Как устроен поликлиновой ремень и как рассчитать передачу?

Поликлиновые ремни в ременной передаче

Сегодня мы рассмотрим еще один вид ременных передач, недостаточно подробно описанный в доступной конструкторам технической литературе. Это поликлиновые ремни (англ. термин "ribbed belt"). В бывшем СССР были разработаны ТУ 38 - 105763 - 89, регламентирующие размеры ремней и методики расчета. Однако, продукция зарубежных фирм, поставляющих поликлиновые ремни и шкивы для них, не всегда соответствует этим ТУ. Зарубежные производители следуют стандартам DIN 7867/ISO 9982.

На нашем рынке свою продукцию предлагают такие производители, как Megadyne (Италия).

Достоинства и преимущества

Поликлиновые ремни сочетают достоинства плоских ремней - монолитность и гибкость, и клиновых - повышенную силу сцепления со шкивами. Передачи с поликлиновыми ремнями имеют меньшие габариты, чем другие ременные передачи; большую нагрузочную способность (до 20 кВт на ребро!); высокие скоростные характеристики (до 60 м/с); позволяют реализовать большие передаточные отношения (до 40!); обеспечивают плавность вращения приводного механизма (прецизионные шпиндельные головки); допускают обратный изгиб, что позволяет компоновку с несколькими приводными шкивами; возможна передача с непараллельными валами (полуперекрестная); низкий шум; высокий КПД (до 98%). Как правило, ремни изготавливаются со следующими рабочими свойствами: маслостойкость; рабочий диапазон температур от -30°С до 80°C; озоностойкость; нечувствительность к погодным воздействиям.

Эти преимущества позволяют снизить стоимость привода, и, следовательно, повысить конкурентоспособность на рынке всей машины в целом. Поэтому поликлиновые ремни применяются в самых различных отраслях машиностроения. В качестве примера на рис. 1, а представлен привод сеялки зерна, а на рис. 1, б - привод стиральной машины.

Поликлиновой ремень состоит из следующих элементов (рис. 2): основы, несущего слоя и покрытия. Основа представляет собой ряд параллельных ребер V-образного сечения, расположенных вдоль ремня. Ребра обеспечивают фрикционное сцепление со шкивом и распределяют нагрузку по ширине ремня. Основа выполнена из имеющего полихлорпреновую основу эластомера, армированного поперечными волокнами.

Несущий слой состоит из высокопрочных композитных нитей, распределенных по ширине ремня. Нити имеют малое линейное удлинение и прочно сцеплены с основой. Это обеспечивает стабильность длины при больших растягивающих усилиях и позволяет передавать повышенные нагрузки.

Долговечное и гибкое покрытие обеспечивает защиту несущего слоя и позволяет применять для поликлиновой передачи натяжной ролик.

Зарубежные стандарты нормализуют пять сечений поликлиновых ремней (PH, PJ, PK, PL, PM), отечественные - три (К, Л, М). Приблизительное соответствие между ними следующее: К - PJ; Л - PL; М - PM. На рис. 3 и в таблице 1 представлены геометрические размеры ремней и шкивов. Число ребер изменяется в пределах от 3 до 20.

Таблица 1 Геометрические размеры поликлиновых ремней

Длины ремней следует выбирать из ряда стандартных размеров L, мм:

• сечение PH - 1140, 1219, 1260, 1580, 1600, 1653, 1845, 1874, 1890, 1915, 1930, 1951, 1980, 1992, 2404;
• сечение PJ - 356, 381, 406, 432, 457, 483, 508, 559, 584, 610, 660, 686, 711, 737, 762, 786, 813, 838, 864, 889, 914, 965, 991, 1016, 1054, 1092, 1143, 1168, 1194, 1219, 1245, 1270, 1295, 1321, 1372, 1397, 1461, 1473, 1549, 1600, 1626, 1651, 1702, 1753, 1778, 1854, 1930, 1956, 1981, 2019, 2083, 2210, 2286, 2337, 2489;
• сечение PK - 527, 630, 648, 698, 730, 755, 770, 810, 830, 880, 920, 960, 1000, 1035, 1130, 1205, 1280, 1314, 1397, 1420, 1460, 1480, 1520, 1549, 1610, 1645, 1725, 1843, 1885, 1980, 2031, 2080, 2164, 2236, 2550;
• сечение PL - 991, 1041, 1149, 1168, 1194, 1219, 1270, 1295, 1321, 1334, 1346, 1372, 1397, 1422, 1435, 1473, 1499, 1562, 1613, 1651, 1664, 1715, 1727, 1765, 1803, 1841, 1943, 1956, 1981, 2019, 2070, 2096, 2134, 2197, 2235, 2324, 2362, 2477, 2515, 2705, 2743, 2845, 2895, 2921, 2997, 3085, 3124, 3289, 3327, 3492, 3696, 4051, 4191, 4470, 4622, 5029, 5385, 6096;
• сечение PM - 2286, 2388, 2515, 2693, 2832, 2921, 3010, 3124, 3327, 3531, 3734, 4089, 4191, 4470, 4648, 5029, 5410, 6121, 6883, 7646, 8408, 9169, 9931, 10693, 12217, 13741, 15266, 16764.

