Приводные цепи

Приводные цепи: классификация, конструкция, расчет и применение в промышленных системах

Приводная цепь представляет собой гибкое звено, состоящее из последовательно соединенных шарнирных звеньев, предназначенное для передачи механической энергии между двумя или более параллельными валами. Основное функциональное назначение – передача крутящего момента и преобразование вращательного движения в поступательное или наоборот, с постоянным или переменным передаточным отношением. В отличие от ременных передач, цепные передачи работают по принципу зацепления, а не трения, что исключает проскальзывание и обеспечивает постоянство передаточного числа.

Классификация приводных цепей

Приводные цепи классифицируются по конструкции шарнира, типу звена и функциональному назначению. Правильный выбор типа цепи является основой для надежной и долговечной работы передачи.

1. Роликовые цепи (по ГОСТ 13568-97, ISO 606)

Наиболее распространенный тип. Состоят из внешних и внутренних пластин, валиков, втулок и роликов. Ролик, свободно вращающийся на втулке, служит для уменьшения износа зубьев звездочки и самого шарнира. Основные параметры – шаг (расстояние между осями соседних валиков) и ширина. Существуют одно-, двух-, трех- и четырехрядные исполнения для увеличения нагрузочной способности.

2. Втулочные цепи (по ГОСТ 13568-97)

Конструктивно аналогичны роликовым, но не имеют ролика. Втулка жестко запрессована во внутренние пластины. Обладают меньшей массой и стоимостью, применяются при сравнительно низких скоростях и в условиях, где ролик не требуется (например, в конвейерных системах с грузонесущими полками).

3. Зубчатые (бесшумные) цепи (по ГОСТ 13552-81)

Состоят из набора зубчатых пластин сложного профиля, собранных на валиках. Пластины входят в зацепление с зубьями звездочки по принципу зубчатой передачи, что обеспечивает плавный, почти бесшумный ход и высокие скоростные характеристики (до 40 м/с). Обладают высокой жесткостью и точностью позиционирования.

4. Фасоннозвенные (крючковые) цепи

Изготавливаются методом литья или штамповки из одного изогнутого звена особой формы, которые соединяются между собой без дополнительных деталей. Отличаются простотой монтажа и ремонта (размыкаются без инструмента), но имеют низкую нагрузочную способность и применяются в тихоходных приводах сельхозтехники, норий.

5. Специальные цепи

К ним относятся цепи с износостойкими покрытиями (никелирование, оксидирование), повышенной прочности (упрочненные пластины, термически обработанные детали), для работы в агрессивных средах (из нержавеющей стали), а также разборные (с замком) и облегченные.

Конструктивные элементы и материалы

Качество и долговечность цепи определяются материалами и технологией изготовления ее компонентов.

• Пластины: Изготавливаются из высококачественных стальных марок (например, 50, 40Х) методом штамповки с последующей термообработкой (закалка и отпуск) для достижения высокой прочности и усталостной выносливости.
• Валики и втулки: Производятся из цементируемых сталей (15Х, 20Х). Их поверхность подвергается цементации и закалке для получения твердой износостойкой поверхности и вязкой сердцевины.
• Ролики: Изготавливаются из аналогичных сталей, часто с последующей объемной закалкой. В прецизионных цепях ролики могут подвергаться шлифовке.
• Смазка: Внутренняя смазка шарнира (масло или консистентная смазка) на этапе сборки критически важна для начального периода работы и для цепей, работающих в условиях, где внешняя смазка затруднена.

Основные параметры и геометрия

Ключевые параметры стандартизированы и определяют совместимость цепи со звездочками.

• Шаг цепи (p): Основной размер, расстояние между центрами двух соседних валиков.
• Внутренняя ширина (b1): Расстояние между внутренними пластинами, определяющее совместимость с толщиной зуба звездочки.
• Диаметр ролика (d1): Внешний диаметр ролика (втулки).
• Диаметр валика (d2): Диаметр валика, на котором вращается втулка.
• Разрушающая нагрузка (Q): Минимальная статическая нагрузка, при которой цепь разрушается в испытаниях.
• Длина цепи: Измеряется в звеньях. Для соединения нечетного числа звеньев используется специальное переходное (изогнутое) звено.

