SZAKDOLGOZAT Rugalmas tengelykapcsolók összehasonlító vizsgálata Böszörményi Péter G4BGf Miskolc, 2012
Szakdolgozat feladatkiírása A feladat címe: Rugalmas tengelykapcsolók összehasonlító vizsgálata A feladat részletezése: 1. A tengelykapcsolók feladatának ismertetése, a különféle típusok rendszerezése. 2. A rugalmas elemeket tartalmazó tengelykapcsolók bemutatása. 3. Az egyes típusok összehasonlítása a terhelhetőségük és a beállítási hibákat kompenzálási képességük alapján. 4. Javaslattétel arra, hogy az egyes típusokat milyen üzemelési körülmények között célszerű alkalmazni. A tervezésvezető neve és munkahelye: Dr. Szente József egyetemi docens Miskolci Egyetem Gépelemek Tanszéke 2
Tartalomjegyzék 1. Bevezetés 4. oldal 2. Történelmi áttekintés 5. oldal 3. A tengelykapcsolók rendszerezése 8. oldal 4. Rugalmas tengelykapcsolók 16. oldal 5. Rugalmas tengelykapcsoló típusok összehasonlítása 29. oldal 6. Javaslattétel az egyes típusok üzemeltetésére 42. oldal Összefoglalás Summary Forrásjegyzék 48. oldal 49. oldal 50. oldal 3
1. Bevezetés A szakdolgozatom célja a rugalmas tengelykapcsolók bemutatása, azok összehasonlító vizsgálata, majd abból a tanulságok levonása után javaslattétel a használatukra. A következőkben, ezeket kiegészítve egy történelmi áttekintés után rendszerezem a leggyakrabban alkalmazott tengelykapcsoló típusokat. Ezt követően a rugalmas elemeket tartalmazó tengelykapcsolókat mutatom be részletesebben, sorra veszem az előnyekeit, hátrányaikat, valamint megvizsgálom a kialakításukból fakadó tulajdonságaikat. Ezek után tulajdonságokra lebontva, azok szerint táblázatosan, és szövegesen is megvizsgálom, és összehasonlítom a különböző megoldásokat, amelyhez a Siemens-Flender cég által gyártott tengelykapcsoló megoldásokat veszem alapul. Ennek oka az, hogy meglátásom szerint az említett gyártó termékpalettája kellőképpen lefedi a lehetséges rugalmas tengelykapcsoló megoldásokat, így kaphatom a legtisztább képet a vizsgálatomhoz. Ezeket követően záró fejezetként, a konzekvenciákat levonva ajánlást teszek az ismertetett típusok üzemeltetésére. 4
2. Történelmi áttekintés A tengelykapcsoló a legrégebbi megfogalmazás szerint két tengely nyomatékátvitelre alkalmas kapcsolatát megvalósító gépelem, szerkezet. Ennek a feltételnek a mai napig minden kapcsolószerkezet eleget tesz, de a merev tengelykapcsolókat kivéve, minden egyéb típusnak más-más célszerű sajátossága is van. Ha a tengelykapcsoló fejlődésének történetét kutatjuk, és megjelenésének, kialakulásának körülményeit szeretnénk tisztázni, feltevésekre vagyunk kényszerítve. Az első formák ugyanis a forgómozgás széleskörű ipari alkalmazásakor szükségszerűen adódtak, például amikor a gőzgépek magas teljesítményét a gyárüzemek felé transzmisszió-rendszerrel osztották szét. A műhelycsarnokok teljes egészén végigfutó transzmissziótengelyt 6-8 méteres darabokból kellett összeállítani, és ezek összekapcsolását legegyszerűbben a tengelyre merőleges, vagy ráilleszkedő sík mentén osztott elemekkel lehetett megvalósítani (2.1. ábra). Ilyen elven szerkesztették a tárcsás, valamint a héjas (2.2. ábra) tengelykapcsolókat [2]. 2.1. ábra. Transzmissziós rendszer 2.2. ábra. Héjas tengelykapcsoló Az első héjas tengelykapcsolót von Josten publikálta 1859-ben. A tárcsás tengelykapcsoló előnyeit már akkor felismerték. Ezek a típusok máig fennmaradtak, korszerűbb alakjukban. 5
A kiegyenlítő kapcsolók közül már 1860 körül megjelent az Oldham-féle kapcsoló (2.3. ábra) amely alakilag napjainkig nem változott egyszerűsége miatt valamint a kardáncsukló (2.4. ábra), amely főleg a gépjárműipar igényei miatt rendkívüli módon, és ütemben kifejlődött. 2.3. ábra. Oldham-féle tengelykapcsoló 2.4. ábra. Kardáncsukló A tengelyek állandó jellegű kapcsolása mellett a merev tengelykapcsolók fontos hiányossága volt a hajtott oldal üzem alatti időszakos ki- és bekapcsolása. A kikapcsolást eleinte körmös kapcsolóval oldották meg, ekkor azonban az újraindításhoz le kellett állítani a hajtóművet, mivel csak álló helyzetben lehetett bekapcsolni. Erre adott megoldást a szíjhajtás: A transzmissziós tengelyekre szíjakkal kapcsolták az egyes hajtott elemeket, amelyeket laza, és ékelt szíjtárcsa kombinációjával kapcsolták tetszőlegesen ki- és be, amíg a hajtómű tengelye tovább foroghatott megállítás szükségessége nélkül. A nehézkes szíjáttolás helyett már 1858-ban kísérletezni kezdtek új kapcsolási módszerekkel, melynek következtében kialakult a kúpos kapcsoló, amely egyszerű formájában ma már csak ritkán fordul elő, viszont alapelve sok korszerű kapcsolónál megtalálható. Az egykúpos változat hátrányát, hogy a kúpok összeszorításához állandó erőt kell kifejteni, kettős kúppárral és rugós szorítással küszöbölték ki. A kúpos elempárokat röviddel később forradalmi újításokkal váltották ki; a tárcsás, és a lemezes tengelykapcsolókkal, amelyek a tengelyre merőleges súrlódó felületekkel kapcsolódtak. Ennek a feltalálója Thomas Weston, a kapcsoló elvét 1868-ban publikálta. Kapcsolójában a beépített rugók állandó erővel szorítják össze a lemezeket, a kikapcsolás pedig ennek ellenében jön létre. Ezek, azaz a lemezes és tárcsás tengelykapcsolók jelenleg a legfontosabb, és leggyakrabban használt típusok a gép- és járműiparban [2]. 6
Az 1850-es évektől megindult ipari fejlődés egyre több és több új konstrukciót szült a tengelykapcsoló gyártásban is. A sokféle típus között már a századfordulón megjelent egy-egy olyan is, amelynek a hajtásmechanikájában mutatkozó jó tulajdonságait csak az 1930-as évektől kezdik igazán fölfedezni. Ezek a rugalmas tengelykapcsolók. Kezdetben a rugalmas tengelykapcsoló elem főként bőr volt, de fokozatosan megjelentek a különféle gumielemek, kiszorítva a bőrt, mint rugalmas kapcsolóelemet (2.5, 2.6. ábra) [2]. 2.5. ábra. Gumielemekkel ellátott (gumidugós) rugalmas tengelykapcsoló 2.6. ábra. Duplex gumigyűrűs tengelykapcsoló 7
3. A tengelykapcsolók rendszerezése A tengelykapcsolók feladata két tengelyvég összekapcsolásával a teljesítményés nyomatékátvitel. Ha a tengelyek közötti kapcsolat a tengelykapcsolóval nem szüntethető meg, akkor állandó kapcsolású, vagy nem kapcsolható tengelykapcsolókról, ha viszont a kapcsolat velük időszakosan megszakítható, majd ismét létrehozható, kapcsolható vagy oldható tengelykapcsolókról beszélünk. TENGELYKAPCSOLÓK Állandó kapcsolású tengelykapcsolók Kapcsolható tengelykapcsolók Merev Rugalmas Külsőleg szabályozott Nyomatékkapcsolású Fordulatszámkapcsolású Forgásirányszabályzott Manuálisan Biztonsági Centrifugális Szabadonfutó kapcsolható tengelykapcsolók tengelykapcsolók tengelykapcsolók Súrlódó tengelykapcsolók Kényszertengelykapcsolók Hidrodinamikus tengelykapcsolók, Elektromágneses tengelykapcsolók, Mechanikus tengelykapcsolók Torziósan merev tengelykapcsolók Torziósan rugalmas tengelykapcsolók Magas rugalmasságú tengelykapcsolók [3] 8
