Основни принцип: Брзина и обртни момент су компромис

Сваки мењач са приводом за избацивање снаге — без обзира да ли повећава брзину или је смањује — поштује исти закон механике: у било ком систему зупчаника, улазна снага једнака је излазној снази минус губици трења. Снага је производ обртног момента и брзине ротације. Дакле, када мењач повећа излазну брзину изнад улазне брзине, мора пропорционално смањити излазни обртни момент. Супротно томе, када смањи излазну брзину испод улазне брзине, пропорционално повећава излазни обртни момент. Не постоји мењач који истовремено множи и брзину и обртни момент — закон очувања енергије то забрањује.

Овај принцип има дубоке практичне последице за сваки уређај који се монтира на трактор. А PTO мењач Опрема која шаље снагу ротационом секачу мора да окреће тешке ножеве кроз густу вегетацију и закопани отпад. Ножеви наилазе на изненадан, масиван отпор - скривени пањ, камен, сплет жичане ограде закопане у жбуњу. Оно што је потребно машини је груба ротациона сила при умереној брзини. Редуктор карданског вратила пружа управо то: он узима 540 или 1.000 обртаја у минути карданског вратила и успорава га на можда 200 или 300 обртаја у минути, док множи расположиви обртни момент инверзном вредности односа смањења брзине.

Хидраулични погон пумпе има супротан захтев. Унутрашње компоненте пумпе - зупчаници, лопатице или клипови - пројектовани су да ефикасно раде на 1.500 до 3.000 обртаја у минути. 540 обртаја у минути карданског вратила је превише споро да би се пумпа окретала у њеној пројектованој тачки. Мењач са повећањем брзине карданског вратила повећава брзину ротације за фактор од 2 до 6, производећи високе обртаје који су пумпи потребни, а истовремено прихвата нижи излазни обртни момент - што је прихватљиво јер пумпе генеришу силу кроз хидраулични притисак, а не механички обртни момент.

Унутар редуктора карданског вратила: Механичка архитектура

Већина пољопривредних редуктора са приводом кардана користи конфигурацију под правим углом изграђену око спиралног конусног зупчаника. Улазно вратило, које је повезано са крајем привода кардана трактора преко жлебљене спојнице, носи спирални конусни зупчаник малог пречника. Овај зупчаник се спаја са спиралним конусним крунским зупчаником већег пречника монтираним на излазном вратилу, које излази из мењача под углом од 90 степени у односу на улаз. Однос између броја зубаца на крунском зупчанику и зупчанику одређује смањење брзине — зупчаник са 12 зубаца који покреће крунски зупчаник са 36 зубаца производи смањење од 3:1, претварајући улазних 540 о/мин у излазних 180 о/мин, док утростручује расположиви обртни момент.

Спирални конусни зупчаници су пожељнији од правих конусних зупчаника из истог разлога због којег су спирални зупчаници пожељнији од цилиндричних зупчаника код паралелних вратила: контакт зубаца под углом постепено се креће преко површине зупчаника, што производи глаткији пренос обртног момента и значајно мању буку. У пољопривредном мењачу који може радити хиљадама сати током свог животног века, смањено вибрационо оптерећење од спиралних конусних зупчаника такође продужава век трајања лежајева и кућишта у поређењу са алтернативама са правим конусним зупчаницима.

Кућиште редуктора са правим углом мора истовремено да обавља неколико ствари. Оно позиционира улазне и излазне лежајеве са микронском прецизношћу како би се одржало исправно поравнање зупчастог захвата под оптерећењем. Садржи уље за подмазивање и усмерава подмазивање прскањем до горњих лежајева који би иначе остали на суво. Оно обезбеђује структурни спој за монтажу – обично четири или шест рупа за вијке у прирубничком облику – који повезује мењач са оквиром машине. Такође мора да апсорбује обртни момент из зупчастог захвата без довољног скретања да би се пореметило поравнање лежајева.

