Введение

Метод соединения двух вращающихся валов или шкивов

Ремень – это замкнутая петля из гибкого материала, используемая для механического соединения двух или более вращающихся валов, как правило, параллельных. Ремень может служить источником движения, для эффективной передачи мощности или для отслеживания относительного перемещения. Ремень охватывает шкивы и может иметь перекрест между ними, при этом валы не обязательно должны быть параллельны. В системе с двумя шкивами ремень может приводить их в движение в обычном направлении (одинаковом, если валы параллельны), либо ремень может быть перекрещен, чтобы направление вращения ведомого вала было обратным (противоположным направлению ведущего вала, если валы параллельны). Ременная передача также может использоваться для изменения скорости вращения, как в большую, так и в меньшую сторону, путем использования шкивов разного диаметра. В качестве источника движения, конвейерная лента является одним из примеров применения, где лента предназначена для непрерывной транспортировки груза между двумя точками.

История

Механический привод ремня, использующий шкивную систему, впервые упоминается в тексте «Словаря местных выражений» философа, поэта и политика династии Хань Ян Сюня (53–18 гг. до н.э.) в 15 г. до н.э. Он применялся в машине для намотки шелковых волокон на шпули для ткацких челноков. Ременный привод является важным компонентом изобретения прядильного колеса. Ременный привод использовался не только в текстильных технологиях, но и в гидравлических мехах, датируемых I веком н.э. Он также находил применение в бесчисленных сельскохозяйственных, горнодобывающих и лесозаготовительных областях, таких как пилы, пилорамы, молотилки, воздуходувки для силосов, конвейеры для заполнения зернохранилищ или сеновалов, прессы для сена, водяные насосы (для колодцев, шахт или заболоченных полей) и электрические генераторы. Плоские ремни до сих пор используются, хотя и значительно реже, чем в эпоху линейных валов. Плоский ремень – это простая система передачи мощности, хорошо подходящая для своего времени. Он способен передавать высокую мощность на высоких скоростях (373 кВт при 51 м/с; 115 миль в час) при использовании широких ремней и больших шкивов. Однако такие приводы с широкими ремнями и большими шкивами громоздки, занимают много места, требуют высокого натяжения, что приводит к большим нагрузкам, и плохо подходят для применений с близким расположением центров. Поэтому V-образные ремни в основном заменили плоские ремни для передачи мощности на короткие расстояния, а передача мощности на большие расстояния обычно больше не осуществляется с помощью ремней. Например, современные станки на фабриках обычно оснащены индивидуальными электродвигателями. Поскольку плоские ремни имеют тенденцию подниматься к верхней стороне шкива, шкивы изготавливались с немного выпуклой или «коронованной» поверхностью (вместо плоской), чтобы ремень мог самоцентрироваться во время работы. Плоские ремни также склонны к проскальзыванию на поверхности шкива при больших нагрузках, и существовало множество специальных составов для обработки ремней, которые можно было наносить для увеличения трения и, следовательно, передачи мощности. Традиционно плоские ремни изготавливались из кожи или ткани. Ранние украинские мельницы использовали ременные приводы из кожи. После Первой мировой войны ощущался такой дефицит обувной кожи, что люди разрезали ременные приводы, чтобы сделать обувь. Продажа обуви на некоторое время стала более прибыльной, чем продажа муки. Производство муки вскоре остановилось, а цены на хлеб выросли, что способствовало возникновению голода. Кожаные ремни также использовались во время Бушской войны в Родезии (1964–1979 гг.): для защиты пассажиров автомобилей и автобусов от противопехотных мин на полы транспортных средств в опасных зонах укладывали слои кожаных ремней. Сегодня большинство ремней изготавливаются из резины или синтетических полимеров. Сцепление кожаных ремней часто лучше, если они собраны волосатой стороной (внешней стороной) кожи к шкиву, хотя некоторые ремни вместо этого слегка перекручивают перед соединением концов (формируя ленту Мёбиуса), чтобы износ распределялся равномерно по обеим сторонам ремня. Концы ремней соединяются путем сшивания концов кожаными шнурами (самый старый метод), стальными застежками и/или шнуровкой, или склеиванием или сваркой (в случае полиуретана или полиэстера). Плоские ремни традиционно соединялись, и до сих пор обычно соединяются таким образом, но их также можно изготавливать бесконечной конструкцией.

