Назначение мотор-редуктора в приводной технике

Мотор-редуктор представляет собой универсальную и очень удобную в применении приводную машину. Просто электродвигатель не подходит для привода большинства оборудования из-за слишком высокой скорости вращения, поэтому необходим редуктор. Для решения этой задачи была разработана и внедрена концепция мотор-редуктора, когда понижающий редуктор и электродвигатель объединены в одном корпусе. Решение обеспечивает экономию материалов, снижение себестоимости оборудования и значительное упрощение монтажа. Если обычный редуктор надо соединять, соблюдая строгую соосность валов, с валом механизма и с валом двигателя, то у мотор-редуктора двигатель уже подсоединен, причем, монтаж выполнен максимально точно в заводских условиях.

Классификация мотор-редукторов

Основная техническая характеристика — тип передачи. Используется только четыре типа: червячная, планетарная, цилиндрическая, коническая и волновая с гибкими шестернями. Также представлены смешанные схемы, например коническо-цилиндрический мотор-редуктор. Сфера использования того или иного варианта передачи определяется ее параметрами, такими как нагрузочная способность и возможная скорость работы. Также важен собственный вес зубчатой пары в сравнении с передаваемым моментом и диапазоном оборотов.

Червячные мотор-редукторы

Являются самым дешевым вариантом мотор-редукторов с малым, средним и большим передаточным отношением. Для одноступенчатой червячной передачи используется диапазон передаточных чисел 5-100. При его изменении в большую или в меньшую сторону КПД червячной передачи снижается. У червячного мотор-редуктора много преимуществ. Это низкий уровень вибрации, низкий уровень шума (самый малый из всех редукторов), самоторможение в обе стороны движения. Немаловажным фактором является его низкая стоимость, которая обусловлена простотой технического устройства. Например, для передаточного отношения 30-60 в редукторе будет всего две подвижных детали (не считая подшипников). Такое решение невозможно в редукторах любого другого типа.
Основным недостатком червячного редуктора является его низкий КПД. Его нельзя использовать в мощных приводных системах, работающих в постоянном режиме. Сфера его применения — циклически работающие грузоподъемные устройства, конвейеры, подача на станках, привод задвижек, клапанов, ворот.

Цилиндрические мотор-редукторы

Цилиндрическая схема имеет прямые и косозубые шестерни. Все валы в цилиндрическом редукторе параллельны друг другу. Пример сложного многоступенчатого цилиндрического редуктора — автомобильная коробка передач. В промышленности используются цилиндрические мотор-редукторы с 1, 2 и 3-ся ступенями. Главное преимущество цилиндрической схемы — самый высокий КПД. Он превышает 90%. Такой редуктор мало нагревается, передает большой крутящий момент и служит долго (10-15 и более тыс часов). Многие модели рассчитаны на круглосуточную работу, например 4МЦ2С. Сфера их применения — постоянный привод агрегатов механизмов, станков, обрабатывающего оборудования любого диапазона мощности.

Габариты и стоимость цилиндрического мотор-редуктора намного больше, чем червячного, но из-за большего КПД он быстро окупается за счет экономии энергии. Подбор ведется с точным учетом мощности, так как опасно отклонение в обе стороны. В меньшую — опасность перегрузки мотора и редуктора, а в большую — перерасход электроэнергии.

Волновые мотор-редукторы

Волновая передача использует гибкую шестерню. Это довольно сложное механическое устройство, что объясняет позднее появление волновой передачи (запатентована только в 1959). На такие сложности идут, чтобы обеспечить большое передаточное число при малых габаритах. По этому параметру у волновых редукторов просто нет равных. Например, небольшой волновой редуктор, конструктивно выполненный в виде торцевой приставки к электродвигателю (мотор-редуктор), имеет передаточное число 100-300 раз. Это технически неосуществимо даже для червячного или планетарного редуктора.
Несмотря на все достоинства в волновых мотор-редукторов есть один главный недостаток — ненадежность гибкой шестерни. Именно поэтому их не применят в вертолетных редукторах, где очень необходимо большое передаточное отношение при малом весе. Там отдают предпочтение планетарным редукторам.

