Основният принцип: Скоростта и въртящият момент са компромис

Всяка скоростна кутия на ВОМ – независимо дали увеличава скоростта или я намалява – се подчинява на един и същ управляващ закон на механиката: във всяка зъбна предавка, входящата мощност е равна на изходящата мощност минус загубите от триене. Мощността е произведение на въртящия момент и скоростта на въртене. Така че, когато скоростната кутия увеличи изходната скорост над входната скорост, тя трябва пропорционално да намали изходния въртящ момент. Обратно, когато намали изходната скорост под входната скорост, тя пропорционално увеличава изходния въртящ момент. Няма скоростна кутия, която да умножава едновременно скоростта и въртящия момент – законът за запазване на енергията го забранява.

Този принцип има дълбоки практически последици за всеки навесен към трактора инструмент. Скоростна кутия на ВОМ Това, от което се нуждае устройството, е да върти тежки ножове през гъста растителност и заровени отломки. Ножовете срещат внезапно, огромно съпротивление - скрит пън, камък, сплетение от телена ограда, заровено в храстите. Това, от което се нуждае устройството, е груба ротационна сила при умерена скорост. Редукторът на ВОМ осигурява точно това: той приема 540 или 1000 об/мин на ВОМ-а и го забавя до може би 200 или 300 об/мин, като същевременно умножава наличния въртящ момент по обратното на коефициента на намаляване на скоростта.

Хидравличното задвижване на помпата има обратното изискване. Вътрешните компоненти на помпата - зъбни колела, лопатки или бутала - са проектирани да работят ефективно при 1500 до 3000 оборота в минута. 540 оборота в минута на силоотводния вал са твърде бавни, за да завъртят помпата в проектната ѝ точка. Скоростната кутия с усилвател на оборотите на силоотводния вал увеличава скоростта на въртене с коефициент от 2 до 6, произвеждайки високите обороти, от които се нуждае помпата, като същевременно приема по-нисък изходен въртящ момент - което е приемливо, защото помпите генерират сила чрез хидравлично налягане, а не чрез механичен въртящ момент.

Вътре в редуктор на ВОМ: Механична архитектура

Повечето селскостопански редуктори на ВОМ използват конфигурация под прав ъгъл, изградена около спирално конусно зъбно колело. Входният вал, който се свързва с шийката на ВОМ-а на трактора чрез шлицова връзка, носи спирално конусно зъбно колело с малък диаметър. Това зъбно колело се зацепва със спирално конусно коронно зъбно колело с по-голям диаметър, монтирано на изходния вал, което излиза от скоростната кутия под ъгъл от 90 градуса спрямо входа. Съотношението между броя на зъбите на коронното зъбно колело и зъбното колело определя намаляването на скоростта - 12-зъбно зъбно колело, задвижващо 36-зъбно коронно зъбно колело, произвежда намаление 3:1, превръщайки входните 540 об/мин в изходни 180 об/мин, като същевременно утроява наличния въртящ момент.

Спиралните конусни зъбни колела са за предпочитане пред прави конусни зъбни колела по същата причина, поради която спиралните зъбни колела са за предпочитане пред цилиндричните зъбни колела при паралелни валове: ъгловият контакт на зъбите се разпространява постепенно по повърхността на зъбното колело, което води до по-плавно предаване на въртящия момент и значително по-нисък шум. В селскостопанска скоростна кутия, която може да работи хиляди часове през целия си живот, намаленото вибрационно натоварване от спиралните конусни зъбни колела също удължава живота на лагерите и корпуса в сравнение с правите конусни алтернативи.

Корпусът на редуктор с десен ъгъл трябва да изпълнява няколко неща едновременно. Той позиционира входните и изходните лагери с микронна прецизност, за да поддържа правилното подравняване на зъбното зацепване под натоварване. Той съдържа смазочната баня и насочва смазването чрез пръскане към горните лагери, които иначе биха останали на сухо. Той осигурява структурния монтажен интерфейс – обикновено четири или шест отвора за болтове във фланцева схема – който свързва скоростната кутия с рамата на машината. И трябва да абсорбира реакционния въртящ момент от зъбното зацепване, без да се отклонява достатъчно, за да наруши подравняването на лагерите.