Az állandó kapcsolatú tengelykapcsolók lehetnek merev tengelykapcsolók, amelyek két, pontosan egy vonalba eső tengelyvonalú tengelyvég között tartanak elmozdulás- és elfordulás-mentes merev kapcsolatot, valamint kiegyenlítő kapcsolók, amelyek lehetővé teszik a tengelyvégek egymáshoz viszonyított kismértékű elmozdulását, például a hőtáguláskor bekövetkező hosszirányú eltolódást, vagy kiegyenlítik a tengelyvégek egytengelyűségi és párhuzamossági hibáit, vagy kisebb szögeltéréseit. A kiegyenlítő kapcsolók a tengelyvégek egymáshoz viszonyított elcsavarodása szempontjából lehetnek teljesen merevek, vagy rugalmasak, amelyek lökésszerű igénybevételek, illetve a hajtó- vagy a hajtott gép oldaláról fellépő nyomatékingadozások hatására bizonyos, meghatározott mértékű elcsavarodást megengednek, és a torziós lengéseket is csillapítják. [2] A merev tengelykapcsolók, mivel a két tengelyvéget mereven, elcsavarodás-mentesen kapcsolják össze, csak lökésszerű igénybevételektől mentes, és kis nyomatékingadozású hajtásnál alkalmazható. Legismertebb fajtái a tokos, a tárcsás, a héjas és a homlokfogazatú tengelykapcsoló. A tárcsás tengelykapcsolók (3.1. ábra) a nyomatékot a két tárcsafél homlokfelületén ébredő súrlódással viszik át. A z számú csavar által kifejtett Fn erő esetén a tárcsák között: Fsz = zfnμ súrlódási erő ébred. A súrlódó felületek rm közepes sugarával számolva az átvihető nyomaték: Ts = Fszrm = zfnμrm, amelynek nagyobbnak kell lennie, mint az átvivendő T nyomaték. A Ts T feltételből a csavarok által létrehozott szorítóerő: Fn T / zμrm. 3.1. ábra. tárcsás tengelykapcsolók 9
A héjas tengelykapcsolók szintén erőzárással, súrlódással viszik át a nyomatékot. 3.2. ábra. Héjas tengelykapcsoló A 3.2 ábra szerinti tengelykapcsoló feleket vékony hézaglemezzel beállítva a kívánt, pontos méretet a csavarok meghúzásával rögzítik a tengelyvégekre. A nyomatékátvitel súrlódással történik, de biztonsági okokból általában reteszt is alkalmaznak. A balesetek elkerülése végett a héjas tengelykapcsolót lemezköpennyel veszik körül. A héjas tengelykapcsolókat általában közlőműtengelyeken alkalmazzák, könnyen fel- és leszerelhetők, de csak azonos átmérőjű tengelyek összekapcsolásához lehet alkalmazni. A tokos tengelykapcsolóknál (3.3. ábra) az összekapcsolandó tengelyvégekre illeszthető csőszerű tok, amely rendszerint öntöttvasból készül, a tengelycsapokhoz ékkel, retesszel, nyírócsappal, belső bordázattal kapcsolódik. [2] 3.3. ábra. Tokos tengelykapcsoló 10
A kiegyenlítő tengelykapcsolókat akkor alkalmazzuk, ha a tengelyvégek egymáshoz képest elmozdulhatnak, pl. a felmelegedés hatására bekövetkező hosszirányú megnyúlás miatt vagy a tengelyvonalaik nem esnek pontosan egy vonalba, hanem egymáshoz képest párhuzamosan eltolódnak, egymással bizonyos szöget zárnak be. Ezek a tengelykapcsolók az elcsavarodás szempontjából tulajdonképpen merev kapcsolatot biztosítanak, tehát a nyomatékingadozást csillapítás nélkül továbbítják egyik tengelyről a másikra. Az ilyen típusú kiegyenlítő tengelykapcsolók az alakzáró tengelykapcsolók csoportjába tartoznak, mivel a nyomatékátvitelt egymáson elcsúszó elemek, pl. körmök, fogak, csúszóvezetékek vagy csapágyperselyekben ágyazott csapok, csuklók valósítják meg. A méretezés szempontjából a megengedett felületi nyomás a mértékadó [2]. Hosszirányú elmozdulások kiegyenlítésére az egyszerű körmös tengelykapcsolót (3.4. ábra), esetleg megfelelő illesztésű agyakkal rendelkező bordás vagy poligon tengelyeket alkalmaznak. 3.4. ábra. Körmös tengelykapcsoló [5] Párhuzamos, de excentrikusan elhelyezkedő tengelyek esetén ha az excentricitás kicsi, az oldham-tengelykapcsoló alkalmazható (3.5. ábra). Nagyobb eltérések esetén azonban már kardáncsuklókkal (3.6, 3.7. ábra) ellátott tengelyeket kell beépíteni. 3.5. ábra. Oldham-féle tengelykapcsoló [5] 11
3.6. ábra. Kardáncsukló szerkezeti rajz [5] 3.7. ábra. Kardáncsukló 12
A tengelyek tisztán szögirányú hibáinak kiegyenlítésére még nagyobb szögeltérések esetén is a kardáncsukló néven ismert keresztcsuklós vagy gömbcsuklós tengelykapcsolók a legalkalmasabbak. Beépítésükkor azonban figyelembe kell venni azt, hogy az 1. tengely állandó ω1 szögsebessége mellett a 2. tengely ω2 szögsebessége nem állandó, hanem változó lesz. A szögsebesség változása annál nagyobb, minél nagyobb a β kitérési szög [1]. A grafikonon β a szöghiba, γ1 az 1. tag elfordulási szöge. A tengelyek elfordulási szögeit γ 1-gyel és γ 2-vel jelölve az elfordulási szögekre és a szögsebességek arányára a következő egyenletek írhatók fel: tg γ2 = tg γ1 cos β tg (γ2- γ1) = tg γ1(1-cos β) / (1 + tg 2 γ2 sin 2 β) ω2 / ω1 = cos β / (1 sin 2 γ1 sin 2 β) [1]. 13
A kapcsolható, avagy oldható tengelykapcsolók a kapcsolás jellegének függvényében lehetnek külsőleg szabályozottan oldható tengelykapcsolók (3.8. ábra), nyomatékkapcsolású vagy biztonsági tengelykapcsolók, fordulatszám-kapcsolású vagy indító tengelykapcsolók és forgásirány-kapcsolású, vagy szabadonfutó tengelykapcsolók (3.9. ábra). A nyomatékátvitel módja szerint a tengelykapcsolók lehetnek alakzárók, amelyeknél megcsúszás egyáltalán nem léphet fel, erőzárók, vagy súrlódó kapcsolók, amelyeknél viszont időleges megcsúszás lehetséges, és kifejezetten csúszókapcsolók, amelyeknél a funkció teljesítéséhez bizonyos mértékű csúszás szükséges, mint pl. a hidrodinamikus és elektromágneses kapcsolószerkezeteknél [2]. 3.8. ábra. Külsőleg szabályozottan oldható tengelykapcsoló 3.9. ábra. Szabadonfutó tengelykapcsoló mechanizmusa 14
