiče a hodnotě proudu, který jím protéká. Časté spínání a rozběh se zátěžným momentem tepelně velmi zatěžují trojfázový motor s rotorem nakrátko. Přitom je přípustné zahřívání motoru závislé na teplotě chladicího média (např. vzduch), jenž ho obklopuje, a tepelné odolnosti izolačního materiálu vinutí. Maximálně přípustné nadměrné teploty motorů jsou rozděleny do tepelných tříd (VDE 0530). Motor musí být provozován v tepelné třídě, ve které byl konstruován, s pevně stanovenou trvalou nadměrnou teplotou bez toho, aby přitom docházelo k poškozením. Při teplotě chladiva max. 40 oC platí jako přípustná mezní nadměrná teplota např. v tepelné třídě H ∆ϑ = 125 oC (zobr. 35).
30
Trojfázový motor
Zobr. 35: Tepelné třídy
Nepřetržitý provoz
Krátkodobý provoz
Druhy provozu Nejjednodušším druhem provozu je zatížení stále stejným zatěžovacím momentem. Trvalým zatížením ve jmenovitém bodu dosahuje motor po určité době tepelného rovnovážného stavu. Tento provoz se nazývá nepřetržitý provoz S1 (zobr. 36 vlevo). Při krátkodobém provozu S2 (zobr. 36 uprostřed) je motor během určitého časového intervalu (tB) provozován se stále konstantním zatížením. V tomto časovém intervalu motor ještě nedosahuje tepelného rovnovážného stavu. Poté následuje dostatečně dlouhá doba prostoje, která musí být tak dlouhá, aby motor opět dosáhl teploty chladiva.
Zobr. 36: Druhy provozu trojfázového motoru s rotorem nakrátko
Přerušovaný chod
V přerušovaném chodu S3 (zobr. 36 vpravo) je motor během určité doby (tB) provozován se stále konstantním zatížením. Přitom rozběh nesmí působit na zahřátí motoru. Poté následuje stanovená doba prostoje (tSt). Při tomto druhu provozu je udán relativní zatěžovatel (ED), který podle VDE 0530 udává poměr provozní doby k době pracovní periody deset minut.
Relativní zatěžovatel
ED =
tB tB ⋅100 = ⋅100 [%] t B + t st 10 min
Příklad: Druh provozu S3/40 % je k dispozici, je-li motor vždy po čtyřech minutách zapínán a po šesti minutách vypínán. Četnost spínání Přípustná četnost spínání uvádí, jak často může být motor bez tepelného přetížení během jedné hodiny spínán nebo přepínán.
Elektrický motor Je závislá na y zrychlovaných momentech setrvačnosti y době trvání rozběhu, y teplotě okolí a y zatěžovateli. Přípustná četnost spínání motoru může být zvýšena následujícími opatřeními: y zvýšením tepelné třídy y zvolením většího motoru y montáží cizího ventilátoru
31
Zvýšení četnosti spínání
Trojfázové motory s rotorem nakrátko s přepínáním pólů Trojfázové motory s rotorem nakrátko s přepínáním pólů mohou být provozovány s různými otáčkami. Z vložení několika vinutí do statoru nebo z obrácení směru průtoku proudu v jednotlivých částech vinutí vyplývají různé počty pólů. U rozdělených vinutí činí výkon na počet pólů méně než polovinu výkonu jednootáčkového motoru stejné stavební velikosti. Převodové motory s přepínáním pólů jsou často nasazovány jako pohony pojezdu. Jízdní rychlost je při provozu nízkého počtu pólů dostatečně velká, při polohování dojde k přepnutí na vinutí s vyšším počtem pólů s nižšími otáčkami (zobr. 37). Při přepínání si motor nejdříve na základě setrvačnosti zachová své vysoké otáčky. Motor v této fázi pracuje jako generátor a brzdí. Kinetická energie je přeměněna na elektrickou a přivedena zpět do sítě. Nevýhodou je velký momentový náraz při přepínání, který ale může být snížen vhodnými zapojovacími opatřeními. Zobr. 37: Charakteristická křivka trojfázového motoru s rotorem nakrátko s přepínáním pólů
Aktuální vývoj cenově výhodných měničů zvýhodňuje pro mnoho aplikací nahrazování motorů s přepínáním pólů za jednootáčkové, frekvenčně řízené motory (viz zobr. 4, str. 6).