Чугунът остава доминиращият материал за корпуси на селскостопански редуктори, тъй като предлага отлично амортизиране на вибрациите, добра топлопроводимост, прецизна лееемост за допустими отклонения в отворите на лагерите и естествена устойчивост на корозия в открити селскостопански среди. Алуминиевите корпуси се появяват при някои леки или високоскоростни приложения, предлагайки по-ниско тегло и по-добро разсейване на топлината на единица повърхност, но по-ниската твърдост на алуминия означава, че са необходими по-дебели стени, за да се постигне същата устойчивост на отклонение - частично неутрализирайки предимството в теглото при нивата на въртящ момент, типични за наземните инструменти.

Вътре в усилвател на скоростта на ВОМ: Обратен поток на мощност

Увеличителят на скоростта използва същите типове зъбни колела като редуктора - цилиндрични, спирални или планетарни - но обръща съотношението на потока на мощност. Голямото, бавно зъбно колело получава мощност от входа на ВОМ-а, а малкото, бързо зъбно колело доставя мощност към изхода. При спирална конструкция с паралелен вал, входът на ВОМ-а задвижва голямо спирално зъбно колело, което се зацепва с по-малко зъбно колело на изходния вал. Съотношението на зъбите е обърнато: където редукторът може да използва 48-зъбно зъбно колело, задвижващо 16-зъбно зъбно колело за увеличение на скоростта 3:1 (и съответно намаляване на въртящия момент 3:1).

Инженерните предизвикателства при ускорителите се различават от тези при редукторите по няколко важни начина. Първо, изходният вал се върти по-бързо от входния - често от два до шест пъти по-бързо. Това означава, че изходните лагери трябва да се справят с по-високи скорости, което увеличава центробежното натоварване върху търкалящите елементи, генерира повече топлина от срязване на смазката и изисква по-малки хлабини в лагерите. Лагер, номинално 2000 часа при 500 об/мин, може да издържи само 800 часа при 2500 об/мин при същите радиални и аксиални натоварвания, тъй като животът на лагера намалява с увеличаване на скоростта, съгласно добре установена обратна зависимост.

Второ, уплътнението на изходния вал трябва да работи при по-високи повърхностни скорости. При 3000 оборота в минута на вал с диаметър 40 мм, уплътнителната устна се плъзга по повърхността на вала с 6,3 метра в секунда. При тези скорости устната на уплътнението генерира значителна топлина от триене, която с течение на времето втвърдява еластомера и в крайна сметка води до теч от уплътнението. Високоскоростните уплътнения използват PTFE (тефлонови) материали за устни или лабиринтни уплътнения, за да намалят триенето и да удължат живота си – детайл, който отличава скоростните кутии с усилвател на оборотите от търговския клас от икономичните алтернативи.

Трето, изискванията за смазване се променят при по-високи скорости. Загубите от разбиване на маслото се увеличават с квадрата на скоростта на въртене, което означава, че зъбно колело, въртящо се с 3000 об/мин, генерира девет пъти повече загуби от разбиване на маслото от същото зъбно колело при 1000 об/мин. Увеличителите на скоростта компенсират, като използват по-ниски нива на маслото - точно толкова, колкото да потопят зъбите на долното зъбно колело - и разчитат на пръски и насочен поток масло от потопените зъбни колела за смазване на горните лагери. Някои планетарни увеличители на скоростта с високо предавателно число използват принудително смазване с вътрешна трохоидна помпа, задвижвана от зъбната предавка, за да се осигури адекватно подаване на масло към лагерите на слънчевото зъбно колело, които са разположени в центъра на въртящия се възел и получават минимално пръски в система, захранвана от гравитация.

Сравнение директно: Редуктор срещу Увеличител

Следната таблица обобщава основните инженерни и приложни разлики между редуктор на ВОМ и скоростна кутия с усилвател на оборотите на ВОМ. Използвайте я като помощно средство за бърз избор, когато задавате нова... селскостопанска скоростна кутия за проектиране или подмяна на прикачен инвентар.

Съответствие на приложението: Коя скоростна кутия за кое оборудване?

