ÚTMUTATÓ FOGASKERÉK-HAJTÓMŰVEK KIVÁLASZTÁSÁHOZ

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI...EGYETEM Gépszerkezettani Intézet ÚTMUTATÓ FOGASKERÉK-HAJTÓMŰVEK KIVÁLASZTÁSÁHOZ GÉPELEMEK III. GE04GA 1. INFORMÁCIÓFORRÁSOK A RAJZFELADATHOZ a) A Gépszerkezettani Intézet honlapján ( a tantárgy oldalán található "Hajtástechnikai címgyűjtemény". Ebben minden jelentősebb hazai hajtómű-forgalmazó hagyományos és elektronikus elérési paramétere szerepel, és közvetlenül elérhetők róla a gyártó cégek honlapjai. A felsorolás tartalmazza a hajtástechnikában alkalmazott többi elem és részegység főbb forgalmazóinak és gyártóinak címét is. b) Az intézeti honlap letöltések menüjéből elérhető Hajtástechnika könyvtár. Itt CD anyagok, PDF katalógusuk és programok találhatók, valamint tantárgyakhoz rendelt oltatási segédanyagok találhatók. (Gyorsabb letöltéshez ftp.gszi.bme.hu/) c) Az R 417 tanári szobában 8 és 16 óra között kölcsönözhető hagyományos gyártmány-katalógusok. 2. FOGASKERÉK-HAJTÓMŰVEK A fogaskerék-hajtóművek zárt házba épített fogaskerékhajtások. Az általános rendeltetésű hajtóművek (áthajtóművek, vagy ipari, kereskedelmi, stb. hajtóművek) áttétele állandó és lassító, bemenő és kimenő tengelyük vonala egymáshoz képest rögzített, párhuzamos, vagy merőleges. A szerkezeti fokozatok, áttételi lépcsők száma szerint a hajtómű általában kettő és három lépcsős, ritkábban egy, vagy négy és több. A hajtóműlépcsők önálló, vagy sorosan kapcsolt hengerkerék és kúpkerék párok, valamint csigahajtások. A párhuzamos (parallel) tengelyűek kitérő (offset), vagy visszatérő (koaxiális) hengereskerék hajtások. A merőleges (ortogonális) tengelyűek kúpkerék-, vagy csigahajtások, vagy ezek hengerkerekes kombinációi. Be és kihajtó tengelyük vonala kitérő, vagy metsződő. A tengelyek tömörek, vagy csőtengelyek (esetleg betéttengelyek). A tömörek egykivezetésűek (jobbos, balos), vagy kétkivezetésűek. A csőtengelyek jellegzetesen kétkivezetésűek és csak a kihajtáshoz használatosak. A hajtóművek csatlakozó méretei (csonk, tengelymagasság, tengelytáv) és főbb mechanikai paraméterei (névleges áttétel, nyomaték) általában szabványos sorozatot alkotnak. A hajtómű a motorral egybeépített: motoros, vagy különálló: tengelyes. Az egybeépített motor és hajtómű peremes rögzítésű. Az ún. kompakt motoros hajtóművek behajtó fogaskerekét a motor tengelyére szerelik, vagy abból alakítják ki, így más gyártók motorjaival nem csereszabatosak. A IEC (NEMA, stb.) adapteres hajtóművek csatlakozó felületei szabványosak, más gyártókéra is cserélhetők a hajtómű megbontása nélkül. A méreteik kissé nagyobbak, mert az adapter egy kiegyenlítő tengelykapcsolót tartalmaz. A ház lehet talpas és peremes rögzítésű, valamint tengelyre fűzött, nyomatéktámaszos. A behajtótengelyes hajtómű rendszerint a motorral együtt talpas, közös alapkeretre szerelt, és tengelyeik kiegyenlítő tengelykapcsolón, vagy szíjhajtáson keresztül csatlakoznak. A kereskedelmi hajtóművek beépítési helyzete rendszerint tetszőleges lehet (megrendeléskor mindig megadandó, mert kenéstechnikai problémák forrása lehet). Az alkalmazandó hajtómű típusát a beépítési körülmények szabják meg. Különálló tengelyes hajtómű építendő be, ha a hajtás egységeinek cserélhetősége követelmény (pl. nagyméretű gépek, régi egységek cseréje). Különben célszerű előnyben részesíteni