A rugalmas tengelykapcsolók, azaz a rugalmas közvetítőelemű kiegyenlítő tengelykapcsolók (3.10. ábra) az előbbiekben ismertetett követelményeken, a tengelyek axiális, radiális és szögeltéréseinek kiegyenlítésén kívül még további fontos feladatokat is ellátnak: az esetenként fellépő nyomatékcsúcsok, nyomatéklökések csökkentését, a periodikus nyomatékváltozások hatására fellépő lengések csökkentését, a rezonancia és káros következményeinek kiküszöbölését. A nyomatéklökések csökkentése elsősorban a rugalmas elemek energiatároló képességéből adódik. Egy adott nyomatéklökésnél, pl. a hajtóoldalon fellépő T1 nyomaték hatására megnő a kapcsolófelek közötti relatív elfordulási szög, eközben a beépített rugalmas elemek felveszik a lökésből származó munkát, és ezt nagyobb t2 idő alatt átadják a második, hajtott tengelynek, miközben a relatív elfordulási szög ismét csökken. 3.10. ábra. Gumitárcsás rugalmas tengelykapcsoló A rugalmas tengelykapcsolók általánosságban alkalmasak a tengelyhibák kiegyenlítésére. Ebben a vonatkozásban azonban nem versenyképesek a kiegyenlítő tengelykapcsolókkal, mert a rugó bármilyen irányú kitérése ellenerővel, visszatérítő erővel reagál, amely a tengelyen keresztül a rajta elhelyezett elemeket terheli [2]. 15
4. Rugalmas tengelykapcsolók A gépszerkesztés egész területén a lengések és dinamikus hatások káros következményeinek elhárításában mind fontosabb szerepet játszanak a rugók. Az elv a tengelykapcsolók szerkezetében is tért hódított, s a rugóval működő úgynevezett rugalmas tengelykapcsolók az egyik legnépesebb kapcsolócsaládot alkotják. Ezen belül egy-egy típusra a rugók alakja, száma, szerkezeti anyaga, beépítési módja, valamint egyéb tulajdonságok jellemzők. A rugalmas tengelykapcsolók fontosabb tulajdonságai: lengéscsillapítók, lökésgátlók, villamos szigetelők (a gumielemmel rendelkezők), egyszerű szerkezetűek, kis súlyúak. Néhány fontosabb szerkesztési szempont: a tengelyek közötti kapcsolatot egyszerű szereléssel lehessen megoldani; a kapcsolat oldásához ne kelljen a tengelyt axiálisan eltolni; könnyű legyen a beállítása; több rugóelemes tengelykapcsoló rugói egyenletesen legyenek terhelve; egy rugóelem meghibásodása ne okozzon üzemzavart; a hibás rugó egyszerűen legyen cserélhető; működéséből axiális erőhatás ne származzék; játékmentesen kapcsoljon. Az a tulajdonsága, amivel a rugalmas tengelykapcsoló többet nyújt az előzőknél, a forgási rugalmasság. Amíg a kiegyenlítőképességnek általában kinematikai jellege van, a forgási rugalmasság dinamikai tulajdonság. Az a tengelykapcsoló, amelynek van forgási rugalmassága, csökkenti a rajta áthaladó fluktuáló vagy lökésszerű nyomatékok hatását. Ebben a fejezetben főként a rugalmas elemekkel rendelkező, nem kapcsolható, úgynevezett kényszerkapcsolatú tengelykapcsolók kerülnek bemutatásra, azaz a torziósan merev, torziósan rugalmas, valamint a magas rugalmasságú kapcsolófajták. 16
Torziósan merev tengelykapcsolók A rugalmas tengelykapcsolók nélkülözhetetlen tartozéka a rugó, vagy a rugalmas elem. Ehhez a felhasználási területhez egészen különleges rugóféléket fejlesztettek ki. A különleges alak ellenére méretezésük ha sokszor bonyolult képletekkel ugyan közismert szilárdságtani összefüggéseken alapszik. A méretezéshez, valamint a megfelelő rugalmas elem kiválasztásához a leggyakrabban az alakváltozás és terhelés, az igénybevétel és a terhelés valamint a rugó erőviszonyaival kapcsolatos összefüggéseket szokás alkalmazni. A torziósan merev kapcsolótípusok rugalmas eleme szinte minden esetben valamilyen fém, acélötvözet. A nagy rugalmassággal bíró, megfelelő alakúra készített és hőkezelt, főleg szilíciummal és mangánnal ötvözött acélok képesek a bevezetett energia csaknem teljes visszaszolgáltatására. Ennek következtében energiatárolásra, rezgés- és lökéscsillapításra, mozgásszabályozásra, erőmérésre, rezonancia elhangolásra és egyéb hibák elhárítására jól alkalmazhatóak. A legismertebb, ilyen elven működő rugalmas tengelykapcsoló a Bibby-féle rugóelemes kapcsolószerkezet (4.1. ábra). A kapcsolófelek agyrészében sugárirányú rések vannak, amelyekbe a hullámos lemezrugó folyamatosan kapcsolódik. A rugóház azért veszi körül, hogy a rugó kimozdulását megakadályozza és a kenőzsírt tárolja. A tömítés akadályozza meg a kenőzsír kifolyását. A 4.2. ábrán látható a hajlított lemezrugó működés közben a) terheletlen állapotban, b) normális terhelés esetén valamint c) lökésszerű terhelésnél [1]. 4.1. ábra. Bibby-féle tengelykapcsoló 4.2. ábra. Bibby-kapcsoló működése 17
Napjainkban a torziósan merev kapcsolók egyik legnagyobb fejlesztője a német Siemens-Flender cég, amely többek között az úgynevezett ZAPEX valamint ARPEX típusú kapcsolókat állítja elő, és fejleszti. 4.3. ábra. ZAPEX fogazott rugalmas tengelykapcsoló A ZAPEX kapcsolók (4.3; 4.4. ábra) a gépelemek tengelyeit az enyhébb tengelyeltolódások kiküszöbölésével kapcsolják össze gyenge helyreállító erőhatásoknak köszönhetően. Nagy nyomatékátvivő képességük kompakt mérettel és kis tömeggel párosul. Ennél a kapcsolófajtánál a nyomaték a tengelykapcsoló fogain keresztül továbbítódik. A fogak domború kiképzése lehetővé teszi a szögeltérés kompenzálását. A radiális elmozdulás is kiküszöbölhető ezzel a típussal. Előnye továbbá, hogy nagyon kevés karbantartási költséggel üzemeltethető. A ZAPEX alkalmazásának előnyei: hosszú élettartam, alacsony karbantartási igény, kicsi méret, nagy tengely furat lehetőség, magas üzemi tényező, lökésszerű terhelést jól viseli, magas minőségű fogazás, függőlegesen is beépíthető, valamint jól alkalmazható ATEX robbanásveszélyes környezetben [3]. 4.4. ábra. ZAPEX fogazott rugalmas tengelykapcsoló 18
Az ARPEX fémlamellás tengelykapcsolókat (4.5. ábra) az ipar több mint 30 éve használja sikerrel. Robusztus, de mégis precízen tervezett gépelem, jól kiegyenlíti a tengely szerelési hibáit. A fémlamellák használatának köszönhetően holtjátékmentes kapcsolást tesz lehetővé, miközben a tengelyek szögállású hibáit kiegyenlíti. Minden ARPEX tengelykapcsolót jó minőségű acélból munkálnak meg. Ez robosztusságot ad neki, és kompakt méreteiből kifolyólag az ipar szinte minden területén alkalmazható. 4.5. ábra. ARPEX fémlamellás tengelykapcsoló Mivel az ARPEX rendszerű tengelykapcsolóban nincs kopó alkatrész, megfelelő beszerelés és tervezés után a várható élettartama gyakorlatilag korlátlan. A nyomatékot torziósan merev, de rugalmas tárcsák továbbítják. A tárcsákat hüvelyek, valamint gyűrűk tartják együtt a kompakt méret eléréséért (4.6. ábra). Ezáltal egyszerű és problémamentes üzemeltetésű tengelykapcsoló jön létre. Az ARPEX tengelykapcsolóval 95 Nm-től akár 1 450 000 Nm nyomaték is átvihető [3]. 4.6. ábra. ARPEX fémlamellák 19