Ливено гвожђе остаје доминантан материјал за кућишта пољопривредних редуктора зупчаника јер нуди одлично пригушивање вибрација, добру топлотну проводљивост, прецизну ливљивост за толеранције отвора лежаја и природну отпорност на корозију у спољашњим пољопривредним окружењима. Алуминијумска кућишта се појављују код неких лаких или брзих примена, нудећи мању тежину и боље одвођење топлоте по јединици површине, али мања крутост алуминијума значи да су потребни дебљи зидови да би се постигла иста отпорност на скретање — делимично негирајући предност у тежини при нивоима обртног момента типичним за машине које се баце на тло.

Унутар повећача брзине прикључног вратила: Обрнути ток снаге

Повећавач брзине користи исте типове зупчаника као и редуктор — цилиндричне, спиралне или планетарне — али обрће однос протока снаге. Велики, спори зупчаник прима снагу са улаза привода за прикључак (PTO), а мали, брзи зупчаник испоручује снагу излазу. Код спиралног дизајна са паралелним вратилом, улаз привода за прикључак покреће велики спирални зупчаник који се спаја са мањим зупчаником на излазном вратилу. Однос броја зубаца је обрнут: где би редуктор могао да користи зупчаник са 48 зубаца који покреће зупчаник са 16 зубаца за повећање брзине од 3:1 (и одговарајуће смањење обртног момента од 3:1).

Инжењерски изазови код повећача брзине разликују се од оних код редуктора на неколико важних начина. Прво, излазно вратило се окреће брже од улазног — често два до шест пута брже. То значи да излазни лежајеви морају да поднесу веће брзине, што повећава центрифугално оптерећење котрљајућих елемената, генерише више топлоте од смицања мазива и захтева мање зазоре лежајева. Лежај који је предвиђен за 2.000 сати при 500 обртаја у минути може трајати само 800 сати при 2.500 обртаја у минути под истим радијалним и аксијалним оптерећењима, јер се век трајања лежаја смањује са повећањем брзине у складу са добро утврђеном инверзном пропорцијом.

Друго, заптивка излазног вратила мора да ради на већим површинским брзинама. При 3.000 обртаја у минути на вратилу пречника 40 мм, заптивна усна клизи по површини вратила брзином од 6,3 метра у секунди. При овим брзинама, заптивна усна ствара значајну топлоту трења, што временом стврдњава еластомер и на крају доводи до цурења заптивке. Брзе заптивке користе PTFE (тефлонске) материјале за усне или лавиринтске заптивке како би се смањило трење и продужио век трајања – детаљ који разликује комерцијалне мењаче са повећањем брзине прикључног вратила од економичних алтернатива.

Треће, захтеви за подмазивањем се мењају при већим брзинама. Губици услед мешања уља повећавају се са квадратом брзине ротације, што значи да зупчаник који се окреће на 3.000 о/мин генерише девет пута веће губитке услед мешања уља од истог зупчаника на 1.000 о/мин. Повећавачи брзине компензују то коришћењем нижих нивоа уља - довољно да потопе зубце доњег зупчаника - и ослањајући се на прскање и усмерени проток уља из потопљених зупчаника за подмазивање горњих лежајева. Неки планетарни повећачи брзине са високим преносним односом користе присилно подмазивање са унутрашњом трохоидном пумпом коју покреће зупчаник како би се осигурала адекватна испорука уља до лежајева сунчевог зупчаника, који се налазе у центру ротирајућег склопа и примају минимално прскање у систему са гравитационим напајањем.

Директно поређење: Редуктор наспрам Повећавача

Следећа табела сумира кључне инжењерске и применске разлике између редуктора са зупчаником привода кардана и мењача са повећањем брзине привода кардана. Користите је као брзу помоћ при избору приликом одређивања новог пољопривредни мењач за дизајн или замену машине.

Усклађивање примене: Који мењач за који уређај?

Избор између повећача брзине и редуктора почиње једним питањем: да ли је прикључку потребно да се излазно вратило окреће спорије или брже од приводног вратила? Одговор је скоро увек очигледан када схватите шта захтева радни механизам прикључка.