2 a gépre (gépbe) szerelhető motoros hajtóműveket. Helyszükségletük ugyanis kisebb, nem igényelnek külön védőburkolatot, egyedi tengelybeállítást, és külön alapkeretet, alapozást sem. A tengelyelrendezést ajánlatos úgy megválasztani, hogy a gép alapterületét, befoglaló méreteit lehetőleg ne növelje. A gép fő tömegéből kiálló részek kerülendők, balesetveszélyesek és disszonánsak. A koaxiális hajtóművek ott használatosak, ahol az axiális méretek nincsenek szigorúan korlátozva. Mivel tömör kihajtótengelyesek, közvetlenül a gépre ritkábban szerelik. A kitérő hengerkerekes hajtóművek axiálisan kisebb méretűek ugyan, de zavaró lehet a kiálló motor. Csőtengelyes változataikat átmenő tengelyre szerelik. A derékszögű hajtások is felerősíthetők a gép tengelyére. Rendszerint ezek helykihasználása a legjobb. Ha a gép folyamatos üzemű, akkor előnyben részesítendők a henger-, és kúpkerekes hajtóművek. A csigahajtás üzemköltsége ugyanis nagyobb, mert hatásfoka kicsi, és élettartama is kisebb. Helyigénye és beszerzési költsége viszont kedvező, és a legcsendesebb járású hajtómű. A feladatban a hajtómű típusa megválasztandó. A hajtómű kiválasztásához, pl. az alábbi adatok szükségesek. Munkagép: ellensúlyos szervizkapu (a feladatlapon szereplő adat) Teljesítménye: P = 0,2 kw. (a feladatlapon szereplő adat) Fordulatszáma: n = 38,5 1/min. (a feladatlapon szereplő adat) Tehetetlenségi nyomatéka: J = 6,0 kg m 2. (a gyakorlatveztő által előírt adat) Indítási gyakoriság: 12/óra. (felveendő adat) Napi üzemidő: 16 óra. (felveendő adat) Több hajtóműgyártó cég kiválasztási módszere további adatokat is igényelhet. Pl., környezeti hőmérséklet: 20 +/-10 o C. Mivel rendszerint szükség van a motor tehetetlenségi nyomatékának előzetes értékére, előbb a motort választjuk meg. 3. VILLAMOS MOTOROK KIVÁLASZTÁSA A hajtástechnikában alkalmazott leggyakoribb mechanikai energiaforrás a háromfázisú rövidrezárt forgórészű aszinkronmotor. Fordulatszáma pólusai számától, az áramforrás frekvenciájától, és valamelyest a geometriai méretétől függ. Pl. 50 Hz-es hálózatra: Pólusok száma : Szinkron fordulatszám: n s = /min Aszinkron, névleges f.sz: n n /min A motorok P n névleges mechanikai teljesítményének sora szabványos. A feladatokhoz megadott értékek az alábbi tartományba esnek: P n =...0,55 0,75 1,1 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5 11, KW A szükséges motorteljesítmény: P m = P g /η, ahol P g =P a hajtott gép teljesítményigénye, η a hajtómű hatásfoka. Az η éréke hengeres és kúpkerekes hajtóművekre 0,96...0,99 fokozatonként. Ha η-t a gyártmánykatalógus nem adja meg, akkor előzetesen 1-nek is vehető. A csigahajtások hatásfoka jelentősen függ az áttételtől és némiképp a fordulatszámtól, a hőmérséklettől és a hajtómű méretétől. Értékét a katalógus megadja. Előzetesen 0,7... 0,8-nak vehető. Azonos motorteljesítményt és azonos hajtómű kimenő fordulatszámot feltételezve, növekvő pólusszámmal a motorok mérete, súlya és ára növekszik, a hajtóművek mérete 2

3 stb. viszont csökken. A hajtás súly, ár és más optimuma általában négy-, és hatpólusú motorokra adódik. Válasszunk példánkban négypólusú motort. A hajtás áttétele a motor n n, és a gép n g =n fordulatszámával közelítőleg: i = n n / n g 1440 / 38,5 37,4. Válasszunk a motor és a gép közé hengerkerekes, vagy kúp-hengerkerekes hajtóművet. Ezek kb áttételig egy-, áttételig kétfokozatúak (a széria hajtóművek legfeljebb három-, vagy négyfokozatúak). A hatásfok pl. esetünkben kb.: η = 0,98 2 = 0,96. A szükséges motorteljesítmény tehát: P m = P g / η = 0,2 / 0,96 0,21 kw. Így a választott motor névleges teljesítménye P n = 0,25 P m. A konkrét motort általában a hajtóművel együtt választjuk ki a hajtóműgyártó cégek katalógusaiból. Pl.: a) A Bonfiglioli Riduttori A, C, vagy F katalógus 8. fejezete szerint a motor főbb adatai: Típusszám: BN 71A4 (IEC) Névleges teljesítmény: P n = 0,25 kw Névleges fordulatszám: n n = 1375 /min Tehetetlenségi nyomaték: J m =0,00058 kg m 2 b) A Lenze G. 04/01 katalógus 2. fejezete szerint: Típusszám: 063C42 Névleges teljesítmény: P n = 0,25 kw Névleges fordulatszám: n n = 1370 /min Tehetetlenségi nyomaték: J m = 0,00037 kg m 2 c) A Nord G 1000/99 katalógus 763 oldala szerint: Típusszám: 71 S4 Névleges teljesítmény: P n = 0,25 kw Névleges fordulatszám: n n = 1375 /min Tehetetlenségi nyomaték: J m =0,00056 kg m 2 A katalógusokban szereplő P n folyamatos üzemre és átlagos környezeti viszonyokra érvényes. Ha a hajtómű-, vagy a motorkatalógus előírja, akkor a motort ellenőrizni kell a bekapcsolások számára, illetve a fajlagos bekapcsolási időtartamra. Előfordulhat, hogy emiatt nagyobb teljesítményű, vagy speciális motort kell választani. A motor tengelycsonkja, pereme, vagy tengelymagassága, forgórészének hosszúsága stb. szabványos. Opcionális tartozéka lehet a rögzítőfék, szabadonfutó, szögadó, termikus érzékelő, stb. A háromfázisú motor üzemszerűen kapcsolású, az Y kapcsolást csak lágy indításhoz használatos. Villamos átkapcsolóval forgásirány és pólusváltós motorokkal fordulatszám váltható. A motorok működtethetők közvetlenül a hálózatról, vagy frekvenciaváltós tápegységről (inverterről). Szinte minden forgalmazótól beszerezhető teljesítmény-, és vezérlő-, vagy programozható szabályozó elektronika. 3

4 4. MOTOROS HAJTÓMŰVEK KIVÁLASZTÁSA A hajtóművek kiválasztására az üzemtényezős módszer használatos. A hajtóművek üzemviszonyaira egységesen három: kicsi, közepes és nagy terhelési osztályt állapítanak meg. A katalógusok egy része motor-, és géptípus szerint osztályoz, a többségük a hajtott és hajtó részek tehetetlenségi nyomatékának aránya, az ún. gyorsítási tényező szerint. Az üzemtényező értéke az előbbi esetben rendszerint egy táblázatból állapítható meg, az utóbbiban nomogramból. Itt a gyakoribb esetet követjük. Első lépésben a gép tehetetlenségi nyomatékát át kell számítani a hajtómű behajtó tengelyére. Jelöljük a hajtómű változóit 1 indexszel a bemenő (motor) és 2-vel a kimenő (gép) oldalon. A gép J 2 =J tehetetlenségi nyomatékának J 1 redukáltja a bemenő tengelyre a kinetikai energia (E) megmaradása alapján: 2E = J 2 ω = J 1 ω 1 J 1 = J 2 (ω 2 / ω 1 ) 2 = J 2 i -2, ahol ω 1, ω 2 a tengelyek szögsebessége, i a hajtómű áttétele. A gép adott n 2 =n, és egy előzetesen választott motor n 1 =n n névleges fordulatszámával az áttétel: i = ω 1 / ω 2 =n 1 / n / 38,5 36,5. A redukált tehetetlenségi nyomaték tehát: J 1 = J 2 i -2 = 6,0 x 36,5-2 0,0045 kg m 2. Az üzemtényező meghatározására egységes előírás nincsen, a gyártmánykatalógusok eljárását és jelölését követjük. a) A Bonfiglioli katalógusok első fejezete szerint a K gyorsítási tényező a J c =J 1 hajtott, és a motor J m tehetetlenségi nyomatékának aránya: K = J c / J m = 0,0045 / 0, ,75 Mivel 3<K<10, a hajtás a K3 terhelési osztályú (nagyterhelésű). Az A2 számolóábra szerint a K3 esetben Z r =12/óra indítási gyakorisághoz és h/d=16 órás üzemidőhöz f s 1,55 üzemtényező tartozik. A katalógusokban a motoros hajtóművek a névleges P n