Torziósan rugalmas tengelykapcsolók A torziósan rugalmas kapcsolást (4.7. ábra) a fém rugóelemek gyakorlatilag képtelenek megoldani, így azokat a mérnökök eleinte bőr és egyéb rugalmas elemekkel oldották meg, később a mai napig legjobban működő gumi rugóelemeket kezdték alkalmazni. A szerkesztők módot találtak arra, hogy a gumit a tengelykapcsolókba is beépítsék, és ezen törekvésüket számtalan típusú gumirugós tengelykapcsolófajta mutatja. A gumi előnyös fizikai tulajdonságai a nagymérvű rugalmas alakváltozási képesség, amely anyagának jellemzője. Acélanyagok közismert húzó-szakító diagramjával összehasonlítva egyértelművé vált, hogy a gumi megnyúlása eredeti hosszának többszörösét is eléri. 4.7. ábra. Torziósan rugalmas tengelykapcsoló A tervezésnél nagy fontosságú az igénybevétel. A tengelykapcsolók gumirugói nyomó, nyíró, csavaró, esetleg hajlító igénybevételűek. Méretezésénél lényeges, hogy a terhelés csak egy előre megszabott alakváltozásig növekedhet, addig, amíg a rugó jelleggörbéje megközelítőleg lineáris marad. Fontos jellemző a keménység, amelyet a megfelelő mérések elvégzése után vagy Shore-keménységi fokban (MSZ 494), vagy DVM lágysági számmal szokták leginkább megadni [1]. 20
N-EUPEX és N-EUPEX DS tengelykapcsolók Az N-EUPEX tengelykapcsolók (4.8., 4.9. ábra) kiváló minőségű szürkeöntvényből (GG25) készülnek. A rugalmas elemek szintetikus gumiból (purbán) készülnek, számos közeggel szemben ellenállóak. A fém körmök és a rugalmas elemek egymásra hatásának optimalizálásával a megengedett tengelyeltéréseken belül érintkezésük gyakorlatilag kopásmentes. 4.8. ábra. N-EUPEX tengelykapcsoló 4.9. ábra. N-EUPEX DS Tengelykapcsoló Az N-EUPEX tengelykapcsolók csoportosítás szempontjából tuskós tengelykapcsolók. A gumituskók csak az egyik kapcsolófélhez vannak rögzítve, a másik fél fogai pedig a gumituskók között elhelyezkedve biztosítják a nyomatékátvitelt. A gumituskók igénybevétele üzem közben hajlítás. A nyomatékot a rugalmas gumituskók továbbítják, így a szerkezet tipikus gumi-rugalmassági tulajdonságokkal rendelkezik. Az N-EUPEX túlterhelés-álló szerkezet. A DS szériát is így tervezték. Túlterhelés vagy extrém mértékű kopás esetén a rugalmas gumituskók maradandó károkat szenvednek, amíg a tengelykapcsoló fém szerkezeti elemei nem érhetnek egymáshoz, így nem tudnak megsérülni. Mivel a tuskós tengelykapcsolók torziósan rugalmas szerkezetek, így a nyomatékingadozás mellett a rezonanciát és a két tengely minimális szögbéli eltérését is képesek orvosolni [3]. 21
RUPEX Rugalmas dugós tengelykapcsoló A RUPEX rugalmas dugós kapcsolók olyan tengelykapcsolók, ahol a kapcsolódó feleket összeszorító csavarok köré rugalmas gyűrűt vagy dugót helyeztek. A rugalmas elem bőr vagy gumi. A csavar ilyen módon való ágyazása csak az egyik tárcsában valósítható meg, a másik tárcsában való rögzítése merev. A dugók sokféle alakúak lehetnek, ennek megfelelően változik a hordozó csap alakja is. Ilyen a RUPEX tengelykapcsoló is (4.10. ábra). 4.10. ábra. RUPEX tengelykapcsoló A RUPEX tengelykapcsolók még túlterhelés mellett is képesek megtartani és átvinni a nyomatékot, így előszeretettel alkalmazzák olyan területeken, ahol elsődleges a biztonság és a megbízhatóság. Alacsony torziós holtjátékát az egyszerű hordó-formájú rugalmas elemnek köszönheti. A RUPEX nem igényel komolyabb karbantartást, csupán a gumidugók, mint kopó alkatrészek igényelnek tervezhető cserét. Alkalmas az irányváltó üzemeltetésre, valamint bármilyen szögben beépíthető [3]. 22
BIPEX rugalmas körmös tengelykapcsoló A BIPEX tengelykapcsolók (4.11. ábra) BWN sorozata két azonosan kialakított szürkeöntvény (GG 25) agyrészből áll. A poliuretánból készült csillag alakú betét és a fémkörmök geometriájának optimalizálásával a tengelykapcsoló a megengedett szögeltérésen belüli üzeménél gyakorlatilag nem lép fel kopás. A BIPEX tengelykapcsoló két agyrészének a relatív elfordulása kismértékű, a rugalmas csillagbetétek többféle keménységű kivitelben készülnek. 4.11. ábra. BIPEX körmös tengelykapcsoló A BIPEX rugalmas, megszaladás elleni védelemmel ellátott univerzális tengelykapcsoló. Kompakt kivitelének köszönhetően sokféle területen alkalmazható, relatíve nagy teljesítmény átvitelére is alkalmas. A gumikörmök alacsony holtjátékkal működnek, és képesek a progresszív torziós feszültség eloszlatására, azaz abban az esetben, ha a köröm kopni kezd, a kopással arányos mértékben emelkedik a kapacitáskihasználás. A BIPEX tengelykapcsolók meghibásodás-biztosak. Amennyiben a körmök elkopnak, a kapcsolóház bütykei vészhelyzeti működéssel tovább tudnak üzemelni [3]. 23
Nagy rugalmasságú tengelykapcsolók A nagy rugalmasságú tengelykapcsolók általában nagy holtjátékú, többnyire gumi vagy bőr rugalmas elemmel rendelkező kapcsolószerkezetek. Az ELPEX-B nagy rugalmasságú gumiabroncsos tengelykapcsoló (4.12. ábra) egyenlőtlen nyomatékú hajtás átvitelére lett kialakítva. Egyenetlen fordulatszámlengéseket képes elnyelni és egyenletes forgómozgássá kiegyenlíteni. Névleges nyomatéktartománya TKN = 330 Nm-től 63.000 Nm-ig. 4.12. ábra. ELPEX-B gumiabroncsos tengelykapcsoló A gumi részek szilikon-kaucsukból készültek, és 120 C környezeti hőmérsékletig képesek üzemelni. Az ELPEX-B vízszintes, függőleges, vagy bármilyen egyéb tengelyálláshoz beépíthető és üzemeltethető. Ezt a típust leginkább változó forgásirányú terhelésnél szokás alkalmazni, ugyanis az ezzel járó lökéseket szinte tökéletesen képes elnyelni [3]. 24
Az ELPEX-S nagy rugalmasságú gumitárcsás tengelykapcsoló (4.13. ábra) alkalmazása alacsony torziós merevségének és csillapítási kapacitásának köszönhetően főként olyan gépeknél ideális, amelyek erősen ingadozó, nem egységes nyomatékváltozással rendelkeznek. 4.13. ábra. ELPEX-S gumitárcsás tengelykapcsoló Az ilyen tengelykapcsolók karima-tengely és tengely-tengely kapcsolatokra lettek tervezve, vízszintes és függőleges pozícióban, valamint bármilyen kívánt szögben beépíthetőek. Tökéletesen alkalmasak fordított, vagy váltakozó irányú terhelés átvitelére és annak csillapítására. A gumitárcsa elemei holtjáték nélkül épülnek be a kapcsolóba, így közel lineáris torziós merevség adódik. A torziós merevség a terhelés növekedésével is állandó marad. Az ELPEX-S tengelykapcsoló 330 és 63000 Nm nyomatéktartományban képes működni, 12 méretben elérhető, valamint jellemzően -40 és +120 Celsius-fok környezeti hőmérséklet mellett alkalmazható [3]. 25