32
Brzda
Brzda Žádoucí krátké brzdicí doby
Funkce brzdy
Dnešní technika vyžaduje od pohonů vysoké provozní rychlosti a krátké doby prostojů. Proto je nutné zkrátit i brzdicí dobu pohonů. V mnoha aplikacích je žádoucí také přesné polohování a udržování polohy. Pro tyto případy je motor dodatečně vybaven mechanickou brzdou. Brzdové motory SEW mají kotoučovou brzdu buzenou stejnosměrným proudem, která pracuje na principu klidového proudu: Jeli motor vypnut nebo vypadne napájecí napětí, sepne se samočinně brzda silou pružiny. Spínací cesty a spínací doby jsou krátké. Brzdy mají jednoduchou a velmi robustní konstrukci. Zobrazení 38 ukazuje konstrukci motoru s kotoučovou brzdou. Brzda je konstruována tak, aby společně s motorem tvořila konstrukční jednotku. Ložiskový štít motoru B zároveň představuje jednu z protilehlých ploch brzdového obložení. Druhou protilehlou plochu brzdového obložení tvoří přítlačný kotouč. Tento se opírá o čepy, ložiskový štít B a těleso cívky jsou vzájemně spojeny. Vně ležící šroubové pružiny při brzdění tlačí přítlačný kotouč proti brzdovému obložení. Počet a síla pružin určují možný brzdný moment.
Zobr. 38: Konstrukce kotoučové brzdy
Napájení proudem
Brzdové obložení je upevněno na nosiči obložení, který je vnitřním ozubením spojen s brzdovým unašečem. Bezazbestový materiál odolný proti oděru zaručuje dlouhou trvanlivost. Protože brzda leží přímo v proudu chladicího vzduchu motoru, dosahuje i při vysoké brzdné práci velmi nízkých teplot. Napájení proudem zajišťuje usměrňovač, který je obvykle umístěn ve svorkovnici motoru. Magnetický obvod je projektován tak, že i při podpětí je zaručena nezávadná odbrzďovací funkce. Pákou lze manuálně odbrzdit brzdu, např. k práci během uvádění do provozu.
33
Projektování převodového motoru Zde chceme exemplárně popsat postup při projektování pohonu zdvihacího zařízení v regálovém obslužném přístroji (zobr. 39). Úloha: Ve skladovací hale mají být palety automaticky uloženy nebo vyskladněny z regálů. Přepravní obslužný přístroj dosahuje jednotlivých regálových míst pomocí kombinovaného pojezdového a zdvihového pohybu. Ukládání má na starosti teleskopický pohon. K projektování pohonu zdvihacího zařízení jsou vypočítány dvě možnosti řešení:
Příklad: Pohon zdvihacího zařízení
Dvě možnosti řešení Zobr. 39: Aplikace regálového obslužného přístroje
Řešení 1: Převodový motor s přepínáním pólů provozovaný přímo na síti, který má v rychlém chodu najet do požadované úrovně regálu (nízký počet pólů) a v plíživém chodu být co nejpřesněji napolohován na iniciační prvky (vysoký počet pólů). Pohon zdvihacího zařízení je provozován se zatěžovatelem 60 % u doby cyklu v trvání jedné minuty.
34
Projektování převodového motoru Řešení 2: Jednootáčkový 4-pólový převodový motor, který může být s orientací na magnetický tok provozován frekvenčním měničem s proměnnými otáčkami. V protikladu k řešení 1 je zde požadováno dynamické zatěžování: zatěžovatel 60 % u doby cyklu v trvání 20 vteřin. Popis zařízení k projektování K vlastní hmotnosti zátěže pohonu zdvihacího zařízení se při maximálním naložení připočítá hmotnost plně naložené palety. K vyrovnání tohoto celkového naložení je přes buben nasazena protiváha. Nemá být překročeno požadované zrychlení, aby byly potlačeny kmity v mechanické části. Aby mohlo být provedeno co nejpřesnější polohování na iniciátory, dochází k jemnému polohování při minimálních otáčkách motoru. Obslužný přístroj má být využíván v jednosměnném provozu. Mechanika vyžaduje nasazení převodovky v úhlovém provedení. Data k pohonu zdvihacího zařízení viz tabulku 5.
