Цепи зубчатые приводные
Цепи зубчатые приводные: конструкция, стандарты, применение и расчет
Цепь зубчатая приводная (также известная как зубчато-роликовая цепь, цепь с зубчатыми пластинами или, в англоязычной терминологии, «silent chain» – бесшумная цепь) – это специализированный тип приводной цепи, предназначенный для передачи механической мощности между параллельными валами. В отличие от стандартной роликовой цепи, передача усилия осуществляется не через зацепление ролика с зубом звездочки, а через взаимодействие профилированных зубьев пластин цепи с соответствующим профилем зубьев звездочки. Это обеспечивает высокоэффективную, плавную и относительно тихую передачу с минимальным проскальзыванием (положительная кинематическая передача).
Конструкция и основные компоненты
Конструкция зубчатой цепи представляет собой сборку из набора тонких стальных пластин, собранных в пакеты и соединенных общими соединительными элементами.
- Зубчатые пластины (ламели): Основной несущий элемент. Изготавливаются из высококачественной легированной стали (часто 50CrV4) с последующей закалкой. Каждая пластина имеет два рабочих профилированных зуба и два отверстия для штифтов. Пластины собираются в пакеты чередующимися рядами: направляющие (с выступом по центру) и рядовые (без выступа). Направляющие пластины фиксируют цепь на звездочке, предотвращая боковой сход.
- Соединительные элементы (штифты и втулки): Штифты, проходящие через отверстия в пластинах, служат осью вращения. Часто используются составные штифты: пустотелые втулки, запрессованные в отверстия направляющих пластин, через которые проходят соединительные штифты, удерживающие рядовые пластины. Пространство между втулкой и штифтом заполняется смазкой.
- Направляющие пластины: Имеют центральный выступ или паз, который входит в соответствующий паз на звездочке, обеспечивая боковую фиксацию цепи.
- Высокий КПД (до 98-99%) за счет минимального трения скольжения в зацеплении.
- Постоянство передаточного отношения, отсутствие пульсаций скорости.
- Высокая нагрузочная способность при компактных размерах (большая площадь контакта).
- Способность передавать высокие мощности на больших скоростях (до 40 м/с и более).
- Низкий уровень шума и вибрации при правильной эксплуатации.
- Относительно высокий срок службы благодаря равномерному распределению нагрузки.
- Минимальное требование к натяжению (по сравнению с клиновыми ремнями).
- Более высокая стоимость по сравнению с роликовыми цепями и ременными передачами.
- Повышенные требования к точности изготовления и монтажа (параллельность валов, соосность).
- Необходимость в качественной смазке и защите от абразивов.
- Большая масса по сравнению с полимерными ремнями.
- Чувствительность к перекосам валов.
- Турбогенераторы и вспомогательное оборудование ТЭС и АЭС: Приводы питательных насосов, дутьевых вентиляторов, дымососов, маслонасосов.
- Гидроэлектростанции: Приводы затворов, сороочистительных машин, систем технического водоснабжения.
- Промышленные редукторы и мультипликаторы: В качестве высокоскоростной ступени для увеличения частоты вращения.
- Нефтегазовая отрасль: Приводы насосов высокого давления, компрессоров газоперекачивающих станций.
- Судовые энергетические установки: Приводы генераторов, насосов, валоповоротных устройств.
- Определение исходных данных: Передаваемая мощность (P, кВт), частоты вращения ведущей (n1) и ведомой (n2) звездочек, условия работы (нагрузочный режим, расположение передачи, тип смазки).
- Выбор шага цепи: Чем меньше шаг, тем выше допустимая частота вращения и плавность хода. Для больших мощностей и умеренных скоростей выбирают цепи большего шага. Ориентируются по графикам зависимости мощности от частоты вращения для разных шагов.
- Определение числа зубьев звездочек: Число зубьев малой (ведущей) звездочки (z1) влияет на плавность и шум. Минимальное значение для зубчатых цепей – обычно 21-23 зуба. Рекомендуется выбирать нечетное число зубьев для равномерного износа. Число зубьев большой звездочки: z2 = z1
- u, где u – передаточное число.
- Расчет коэффициента эксплуатации (Ks): Ks = K1 K2 K3 K4 K5
- K6, где K1 – коэффициент динамичности нагрузки, K2 – коэффициент межосевого расстояния, K3 – коэффициент наклона передачи, K4 – коэффициент способа регулирования натяжения, K5 – коэффициент способа смазки, K6 – коэффициент режима работы (количество смен).
- Расчет расчетной мощности (Pр): Pр = P
- Ks.
- Выбор цепи по каталогу: По таблице мощности для выбранного шага и частоты n1 находят ширину цепи (количество рядов пластин), для которой допустимая мощность [P] ≥ Pр.
- Геометрический расчет: Определение межосевого расстояния (a), длины цепи в шагах (Lp), уточнение межосевого расстояния с учетом провисания.
- Проверочный расчет: Проверка давления в шарнирах, частоты ударов, статической прочности.
- Монтаж: Валы должны быть параллельны, звездочки соосны. Допустимый перекос – не более 0.25 мм на 1 м длины валов. Цепь соединяется с помощью специального соединительного звена. Натяжение должно обеспечивать провисание стрелы ведомой ветви f ≈ (0.01-0.02)
- a (межосевое расстояние).
- Смазка: Наиболее критичный фактор. Рекомендуется непрерывная циркуляционная смазка очищенным маслом (вязкость ISO VG 68-150 в зависимости от скорости и температуры). Для умеренных скоростей допустимо капельное смазывание или смазывание окунанием. Крайне не рекомендуется пластичная смазка.
- Техническое обслуживание: Регулярный контроль натяжения, состояния смазки, температуры цепи и подшипников. Визуальный осмотр на предмет износа пластин, трещин, повреждений. Контроль износа по увеличению шага цепи.