Az ELPEX nagy rugalmasságú gumitárcsás tengelykapcsoló (4.14. ábra) torziósan rugalmas, valamint teljesen holtjáték-mentesen tud üzemelni. Alacsony torziós merevségének és csillapítási képességének köszönhetően ez a típus főként nagyon egyenetlen nyomatékváltozású terheléshez ideális. Emellett komoly beállítási szöghibák kiküszöbölésére is alkalmas. 4.14. ábra. ELPEX nagy rugalmasságú tengelykapcsoló Az ELPEX fantázianevű kapcsolószerkezet vízszintes és függőleges beépítésre, valamint bármilyen szögben való beszerelésre egyaránt alkalmas. A tengelykapcsoló alkatrészeinek a tengelyvégekhez való illesztése kérésnek megfelelően alakítható, így az alkalmazási területeket tekintve sokrétű esetekben alkalmazható. A rugalmas gumitárcsák elhasználódás vagy meghibásodás esetén egyszerűen cserélhetőek a összekapcsolt tengelyek mozdítása nélkül. A gumitárcsák holtjáték-mentesen kerülnek beépítésre, így progresszív torziós merevséget kölcsönöznek a tengelykapcsolónak; azaz a torziós merevség a terhelés növekedésével emelkedik. Az ELPEX gumitárcsás tengelykapcsolót főként irányváltó működtetésre, valamint változó irányú terhelésre fejlesztették ki. A Flender cég 9 féle méretben készít ilyen megoldású tengelykapcsolót, amelyek 1600 és 90000 Nm névleges nyomatékterhelést képes átadni. Üzemeltetése -40 C és +80 C környezeti hőmérséklet mellett lehetséges [3]. 26
Hidrodinamikus elven működő tengelykapcsolók A hidrodinamikus tengelykapcsolók (4.15. ábra) definíció szerint nem tartoznak a rugalmas tengelykapcsolók családjába, mivel ennél a megoldásnál nem található meg a szerkezetben a klasszikus rugalmas elem; jelen esetben folyadék tompít. Mivel azonban ezek a kapcsolók is nyomatékingadozási problémákat képesek orvosolni, így ismertetem őket pár sorban. 4.15. ábra. FLUDEX hidrodinamikus tengelykapcsoló A hidrodinamikus tengelykapcsoló a Föttinger elven működik. Fő részei: két járókerék - szivattyú és turbinakerék -, valamint egy őket körülzáró ház. A két kerék egymás mellett helyezkedik el. Az erőátvitel a lehető legoptimálisabban kopásmentes, az erőátviteli részben nincs mechanikus érintkezés. A tengelykapcsolóban állandó mennyiségű üzemi folyadék, legtöbbször ásványolaj, található. A kapcsoló ki-, illetve behajtó oldala egymással mechanikusan nem áll kapcsolatban, így kopás nem léphet föl. A nyomatékot a benne levő folyadékban fellépő nyíróerő viszi át a speciálisan kiképzett bordázaton keresztül. A hajtómotor által leadott forgatónyomaték a vele összekapcsolt szivattyúkerékben, az áramló folyadék mozgási energiájává alakul. A turbinakerékben ez az áramlási energia ismét mechanikai energiává alakul vissza. A tengelykapcsoló működését illetően három állapotot figyelhetünk meg [3]. 27
4.16. ábra. Föttinger-elven működő kapcsoló nyugalmi, induló valamint üzemi állapotban [4] Nyugalmi állapot: Az üzemi folyadék nyugalomban, a tengelykapcsoló alsó terében helyezkedik el. Induló állapot: A szivattyúkerék egyre növekvő fordulatszámmal felgyorsítja az üzemi folyadékot úgy, hogy a munkatérben gyűrű alakú áramlás jön létre. Az áramló folyadék a turbinakerék lapátozott terében lefékeződik, mozgási energiája a turbinakerék forgási energiájává alakul át. Az indítási folyamat alatt a forgatónyomatékot a tengelykapcsoló jelleggörbéje határozza meg. Üzemi állapot: A tengelykapcsolóban a szivattyúkerék és a turbinakerék közti kismértékű fordulatszám-különbségnek (ún. névleges szlipnek) megfelelő folyamatos áramlási állapot alakul ki. Ekkor már csak a munkagép által megkövetelt nyomaték terheli a tengelykapcsolót. Az alkalmazás előnyei a lágy, lökésmentes indítás, igen nagy tehetetlenségű tömegeket vagyunk képesek vele elindítani, nem szükséges az indítási, magas nyomatékokra méretezni a rendszert, valamint kiváló a vibráció- és lökéscsillapítása [4]. 28
5. Rugalmas tengelykapcsoló típusok összehasonlítása A tengelykapcsoló megválasztását legfőképpen a hajtott szerkezet milyensége és a hajtáslánc tervezése, tervezett üzemelése határozza meg, de a döntési folyamatban gyakran szerepet játszanak gazdaságossági kérdések is. Mivel több tengelykapcsoló is képes lehet egyes tulajdonságából kifolyólag az adott feladatra, ezért fontos, hogy a tervezett hajtóműhöz a legmegfelelőbb kapcsolómegoldást alkalmazzuk. Ebben a fejezetben a fent ismertetett tengelykapcsolótípusok kerülnek összehasonlításra és osztályozásra terhelhetőségük, az általuk orvosolható beállítási és szöghibák, üzemeltetési nyomatéktartományuk és egyéb tulajdonságaik alapján. Az összehasonlításhoz a Flender-Siemens vállalat [3] által előállított rugalmas tengelykapcsolókat fogom alkalmazni, mivel ezen cég termékpalettája megfelelően lefedi az iparban használt megoldásokat. Az egyszerűség kedvéért a tengelykapcsoló típusok megnevezéséhez a fent említett cég által használt fantázianeveket fogom használni. 29
1. Üzemelési nyomatéktartomány szerinti összehasonlítás Az elsődleges tényező, amelyet figyelembe kell venni a termék megválasztásánál, az a nyomatéktartomány, amelyben a szerkezet megfelelően tud működni. Az összehasonlítás a névleges tengelykapcsolón mért nyomatéktartomány (TKN) szerint értendő Nm-ben. Tengelykapcsoló típusa Névleges nyomatéktartomány (TKN) [Nm] N-EUPEX 19 62000 N-EUPEX DS 19 21200 RUPEX 200 1300000 BIPEX 13,5 3700 ELPEX-B 24 14500 ELPEX-S 330 63000 ELPEX 19600 90000 A táblázat adataiból következtetésképpen elmondható, hogy a rugalmas elemeket tartalmazó tengelykapcsoló típusok méretük függvényében viszonylag nagy nyomatéktartományban alkalmazhatók. Az N-EUPEX gumituskós tengelykapcsolók nagyon alacsony és viszonylag magas terheléshez is alkalmazhatók. Itt látható a DS verzió kisebb maximális terhelhetősége, amely magasabb rugalmasságának, valamint nagyobb túlterhelés-biztosságának és könnyebb szervizelhetőségének következménye. A legnagyobb nyomatékterhelés átvitelére magasan a RUPEX gumidugós tengelykapcsoló képes, masszív kialakításának köszönhetően, míg a legalacsonyabb terhelésre a BIPEX körmös tengelykapcsoló a legideálisabb, ez a kompakt méretű kialakításnak köszönhető. 30