motorteljesítmény és az n 2 kimenő fordulatszám szerint vannak rendezve. A P n =0,25 kw teljesítményű és n 2 n=38,5/min kimenő fordulatszámú négypólusú (IEC) motoros hajtóművek: Koaxiálistengelyű, hengerkerekes (C/34. oldal): C102_37.0 P71 BN71A4 n2=37/min S=1,1 C202_36.8 P71 BN71A4 n2=37/min S=2,1 C102_32.8 P71 BN71A4 n2=42/min S=1,3 Paralleltengelyű, hengerkerekes (F/35. oldal): F102_39.6 P71 BN71A4 n2=35/min S=2,1 F102_33.0 P71 BN71A4 n2=42/min S=2,6 Ortogonálistengelyű, kúp(hipoid)-hengerkerekes ( A/35. oldal): A102_35.1 P71 BN71A4 n2=39/min S=2,6 Csak azok a motoros hajtóművek megfelelő mechanikus teherbírásúak, melyekre a katalógusban megadott S biztonsági tényező az f s üzemtényezőnél nagyobb (egyenlő). b) A Lenze G.04/01 katalógus 2. fejezete szerint a gyorsítási tényező P l = (J ext +J mot )/J mot = (J g +J mot )/J mot = ( ,00037)/0,00037=12,2. 4

5 Mivel P l > 4, ezért a hajtómű a III. terhelési osztályba tartozik (nagyterhelésű). A 2-4 oldali számolóábra szerint 12/óra indítási gyakorisághoz és 16 órás üzemidőhöz k 1,55 üzemtényező tartozik. A katalógusban a motoros hajtóművek a névleges P n motorteljesítmény és n 1 bemenő fordulatszám, valamint az n 2 kimenő fordulatszám szerint vannak rendezve. A megfelelő teljesítményű és áttételű motoros hajtóművek: Koaxiálistengelyű, hengerkerekes (3-11. oldal): GST04-2M xxx 063C42 n2=38/min C=1,1 GST05-2M xxx 063C42 n2=39/min C=2,1 Paralleltengelyű, hengerkerekes (4-8. oldal): GFL04-2M xxx 063C42 n2=39/min C=2,9 Ortogonálistengelyű, kúp-hengerkerekes (6-8. oldal) GKS04-2M xxx 063C42 n2=39/min C=3,1 A motoros hajtómű kellő mechanikus teherbírású, ha a katalógusban megadott C biztonsági tényezője az k üzemtényezőnél nagyobb. c) A Nord G 1000/99 katalógus 7. oldala szerint a gyorsítási tényező m af = I ex.red. / I mot = J 1 /J mot = 0,0045 / 0,00056 = 8,0. Mivel 10 > m af > 3, ezért a hajtómű a C. terhelési osztályba tartozik (nagyterhelésű). A számolóábra szerint 12/óra indítási gyakorisághoz és 16 órás üzemidőhöz f b 1,65 üzemtényező tartozik. A katalógusban a motoros hajtóművek a névleges P n motorteljesítmény és az n 2 kimenő fordulatszám szerint vannak rendezve. A teljesítményre és áttételre megfelelők: Koaxiálistengelyű, hengerkerekes (30. oldal): SK S/4 n 2 =40/min f b =2,5 Paralleltengelyű, hengerkerekes (215. oldal): SK S/4 n 2 =30/min f b =2,5 SK S/4 n 2 =44/min f b =4,1 Ortogonálistengelyű, kúp-hengerkerekes (431. oldal) SK S/4 n 2 =40/min f b =6,7 A választott hajtóművek kellő mechanikus teherbírásúak, mert a katalógusban megadott f b biztonsági tényezőjük a számított f b üzemtényezőnél nagyobb. A hajtómű n 2, és a gép n fordulatszámának eltérése általában nem jelent műszaki problémát. A teherbírásra megfelelő hajtóművek közül általában nem a nagyobb teherbírásút, hanem a méretsor szerinti kisebbiket célszerű kiválasztani (ára, mérete, súlya kedvezőbb). A gyártók között hasonló műszaki és gazdaságossági szempontok alapján döntünk. (A feladatban érdemes a főbb műszaki adatokat táblázatba foglalni.) A katalógus előírhatja a hajtómű termikus teherbírásának ellenőrzését is. A számítási módszerek egy része a termikus és a mechanikus teherbírásra külön üzemtényezőt határoz meg, más részük egyetlen tényezővel veszi figyelembe a kétféle teherbírást. Csigahajtás termikus ellenőrzése általános követelmény, hiszen teherbírásukat fokozott melegedésük is korlátozza. Az eljárás nem különbözik lényegesen a fentiektől. Megjegyzendő viszont, hogy a csigahajtás hatásfoka előzetesen csak becsülhető, ezért a hajtómű tényleges hatásfokával a motor megválasztását ellenőrizni kell. A hajtómű típusától függetlenül gyakori indításra előírják a motor termikus ellenőrzését is. 5