Таблица 1. Основные параметры стандартных роликовых цепей (выдержка по ГОСТ 13568-97)

Обозначение цепи	Шаг p, мм	Внутренняя ширина b1, мм	Диаметр ролика d1, мм	Диаметр валика d2, мм	Разрушающая нагрузка Q min, кН (однорядная)
ПР-12,7-18,2-1	12,70	7,75	7,95	3,66	18,2
ПР-19,05-31,8-1	19,05	12,57	11,91	5,08	31,8
ПР-25,4-60,0-1	25,40	15,75	15,88	7,94	60,0
ПР-31,75-88,5-1	31,75	19,05	19,05	9,53	88,5

Расчет цепной передачи

Проектировочный расчет цепной передачи направлен на выбор типоразмера цепи, обеспечивающего требуемый ресурс при заданных нагрузках и условиях эксплуатации.

Исходные данные:

• Передаваемая мощность (P), кВт.
• Частота вращения ведущей (малой) звездочки (n1), об/мин.
• Передаточное число (u).
• Условия работы (нагрузочный режим, расположение передачи, способ смазки).

Основные этапы расчета:

1. Определение расчетной мощности: Pрасч = P
2. Кэ, где Кэ – коэффициент эксплуатации, учитывающий динамичность нагрузки, способ смазки, наклон линии центров, режим работы (непрерывный, сменный).
3. Предварительный выбор шага цепи: По частоте вращения n1 и расчетной мощности по таблицам номограмм производителя или ГОСТ выбирается оптимальный шаг. Меньший шаг обеспечивает более плавный ход и меньший шум, но для передачи той же мощности потребуется многорядная или более широкая цепь.
4. Определение числа зубьев звездочек: Число зубьев малой звездочки z1 выбирается из условия обеспечения плавности хода и минимального износа (рекомендуется z1_min = 17-19 для роликовых цепей). Число зубьев большой звездочки: z2 = z1
5. u (округленное до целого).
6. Определение межосевого расстояния (a): Оптимальное межосевое расстояние a = (30…50)p. Окончательно оно уточняется после выбора длины цепи.
7. Расчет длины цепи в шагах (Lp) и окончательное межосевое расстояние: Длина рассчитывается по формуле, аналогичной формуле для ремня, но результат округляется до ближайшего целого ЧЕТНОГО числа. После этого уточняется фактическое межосевое расстояние.
8. Проверка по частоте ударов и давлению в шарнирах: Рассчитывается частота соударений звеньев со звездочкой и удельное давление в шарнире. Полученные значения должны быть ниже допустимых, указанных в стандартах.
9. Определение нагрузок на валы: Усилие в цепи (окружное) увеличивается на 10-20% для учета динамической составляющей и массы цепи: Fв = 1.15
10. Ft, где Ft – окружное усилие.

Монтаж, эксплуатация и обслуживание

Надежность цепной передачи на 50% зависит от правильности монтажа и обслуживания.

Монтаж:

• Валы звездочек должны быть строго параллельны, а звездочки соосны.
• Провисание ведомой ветви цепи должно регулироваться смещением одной из осей или применением натяжных устройств (звездочек, роликов). Норма провисания – 2-4% от межосевого расстояния.
• Соединение цепи должно производиться с помощью специального соединительного звена. Использование шплинта или стопорного кольца обязательно.
• Запрещается натягивать цепь как ремень – небольшое провисание обязательно.

Смазка:

Является решающим фактором для срока службы. Различают способы:

• Внутренняя (капельная): Подача масла каплеуловителем или капельным масленком на нижнюю ветвь цепи изнутри.
• Ванночная: Погружение нижней части цепи в масляную ванну.
• Циркуляционная (струйная): Принудительная подача масла под давлением на внутреннюю поверхность цепи. Наиболее эффективный метод для высокоскоростных и высоконагруженных передач.
• Пластичные смазки: Применяются редко, только для тихоходных передач, где невозможна организация жидкой смазки. Требуют регулярного пополнения.