2. Üzemelési sebességtartomány szerinti összehasonlítás A tengelykapcsolók külső átmérőjén mért maximális sebessége majdnem olyan fontos tulajdonság a megfelelő típus kiválasztásánál, mint a nyomaték-átviteli képesség. Ez az a forgási sebesség, aminél a kapcsolószerkezet még üzemképes. Megadása kerületi sebesség címszóval a következő egyenlet alapján történik: vmax = DA * nmax/19100, ahol vmax a megengedett maximális sebesség [m/s], DA a tengelykapcsoló külső átmérője [mm], nmax pedig a maximális fordulatszám [1/min]. Tengelykapcsoló típusa Maximális kerületi sebesség (vmax) [m/s] N-EUPEX 36 N-EUPEX DS 36 RUPEX 60 BIPEX 36 ELPEX-B 35 ELPEX-S 66 ELPEX 60 A táblázat adataiból leszűrhetjük, hogy a rugalmas elemeket tartalmazó tengelykapcsolók legnagyobb forgási sebessége igen magas lehet. Közelítőleg két csoportra oszlanak a típusok: Az N-EUPEX gumituskós, a BIPEX körmös és az ELPEX- B gumitárcsás megoldások a bennük található rugalmas elemek mennyiségéből kifolyóan alacsonyabb, 35-36 m/s maximális külső sebességnél üzemeltethetőek, míg a RUPEX gumidugós és az ELPEX, valamint ELPEX-S gumitárcsás kapcsolók 60-66 m/s külső átmérőn mért sebességen való működésre is képesek. Ezt főleg robosztusabb felépítésüknek köszönhetik. 31
3. Nyomatékterhelés jellege szerinti összehasonlítás A rugalmas elemeket tartalmazó tengelykapcsolókat gyakran olyankor szükséges alkalmazni, amikor a tengelyen átmenő terhelés nem teljesen egyenletes, egységes. Ez alatt általában nyomatékingadozás értendő, de lehet impulzusszerű terhelésváltozás is. Az összehasonlításban szereplő tengelykapcsolókat négyféle lehetséges terhelhetőség szerint osztályozhatók: egyenletes, ingadozó, egyenetlen és nagyon egyenetlen terhelés átvitelének, azok hatékony tompításának képessége szerint. Tengelykapcsoló típusa Egyenletes terhelés Ingadozó terhelés Egyenetlen terhelés Nagyon egyenetlen terhelés N-EUPEX - - N-EUPEX DS - - RUPEX - BIPEX kérésre - - ELPEX-B ELPEX-S ELPEX A táblázat szemléletesen mutatja az egyes kapcsolófajták különböző terhelésállapotra való felhasználhatóságát. Leszűrhető, hogy tökéletesen egyenletes terheléshez az összes kialakítás megfelelő, amíg ingadozó terhelésnél a BIPEX körmös tengelykapcsoló kialakításából kifolyólag csak átalakítás után válik alkalmassá. Ennek az a magyarázata, hogy lágyabb anyagú rugalmas elemek esetén nagyobb mértékű kopásra lehet számítani, amelyet az ingadozó terhelés jobban indukál. Egyenetlen és nagyon egyenetlen terhelések tompítására, vagy elnyelésére csak a masszív rugalmas elemekkel rendelkező, gumitárcsás ELPEX megoldások alkalmasak, kisebb egyenetlenségeket még a gumidugós RUPEX tengelykapcsoló is képes kezelni. 32
4. Beszerelhetőség és szögbeállítás szerinti összehasonlítás Az összehasonlító vizsgálat következő kritériuma a tengelykapcsolók beépíthetőségét és szögbeállításának rugalmasságát szemlélteti. Ezek azok a tényezők, amelyek nagyban indukálták a rugalmas tengelykapcsolók szükségszerű megjelenését; az egyik leggyakoribb megoldandó probléma az összekapcsolandó tengelyek egymáshoz viszonyított szögbéli eltérése. A Flender cég által használatos összehasonlításban három fő lehetőség szerint sorolja be a rugalmas elemeket tartalmazó tengelykapcsoló fajták beszerelhetőségét: Merev beépítés és nincs szöghiba, merev beépítés és van szöghiba, valamint teljesen rugalmas beépíthetőség. Tengelykapcsoló típusa Merev beépítés, nincs szöghiba Merev beépítés, van szöghiba Rugalmas beépítés N-EUPEX - - N-EUPEX DS - - RUPEX - - BIPEX - - ELPEX-B ELPEX-S - - ELPEX kérésre A táblázat szemléltetéséből látható, hogy szögbeállítási hiba nélkül, valamint merev beépítésben az összes vizsgált elem megfelelően használható. Nagyolt szögbeállítás esetén, ahol a tengelykapcsolónak már a két tengely között fellépő nagyobb szöghibát kell hatékonyan kezelni már csak a gumitárcsás megoldások jöhetnek szóba, közülük is csak az ELPEX-B valamint az ELPEX elnevezésű megoldások. Ennek az a magyarázata, hogy ezen tengelykapcsolófajtáknál a két tengely összekapcsolásában nem játszanak szerepet körmök és egyéb, nem rugalmas elemek, kizárólag rugalmas anyag képezi a végső kapcsolatot. További pozitív tulajdonságuk, hogy a kapcsolókban a kerületen helyezkednek el a gumitárcsák, így hatékonyabban tudják kezelni mind a radiális és az axiális beállítási eltéréseket valamint a két tengely közti szögeltérést. Teljesen rugalmas beépítésnél is csak ez a két típus felel meg az elvárásoknak. 33
5. Torziós merevség szerinti összehasonlítás A rugalmas tengelykapcsolók következő fontos tulajdonsága a torziós merevségük. Ez az a merevség, amelyet a rugalmas elemek nagysága és azok fajtája befolyásol abban az esetben, ha a két tengely közt, főleg gyorsításkor és fékezéskor fellépő torziós erőket kell tompítani, elnyelni. Itt is szerepet játszhat a működtetés közben fellépő esetleges szögeltérések kiküszöbölése is Ennél a kritériumnál három lehetőség szerint lehet összehasonlítani a tengelykapcsolókat: torziósan merev, torziósan rugalmas vagy nagy rugalmasságú tengelykapcsoló megoldásokról beszélhetünk. Tengelykapcsoló típusa Torziósan merev Torziósan rugalmas Magas rugalmasságú N-EUPEX - - N-EUPEX DS - - RUPEX - - BIPEX - - ELPEX-B - - ELPEX-S - - ELPEX - - A szemléltetésből levonható, hogy a vizsgált, rugalmas elemeket tartalmazó tengelykapcsolók mindegyike alkalmatlan a teljes torziós merevséget igénylő, precíz nyomatékátvitelű tengelykapcsolásokhoz, ez a bennük található rugalmas alkatrészeknek köszönhetően egyértelmű. Abban az esetben, amikor a két tengelyvég közti kapcsolatot a fent ismertetett beépítési hibák vagy várható nagyobb erőhatások érhetik, torziósan rugalmas kapcsolatra van szükség. Ilyenkor az N-EUPEX és DS gumituskós, a RUPEX gumidugós valamint a BIPEX körmös tengelykapcsolók megfelelőek. Amikor az átlagosnál nagyobb hibákat, és erőhatásokat kell leküzdeni, a magas torziós rugalmasságú gumitárcsás ELPEX megoldások a legalkalmasabbak a feladatra, amelynek indoka itt is a kapcsoló kerületen elhelyezkedő nagy, rugalmas elemek jelenléte. 34
6. Forgatónyomaték átvitele szerinti összehasonlítás A tengelykapcsoló által átvitt forgatónyomaték a nem rugalmas megoldásoknál gyakorlatilag azonos a két tengelyvégen az összekapcsolás teljes ideje alatt. A rugalmas tengelykapcsolóknál ez szinte minden nyomatékmegingásnál megváltozik. A rugalmas elemeket tartalmazó tengelykapcsolók kialakításukból fakadóan képesek a nagyobb nyomatékimpulzusokat tompítani, ebből adódóan viszont számítani kell esetleges holtjátékkal. Fontos tényező emellett még az is, hogy a nagyobb, akár túlterhelést jelentő terhelésbeli lökéseket is képesek legyenek elviselni komolyabb károsodás nélkül, de némely esetekben a részleges tönkremenetel után is biztonsági kapcsolatot kell tudniuk biztosítani a tengelyvégek között. A tengelykapcsolókat ebben az összehasonlításban három tulajdonság szerint lehet rendszerezni: vannak torziós holtjáték nélküli, alacsony torziós holtjátékú valamint túlterhelés-biztos megoldások. Tengelykapcsoló típusa Alacsony torziós holtjátékú Torziós holtjátékmentes Túlterhelésbiztos N-EUPEX - - N-EUPEX DS - - - RUPEX BIPEX - ELPEX-B - - ELPEX-S - ELPEX - 35