Tab. 5: Data pohonu zdvihacího zařízení
Hmotnost nosné části zátěže Hmotnost palety Protiváha Průměr výstupu Max. rychlost Požadované zrychlení Účinnost zařízení Zatěžovatel Spínání za hodinu Spínání za hodinu
Výpočet řízený počítačem
Tab. 6: Potřebný statický výkon
Výpočet potřebného výkonu motoru, zrychlení, rozběhových a brzdných drah rovněž i přípustné četnosti spínání je realizován pomocí počítačového programu (projektový program PRODRIVE®). Statický výkon potřebný pro provozní stavy (tab. 6) se vypočítá následovně. Bez Bez Se Se
Výběrová kritéria
300 kg 500 kg 550 kg 120 mm 1,5 m/s 0,8 m/s2 90 % 60 % 60 h-1 (řešení 1) 180 h-1 (řešení 2)
zatížení nahoru zatížení dolů zatížením nahoru zatížením dolů
3,1 kW generátoricky 4,3 kW motoricky 4,3 motoricky 3,1 kW generátoricky
Řešení 1: Projektový program poskytuje výběr z 8/2-pólových převodových motorů. Zvolen byl motor DV132M8/2-BM. Nyní musí být ještě projektována dostatečně dimenzovaná převodovka. Aspekty výběru jsou následující: y doba trvání práce/den (zde: 8hod./den) y spínání/hodina y vznikající nárazy
Projektování převodového motoru Pomocí grafu na zobrazení 40 je stanoven pracovní faktor fB, který zohledňuje všechny uvedené veličiny. Nasazením motoru s přepínáním pólů je poskytnuto rovnoměrné zatížení. Z diagramu je zjištěn potřebný pracovní faktor fBerf 1,25. Ke každému převodovému motoru je přiřazen přípustný pracovní faktor FBzul, který zohledňuje mezní hodnoty použitých materiálů rovněž i zatížení vznikající u poháněného dílu a motoru. fBerf musí být menší než fBzul. K pohonu zdvihacího zařízení je vybrán kuželočelní převodový motor K57DV132M8/2-BM s převodovým poměrem i = 11,92 a fBzul = 2,3. Rozběhové zrychlení se u projektovaného síťového motoru mění v závislosti na užitečném zatížení mezi 0,8 m/s2 (plná zátěž) a 3,2 m/s2 (bez zátěže). Při přepínání z rychlé jízdy na plíživou vznikají vyšší zrychlení, která mohou být omezena použitím přístroje pro měkké přepínání pólů. Rovněž v závislosti na zatížení vzniká rozdíl v brzdné dráze z plíživého chodu ∆ 15 mm. Přípustnými 78 spínáními/hodinu je splněn požadavek dat stanovených pro řešení 1. Zobr. 40: Pracovní faktory
Řešení 2: Se zadáním provozu na frekvenčním měniči následuje výběr převodového motoru K47DT100L4-BMG/TF. Je zvolen převodový poměr i = 8,56. V porovnání k řešení 1 může být zvolen podstatně menší pohon, ačkoliv jsou požadavky na základě kratších impulzových cyklů vyšší. Tohoto je docíleno jedině nasazením bezčidlového řízení orientovaného na magnetický tok přes frekvenční měnič (MOVIDRIVE®, MOVITRAC®). Definovaným zrychlením 0,8 m/s2 je šetřena mechanická část a motor je optimálně dynamicky namáhán (stejnoměrné zatížení, fBerf = 1,0; fBzul = 1,6). Stavební velikost motoru může být dokonce o tři stupně menší, protože rychlé otáčky byly projektovány pro (zlomovou) frekvenci 87 Hz, motor tak je využíván s 1,73-násobným výkonem. Menší stavební velikost motoru zase dovoluje - při zohlednění fB - montáž menší převodovky K47. Příjemný vedlejší efekt: Hmotnost převodového motoru je v poměru k řešení 1 snížena o 35 %. Rychlost, při které je sepnuta zádržná brzda, může být cíleně ovlivněna minimální frekvencí, kterou je motor provozován. V řešení 2 činí cca jednu desetinu rychlosti řešení s přepínáním pólů. Tím se také sníží brzdná práce a životnost brzd mnohonásobně stoupne.