- a. Слишком сильное натяжение ведет к перегрузке подшипников валов и повышенному износу шарниров, слишком слабое – к возникновению резонансных колебаний и соударению пластин.
Принцип работы и кинематика
Передача мощности происходит за счет взаимодействия наклонной рабочей поверхности зуба пластины цепи с наклонной поверхностью зуба звездочки. В момент зацепления торец зуба звездочки входит во впадину между зубьями двух соседних пластин, создавая линейный контакт по всей рабочей поверхности. Этот контакт сохраняется на протяжении всей дуги зацепления, обеспечивая постоянное передаточное отношение (без полиэффекта, характерного для роликовых цепей). Каждая пластина входит в зацепление и выходит из него плавно, с минимальным ударным воздействием, что обуславливает низкий уровень шума и вибрации.
Классификация и стандарты
Основным международным стандартом, регламентирующим размеры и допуски зубчатых цепей, является ISO 606 (DIN 8196, ГОСТ 13552-81 – устаревший, но используемый). Стандарт определяет ряд типоразмеров.
| Обозначение цепи | Шаг цепи, p (мм) | Ширина направляющей пластины, b1 (мм) | Мин. ширина зуба звездочки, bs (мм) | Мин. разрушающая нагрузка, Q (кН) |
|---|---|---|---|---|
| 08B-1 | 12.70 | 11.20 | 11.3 | 17.8 |
| 10B-1 | 15.875 | 13.50 | 13.7 | 22.2 |
| 12B-1 | 19.05 | 17.75 | 18.0 | 28.9 |
| 16B-1 | 25.40 | 23.90 | 24.2 | 48.1 |
| 20B-1 | 31.75 | 29.10 | 29.4 | 76.9 |
| 24B-1 | 38.10 | 35.60 | 35.9 | 108.8 |
Также существуют специализированные стандарты для цепей с изогнутыми пластинами (ISO 10190) и цепи для систем ГРМ (ISO 18107).
Преимущества и недостатки по сравнению с другими типами передач
Преимущества:
Недостатки:
Области применения в энергетике и промышленности
Зубчатые цепи находят применение в ответственных узлах, где критичны надежность, плавность хода и передача больших мощностей.
Расчет и подбор зубчатой цепной передачи
Расчет проводится в соответствии с методиками, изложенными в стандартах и каталогах производителей (например, ISO 10823). Основные этапы:
Монтаж, смазка и техническое обслуживание
Правильный монтаж – залог долговечности передачи.
Диагностика неисправностей и отказов
| Признак/Неисправность | Возможная причина | Способ устранения |
|---|---|---|
| Повышенный износ пластин и штифтов | Недостаточная или загрязненная смазка, перегрузка. | Обеспечить качественную смазку, проверить расчет нагрузки. |
| Выкрашивание или сколы на зубьях пластин | Ударные нагрузки, усталость материала. | Проверить наличие заклиниваний, установить демпфер, заменить цепь. |
| Растяжение цепи сверх нормы | Естественный износ, работа без смазки. | Регулировать натяжение, при критичном износе – замена цепи и звездочек. |
| Шум, вибрация, рывки | Износ звездочек, несоосность валов, недостаточное натяжение. | Проверить соосность, натяжение, состояние звездочек. |
| Разрушение направляющих пластин | Боковой перекос, износ пазов на звездочке. | Устранить перекос, заменить звездочку. |
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем принципиально отличается зубчатая цепь от роликовой?
Роликовая цепь передает усилие через контакт ролика с зубом звездочки, что связано с трением качения со скольжением. Зубчатая цепь передает усилие через контакт профилированных поверхностей зуба пластины и зуба звездочки, что ближе к работе зубчатой передачи и обеспечивает постоянное передаточное отношение, большую площадь контакта и плавность.
Можно ли заменить роликовую цепь на зубчатую того же шага?
Нет, это невозможно. Профиль звездочек для этих цепей кардинально различается. Замена потребует установки новых, специально рассчитанных звездочек под зубчатую цепь.
Как определить критический износ цепи?
Основной показатель – относительное удлинение цепи. Для зубчатых цепей предельным считается удлинение на 2-3% от первоначальной длины (измеряется по контрольному межосевому расстоянию или с помощью специального калибра). Также признаками являются увеличение шума, появление «провалов» на звездочке, видимая деформация пластин.
Требуется ли совместная замена цепи и звездочек?
Да, рекомендуется. Изношенная цепь работает по профилю новой звездочки только частично, что ускоряет износ последней. Новая цепь на изношенной звездочке будет иметь неправильное зацепление, повышенный шум и сокращенный ресурс. Экономия на замене одного из элементов приводит к быстрому выходу из строя всей передачи.
Какая смазка является оптимальной?
Оптимальной является чистое минеральное или синтетическое масло для цепных передач (часто маркируются как «Chain Oil») с антиизносными и противозадирными присадками. Вязкость выбирается по скорости и температуре: для высокоскоростных передач – менее вязкое масло (ISO VG 32-46), для тихоходных и высоконагруженных – более вязкое (ISO VG 68-150).
Как правильно натянуть зубчатую цепь?
Натяжение должно создавать небольшое провисание ведомой ветви. Контроль осуществляется измерением стрелы провисания (f) в середине межосевого расстояния (a). Рекомендуемое значение f = (0.01 — 0.02)
Существуют ли зубчатые цепи для вертикальных передач?
Да, существуют. Однако в этом случае критически важна организация принудительной смазки под давлением, так как естественное стекание масла невозможно. Также требуется более тщательный контроль натяжения и установка направляющих или опорных полозьев для ведомой ветви, чтобы избежать соударений звеньев.