Изборът между ускорител и редуктор започва с един въпрос: необходимо ли е инвентарът изходният вал да се върти по-бавно или по-бързо от ВОМ-а? Отговорът е почти винаги очевиден, след като разберете какво изисква работният механизъм на инвентара.

Заземяващи инструменти → Редуктор

Всеки уред, чийто работен елемент е в контакт със земята, реколтата или отпадъците, се нуждае от висок въртящ момент, за да преодолее съпротивлението. Роторни машини, въртящи се през висока трева и фиданки, ротационни фрезерни машини, работещи през уплътнена почва, косачки с цепнатина, раздробяващи дървесна растителност, и машини за изкопаване на дупки, пробиващи глина - всички те се сблъскват с внезапни пикове на съпротивлението, които биха спрели високоскоростната работа с нисък въртящ момент. Редукторът абсорбира тези удари, като осигурява резерв от въртящ момент: умножителят на зъбните колела гарантира, че дори когато уредът срещне съпротивление далеч над постоянното си натоварване, ВОМ-ът и двигателят имат достатъчно механично предимство чрез скоростната кутия, за да поддържат въртенето на изходния вал.

В категорията на редукторите, специфичното предавателно число трябва да съответства на изискванията на машината. A скоростна кутия за ротационен нож обикновено използва предавателни числа между 1,47:1 и 1,92:1, произвеждайки изходни скорости от 280 до 367 об/мин от ВОМ с 540 об/мин. Скоростната кутия на кръгла балираща преса може да използва по-висока редукция (2,5:1 до 3:1), тъй като механизмът за формиране на бала се нуждае от много висок въртящ момент, за да компресира реколтата в стегнат цилиндричен пакет. Скоростната кутия на ротационен мотофрез използва умерена редукция (обикновено 1,6:1 до 2,5:1), която балансира скоростта на върха на острието за ефективно рязане на почвата с достатъчен въртящ момент за справяне с кореновата маса и скалистата почва.

Задвижвания на помпи и генератори → Увеличител на скоростта

Хидравличните помпи, центробежните водни помпи, въздушните компресори и генераторите, задвижвани от ВОМ, имат обща черта: техните вътрешни компоненти са проектирани за скорости на въртене, значително надвишаващи изходната мощност на ВОМ-а на трактора. Хидравличната помпа със зъбно колело произвежда незначителен дебит при 540 об/мин — вътрешните хлабини, които осигуряват адекватно уплътняване при 2000 об/мин, стават пропорционално големи при 540 об/мин, което позволява на по-голямата част от изместената течност да изтече обратно през върховете на зъбните колела. Работата на същата помпа с нейната проектна скорост от 2000+ об/мин чрез усилвател на скоростта елиминира тази загуба на ефективност и произвежда номиналния дебит.

Генераторите, задвижвани от ВОМ, представляват специален случай, при който изходната скорост трябва да съответства на фиксирана електрическа честота. На пазарите, използващи захранване от 50 Hz (по-голямата част от Азия, Европа, Океания), генераторът трябва да се върти точно с 1500 об/мин (за 4-полюсен алтернатор) или 3000 об/мин (за 2-полюсен алтернатор). ВОМ с 540 об/мин, задвижващ ускорител с коефициент 1:2,78, произвежда точно 1500 об/мин, но всяка промяна в скоростта на ВОМ се отразява директно на честотата на генератора, причинявайки колебания в напрежението. Качеството на ускорителя влияе пряко върху стабилността на електрическия изход в тези приложения: неравностите в зацепването на зъбните колела, биенето на лагерите и вибрациите на корпуса допринасят за пулсации на скоростта, които се превръщат в честотно трептене в електрическия изход.

Примери за обработени изчисления

Пример 1: Избор на редуктор за ротационен нож

72-инчов роторен нож изисква скорост на върха на острието от приблизително 68 м/с за ефективно рязане на смесени храсти с диаметър до 3 инча. Острието е с дължина 27 инча (0,686 м) от завъртането до върха. Скоростта на върха е равна на π × диаметър на ротора × об/мин ÷ 60. При работа назад: 68 = π × (0,686 × 2) × об/мин ÷ 60, следователно об/мин = 68 × 60 ÷ (π × 1,372) = 947 об/мин. Това е скоростта на ротора, необходима на върховете на острието. Тъй като изходният вал на скоростната кутия е свързан с носача на острието чрез директно задвижване (без междинен ремък или верига), изходният вал на скоростната кутия трябва да се върти с приблизително 947 об/мин.