35
36
Projektování převodového motoru
Zobr. 41: Frekvenční měnič s převodovým motorem
Zlepšení výkonu
Porovnání ukazuje, že projektování s frekvenčním měničem představuje efektivní řešení. Kromě toho je pohon zdvihacího zařízení na základě menších hnacích elementů a menších nákladů na montáž lehčí a cenově výhodnější. V provozu mnohonásobně překonává životnost brzd frekvenčně řízených motorů životnost brzd motorů s přepínáním pólů. Toto se také vyplatí u následných nákladů za údržbu brzd. Je vidět, že klasický převodový motor obdržel na základě moderního frekvenčního měniče cenný doplněk (zobr. 41).
37
Odborné termíny Výstupní hřídel Ke spojení převodového motoru a pracovního stroje slouží zpravidla řetězová kola, řemenice atd., které jsou připevněny na výstupní hřídel. Pracovní bod Stabilní provozní bod mezi zátěžným momentem pracovního stroje a výstupním momentem převodového motoru. Pracovní poloha Prostorová orientace výstupní hřídele, upevnění na pracovním stroji a relativní polohy hnacího motoru se jednoznačně řídí označením pracovního polohy (kombinace čísel a písmen). Dvojitá převodovka Kombinace převodovek, převážně z čelní předřazené převodovky a libovolné redukční převodovky, k dosažení velmi nízkých výstupních otáček. Točivé pole Magnetické pole točící se ve vzduchové štěrbině motoru. Generátorický provoz Běží-li trojfázový asynchronní motor s otáčkami většími než synchronní otáčky (nadsynchronní chod), odvádí elektrickou energii. Svorkovnice Elektrická přívodní vedení motorového vinutí a popř. brzdy jsou za účelem elektrického připojení vyvedeny do prachotěsné a vodotěsné svorkovnice chráněné proti dotyku. Způsoby chlazení U elektrických strojů se rozlišuje mezi přirozeným chlazením (= chlazení konvekcí a vyzařováním), vlastním chlazením (= ventilace kolem ventilátoru upevněným na hřídeli rotoru) a cizím chlazením (= ventilace ventilátorem, jenž je poháněn nezávisle na motoru). Rotor Otáčející se část motoru, např. s vinutím nakrátko u rotoru nakrátko. Pitting (ozubené kolo) Vznik vytržených míst na boku ozubeného kola následkem vysokých tlaků. Motory s přepínáním pólů Rozlišuje se mezi motory s přepínáním pólů se dvěmi nebo několika oddělenými vinutími ve statoru a motory s přepínáním pólů s jedním vinutím v Dahlanderově zapojení. U motorů s odděleným vinutím jsou možné libovolné otáčkové poměry; u Dahlanderova zapojení je otáčkový poměr vždy 2:1. Čep pastorku Výstupní konec hřídele motoru pro montáž převodovky. Skluz Relativní diference otáček mezi točivým polem a rotorem asynchronního motoru. Stator Pevně stojící součást stroje s vinutím statoru.