Прикључци за рад са земљом → Редуктор зупчаника

Сваком уређају чији радни елемент додирује земљу, усев или остатке потребан је висок обртни момент да би се превазишао отпор. Ротационе секаче које се окрећу кроз високу траву и младице, ротационе фрезе које се крећу кроз збијено земљиште, косилице са дробилицом које уситњавају дрвенасту вегетацију и копачи рупа које буше у глини - сви они наилазе на изненадне скокове отпора који би зауставили рад велике брзине са малим обртним моментом. Редуктор зупчаника апсорбује ове ударце обезбеђујући резерву обртног момента: мултипликатор зупчаника осигурава да чак и када уређај наиђе на отпор далеко изнад свог сталног оптерећења, прикључно вратило и мотор имају довољно механичке предности кроз мењач да би излазно вратило наставило да се окреће.

Унутар категорије редуктора зупчаника, специфични преносни однос мора одговарати захтевима машине. А мењач ротационог секача обично користи преносне односе између 1,47:1 и 1,92:1, производећи излазне брзине од 280 до 367 о/мин са прикључним вратилом од 540 о/мин. Мењач округле балирке може користити већу редукцију (2,5:1 до 3:1) јер механизму за формирање бале је потребан веома висок обртни момент да би компресовао усев у чврст цилиндрични пакет. Мењач ротационе фрезе користи умерену редукцију (обично 1,6:1 до 2,5:1) која уравнотежује брзину врха ножа за ефикасно сечење земљишта са довољним обртним моментом за руковање кореновом масом и каменитим земљиштем.

Погони пумпи и генератора → Повећавач брзине

Хидрауличне пумпе, центрифугалне водене пумпе, ваздушни компресори и генератори са приводним вратилом имају заједничку особину: њихове унутрашње компоненте су пројектоване за брзине ротације знатно изнад излазне снаге приводног вратила трактора. Хидраулична пумпа са зупчаником производи занемарљив проток на 540 обртаја у минути — унутрашњи зазори који обезбеђују адекватно заптивање на 2.000 обртаја у минути постају пропорционално велики на 540 обртаја у минути, омогућавајући да већина истиснуте течности цури назад преко врхова зупчаника. Рад исте пумпе при њеној пројектованој брзини од преко 2.000 обртаја у минути помоћу повећача брзине елиминише овај губитак ефикасности и производи номинални проток.

Генератори покретани приводом за прикључак представљају посебан случај где излазна брзина мора да одговара фиксној електричној фреквенцији. На тржиштима која користе напајање од 50 Hz (већи део Азије, Европе, Океаније), генератор се мора окретати тачно 1.500 обртаја у минути (за 4-полни алтернатор) или 3.000 обртаја у минути (за 2-полни алтернатор). Привод за прикључак од 540 обртаја у минути који покреће појачивач брзине од 1:2,78 производи тачно 1.500 обртаја у минути — али свака варијација брзине привода за прикључак директно се преноси на фреквенцију генератора, узрокујући флуктуације напона. Квалитет појачивача брзине директно утиче на стабилност електричног излаза у овим применама: неправилности у захвату зупчаника, истрошеност лежајева и вибрације кућишта доприносе пулсацији брзине која постаје фреквентно подрхтавање електричног излаза.

Примери обраде израчунавања

Пример 1: Избор редуктора за ротациони резач

Ротациони секач од 72 инча захтева брзину врха сечива од приближно 68 м/с за ефикасно сечење мешовитог жбуња пречника до 3 инча. Сечиво мери 27 инча (0,686 м) од осовине до врха. Брзина врха једнака је π × пречник ротора × обртаји у минути ÷ 60. Радећи уназад: 68 = π × (0,686 × 2) × обртаји у минути ÷ 60, тако да је обртаји у минути = 68 × 60 ÷ (π × 1,372) = 947 обртаја у минути. Ово је брзина ротора потребна на врховима сечива. Пошто је излазно вратило мењача повезано са носачем сечива преко директног погона (без средњег каиша или ланца), излазно вратило мењача мора се окретати брзином од приближно 947 обртаја у минути.