Чакайте — 947 об/мин е по-високо от 540 об/мин при ВОМ. Означава ли това, че ви е необходим ускорител? Не. При повечето роторни резачки диаметърът на носача на острието е много по-малък от обхвата на острието от шарнирния болт до върха му. Носачът на острието (въртящият се диск) има диаметър приблизително 26 инча; размерът от 27 инча е собствената дължина на острието от шарнирния му болт до върха му. Скоростта на въртене на носача на острието, задвижвана от изхода на скоростната кутия, обикновено е от 300 до 400 об/мин. Високата скорост на върха на острието идва от дългото рамо на острието, а не от високите обороти на вала. Така че правилната скоростна кутия наистина е редуктор: 540 об/мин вход ÷ съотношение 1,5:1 = 360 об/мин изход, което води до желаната скорост на върха на острието, когато се комбинира с геометрията на острието. Този пример илюстрира защо разбирането на механичната конструкция на инструмента — не само на изискваната скорост — е от съществено значение за избора на правилния тип скоростна кутия.

Пример 2: Избор на ускорител за хидравлична помпа

Дърводелец, задвижван от ВОМ, използва зъбна помпа с обем 16 куб. см/оборота, номинална 2200 об/мин, работеща при 180 бара с предпазен клапан, настроен на 210 бара. Тракторът има ВОМ с 540 об/мин и мощност 35 к.с. (26,1 kW). Необходимо предавателно число на скоростната кутия: 2200 ÷ 540 = увеличение от 4,07:1. Изберете най-близкото търговско предавателно число над това: 1:4,5, което произвежда 540 × 4,5 = 2430 об/мин — в рамките на номиналния диапазон на скоростта на помпата, но не надвишаващо максимално допустимата ѝ скорост (обикновено от 10% до 15% над номиналната).

Теоретичен дебит: 16 куб.см/об × 2430 об/мин ÷ 1000 = 38,9 л/мин. Приложете обемна ефективност на 92%: действителен дебит 35,8 л/мин. Хидравлична мощност при облекчение: 35,8 × 210 ÷ 600 = 12,5 kW. Добавете загубите в скоростната кутия (5% за спирален ускорител): 12,5 ÷ 0,95 = 13,2 kW изисквана мощност на ВОМ. Това е 13,2 ÷ 26,1 = 50,6% налична мощност на ВОМ — в рамките на безопасния работен диапазон, оставяйки достатъчен запас за преходни претоварвания, когато разделящият клин срещне възел или напречно съпротивление на влакната.

Пет често срещани грешки при подбора и как да ги избегнем

След две десетилетия на специфициране на скоростни кутии за силоотводни системи за селскостопански и промишлени приложения, някои грешки се появяват многократно. Всяка една води до преждевременна повреда, лоша производителност или ненужни разходи.

Грешка 1: Избор на скоростна кутия само по конски сили. Конските сили са продукт на въртящия момент и скоростта. Скоростна кутия „с мощност 50 к.с.“ при предавателно число 1:3 се справя с напълно различен въртящ момент от същата скоростна кутия при предавателно число 1:1,5 — въртящият момент на изходния вал се удвоява, когато удвоите предавателното число за същата конска сила. Винаги проверявайте номиналния въртящ момент при конкретното предавателно число, което възнамерявате да използвате, а не пиковата конска сила на табелката с данни.

Грешка 2: Използване на ВОМ с 540 об/мин и ускорител на скоростта с високо предавателно число, когато е наличен ВОМ с 1000 об/мин. Както беше обсъдено в нашата статия за Карданен вал конфигурации, ВОМ с 540 об/мин предава двойно по-голям въртящ момент от ВОМ с 1000 об/мин за същото ниво на мощност. Увеличителят на скоростта с високо предавателно число на ВОМ с 540 об/мин концентрира изключителния въртящ момент върху входния шлиц и зъбите на първа степен на зъбно колело. Преминаването към ВОМ с 1000 об/мин с по-ниско предавателно число води до същата изходна скорост при половината от входящия въртящ момент, удължавайки живота на всеки компонент в задвижващия механизъм.