Partner této knihy SEW-EURODRIVE GmbH & Co. Postfach 3023 76642 Bruchsal tel.: (0 72 51) 75-0 fax: (0 72 51) 75-19 70
[email protected] http://www.sew-eurodrive.de SEW-EURODRIVE je podnik dominující na světovém trhu s elektrickou pohonnou technikou. Celosvětová prezentace, rozsáhlý výrobní program a široké spektrum služeb dělají z firmy SEW ideálního partnera při řešení náročných pohonných úloh při konstruování strojů a zařízení. Na základě dlouholetých zkušeností v pohonné technice firma SEW sama vyvíjí, zhotovuje a prodává všechny komponenty z oblasti mechaniky, elektrotechniky, mechatroniky a elektroniky. Hlavní sídlo firemní skupiny se nachází v Bruchsalu/Německo. Ve výrobních závodech v Německu, Francii, USA, Brazílii a Číně se vyrábějí hnací stavebnicové systémy SEW s maximálními nároky na kvalitu. V montážních závodech ve více než 30 průmyslových zemích světa se z těchto skladovaných komponent při maximálním ohledu na zákazníky, s krátkou dodací lhůtou a s nejvyšší kvalitou montují individuální hnací systémy. Prodej, poradenství, zákaznický servis a servis náhradních dílů SEW se nacházejí na celém světě ve více než 50 zemích. Výrobní spektrum y Převodové motory, převodovky a motory - čelní a čelní ploché převodovky / motory - kuželočelní a šnekové převodovky / motory - úhlové převodové motory SPIROPLAN® - planetová převodovka / motory - mechanické regulační převodovky / motory y -
Elektronicky řízené pohony frekvenční měniče, měniče pro pohony, servoměniče technologické a komunikační volitelné jednotky pro měniče asynchronní trojfázové motory a trojfázové převodové motory synchronní a asynchronní servomotory a převodové servomotory
y -
Komponenty k decentrální instalaci převodové motory s integrovaným frekvenčním měničem převodové motory s integrovanou spínací a ochrannou funkcí děliče pole, adjustované (hybridní) kabely
y -
Služby technické poradenství uživatelský software a rozsáhlá technická dokumentace semináře a školení služba a servis zákazníkům po celém světě
Základní vědomosti s know-how vůdčího podniku Výběr nejnovějších knih Technická knihovna • Termostatická regulační technika v automobilu Behr Thermot-tronik • Žlabové systémy k povrchovému odvodňování MEA • Moderní povrchové vytápěcí systémy Rehau • Výtahy Lifta • Radiové konstrukční systémy v budově Insta • Inteligentní pohony v servotechnice Lenze • Litinové systémy potrubní sítě Halbergerhütte • Bílý plech na obaly Informations-Zentrum Weißblech • Nárazové tlumiče vozidel Sachs • Flexibilní kovová vedení Witzenmann • Stejnosměrné malé motory Bühler Motor • Těsnicí systémy automobilů Victor Reinz • Závitové vložky Kerb-Konus • Kola vozidel Hayes Lemmerz • Nositel energie - zemní plyn BEB • Výroba vnitřních závitů Fraisa • Technika uzávěrů a závěsů v průmyslu Dirak • Dálková optika při observačním měření Swarovski Optik • Elektromagnetické ovladače Thomas Magnete • Ocelové jemné plechy pro automobilovou výrobu ThyssenKrupp Stahl • Stáčecí zařízení pro výrobu nápojů Krones • Markýzy Weinor • Mechatronické pohonné systémy Lenze
86895 Landsberg/Lech http://www.mi-verlag.de
• • • • • • • • • •
Temperovaná litina VS Guss Frekvenční měniče Mitsubishi Electric Světelné závory Visolux Ekologické mazací a tlakové kapaliny Kleenoil-Panolin Souřadnicová měřicí technika v průmyslovém nasazení Carl Zeiss Zhutňování zeminy Wacker Technické plyny Linde Technická keramika CeramTec Hightech-průmyslová pojiva Henkel Teroson Ventilové systémy pro vzduchové odpružení Rausch & Pausch
Hospodářská knihovna • Pronájem aut v Německu Europcar • Veletrh jako točna a stěžejní bod Messe Düsseldorf • Mezinárodní kurýrní a expresní služby TNT • Letiště a letecká doprava Flughafen Düsseldorf • Obchodní hotely Log Sped • Management bezpečnosti HDI • Leasing nemovitostí DAL Deutsche AnlagenLeasing • Moderní sanitární zařízení CWS • S profesionály na burzu Gold-Zack Vědecká knihovna • Organické peroxidy Peroxid • Lithium (ang.) Chemetall • Dávkovací systémy v laboratoři Eppendorf • Váhová technika v laboratoři Sartorius
Všechny knihy obdržíte v knihkupectví