Приведенные длины ремней следует уточнить у фирмы, поставляющей ремни. Как правило, имеется более широкая номенклатура ремней.

При заказе следует придерживаться следующей схемы обозначения: 6 - PJ - 1321, где 6 - число ребер; PJ - обозначение сечения; 1321 - длина ремня. В обозначение также могут быть добавлены специфичные для каждого производителя символы (усиленный корд, проверен на электропроводимость и т.д.)

На рис. 4 и в таблице 2 приведены геометрические размеры шкивов для поликлиновых ремней.

Таблица 2 Геометрические размеры шкивов

Минимальная ширина шкива b₂, мм в зависимости от числа ребер z определяется по формуле

Следует отметить, что сила сцепления поликлинового ремня с плоским шкивом при угле обхвата свыше 133° приблизительно равна силе сцепления со шкивом с канавками, а с увеличением угла обхвата становится выше. Поэтому для приводов с передаточным отношением свыше 3 и углом обхвата малого шкива от 120° до 150° можно применять плоский (без канавок) больший шкив.

Плоский шкив может иметь цилиндрическую или слегка выпуклую форму (бочкообразную) (рис. 5). Кривизна шкива не должна превышать 1 мм на 100 мм наружного диаметра. Рекомендуемые значения величины h, мм приведены в таблице 3. Ширина плоского шкива b_F, мм определяется по формуле

Таблица 3 Рекомендуемые значения кривизны h плоских шкивов

Исходными данными для расчета (рис. 6) являются: мощность двигателя P, кВт; число оборотов ведущего n₁ и ведомого n₂, мин^-1 шкивов; тип приводимого механизма; продолжительность суточной работы и ориентировочное межосевое расстояние a, мм.

Предварительный выбор сечения ремня в зависимости от передаваемой мощности P, скорректированной коэффициентом нагрузки c₂, и числа оборотов n₁ малого шкива производится по рис. 7. Коэффициент нагрузки c₂ имеет значения от 1,0 до 1,5 и учитывает влияние типа приводного двигателя и приводимого в движение органа машины. Условимся, что здесь и далее по тексту для определения входящих в формулы коэффициентов необходимо обратиться к справочным данным фирмы - производителя.

Во многих случаях по приведенным графикам можно выбрать ремни с разными сечениями для одной и той же передаваемой мощности. Настоятельно рекомендуем провести расчет всех возможных вариантов для выбора оптимального конструктивного решения. При этом следует иметь ввиду, что наиболее благоприятно поликлиновая передача работает при большем диаметре ведущего шкива. Однако, необходимо также учитывать допустимую окружную скорость для каждого сечения. По таблице 1 следует определить минимально допустимый диаметр шкива d_b, мм, для выбранного сечения. Рекомендуется принять диаметр малого шкива d_b1, мм несколько больший, чем минимальный. Затем необходимо вычислить передаточное отношение по формуле

где d_w, мм - расчетные диаметры шкивов. Определяем диаметр большего шкива d_b2, мм

При незаданном межосевом расстоянии a, мм следует назначить его, исходя из условия

По заданному межосевому расстоянию определяем ориентировочную длину поликлинового ремня и принимаем ближайшее стандартное значение.