Чекајте — 947 обртаја у минути је више од прикључног вратила од 540 обртаја у минути. Да ли то значи да вам је потребан повећач брзине? Не. Код већине ротационих секача, пречник носача сечива је много мањи од домета сечива од осовине до врха. Носач сечива (ротирајући диск) има пречник од отприлике 26 инча; димензија од 27 инча је сопствена дужина сечива од његовог осовинског вијка до врха. Брзина ротације носача сечива, коју покреће излаз мењача, обично је 300 до 400 обртаја у минути. Велика брзина врха сечива долази од дугачке руке сечива, а не од високог броја обртаја вратила. Дакле, исправан мењач је заиста редуктор: 540 обртаја у минути на улазу ÷ однос 1,5:1 = 360 обртаја у минути на излазу, што производи жељену брзину врха сечива у комбинацији са геометријом сечива. Овај пример илуструје зашто је разумевање механичког распореда машине — не само његових захтева за брзином — неопходно за избор исправног типа мењача.

Пример 2: Избор појачивача брзине за хидрауличну пумпу

Цепач дрва са прикључним вратилом користи зупчасту пумпу од 16 цц/обртај, номиналних обртаја од 2.200 о/мин, која ради на 180 бара са преливним вентилом подешеним на 210 бара. Трактор има прикључно вратило од 540 о/мин и снаге 35 КС (26,1 kW). Потребан преносни однос мењача: 2.200 ÷ 540 = повећање од 4,07:1. Изаберите најближи комерцијални преносни однос изнад овог: 1:4,5, који производи 540 × 4,5 = 2.430 о/мин — унутар опсега номиналне брзине пумпе, али не прелазећи њену максималну дозвољену брзину (обично 10% до 15% изнад номиналне).

Теоретски проток: 16 цц/обр. × 2.430 обртаја у минути ÷ 1.000 = 38,9 л/мин. Примените волуметријски степен корисне ефикасности 92%: стварни проток 35,8 л/мин. Хидраулична снага при растерећењу: 35,8 × 210 ÷ 600 = 12,5 kW. Додајте губитке у мењачу (5% за спирални повећач брзине): 12,5 ÷ 0,95 = 13,2 kW потражња за приводним вратилом. Ово је 13,2 ÷ 26,1 = 50,6% расположиве снаге приводног вратила — у границама безбедног радног опсега, остављајући довољну маргину за пролазна преоптерећења када клин за цепање наиђе на чвор или попречни отпор зрна.

Пет уобичајених грешака при избору и како их избећи

Након две деценије спецификације мењача са прикључним одводом за пољопривредне и индустријске примене, одређене грешке се понављају стално. Свака од њих доводи до превременог квара, лоших перформанси или непотребних трошкова.

Грешка 1: Избор мењача само на основу снаге мотора. Снага је производ обртног момента и брзине. Мењач „номиналне снаге 50 КС“ у односу 1:3 рукује потпуно другачијим обртним моментом од истог мењача у односу 1:1,5 — обртни момент на излазном вратилу се удвостручује када удвостручите преносни однос за исту снагу. Увек проверите номинални обртни момент при одређеном односу који намеравате да користите, а не максималну снагу на натписној плочици.

Грешка 2: Коришћење прикључног вратила од 540 обртаја у минути са повећањем брзине са високим преносним односом када је доступно прикључно вратило од 1.000 обртаја у минути. Као што је објашњено у нашем чланку о Карданско вратило конфигурацијама, прикључно вратило од 540 о/мин преноси двоструко већи обртни момент од прикључног вратила од 1.000 о/мин за исти ниво снаге. Повећавач брзине са високим преносним односом на прикључном вратилу од 540 о/мин концентрише екстремни обртни момент на улазни зупчаник и зубце првог степена зупчаника. Прелазак на прикључно вратило од 1.000 о/мин са нижим преносним односом производи исту излазну брзину уз половину улазног обртног момента, продужавајући век трајања сваке компоненте погонског склопа.

