Зубчасті та черв’ячні передачі забезпечують передачу зусиль від приводу до рухомих елементів, таких як клапани, засувки чи заслінки. Однак, тертя, яке виникає в цих механізмах, може спричиняти значні втрати енергії та знижувати ефективність роботи всієї системи. Розглянемо основні причини втрат на тертя в зубчастих і черв’ячних передачах, їх вплив на роботу трубопровідної арматури, а також методи зниження втрат.
Види передач і характер тертя
Зубчасті передачі використовуються для передачі обертального руху між двома валами і зазвичай складаються із зубчастих коліс різного діаметра. Контакт між зубцями є джерелом тертя, яке виникає внаслідок ковзання і прокатування. Втрати на тертя в зубчастих передачах залежать від:
– Типу зубців (прямі, косі, шевронні).
– Якості обробки поверхонь зубців.
– Наявності та типу змазки.
– Відстані між зубцями та точності їх взаємного розташування.
Черв’ячні передачі складаються з черв’яка (гвинтового вала) і черв’ячного колеса, що дозволяє передавати рух під кутом 90°. Вони забезпечують значне передаточне число, що дозволяє змінювати швидкість і зусилля, але мають вищі втрати на тертя порівняно із зубчастими передачами через ковзання між контактними поверхнями. Основні фактори, що впливають на втрати на тертя в черв’ячних передачах:
– Геометрія черв’яка і черв’ячного колеса.
– Матеріал і якість поверхонь контакту.
– Змазування та тип мастила.
Облік втрат на тертя в зубчастій передачі зазвичай здійснюється за допомогою к.к.д., який визначається за формулою η = Мв / Мn І,
де Мв – момент на відомому валу;
Мn – момент на ведучому валу;
і – передавальне відношення зубчастої передачі.
Величина ККД зубчастої передачі як правило залежить від типу передачі, матеріалу зубчастих коліс, способу і якості обробки поверхонь зубів. В якості середніх величин можна прийняти для трубопровідної арматури дані значень ККД однієї пари зубчастих коліс, наведені в таблиці 1.
Таблиця 1 – Значення ККД однієї пари зубчастих коліс, що приймаються при розрахунку арматури
| Обробка зубів | Тип передачі | |
| Циліндрична з прямими зубами | Конічна з прямими зубами | |
| Зуби чавунні литі | Нові — 0,8; прироботані — 0,9 | Новые — 0,75; прироботані — 0,85 |
| Зуби фрезеровані | 0,96 | 0,95 |
| Зуби сталеві шліфовані | 0,97 | 0,96 |
При послідовній роботі декількох пар зубчастих коліс загальний к.к.д. передачі визначається з добутку η = η1 • η2 • η3 • …. • ηn,
де η – загальний к.к.д. всій передачі;
η1, η2, η3, …, ••• ηn – к.к.д. пар зубчастих коліс, що становлять передачу.
Коефіцієнт корисної дії (ККД) черв’ячної передачі визначається за формулою:
де:
- — коефіцієнт корисної дії передачі;
- α — кут підйому гвинтової лінії черв’яка (кут нахилу витка черв’яка);
- q — коефіцієнт тертя в черв’ячній передачі.
Пояснення формули
- Кут підйому гвинтової лінії α: Це кут, під яким витки черв’яка піднімаються по його поверхні. Вищий кут підйому означає більшу ефективність передачі, оскільки зменшується тертя ковзання.
- Коефіцієнт тертя q: Він залежить від матеріалів контактуючих поверхонь і якості змазування. Чим менше тертя, тим вище ККД передачі.
Альтернативна формула
Існує також спрощена формула для визначення ККД черв’ячної передачі:
де:
- β — кут нахилу черв’ячного колеса;
- μ — коефіцієнт тертя між черв’яком і колесом.
Коефіцієнт корисної дії черв’ячної передачі зазвичай нижчий, ніж у зубчастих передач, через високі втрати на тертя, особливо при недостатньому змазуванні або високих навантаженнях. Оптимізація конструкції та використання змазки з низьким коефіцієнтом тертя можуть суттєво підвищити ефективність черв’ячної передачі.