Двигатели на канатах

В середине XIX века британские механики-конструкторы обнаружили, что многоканальные шкивы, соединенные веревками, работали эффективнее плоских шкивов, соединенных кожаными ремнями. Проволочные канаты использовались изредка, но наиболее широко применялись веревки из хлопка, конопли, манильской пеньки и льна. Обычно веревка, соединяющая два шкива с несколькими V-образными канавками, скреплялась в единый контур, который двигался по спирали, прежде чем возвращался в исходное положение направляющим шкивом, который также поддерживал натяжение веревки. Иногда одна веревка использовалась для передачи мощности от одного многоканального ведущего шкива к нескольким одиночным или многоканальным ведомым шкивам. В целом, как и в случае с плоскими ремнями, веревочные передачи применялись для соединения стационарных двигателей с промежуточными и основными валами мельниц, а иногда и от основных валов к приводимым машинам. Однако, в отличие от кожаных ремней, веревочные передачи иногда использовались для передачи мощности на относительно большие расстояния. На больших расстояниях промежуточные блоки поддерживали "летящую веревку", и в конце XIX века это считалось весьма эффективным.

Круглые пояса

Круглые ремни – это ремни круглого поперечного сечения, предназначенные для работы в шкиве с V-образной канавкой под углом 60 градусов. Круглые канавки подходят только для направляющих роликов, которые ведут ремень, или при использовании (мягких) ремней типа О-кольца. V-образная канавка передает крутящий момент за счет клинового эффекта, тем самым увеличивая трение. Тем не менее, круглые ремни предназначены для использования только в условиях относительно низкого крутящего момента и могут приобретаться различной длины или разрезаться по нужной длине и соединяться скобой, металлическим соединителем (в случае полых пластиковых ремней), склеиванием или сваркой (в случае полиуретановых ремней). В ранних швейных машинах эффективно использовались кожаные ремни, соединенные металлической скобой или склеенные.

Пролетные ремни

Пролетные ремни похожи на веревочные или круглые ремни, но состоят из длинной стальной спиральной пружины. Они часто встречаются в игрушечных или небольших моделях двигателей, как правило, паровых, приводящих в движение другие игрушки или модели, либо обеспечивающих передачу между коленчатым валом и другими частями транспортного средства. Главное преимущество перед резиновыми или другими эластичными ремнями – значительно больший срок службы в условиях неконтролируемой эксплуатации. Расстояние между шкивами для них также менее критично. Основной недостаток – повышенная вероятность проскальзывания из-за более низкого коэффициента трения. Концы пролетного ремня можно соединить, согнув последний виток спирали на каждом конце под углом 90 градусов, чтобы образовать крюки, или уменьшив диаметр нескольких последних витков на одном конце, чтобы он ввинчивался в другой.

- Да.

V-ремни (также известные как клиновые ремни, Vee-ремни или, реже, клиновые канаты) решили проблему проскальзывания и выравнивания. В настоящее время это основной тип ремня для передачи мощности. Они обеспечивают наилучшее сочетание тягового усилия, скорости движения, нагрузки на подшипники и долговечности. Как правило, они являются замкнутыми, а их общая форма поперечного сечения приблизительно трапециевидная (отсюда и название "V"). "V"-образная форма ремня входит в соответствующую канавку шкива, что предотвращает его соскальзывание. Кроме того, по мере увеличения нагрузки ремень стремится вклиниваться в канавку – чем больше нагрузка, тем сильнее эффект вклинивания, что повышает передачу крутящего момента и делает V-ремень эффективным решением, требующим меньшей ширины и натяжения, чем плоские ремни. V-ремни превосходят плоские ремни при небольших межосевых расстояниях и высоких передаточных числах. Предпочтительное межосевое расстояние должно быть больше наибольшего диаметра шкива, но меньше трехкратной суммы диаметров обоих шкивов. Для V-ремней оптимальный диапазон скоростей требует шкивов большего диаметра из-за их более толстого поперечного сечения по сравнению с плоскими ремнями. Для передачи большой мощности можно использовать два или более V-ремня, соединенных бок о бок в конструкции, называемой многоручьевым V-ремнем, работающих на соответствующих многоручьевых шкивах. Это называется многоручьевым V-ременным приводом (или иногда "классическим V-ременным приводом"). V-ремни могут быть изготовлены из однородной резины или полимера, либо содержать волокна, встроенные в резину или полимер для повышения прочности и армирования. Волокна могут быть изготовлены из текстильных материалов, таких как хлопок, полиамид (например, нейлон) или полиэстер, или, для максимальной прочности, из стали или арамида (например, Technora, Twaron или Kevlar). Если замкнутый ремень не подходит, могут использоваться соединяемые и звеньевые V-ремни. Большинство моделей обеспечивают такую же мощность и скорость, как и замкнутые ремни аналогичного размера, и не требуют специальных шкивов для работы. Звеньевой V-ремень состоит из ряда композитных звеньев из полиуретана/полиэстера, соединенных между собой, либо сами по себе (например, PowerTwist от Fenner Drives), либо с помощью металлических штифтов (например, Nu T Link). Они обеспечивают простую установку и превосходную устойчивость к воздействию окружающей среды по сравнению с резиновыми ремнями, а также возможность регулировки длины путем разборки и удаления звеньев при необходимости.