6 5. TENGELYES HAJTÓMŰVEK KIVÁLASZTÁSA A tengelyes és a motoros széria hajtóművek csak abban különböznek egymástól, hogy a csatlakozó felületükre a peremes motor helyett tengelyes adaptert szerelnek fel. A motoros hajtómű tengelyes változata tehát ugyanolyan teljesítményre és fordulatszámra szintén megfelelő. Emiatt a gyártók egy része nem is közöl külön eljárást a tengelyes hajtóművek megválasztására. Mások megadják a hajtómű kihajtó tengelyének egységnyi üzemtényezőhöz tartozó M n2 névleges nyomatékát (esetleg névleges teljesítményét is). A számítás menete általában a következő. Állandósult üzemben a hajtómű tényleges kimenő nyomatéka a gép M 2 nyomatékával egyenlő. Példánkban: M 2 [Nm] =10 3 P [kw] / ω g = 9550 P / n [min -1 ] = 9550x0,2 / 38,5= 49,6 Nm A járulékos, pl. az indításkor fellépő dinamikus terhelések miatt a hajtómű elemeinek terhelése az állandósult üzemben fellépőknél nagyobb. Mivel az üzemtényező a valójában a hajtóműelemek effektív terhelésének és az állandósult, vagy átlagos terhelésének aránya, az M e2 egyenértékű nyomaték az M 2 -nek f üzemtényezőszöröse: M e2 = f M 2. Ha a hajtómű névleges nyomatékát az egyenértékű nem haladja meg, vagyis M e2 M n2, akkor a hajtómű mechanikus teherbírása elégséges. A katalógusok egy része a hajtóműveket az M n2 névleges kimenő nyomatékuk sorrendjében is felsorolja. Az M n2 névleges nyomaték a behajtó tengely n 1 fordulatszámától is függ. Ha n 1 az (a)szinkron fordulatszámoktól különbözik, akkor M n2 közöttük lineárisan interpolálható. Ha n 1 a katalógusban szereplő legnagyobb fordulatszámnál (általában 3000/min) nagyobb, netán a hajtás gyorsító, akkor kérni kell a gyártó, vagy a forgalmazó tanácsát. Ha n 1 a katalógusban szereplő minimálisnál kisebb, akkor vehetjük a hozzá tartozó M n2 -t (mert a fordulatszám csökkenésével M n2 kissé növekszik). Ha viszont n 1 jelentősen kisebb a minimálisnál, akkor szintén forduljunk szaktanácsért (mert kenéstechnikai problémák léphetnek fel). Ugyancsak kérjük a gyártók, vagy a forgalmazók véleményét az átlagostól lényegesen eltérő üzemviszonyok esetén. Pl., ha a gyorsítási tényező 10-nél nagyobb (mert a hajtóművek indításkor és leálláskor nagy és főleg hosszan tartó terhelést kapnak). A hajtómű tengelyeinek terhelését a katalógus szerint kell ellenőrizni, mert a nagy igénybevétel a tengelyek fáradt törését és a csapágyak élettartamának jelentős csökkenését okozhatja. (A névleges élettartamokat a katalógusok általában nem közlik. Értéke henger és kúpkerekes széria hajtóművekre hozzávetőleg csigakerekesekre ezer folytonos üzemóra, vagy több.) Az ellenőrzési módszerek a kiválasztási módszerekhez hasonlóan gyártófüggők. A hajtóművek konstrukciós változatai és a kiegészítő egységek készlete (szerelőperemek, nyomatéktámaszok stb.) ugyancsak. Ajánlatos a hajtómű beszerelési és karbantartási utasításait is áttanulmányozni és a beszerzési és szervizelési feltételekről is tájékozódni. Végezetül tanácsoljuk a gyártmánykatalógusok előírásainak pontos betartását, mert a hajtóművek idő előtti meghibásodása, gyakran - közvetlenül, vagy közvetve - tervezési pontatlanságokra vezethető vissza. Budapest, október 17. / február 16. Dr. Karsai Géza 6