При підшипниках кочення приймають η0 = 0,99, при підшипниках ковзання η0 = 0,94. На мал. 1 (крива 1) показано зміна коефіцієнта тертя μ між сталевим загартованим шліфованим черв’яком і бронзовим колесом в залежності від швидкості ковзання.
Крива 2 показує коефіцієнт тертя між сталевим загартованим шліфованим черв’яком і черв’ячним колесом з древеснослоїстого пластика (ДСП).
Стосовно до умов роботи арматури отримано: для пари сталевий черв’як – бронзове черв’ячне колесо μ ≈ 0,08, для пари сталевий черв’як – черв’ячні колесо з ДСП μ ≈ 0,05.
Графік, що ілюструє коефіцієнт тертя та ефективність черв’ячних передач при різних швидкостях ковзання, готовий. Він включає криві для сталево-бронзової та сталево-ДСП передач, а також показує значення ефективності (η0\eta_0) для підшипників кочення та ковзання.
Причини втрат на тертя
Втрати на тертя в зубчастих і черв’ячних передачах виникають через декілька основних причин:
Механічне тертя: Коли зубці зубчастих передач або черв’як взаємодіють з колесом, відбувається як ковзання, так і прокатування. Тертя, що виникає при цьому, спричиняє втрати енергії у вигляді тепла. Особливо це стосується черв’ячних передач, де значна частина енергії витрачається на подолання тертя між гвинтом і колесом.
Недостатнє або невідповідне змазування: Якщо змазка не відповідає умовам роботи або її недостатньо, втрати на тертя значно зростають. Це може призвести до перегрівання передач, збільшення зносу і навіть виходу з ладу.
Неправильне регулювання або монтаж: Неправильна установка зубчастих коліс або черв’ячного механізму може призвести до перекосів або надмірного зазору, що збільшує тертя і знижує ефективність передачі зусиль.
Вплив втрат на тертя на роботу трубопровідної арматури
Зниження ефективності системи: Високі втрати на тертя призводять до збільшення енерговитрат, що знижує загальну ефективність системи. Це може вимагати застосування більш потужних приводів або призводити до додаткових витрат на обслуговування.
Знос і вихід з ладу компонентів: Постійне тертя сприяє зношуванню поверхонь контактуючих елементів. У зубчастих передачах це може призвести до зламу зубців, а в черв’ячних передачах — до зношування гвинта або колеса.
Перегрівання: Тепло, що виділяється через тертя, може підвищити температуру компонентів передачі. Перегрівання сприяє зміні властивостей матеріалів та змазки, що ще більше підвищує втрати на тертя і знижує довговічність передач.
Методи зниження втрат на тертя
Для зменшення втрат на тертя в зубчастих і черв’ячних передачах трубопровідної арматури використовують кілька методів:
Правильний вибір матеріалів: Використання матеріалів з низьким коефіцієнтом тертя, таких як бронза, спеціальні сталі або синтетичні композити, допомагає зменшити втрати на тертя. Нанесення покриттів з низьким тертям, таких як тефлон або графіт, також підвищує ефективність передач.
Змазування: Застосування відповідної змазки, яка відповідає умовам експлуатації (температура, тиск, швидкість обертання), дозволяє знизити втрати на тертя. Використання сучасних мастил з добавками, що зменшують тертя і підвищують стійкість до високих температур, особливо важливо для черв’ячних передач.
Оптимізація конструкції: Застосування оптимальної геометрії зубців (наприклад, косих або шевронних) дозволяє зменшити контактне тертя і підвищити плавність роботи. У черв’ячних передачах оптимізація кута нахилу черв’яка може зменшити втрати на тертя, особливо при високих навантаженнях.
Регулярне технічне обслуговування: Контроль і своєчасне регулювання зубчастих і черв’ячних передач допомагають підтримувати їх у робочому стані, знижуючи втрати на тертя. Регулярне очищення і заміна змазки сприяє зменшенню зносу і підвищенню ефективності.
Втрати на тертя в зубчастих і черв’ячних передачах можуть суттєво впливати на роботу трубопровідної арматури, але завдяки правильному вибору матеріалів, змазки та оптимізації конструкції, ці втрати можна звести до мінімуму. Регулярне обслуговування та контроль за станом передач забезпечують їхню надійність і тривалий термін служби, підвищуючи загальну ефективність трубопровідних систем.