A fenti táblázatból több következtetés is levonható. A RUPEX gumidugós, az ELPEX-B és az ELPEX gumitárcsás tengelykapcsolók torziós holtjáték nélkül képesek üzemelni. A gumidugós kapcsolótípus abban az esetben, ha a rugalmas elem kellő keménységű a holtjátékmentességét az egyszerű, kisméretű, hordó formájú gumielemeinek köszönheti, így ez a megoldás kínálja a lehetséges legprecízebb nyomatékátvitelt a rugalmas tengelykapcsolók közül. Holtjáték nélküli átvitelt tud biztosítani még az ELPEX-B és az ELPEX gumitárcsás tengelykapcsoló. Ezek viszont más indokból viselkednek így: mindkét kapcsolónál a rugalmas elem megszakításmentesen van beépítve, és a tengelykapcsoló kerületéhez, a külső legnagyobb átmérőhöz közel helyezkedik el. Ebből kifolyólag, bár torziósan rugalmasnak tekinthetők, holtjátékra nem képesek, csupán károsodás következtében. Alacsony torziós holtjátékkal képes üzemelni a RUPEX gumidugós, a BIPEX körmös valamint az ELPEX-S gumitárcsás tengelykapcsoló. A gumidugós szerkezet csak akkor képes erre, ha kellő méretű és lágyságú rugalmas elemek helyezkednek el a kapcsoló csavarjain; ugyanez a kritérium szükséges a körmös tengelykapcsolónál is, itt viszont további tényező a kompakt méretből fakadó kisebb átmérő is. Az ELPEX-S gumitárcsás megoldásnál szerepet játszik a gumitárcsa vastagsága, és annak a kapcsoló peremétől való nagyobb távolsága is. Túlterhelésnek is ellenálló rugalmas tengelykapcsolófajták az N-EUPEX tuskós, a RUPEX gumidugós, a BIPEX körmös, valamint az ELPEX-S és az ELPEX megoldású gumitárcsás változatok. Ezek olyan torziós, nyomatékbeli túlterhelésnek képesek ellenállni, amely rövid időperiódus alatt éri a szerkezetet, majd megszűnik. A tuskós tengelykapcsoló úgy lett kialakítva, hogy ha a rugalmas elem túlterhelés következtében tönkremegy, biztonsági üzemmódban a kapcsoló ezután is képes legyen a feladata végrehajtására, ez a tulajdonság például tűzoltó szivattyúknál szükséges. A BIPEX körmös megoldása is hasonlóan viselkedik túlterhelés esetén. Az ELPEX-S és ELPEX gumitárcsás tengelykapcsolók rugalmas elemei túlterhelés esetén végérvényesen károsodnak, ezzel egyidejűleg elveszítik a terhelésátvivő képességüket. Olyan esetekben hasznos ilyen tengelykapcsoló alkalmazása, ahol a hajtott tengelyvégen elhelyezkedő szerkezeti elem, vagy a hajtómű semmilyen esetben sem szenvedhet túlterhelést. 36
7. Összeszerelés és karbantartási igény szerinti összehasonlítás A tengelykapcsolók felhasználóbarát összeszerelhetősége és karbantartási igénye akkor fontos kérdés, ha nagy megbízhatóságot várunk a szerkezettől, de gyakori szét-, és összeszereléssel is számolunk. Ebben az esetben több tulajdonságot kell figyelembe vennünk: összeszerelési szempontból egyszerű plug-in, vagy más eszközt is igénybe vevő, bonyolultabb szerelhetőségről beszélhetünk. Karbantartási szemszögből fontos tulajdonság a kopóalkatrészek egyszerű cserélhetősége, a karbantartás-mentes üzemeltethetőség valamint az alacsony karbantartási szinten való üzemeltetés (1 éves intervallum) lehetősége. Tengelykapcsoló típusa plug-in szerelhetőség Külső eszköz szükséges az összeszereléshez N-EUPEX N-EUPEX DS - RUPEX - BIPEX ELPEX-B - ELPEX-S ELPEX - - Tengelykapcsoló típusa Kopóalkatrészek egyszerű cserélhetősége Karbantartásmentes üzemeltethetőség 1 éves karbantartás N-EUPEX - N-EUPEX DS RUPEX BIPEX - - ELPEX-B - ELPEX-S - ELPEX - 37
A fenti összeszerelhetőségi táblázatból észrevehetjük, hogy az ELPEX gumitárcsás tengelykapcsoló egyik módon sem szerelhető. Erre az a magyarázat, hogy ez a megoldás csak összeszerelt állapotban elérhető, meghibásodása esetén cserélni kell a tengelykapcsolót. A karbantarthatóság szempontjából elmondható, hogy a rugalmas elemeket tartalmazó tengelykapcsolók kopóalkatrészei a BIPEX körmös kapcsolón kívül könnyen cserélhetők. Teljesen karbantartásmentesen csak az N-EUPEX DS gumituskós tengelykapcsoló képes üzemelni, az is csak addig, amíg az esetleges nyomatékingadozás nem ér el olyan szintet, ami már károsítja a gumielemeket. A vizsgált tengelykapcsoló típusok mindegyike üzemeltethető alacsony, akár csak egy éves ciklusú karbantartási körülmények között [3]. 38
8. Üzemeltetési környezet szerinti összehasonlítás Az üzemeltetési környezet szemszögéből sokáig csupán a környezeti hőmérséklet volt a mérvadó, de a múlt évtizedben fontos tényezővé vált az úgynevezett robbanásbiztonsági direktívának való megfelelés. Az új 94/9/EC direktívát 1994-ben adták ki. Ez közismertebb nevén az ATEX, amely az ATmosphère EXplosible francia kifejezésből származik és 2003. július 1-től csak ez az ATEX direktíva maradt jogerős. Kémiailag agresszív, maró környezetben is üzemeltethető az összes rugalmas tengelykapcsoló típus, ehhez csupán a rugalmas elemek anyagát kell megváltoztatni. Tengelykapcsoló típusa Működési hőmérséklettartomány [ C] ATEX 94/9/EC megfelelés N-EUPEX -50 +100 N-EUPEX DS -30 +80 RUPEX -50 +100 BIPEX -30 +80 - ELPEX-B -50 +70 - ELPEX-S -40 +120 ELPEX -40 +80 - A táblázatból látható, hogy az üzemeltetési környezeti hőmérséklet elég hasonló a rugalmas elemeket tartalmazó tengelykapcsolóknál: a legalacsonyabb érték -30 és -50 C között mozog, a maximális pedig +70 és +120 C között. Erre a gumi szerkezeti elem hőmérsékletérzékenysége adja a választ: alacsony hőmérséklet mellett a dermedésből kifolyólag nem tudja ellátni rugalmas feladatát, túl magas hőmérsékletnél pedig túlságosan meglágyul, vagy akár meg is olvadhat. Az ATEX robbanásbiztonsági direktívának a BIPEX körmös, az ELPEX-B valamint az ELPEX gumitárcsás tengelykapcsoló nem felel meg, mivel ezek a gumielem meghibásodása esetén képesek lehetnek szikra keltésére. A többi rugalmas tengelykapcsoló típus megfelel a követelményeknek [3]. 39
9. Tengelykapcsoló anyaga szerinti összehasonlítás A rugalmas elemeket tartalmazó tengelykapcsolók nem rugalmas elemei általában háromféle alapanyagból kerülnek legyártásra: lehet öntöttvas, acél vagy rozsdamentes acél [3]. Tengelykapcsoló típusa Öntöttvas Acél Rozsdamentes acél N-EUPEX - - N-EUPEX DS - - RUPEX BIPEX - - ELPEX-B ELPEX-S - ELPEX - 40