История V-пояса

В 1916 году в отраслевых журналах, освещавших применение V-ремней в автомобилях, упоминалось использование кожи в качестве материала ремня, а также отмечалось, что угол V еще не был достаточно стандартизирован. Бесконечный резиновый V-ремень был разработан в 1917 году Чарльзом К. Гейтсом из компании Gates Rubber Company. Многоручьевый привод с использованием V-ремней был впервые реализован несколько лет спустя Уолтером Гейстом из корпорации Allis Chalmers, которого вдохновила идея заменить одиночный канат многоканальных шкивов на несколько параллельно работающих V-ремней. Гейст подал заявку на патент в 1925 году, а Allis Chalmers начала продвигать этот привод под брендом "Texrope"; патент был получен в 1928 году. Бренд "Texrope" до сих пор существует, хотя он сменил владельца и больше не ассоциируется исключительно с многоручьевыми приводами V-ремней.

Ремни с множественными канавками

Многоручьевой, V-ребристый или поликлиновый ремень обычно состоит из 3–24 V-образных секций, расположенных рядом друг с другом. Это обеспечивает меньшую толщину ремня при той же площади контакта с приводом, что делает его более гибким, хотя часто и более широким. Повышенная гибкость обеспечивает более высокую эффективность, поскольку меньше энергии расходуется на внутреннее трение при постоянном изгибе ремня. На практике это увеличение эффективности приводит к снижению нагрева ремня, а ремень, работающий при более низкой температуре, служит дольше. Ремни доступны в различных размерах, обычно с буквой "P" (иногда опускаемой) и одной буквой, обозначающей шаг между канавками. Сечение "PK" с шагом 3,56 мм широко используется в автомобильных приложениях. Дополнительным преимуществом поликлиновых ремней, благодаря которому они стали популярными, является возможность их использования на шкивах по гладкой обратной стороне ремня. Хотя это иногда делается и с V-ремнями с помощью одного натяжного ролика, поликлиновый ремень может быть плотно обернут вокруг шкива с обратной стороны, чтобы изменить направление движения или даже обеспечить небольшое тяговое усилие. Способность любого V-ремня приводить в движение шкивы зависит от угла охвата шкива, необходимого для обеспечения сцепления. В то время как один V-ремень ограничен простой выпуклой формой и может надежно обхватывать максимум три или, возможно, четыре шкива, что позволяет приводить в движение не более трех навесных агрегатов, для привода большего количества устройств, например, в современных автомобилях с усилителем руля и кондиционером, требуется несколько ремней. Поскольку поликлиновый ремень можно изгибать в вогнутые траектории с помощью дополнительных роликов, он может обхватывать любое количество приводных шкивов, ограничиваясь лишь мощностью ремня.

Ребристый ремень

Ребристый ремень – это приводной ремень, имеющий продольные канавки. Он работает за счет контакта ребер ремня с канавками шкива. Утверждается, что его цельная конструкция обеспечивает равномерное распределение натяжения по ширине шкива в зоне контакта, позволяет передавать мощность до 600 кВт, обеспечивает высокое передаточное отношение, возможность использования в серпантинных схемах (с отводом мощности от обратной стороны ремня), длительный срок службы, стабильность и однородность натяжения привода, а также снижение вибрации. Ребристые ремни применяются в различных областях: компрессорах, фитнес-велотренажерах, сельскохозяйственной технике, миксерах для пищевых продуктов, стиральных машинах, газонокосилках и т.д.