Планетарный редуктор

По многим параметрам является самым совершенным типом редуктора из всех разработанных. У него высокий КПД, такой же, как и у цилиндрического редуктора, благодаря тому, что в них используется одинаковый тип шестерен (кроме планетарного колеса), а габариты намного меньше, при той же передаваемой мощности. Именно планетарную конструкцию выбрали для вертолетных редукторов — самых надежных редукторов в мире.
Планетарная схема имеет соосность входного и выходного вала, благодаря чему идеально сочетается с электродвигателями. Планетарные мотор-редукторы внешне выполнены также как и волновые с гибкой шестерней. Это компактная приставка к электродвигателю, обеспечивающая усиление крутящего момента в 10-50 раз. Основная сфера их применения — металлообрабатывающие станки, металлорежущее оборудование. Невозможность получения точных отливок из стали и чугуна требует больших затрат на механическую обработку на станках. В машиностроении основной тип используемого редуктора — планетарный.

Конические мотор-редукторы

Коническая одноступенчатая схема обеспечивает лишь очень небольшое передаточное число — 3-5 раз. Сфера применения этого типа мотор-редукторов очень узкая. Их можно применять только для привода высокоскоростных механизмов. При стандартной скорости вращение общепромышленных электродвигателей 1500-3000 об/мин замедление в 5 раз оказывается недостаточным, чтобы исправить этот недостаток, конический редуктор комбинируют с цилиндрическим.

Коническо-цилиндрические мотор редукторы

Это новая разработка очень оптимальной схемы для мотор-редуктора. Коническо-цилиндрические мотор-редукторы имеют очень большое передаточное число: 100-300 и более. Эти характеристики трудноосуществимы в планетарной схеме и возможны лишь для волновых передач. Преимущество коническо-цилиндрической многоступенчатой схемы перед волновой — большая надежность, так как в ней не используются гибкая шестерня, поэтому ее можно применять в постоянно работающих системах.
Основная компоновка коническо-цилиндрического редуктора такая же, как у цилиндрического: несколько передаточных ступеней расположены на параллельных валах. Отличие состоит в положении электродвигателя. Если в цилиндрическом мотор-редукторе он подсоединен к первичному валу и вынужден крепиться сбоку, то в коническо-цилиндрическом дополнительная коническая пара шестерен позволяет расположить двигатель параллельно корпусу. В результате конструкция получается компактной и удобной для крепления. Компоновка позволяет сэкономить почти 50% к ширине корпуса редуктора при таких же габаритах электродвигателя. В производственных условиях это может быть важным эксплуатационным качеством.

Классификация редукторов по видам передач и числу ступеней

Классификация мотор редукторов в зависимости от расположения осей входного и выходного валов в пространстве

Классификация мотор редукторов в зависимости от способа крепления

Способ крепления	Пример	Способ крепления	Пример
На приставных лапах или на плите (к потолку или стене):		Фланцем со стороны входного вала
На уровне плоскости основания корпуса редуктора;		Фланцем со стороны выходного вала
Над уровнем плоскости основания корпуса редуктора		Фланцем со стороны входного и выходного валов
		Насадкой

В особую группу выделены так называемые мини мотор-редукторы. Их задача — привод как промышленных, так и бытовых механизмов. Мини мотор-редукторы часто не несут большой нагрузки, поэтому могут выполняться с пластиковыми шестернями. Стальные шестерни всегда требуют обработки на зуборезном и токарном станке, так как получить высокую точность отливки невозможно. Себестоимость такой обработки для миниатюрных шестерен многократно превышает стоимость материала, поэтому в мини-редукторах используется латунь. Шестерни из латуни можно сразу отливать с очень высокой точностью (например, так было сделано в механических часах).