Уточняем межосевое расстояние, воспользовавшись формулой

Необходимо предусмотреть пространство x, мм для натяжения ремня в процессе эксплуатации и для надевания ремня на шкивы y, мм. Межосевое расстояние при этом изменится на величины

для ремней длиной до 700 мм, и

для ремней длиной свыше 700 мм. В приведенных формулах h_f, мм - коэффициент высоты сечения, определяемый по таблице 4.

Таблица 4 Коэффициент высоты h_f

Угол обхвата β, ° малого шкива

Определяем по справочным данным фирмы - производителя коэффициент c₁, учитывающий влияние угла β. Окружная скорость V, м/с вычисляется по формуле

Окружная скорость не должна превышать допустимого значения для выбранного сечения. Затем вычисляем частоту изгиба ремня f_s, с^-1, по формуле

где k - число шкивов. По справочным данным фирмы - производителя определяем коэффициент длины c₃, который учитывает частоту изгиба ветвей ремня в зависимости от его длины. В каталогах производителей приведены таблицы рейтинговых мощностей P_R, кВт в зависимости от диаметра d_b1 малого шкива и числа его оборотов n₁, мин^-1 для различных сечений поликлинового ремня. Число ребер z, а, следовательно, и ширина ремня b определяется из условия

Число ребер z округляется до ближайшего большего целого значения. Усилие натяжения ремня F_v, Н определяет эффективность и срок службы ременной передачи. Недостаточное усилие натяжения снижает величину передаваемой мощности, уменьшает КПД передачи, может привести к сползанию ремня и его преждевременному повреждению. Чрезмерное усилие создает высокое поверхностное давление на ремень, увеличивает изгибающие напряжения, повышает усилие на валах и их опорах, и, в результате, может привести к разрыву ремня или выходу из строя подшипников. Поэтому контролю над величиной предварительного натяжения ремня придается очень большое значение (к сожалению, не в практике отечественного машиностроения). Для поликлиновых ремней рекомендуемое значение F_v определяется формулой

где

, Н - тяговое усилие; k₁ - коэффициент, учитывающий характер нагрузки (таблица 5); k₂ - коэффициент, учитывающий влияние центробежных сил (таблица 6).

Таблица 5 Коэффициент k₁, учитывающий характер нагрузки

Таблица 6 Центробежный коэффициент k₂

Проверка силы предварительного натяжения ремня может быть осуществлена при помощи измерения прогиба одной из ветвей ремня (рис. 8). К ней прикладывается тестовая сила F_e, Н, и измеряется прогиб t_e, мм. Величина тестовой силы F_e, отнесенная к одному ребру, определяется по таблице 7.

Таблица 7 Тестовая сила, отнесенная к одному ребру

Потребная сила натяжения F, Н, отнесенная к одному ребру, определяется формулой

По рис. 9 и 10 определяется значение величины

, где

, мм - свободная длина ремня. Из этого соотношения определяется потребный прогиб t_e, мм.

Расчет передачи с плоским большим шкивом аналогичен расчету, описанному выше. При этом следует пользоваться скорректированным коэффициентом c_1F, определяемым по справочным данным фирмы - производителя, а также учесть смещение расчетного диаметра на большем шкиве (рис. 11).

Поэтому в расчете необходимо принять значение диаметра большего шкива d_b2, мм

Величина K_F приведена в таблице 8.

Таблица 8 Размеры плоского шкива

Высокая гибкость поликлиновых ремней позволяет проектировать приводы с фиксированным межосевым расстоянием между валами и натяжным или обратным натяжным роликом. Применение систем с пружинами, демпфирующими узлами или гидравлическим натяжением позволяет выдерживать приводу хорошие характеристики даже при переменных нагрузках. Холостые шкивы должны иметь достаточно большой диаметр. В таблице 9 приведены их минимальные размеры. Желательно располагать ролики на ведомой ветви ремня. В приводах с возможной вибрацией ролики рекомендуется выполнять с фланцами для предотвращения соскальзывания ремня.

Таблица 9 Минимальный диаметр натяжного ролика, мм

Натяжной ролик действует внутри ремня и уменьшает угол обхвата шкива. Поэтому необходимо располагать их вблизи большого шкива. Холостой шкив такого ролика должен иметь соответствующий ремню профиль. Обратный натяжной ролик действует с задней стороны ремня и увеличивает угол обхвата на шкивах. Применение такого ролика рекомендуется для приводов с большим передаточным отношением и малым межосевым расстоянием. Ролик располагают на ведомой ветви ремня возле малого шкива. При этом холостой шкив может быть плоским и цилиндрическим. Гибкость поликлиновых ремней и прочность допускает изгиб ремня в различных направлениях. Это позволяет проектировать приводы с большим числом ведомых шкивов и малыми диаметрами шкивов (рис. 9), и, следовательно, выполнять узлы машин компактными. При этом следует иметь ввиду, что обратная сторона ремня также может использоваться для передачи вращения.