Пленочные ленты

Хотя их часто объединяют с плоскими ремнями, они на самом деле представляют собой другой тип. Они состоят из очень тонкой полоски пластика (0,5–15 миллиметров или 100–4000 микрометров) и иногда резины. Как правило, они предназначены для применений с низкой мощностью (менее 10 Вт) и высокой скоростью, обеспечивая высокую эффективность (до 98%) и долгий срок службы. Их можно встретить в офисной технике, принтерах, магнитофонах и других устройствах, работающих с небольшой нагрузкой.

Ремни-смесители

Ременные передачи (также известные как зубчатые, с выемками, гребневые или синхронные ремни) являются ремнями с положительным зацеплением и способны отслеживать относительное движение. Эти ремни имеют зубья, которые входят в зацепление с соответствующим зубчатым шкивом. При правильном натяжении они не проскальзывают, работают с постоянной скоростью и часто используются для передачи прямого движения для целей индексации или синхронизации (отсюда и их название). Они часто используются вместо цепей или шестерен, что обеспечивает меньший шум и отсутствие необходимости в смазочной ванне. Распределительные валы автомобилей, миниатюрные системы синхронизации и шаговые двигатели часто используют эти ремни. Ременные передачи требуют наименьшего натяжения среди всех типов ремней и являются одними из самых эффективных. Они могут выдерживать нагрузки при скоростях до… Ременные передачи с зубьями со спиральным смещением также доступны. Конструкция зубьев со спиральным смещением образует шевронный рисунок и обеспечивает постепенное зацепление зубьев. Шеронный рисунок самовыравнивается и не издает шума, который некоторые ременные передачи издают при определенных скоростях, а также более эффективно передает мощность (до 98%). Преимущества ременных передач включают в себя чистоту работы, энергоэффективность, низкие эксплуатационные расходы, низкий уровень шума, отсутствие проскальзывания, универсальные возможности по нагрузке и скорости. Недостатки включают относительно высокую стоимость приобретения, необходимость в изготовлении специальных зубчатых шкивов, меньшую защиту от перегрузки, заклинивания и вибрации из-за их непрерывных силовых кордов, отсутствие эффекта сцепления (возможно только с ремнями трения), а также фиксированную длину, которая не допускает регулировки длины (в отличие от клиновых ремней или цепей).

Специальные ремни

Пояса обычно передают мощность на натяжной ветви контура. Однако существуют конструкции бесступенчатых трансмиссий, использующие ремни, состоящие из ряда цельных металлических блоков, соединенных между собой как цепь, и передающих мощность на сжимающей ветви контура.

Подвижные дороги

Пояса, используемые для роликовых стендов в аэродинамических трубах, могут достигать…

Критерии отбора

Ременные передачи конструируются с учетом следующих необходимых условий: скорости и мощность, передаваемая между ведущим и ведомым устройствами; подходящее расстояние между валами; и соответствующие условия эксплуатации. Уравнение для мощности следующее:

Факторы, влияющие на корректировку мощности, включают передаточное число; расстояние между валами (большое или малое); тип ведущего устройства (электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания); условия окружающей среды (замасленный, влажный, пыльный); нагрузки на ведомое устройство (рывковые, ударные, реверсивные); и схема расположения шкивов (открытая, перекрестная, обратная). Эти данные можно найти в инженерных справочниках и технической документации производителя. После корректировки мощность сравнивается с номинальной мощностью стандартных поперечных сечений ремней при определенных скоростях ремня, чтобы определить оптимальные комбинации. Затем выбираются диаметры шкивов. Как правило, выбирают либо большие диаметры, либо большие поперечные сечения, поскольку, как отмечалось ранее, большие ремни передают ту же мощность при низких скоростях, что и меньшие ремни при высоких скоростях. Для минимизации размеров ведущей части предпочтительны шкивы минимального диаметра. Минимальные диаметры шкивов ограничены удлинением внешних волокон ремня при его обертывании вокруг шкивов. Малые шкивы увеличивают это удлинение, значительно сокращая срок службы ремня. Минимальные диаметры шкивов часто указываются для каждого поперечного сечения и скорости, либо отдельно для каждого поперечного сечения ремня. После выбора наиболее экономичных диаметров и поперечного сечения ремня вычисляется его длина. Если используются бесконечные ремни, может потребоваться корректировка расстояния между валами для соответствия стандартной длине ремней. Часто более экономично использовать два или более параллельных V-ремней, чем один ремень большего размера. При больших передаточных числах или малых межосевых расстояниях угол контакта между ремнем и шкивом может быть меньше 180°. В этом случае мощность привода необходимо дополнительно увеличить в соответствии с таблицами производителя, и процесс выбора повторяется. Это связано с тем, что расчетные мощности основаны на стандарте угла контакта 180°. Меньшие углы контакта означают меньшую площадь для обеспечения сцепления ремня, и, следовательно, ремень передает меньшую мощность.