Среди мини мотор-редукторов особая группа — редукторы для привода клапанов, задвижек, промышленной автоматики, рулевых машин самолетов и вертолетов. От таких устройств требуется высочайшая надежность. От бесперебойности их работы зависит безопасность производств с тысячами рабочих мест. Корпус таких мотор-редукторов пломбируется, обслуживание и замена выполняется строго по графику с учетом каждого часа работы. Электродвигатель защищается по цепям питания по всем параметрам: перегрузка, перенапряжение, молниезащита.

Общие технические характеристики мотор редукторов

Вне зависимости от типа зубчатой передачи, функционального назначения, передаваемого крутящего момента и диапазона оборотов, мотор редукторы имеют общие технические характеристики. Рассмотрим их подробнее.

• Надежность. В характеристиках этот параметр указывается как количество часов работы. Для ДВС, многих станков, различного оборудования определен типовой срок работы до капремонта — 5000 часов. Для мотор-редуктора он больше и составляет 7-10 тыс часов. Особо высоким сроком службы отличаются цилиндрические мотор-редукторы малой и средней мощности. Там срок эксплуатации достигает до 10-25 тыс ч. У червячных мотор-редукторов ввиду низкого КПД червячной передачи срок службы — 7-10 тыс ч. Срок службы рассчитывается производителем для эксплуатации в условиях соблюдения температурного и нагрузочного режима и при своевременной замене масла в картере.
• Климатическое исполнение. Маркировка климатического исполнения обязательно указывается в техническом паспорте. Например «У2» означает, что редуктор может эксплуатировать в «У» умеренном климате в зоне «2» на открытом воздухе в не отапливаемом помещении но с обязательной защитой от атмосферных осадков. Выпускаются редукторы судового и тропического исполнения.
• Температурный диапазон эксплуатации. Определяется не только конструкцией самого редуктора, но и заливаемым маслом. При использовании зимних сортов составляет -40 +50 С.
• КПД. В техническом паспорте указывается необязательно. Наибольший КПД у цилиндрических и планетарных редукторов. Наименьший — у червячных и глобоидных.
• Частота вращения выходного вала. Для обычных редукторов указывается еще и допустимая частота вращения входного вала. В мотор-редукторах к входу подсоединен электродвигатель с оптимально подобранной частотой вращения, поэтому этот параметр при монтаже можно не учитывать.
• Характеристики питания электродвигателя. Оптимальна схема трехфазного безщеточного мотора с напряжением питания 380-400 вольт. Именно такие параметры имеет большинство общепромышленных электродвигателей. Для экономии энергии их можно подключать не напрямую к сети, а через частотный преобразователь.

Применение мотор-редукторов

В промышленном производстве самые большие механические мощности, передаваемые через редукторы, требуются в металлургии и металлообработке. Там используются все типы мотор-редукторов — планетарные, цилиндрические, коническо-цилиндрические. На производствах другого профиля активно применяют червячные редукторы. Они — отличный выбор для циклически работающих механизмов, например, грузоподъемных устройств на складах и в сборочных цехах любого профиля.
Дробильное оборудование комплектуется цилиндрическими редукторами. Ими же оснащаются энергетические объекты, например системы подачи и измельчения топлива в тепловых электростанциях. После сборки и регулировки зазоров мотор-редукторы окрашиваются сине-серой алкидной эмалью методом окунания. Может использоваться предварительное оцинкование, для получения максимально стойкой антикоррозийной защиты в климатическом исполнении У1, тропическом и судовом.