Как уже упоминалось выше, поликлиновые ремни могут быть использованы при непараллельных валах. При этом не требуются специальные шкивы. Поликлиновые ремни применяются в полуперекрестных передачах с обратным натяжным роликом или без него. Полуперекрестная передача с обратным натяжным роликом (рис. 13, а) позволяет получить передачу между непараллельными валами с большим передаточным отношением при малом межосевом расстоянии. При этом не требуются дополнительные зубчатые передачи или паразитные валы. Также возможно выполнить реверсивную передачу при соответствующей конструкции обратного натяжного ролика. Полуперекрестная передача без натяжного ролика (рис. 13, б) не допускает реверса.

Работа поликлиновых ремней (как впрочем, и других) в большой степени зависит от применяемых в передаче шкивов. Шкивы изготовляют из материалов, широко применяемых в современном машиностроении: стали, серого чугуна, алюминиевых сплавов. Необходимо отметить, что все крупные производители ремней предлагают к продаже и готовые шкивы. Потребителю остается только обработать отверстие под вал. Имеющиеся в наличии типоразмеры шкивов можно узнать у дистрибьюторов. В таблице 1 приведены минимальные диаметры d_b шкивов для поликлиновых ремней различного сечения. Применение шкивов меньшего диаметра уменьшает срок службы передачи. Увеличение диаметра положительно сказывается на работоспособности ремня. Однако, при этом следует иметь ввиду увеличение окружной скорости ремня и габаритов передачи. К точности изготовления, отклонениям и шероховатости шкивов предъявляются достаточно высокие требования. В таблицах 10 и 11 приведены допустимые отклонения размеров шкивов. Шероховатость поверхности должна быть не выше Rz 16 мкм. Более грубая шероховатость приводит к сокращению срока службы ремня.

Таблица 10 Допустимые отклонения наружного диаметра шкивов

Таблица 11 Допустимое радиальное биение наружного диаметра шкивов

При установке шкивы должны быть выставлены параллельно и выровнены по осям канавок. При неправильно установленных валах возможно сползание ремня, "перепрыгивание" ребер, быстрый износ ремня и повышенный шум. Возможные виды смещения шкивов представлены на рис. 14: осевое смещение (случай 1), непараллельность осей (случай 2), непараллельность плоскостей вращения шкивов (случай 3). Все виды смещения должны быть устранены при установке.

Шкивы следует содержать в чистоте и следить за отсутствием задиров на поверхности. Не допускаются к дальнейшей эксплуатации поврежденные шкивы: имеющие износ, искривление формы или коррозию. Для установки ремня на шкивы не допускается использовать рычаги или излишнюю силу. Это может привести к внешне незаметному повреждению несущего корда и ребер, что отрицательно скажется на сроке службы ремня. Необходимо также эксплуатировать ремень с только рекомендуемым значением силы натяжения. При вводе привода в работу натяжение ремня следует проверить после 30 минут работы при полной нагрузке. Конструкция привода должна предусматривать защиту от попадания под ремень инородных материалов: камней, металлических изделий, клейких материалов (смолы и т.д.). Необходимо предотвратить попадание на ремень брызг масла или других химических веществ. Постоянное воздействие подобных веществ может привести к структурным изменениям в материале ремня.

Особенности оформления заявки

Приведенные в статье рекомендации и методика расчета служат для предварительного выбора типоразмера ремня. Зарубежные фирмы, действующие на российском рынке через своих представителей, при заказе предлагают заполнить опросный лист. Это позволяет производителю получить полную информацию об условиях работы вашего привода. По этим данным они производят расчет ремня, а результаты высылают заказчику. Такой сервис позволяет избежать ошибок при покупке ремня.

Офис фирмы находится в городе Смоленск, Россия, работаем со всеми организациями и компаниями из всех регионов России. У нас быстрая и несложная доставка транспортными компаниями.