10. Kiegészítő alkatrészek beilleszthetősége A rugalmas elemeket tartalmazó tengelykapcsolókat esetenként szükséges lehet különféle kiegészítő alkatrésszel, szerkezeti elemmel párosítani. Ezek lehetnek adapterek, amelyek segítségével eltérő méretű tengelyre lehet kapcsolni a szerkezetet, dob- valamint tárcsafékek, axiális holtjáték-szabályozók, sebességváltók, karimás csatlakozók és az elterjedt SAE J620d méretre vonatkozó szabvány szerinti tárcsaméretű karimás csatlakozók. Ezek alkalmazhatóságát a következő táblázatok szemléltetik [3]. Tengelykapcsoló típusa Adapter beépíthetőség Tárcsafék Dobfék Sebességváltó N-EUPEX - N-EUPEX DS - - - RUPEX BIPEX - - - - ELPEX-B - ELPEX-S ELPEX Tengelykapcsoló típusa Axiális holtjátékszabályzó Karimás csatlakozó SAE J620d szabvány N-EUPEX - N-EUPEX DS - - - RUPEX BIPEX - - - ELPEX-B - ELPEX-S ELPEX 41
6. Javaslattétel az egyes típusok üzemeltetésére A rugalmas elemeket tartalmazó tengelykapcsoló típusok, azok névleges tulajdonságai szerinti összehasonlító vizsgálata után, dolgozatom záró fejezeteként a vizsgált megoldások üzemeltetésére teszek ajánlást. Ehhez figyelembe veszem a fent tárgyalt kritériumokat, a kapcsoló mechanizmusok képességeit, kialakításukból fakadó előnyeiket és hátrányaikat egyaránt. Az eddigiekben leírtak alapján könnyen belátható, hogy az egyes rugalmas tengelykapcsolók között hatalmas eltérések figyelhetők meg mind az alapanyagaik, felépítésük, mint az általuk kiküszöbölhető tengelykapcsolási hibák, szögeltérések, nyomatékingadozások szerint. Egyes típusok nagyon durva üzemeltetési körülmények között is megállják a helyüket Pl. ZAPEX fogazott, és ARPEX fémlamellás tengelykapcsolók robbanásveszélyes körülmények közti üzemeltethetősége, míg más, a külső felületükön található rugalmas gumielemeket tartalmazó tengelykapcsolók magasabb rugalmassággal üzemelnek, viszont kialakításuk okán csak kevésbé mostoha körülmények között tudnak működni. A javaslattételt a fent leírtak alapján részben saját gondolatok alapján, részben a Siemens-Flender cég angol nyelvű leírása [3] segítségével teszem meg, amelyben a tárgyalt megoldásokat sorrendben, egyenként vizsgálom meg. 42
1. Torziósan merev tengelykapcsolók üzemeltetése A ZAPEX fogazott tengelykapcsoló család két tengely szögeltérésének és tengelyeltolódásának kompenzálására szolgál. Kompakt méret, kis súly és nagy nyomatékátadó képesség jellemzi, nagy fordulaton képes működni, esetleges robbanásveszélyes körülmények között is, és mindezek mellé nagyon igénytelen üzemeltethetőség társul. Visszarúgóerő gyakorlatilag nem lép fel az alkalmazása közben. Ennek megfelelően alkalmas durva körülmények közötti működésre, olyan iparágakban, mint a vaskohászat, vagy cementgyártás. Ezekhez a területekhez plusz előny a reverzálható, azaz kétirányú üzemeltetés lehetősége, és az egyaránt vízszintes, és függőleges beépíthetőség. Főként présekben, törőkben, keverőgépekben és szivattyúkban a leggyakoribb az alkalmazása. Az ARPEX fémlamellás tengelykapcsoló család megoldását az ipar több évtizede használja előszeretettel. Hosszú élettartama, és gyakorlatilag karbantartásmentes üzemeltetése miatt nagyon igénytelen, de mégis precíz mechanizmus, amelyet viszonylag kis (0.7 ) szögeltérés-kiegyenlítő képesség, de annál jobb tengelyszerelési hiba kiküszöbölési tulajdonság társul. Ezek mellett vízszintesen, és függőlegesen is beépíthető, forgásmerev, víz-, és folyadékálló, valamint magas hőállóságú (-40 C - +280 C) megoldás, amely jól méretezhető vibráció fellépésére, és alacsony visszarúgó erőt ad. Ez a tengelykapcsoló tulajdonságainak köszönhetően az ipar szinte bármely területén jól alkalmazható, de leggyakrabban szivattyúknál, kompresszoroknál, papírkészítő gépekben és ventillátorokban, méretezéstől függően pedig akár szélerőművekben és turbók kuplungjaként is alkalmazzák a fémlamellás megoldásokat. 43
2. Torziósan rugalmas tengelykapcsolók üzemeltetése Az N-EUPEX rugalmas gumielemeket tartalmazó tengelykapcsoló család alkalmazásának legnagyobb előnyei a tengelyek radiális, axiális és szöghibáit nagy mértékben csökkentő képessége, a jó optimalizálás után a vibrációk nagyfokú csökkentése, amelynek köszönhetően a környezeti rendszer élettartamát képes megnövelni. A tengelyek kapcsolata a szögeltérések helyes beállításánál gyakorlatilag kopásmentessé, érintkezésmentessé tehető. Viszonylag magas nyomatékátadó képességgel rendelkezik, és szintetikus gumielemei korlátozása mellett is egész tág, akár -50 C, és +90 C környezeti hőmérséklet mellett is biztonságosan működtethető. Alkalmas ATEX szabványú robbanásveszélyes környezetbeli üzemeltetésre is. A rugalmas tengelykapcsolók közül ez a megoldás az egyik legszélesebb körben alkalmazható, az ipar szinte minden területén megjelenik. Megfelelő megoldás ez akár a gépjármű hajtóművek magas fordulatú motor oldali tengelykapcsolásra, de akár a hajtómű oldali, magasabb nyomatékterhelésű kapcsolatokhoz is. Előszeretettel használják még kompresszorok tengelyeinek kapcsolásához és daruk futóműveihez is. Az N-EUPEX DS rugalmas gumielemeket tartalmazó tengelykapcsoló család megoldásának elve nagyon hasonlít a fent említett N-EUPEX éhez, viszont a legnagyobb különbség a kettő közt a biztonságban jelentkezik. A DS tengelykapcsoló igaz, hogy jóval kisebb, kb. harmadannyi nyomaték átadására képes, mint az alap verzió, viszont gumielemei kialakításának köszönhetően lehetővé teszi a két tengely közötti kapcsolat megszakítását kritikus terhelési hiba esetén, ezzel megakadályozva a rendszerben további törések, meghibásodások kialakulását. Túlterhelés esetén a gumielemek elszakadnak, és ezután a két tengely szabadon elforoghat a tengelykapcsolóban. Ezek mellett robbanásveszélyes, ATEX szabvány szerinti környezetben is működtethető. Ennek megfelelően az N-EUPEX kapcsolómegoldáshoz hasonlóan széles körben alkalmazható, kisebb nyomatékterhelhetősége miatt motorokban nem használható, viszont olyan megoldásoknál, ahol valós veszélyt jelenthet az impulzusszerű túlterhelés fellépése, és tervszerűen ekkor a hajtásnak meg kell szakadnia, ez lehet a legalkalmasabb. Leggyakrabban mégis kompresszorokban, szivattyúkban, az olajipar gépeiben és ventillátoroknál használják. 44