Типовое устройство мотор-редукторов

Типовая схема мотор-редуктора предполагает установку электродвигателя и всех шестерен в герметичном картере. После сборки картер заливается маслом на 1/3 часть, а на вращающихся внутренних элементах предусматривается устройство разбрызгивания. Если редуктор заливать маслом полностью, или на 2/3, то его КПД снизится, особенно на высоких оборотах из-за возникающего большого гидродинамического сопротивления.
Для картера редуктора используется конструкционный чугун. Когда нет жестких требований к массе редуктора, чугун показывает отличный результат, так как имеет очень низкую себестоимость производства. Высоко нагруженные приводы могут иметь корпуса из стали, который точно также как и чугунный изготавливается методом отливки. Так как ввиду высокой температуры плавления железа высокой точности отливок достичь невозможно, необходима последующая обработка подшипниковых гнезд на круглошлифовальном станке и стыков картера и крышки на плоскошлифовальном. Остальные части картера проходят лишь дробеструйную обработку непосредственно перед покраской. Также для корпусов применяются различные легкие сплавы.

Шестерни для мотор-редукторов

Для изготовления мотор-редукторов общепромышленной серии применяются только стальные шестерни. В мотор-редукторах для привода рулевых машин, клапанов, элементов систем безопасности и управления производственными процессами применяются латунные и пластиковые шестерни. Стальные в них сложно использовать из-за малых габаритных размеров таких редукторов.
Для шестерен разработана специальная легированная сталь, где легирующие компоненты подбирались, чтобы обеспечить стойкость к абразивному износу. Популярны легированные стали 40Ч, 45Х, 45ХН. Так как срок службы шестеренчатой передачи определяется твердостью и точностью изготовления зубьев, разработано множество технологий для их улучшения: поверхностная закалка токами ВЧ и лазером, азотирование, науглероживание поверхностного слоя, нитроцементация.

Подбор мотор-редуктора

Приводные системы рассчитываются на определенный диапазон нагрузок. Причем, учитывается не только верхнее значение (предельно допустимые параметры, после превышения которых возникает перегрузка), но и нижнее. Если этого требования не соблюдать и поставить слишком мощный редуктор с большим запасом прочности, то за каждый час эксплуатации будет идти перерасход энергии. Он многократно нивелирует большие сроки работы оборудования из-за избытка мощности. При подборе мотор-редуктора учитываются его основные параметры.

• Момент нагрузки на выходном валу.
• Частота вращения выходного вала.
• Мощность электродвигателя.
• Характеристики питания электродвигателя (пост. перемен. ток, низковольтное питание).
• Тих охлаждения электродвигателя: пассивное воздушное, или активное с вентилятором.
• Диаметр выходного вала.
• Габаритные характеристики: высота вала над поверхностью крепления.
• Климатическое исполнение.
• Режим работы: продолжительный, или повторно-кратковременный.
• Соотношение мощности на выходном валу и потребляемой энергии (показатель КПД).

Гостехназдор задает типовые нормы и правила эксплуатации редукторов в ответственных технологических процессах. Помимо общих правил выбора мотор-редукторов существуют еще правила по отрасли, например, для грузоподъемного оборудования разработан отдельный технических стандарт, предписывающий правила подбора мотор-редукторов для кранов, тельферов, кран-балок любой конструкции. Аналогичные стандарты предусмотрены для многих других областей, например, для систем подачи топлива на тепловых электростанциях.
Подбор мотор-редукторов отличается от подбора просто редукторов, так как помимо параметров зубчатой передачи учитываются характеристики электродвигателя. Далеко не все электродвигатели могут выдерживать продолжительное включение. Для повторно-кратковременного режима работы указывается процент времени работы/отключения двигателя. Например «ПВ25%», или «ПВ40%». Такая маркировка — пример правил Гостехнадзора, поэтому на мотор-редукторах импортного производства обозначения иные.
В неответственных технологических узлах, можно использовать мотор-редукторы с нечитаемой этикеткой, при условии проверки их технических параметров. Для оценки передачтоного числа требуется разборка и подсчет количества зубьев. Одновременно проверятся степень их износа, проводятся микрометричекие измерения зазоров в подшипниках, чтобы рассчитать срок до последующего технического обслуживания. Правильный подбор мотор-редуктора обеспечит длительную бесперебойную работу.