Грешка 3: Игнорисање радног циклуса. Мењач са предвиђеним радом „50 КС са повременим радом“ не може континуирано да издржи 50 КС током 8 сати. Пољопривредни редуктори који покрећу ротационе секаче раде у природном повременом циклусу — велико оптерећење током пролаза сечења, готово нулто оптерећење током окретања. Повећавачи брзине који покрећу хидрауличне пумпе раде континуирано при скоро номиналном оптерећењу. Уверите се да рејтинг мењача одговара радном циклусу примене: повремени (S3), краткотрајни (S2) или континуирани (S1).

Грешка 4: Занемаривање радијалног оптерећења од монтаже пумпе. Када тешка хидраулична пумпа виси са излазне прирубнице појачивача брзине, тежина пумпе ствара статичко радијално оптерећење на излазном лежају — поред динамичког радијалног оптерећења од унутрашњих сила притиска пумпе. Каталози мењача који наводе само номиналне обртне моменте можда не узимају у обзир ово комбиновано радијално оптерећење. Наведите јединицу са излазним лежајевима оцењеним и за израчунати обртни момент и за комбинована радијална оптерећења од тежине пумпе плус хидрауличне реакционе силе.

Грешка 5: Превелика величина „за сваки случај“. Прекомерно димензионисани редуктор зупчаника делује као конзервативан избор, али ствара сопствене проблеме. Мењач који ради на 20% свог номиналног капацитета генерише тако мало унутрашње топлоте да влага од кондензације никада не испарава из уља — мењач стално ради у стању „хладног намакања“ које подстиче унутрашњу корозију, посебно на прецизно брушеним површинама зубаца зупчаника. Проблем кондензације је најгори у климатским условима са високом влажношћу и великим дневним и ноћним температурним разликама. Исправно димензионисани мењач који ради на 50% до 75% свог континуираног номиналног капацитета ради довољно топло да одстрани кондензацију, а истовремено одржава удобну сигурносну маргину за вршна оптерећења.

Комбиноване јединице: Мењачи са обе функције

Неким пољопривредним машинама је потребно и смањење и повећање брзине унутар исте машине. Самоходни комбајн за сичну бербу, на пример, користи редуктор зупчаника за погон главе секача при високом обртном моменту и малој брзини, док истовремено користи повећач брзине за погон хидрауличне пумпе која напаја кругове за увлачење ваљка и ротацију изливника. Уместо монтирања два одвојена мењача, неки произвођачи оригиналне опреме специфицирају комбиновану јединицу - једно кућиште са више излазних вратила која раде при различитим преносним односима са заједничког улаза.

Ове комбиноване јединице су сложеније за производњу, али нуде значајне предности у тачности поравнања (сва вратила су позиционирана истим одливком) и компактности (нема спољних носача или спојница између одвојених мењача). Ever-Power PTO мењач Инжењерски тим редовно дизајнира прилагођене комбиноване јединице за OEM купце којима су потребне обе функције у једном, просторно ефикасном пакету — контактирајте нас да разговарамо о вашим захтевима за пријаву.

Приликом процене да ли комбинована јединица одговара вашој примени, узмите у обзир термичку интеракцију између две излазне путање. Пут редуктора са великим обртним моментом и малом брзином генерише топлоту првенствено од трења у зупчанику, док пут повећања брзине генерише топлоту од мешања и трења лежајева. Оба извора топлоте загревају заједничку запремину уља. Ако комбинована генерација топлоте премаши капацитет дисипације кућишта, заједничко уље се прегрева — што потенцијално може довести до истовременог смањења перформанси на обе излазне путање. Правилна термичка анализа током фазе пројектовања осигурава да површина кућишта и запремина уља комбиноване јединице могу да поднесу укупно термичко оптерећење у свим радним условима.

Често постављана питања

Уредник: Cxm