Грешка 3: Пренебрегване на работния цикъл. Скоростна кутия, номинално оценена за „50 к.с. с периодичен режим“, не може да поддържа 50 к.с. в продължение на 8 часа непрекъснато. Селскостопанските редуктори, задвижващи роторни резачки, работят в естествен периодичен цикъл — голямо натоварване по време на рязане, почти нулево натоварване по време на завои. Увеличителите на скоростта, задвижващи хидравличните помпи, работят непрекъснато при почти номинално натоварване. Уверете се, че номиналът на скоростната кутия съответства на работния цикъл на приложението: периодичен (S3), краткотраен (S2) или непрекъснат (S1).

Грешка 4: Пренебрегване на радиалното натоварване от монтажа на помпата. Когато тежка хидравлична помпа виси на изходния фланец на ускорител, теглото на помпата създава статично радиално натоварване върху изходния лагер - в допълнение към динамичното радиално натоварване от вътрешните сили на налягане на помпата. Каталозите на скоростни кутии, които посочват само номинални въртящи моменти, може да не отчитат това комбинирано радиално натоварване. Посочете устройство с изходни лагери, оценени както за изчисления въртящ момент, така и за комбинираните радиални натоварвания от теглото на помпата плюс хидравличните сили на реакция.

Грешка 5: Прекалено голям размер „за всеки случай“. Прекалено големият редуктор изглежда като консервативен избор, но той създава свои собствени проблеми. Скоростна кутия, работеща на 20% от номиналния си капацитет, генерира толкова малко вътрешна топлина, че влагата от конденз никога не се изпарява от маслото - скоростната кутия работи постоянно в състояние на „студено накисване“, което насърчава вътрешната корозия, особено върху прецизно шлифовани повърхности на зъбите на зъбните колела. Проблемът с кондензацията е най-лош в климат с висока влажност и големи температурни колебания между деня и нощта. Правилно оразмерена скоростна кутия, която работи на 50% до 75% от постоянния си капацитет, работи достатъчно топла, за да отстрани конденза, като същевременно поддържа комфортен запас от безопасност за пикови натоварвания.

Комбинирани агрегати: Скоростни кутии с двете функции

Някои селскостопански машини се нуждаят както от намаляване, така и от увеличаване на скоростта в рамките на една и съща машина. Самоходният силажокомбайн, например, използва редуктор, за да задвижва режещата глава с висок въртящ момент и ниска скорост, като едновременно с това използва усилвател на скоростта, за да задвижва хидравлична помпа, захранваща веригите за подаващ вал и въртене на чучура. Вместо да монтират две отделни скоростни кутии, някои производители на оригинално оборудване (OEM) определят комбиниран модул - един корпус с множество изходни валове, работещи с различни предавателни числа от общ вход.

Тези комбинирани устройства са по-сложни за производство, но предлагат значителни предимства по отношение на точността на центровка (всички валове са позиционирани чрез една и съща отливка) и компактността (няма външни скоби или съединители между отделните скоростни кутии). Скоростна кутия Ever-Power PTO Инженерният екип редовно проектира персонализирани комбинирани устройства за OEM клиенти, които се нуждаят от двете функции в един, компактно ефективен корпус — свържете се с нас да обсъдим изискванията за кандидатстване.

Когато оценявате дали даден комбиниран агрегат е подходящ за вашето приложение, вземете предвид топлинното взаимодействие между двата изходни пътя. Редукторният път с висок въртящ момент и ниска скорост генерира топлина предимно от триенето в зъбното зацепване, докато усилващият път с висока скорост генерира топлина от въртене и триене в лагерите. И двата източника на топлина затоплят споделения обем масло. Ако комбинираното генериране на топлина надвиши капацитета за разсейване на корпуса, споделеното масло прегрява - което потенциално може да влоши производителността и на двата изходни пътя едновременно. Правилният термичен анализ по време на фазата на проектиране гарантира, че площта на корпуса и обемът на маслото на комбинирания модул могат да се справят с общото топлинно натоварване при всички работни условия.

Често задавани въпроси

Редактор: Cxm