Трещины пояса

Для работы ременных передач необходимо трение, однако избыточное трение приводит к потерям энергии и быстрому износу ремня. На трение ремня влияют такие факторы, как натяжение ремня, угол контакта и материалы, из которых изготовлены ремень и шкивы.

Напряжение ремня

Передача мощности зависит от натяжения ремня. Однако, с увеличением натяжения растет и нагрузка на ремень и подшипники. Идеальный ремень – это ремень с минимальным натяжением, который не проскальзывает при высоких нагрузках. Натяжение ремня также следует регулировать в зависимости от типа, размера, скорости и диаметров шкивов. Натяжение ремня определяется путем измерения силы, необходимой для прогиба ремня на заданное расстояние на дюйм (или мм) диаметра шкива. Зубчатым ремням требуется лишь достаточное натяжение для обеспечения контакта с шкивом.

Ношение ремня

Усталость, а не истирание, является причиной большинства проблем с ремнями. Этот износ вызывается напряжениями, возникающими при движении вокруг шкивов. Высокое натяжение ремня, чрезмерное проскальзывание, неблагоприятные условия окружающей среды и перегрузки ремня, вызванные ударами, вибрацией или хлопками ремня, – все это способствует усталости ремня.

Вибрация ремня

Вибрационные сигнатуры широко используются для диагностики неисправностей ременных передач. К распространенным неисправностям относятся влияние натяжения ремня, скорости, эксцентриситета шкивов и состояния их неправильного выравнивания. Влияние эксцентриситета шкива на вибрационные сигнатуры ременной передачи весьма значительно. Хотя это не всегда приводит к увеличению амплитуды вибрации, оно вызывает выраженную амплитудную модуляцию. Когда верхняя ветвь ремня входит в резонанс, вибрация машины возрастает. Однако, если в резонанс входит только нижняя ветвь ремня, увеличение вибрации машины несущественно. Спектр вибрации имеет тенденцию смещаться в область более высоких частот при увеличении усилия натяжения ремня.

Поясная повязка

Сдвиг ремня можно устранить несколькими способами. Замена ремня – очевидное решение, и в конечном итоге неизбежное (поскольку ни один ремень не служит вечно). Однако часто, прежде чем прибегать к замене, можно добиться успеха, повторно натянув ремень (путем регулировки центральной линии шкива) или обработав его специальным составом (с использованием различных покрытий), чтобы продлить срок его службы и отложить замену. Составы для обработки ремней обычно представляют собой жидкости, которые наливают, наносят кистью, капают или распыляют на поверхность ремня, давая им растечься; они предназначены для восстановления приводных поверхностей ремня и увеличения трения между ремнем и шкивами. Некоторые составы темные и липкие, похожие на деготь или сироп; другие – тонкие и прозрачные, напоминающие уайт-спирит. Некоторые продаются населению в аэрозольных баллончиках в магазинах автозапчастей, другие – только в бочках для промышленных предприятий.

Технические характеристики

Для полной спецификации ремня необходимо указать материал, длину, размер и форму поперечного сечения. Для зубчатых ремней, кроме того, требуется указать размер зубьев. Длина ремня равна сумме межосевого расстояния с обеих сторон, половине окружности каждого шкива и квадрату суммы (для скрещенной схемы) или разности (для открытой схемы) радиусов шкивов. Таким образом, при делении на межосевое расстояние это можно представить как межосевое расстояние, умноженное на высоту, дающую такое же значение квадрата разности радиусов, разумеется, с обеих сторон. При увеличении межосевого расстояния длина ремня возрастает аналогично теореме Пифагора. Важно помнить, что по мере приближения межосевого расстояния к нулю, расстояние (и, следовательно, увеличение длины) уменьшается, стремясь к нулю. С другой стороны, в скрещенной передаче длина рассчитывается на основе суммы, а не разности радиусов шкивов. Следовательно, чем больше разница в радиусах шкивов, тем больше длина ремня.