Основные причины выхода из строя:

1. Износ шарниров: Естественный процесс, приводящий к удлинению цепи. Критическим считается удлинение на 3% от первоначальной длины. Удлинение приводит к нарушению зацепления, шуму и соскакиванию цепи.
2. Усталостное разрушение пластин: Происходит при циклических нагрузках выше расчетных.
3. Разрушение валиков и втулок: Следствие перегрузок или ударных нагрузок.
4. Коррозия и абразивный износ: Работа в агрессивных или запыленных средах без соответствующих защитных мер.

Области применения в энергетике и промышленности

Приводные цепи являются критически важным компонентом в различных отраслях:

• Энергетическое машиностроение: Приводы механизмов собственных нужд электростанций (топливоподача, золоудаление), вспомогательные механизмы турбин и насосов.
• Нефтегазовая отрасль: Приводы буровых установок, насосных агрегатов, цепные тали.
• Горнодобывающая промышленность: Конвейеры, элеваторы, дробильное оборудование, где требуются высокие тяговые усилия.
• Общее машиностроение: Станки, прессы, транспортные системы, упаковочное оборудование.
• Сельскохозяйственная техника: Комбайны, косилки, приводы рабочих органов.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Как отличить качественную цепь от некачественной при визуальном осмотре?

Качественная цепь имеет четкую маркировку на пластинах (шаг, стандарт, производитель). Поверхности деталей без заусенцев и следов коррозии. Пластины должны быть одинаковыми, без перекосов. Шарниры должны двигаться плавно, без заеданий, но с ощутимым радиальным натягом (люфт недопустим). Наличие заводской консервационной смазки – хороший признак.

2. Можно ли соединять цепи разных производителей, но с одинаковым шагом?

Категорически не рекомендуется. Несмотря на соответствие одному стандарту, допуски на геометрические параметры (толщина пластин, диаметр валика) у разных производителей могут отличаться. Это приводит к неравномерному распределению нагрузки, ускоренному износу и преждевременному выходу из строя всей передачи.

3. Что важнее для долговечности: материал цепи или система смазки?

Оба фактора критичны, но при прочих равных условиях система смазки является определяющей. Цепь из самой лучшей стали, работающая без смазки, выйдет из строя в десятки раз быстрее, чем цепь среднего качества с идеально организованной циркуляционной смазкой. Смазка предотвращает прямой контакт металла о металл в шарнире, отводит тепло и вымывает продукты износа.

4. Как правильно определить момент замены цепи?

Основной критерий – удлинение. Измерьте длину 10 или 20 звеньев в натянутом состоянии (без нагрузки). Сравните с номинальной длиной (шаг

• количество звеньев). Если фактическая длина превышает номинальную более чем на 1.5-2% (для точных передач) или 3% (для общих случаев), цепь подлежит замене. Дополнительные признаки: повышенный шум, «подскакивание» цепи на звездочке, видимая деформация пластин или роликов.

5. Почему цепь соскакивает со звездочек даже при нормальном натяжении?

Основные причины: непараллельность валов, износ зубьев звездочки (профиль становится крючкообразным), чрезмерное удлинение цепи (износ шарниров), повреждение одного или нескольких звеньев (пластины погнуты). Необходимо проверить геометрию передачи и состояние звездочек. Зачастую замены только цепи недостаточно, изношенные звездочки также должны быть заменены.

6. Каковы преимущества и недостатки цепной передачи по сравнению с ременной и зубчато-ременной?

Заключение

Приводные цепи остаются незаменимым элементом в арсенале инженера-механика там, где требуется надежная, компактная и эффективная передача значительных мощностей на сравнительно большие расстояния с постоянным передаточным отношением. Грамотный выбор типоразмера на основе корректного расчета, соблюдение правил монтажа и, что наиболее важно, организация бесперебойной системы смазки – три кита, на которых держится долговечность и безотказность цепного привода. Понимание причин износа и методов диагностики позволяет своевременно проводить техническое обслуживание, предотвращая внеплановые остановки оборудования и связанные с ними экономические потери.