Cấu trúc, thành phần và nguyên lý làm việc của bộ truyền động xoay ngang là gì?

Bộ truyền động xoay ngang là các cụm thiết bị truyền động quay chính xác kết hợp ổ trục xoay, giai đoạn giảm tốc bánh răng và vỏ truyền động thành một bộ phận tích hợp duy nhất có khả năng hỗ trợ, quay và giữ tải trong mặt phẳng nằm ngang. Không giống như các hộp số quay thông thường truyền mô-men xoắn dọc theo một trục cố định, các bộ truyền động xoay quản lý tải trọng hướng tâm, tải trọng hướng trục và mô men lật đồng thời trong khi cung cấp chuyển động quay có kiểm soát - khiến chúng trở thành giải pháp truyền động ưu tiên cho các ứng dụng như máy theo dõi năng lượng mặt trời, cần cẩu xây dựng, bệ làm việc trên không, robot công nghiệp, ăng-ten vệ tinh và bàn xoay hạng nặng. Hiểu cách chế tạo các bộ truyền động xoay ngang và cách chúng hoạt động ở cấp độ cơ học là điều cần thiết đối với các kỹ sư chỉ định hệ thống truyền động, nhân viên bảo trì bảo dưỡng thiết bị đã lắp đặt và các nhóm mua sắm đánh giá các lựa chọn nhà cung cấp.

Cấu trúc tổng thể của một ổ đĩa xoay ngang

Bộ truyền động xoay ngang là một bộ phận khép kín tích hợp các chức năng hỗ trợ vòng bi, giảm tốc và truyền động quay vào một vỏ nhỏ gọn duy nhất. Trong cấu hình nằm ngang, trục của vòng xoay chính được định hướng theo chiều dọc - nghĩa là bàn đầu ra quay hoặc mặt bích quay quanh trục thẳng đứng trong mặt phẳng nằm ngang, đây là hướng tự nhiên cho bàn xoay, bộ theo dõi góc phương vị mặt trời và hệ thống quay cần cẩu trong đó tải trọng quay theo chiều ngang xung quanh tâm thẳng đứng.

Vỏ ngoài của bộ truyền động xoay được gia công từ gang hoặc sắt dẻo và đóng vai trò vừa là vỏ kết cấu của hộp số vừa là bề mặt lắp đặt với cấu trúc đế cố định. Vỏ cung cấp độ cứng để chống lại mômen uốn đáng kể được tạo ra khi tải lệch tâm tác dụng lên đầu ra quay và nó bao bọc lưới bánh răng trong môi trường kín, được bôi trơn. Các lỗ lắp trên mặt vỏ và đế cho phép kết nối bằng bu lông với khung máy theo đường kính vòng tròn bu lông được tiêu chuẩn hóa và mặt bích hoặc vòng đầu ra cung cấp bề mặt tiếp xúc bằng bu lông với tải quay ở trên.

Diện tích tổng thể của hệ thống lắp ráp nhỏ gọn so với tải trọng mà nó quản lý. Một bộ truyền động xoay ngang tầm trung có kích thước xấp xỉ đường kính 300 mm thường có thể hỗ trợ tải trọng trục vượt quá 50 kN, tải hướng tâm trên 30 kN và mô men lật trên 15 kN·m trong khi cung cấp mô-men xoắn đầu ra trong khoảng từ 5.000 đến 20.000 N·m, tùy thuộc vào lựa chọn đầu vào động cơ và tỷ số truyền. Mật độ công suất này so với kích thước đường bao là một trong những lợi thế kỹ thuật chính thúc đẩy việc áp dụng định dạng truyền động xoay tích hợp so với các giải pháp ổ trục và hộp số được lắp ráp riêng biệt.

Các thành phần cốt lõi và chức năng của chúng

Mỗi bộ truyền động xoay ngang được chế tạo xung quanh một tập hợp các bộ phận cơ khí cốt lõi phối hợp với nhau để truyền chuyển động quay đầu vào từ động cơ sang chuyển động quay đầu ra có mô-men xoắn cao được điều khiển của vòng xoay. Mỗi thành phần phục vụ một chức năng cụ thể và không thể thay thế trong đường dẫn tải.

Vòng bi xoay

Vòng xoay là thành phần cấu trúc trung tâm của cụm. Nó là một ổ trục lăn có đường kính lớn với một bánh răng tích hợp - điển hình là bánh răng trục vít - được gia công vào vòng trong hoặc vòng ngoài. Trong các bộ truyền động quay ngang, bánh răng thường được gia công vào bề mặt bên trong của vòng ngoài hoặc bề mặt bên ngoài của vòng trong, tùy thuộc vào thiết kế cụ thể. Các con lăn giữa vòng trong và vòng ngoài chịu tất cả các tải trọng tác dụng - lực dọc trục từ trọng lượng của tải trọng, lực hướng tâm từ tải ngang và mômen lật do tải lệch tâm - đồng thời cho phép các vòng quay tương đối với nhau với ma sát tối thiểu.

Vòng xoay trong bộ truyền động ngang được sử dụng phổ biến nhất vòng bi tiếp xúc bốn điểm một dãy hoặc vòng bi lăn chéo . Vòng bi tiếp xúc bốn điểm sử dụng cấu hình mương vòm kiểu gothic cho phép mỗi quả bóng tiếp xúc với mương tại bốn điểm cùng một lúc, cho phép một hàng bi chịu tải trọng trục từ cả hai hướng, tải trọng hướng tâm và mô men lật. Vòng bi lăn chéo xen kẽ các con lăn hình trụ theo hướng 90 độ trong một hàng duy nhất, đạt được độ cứng và khả năng mô men rất cao trong một mặt cắt ngang mỏng. Cả hai loại đều được sử dụng trong các bộ truyền động xoay ngang, với thiết kế con lăn chéo được ưa chuộng khi cần độ cứng và độ chính xác tối đa và thiết kế bi tiếp xúc bốn điểm được ưa chuộng để tiết kiệm chi phí trong các ứng dụng nặng hơn nhưng đòi hỏi độ chính xác kém hơn.

Bộ bánh răng sâu

Giai đoạn giảm bánh răng trục vít là cơ chế trong đó mô-men xoắn của động cơ được nhân lên và tốc độ đầu vào giảm xuống vòng quay đầu ra mô-men xoắn cao, tốc độ thấp theo yêu cầu của ứng dụng. Trục giun - một trục có ren xoắn được điều khiển trực tiếp bởi động cơ đầu vào - ăn khớp với các răng của bánh răng vòng trên vòng xoay, có chức năng như bánh vít trong cặp bánh răng. Khi trục giun quay, góc xoắn của ren giun tạo ra lực tiếp tuyến lên các răng của bánh răng vòng, đẩy chúng và vòng xoay quanh trục quay.

Tỷ số truyền trục vít trong bộ truyền động xoay thường dao động từ 20:1 đến 100:1 hoặc cao hơn trong một giai đoạn giảm tốc duy nhất, cung cấp khả năng nhân mô-men xoắn đáng kể từ các gói động cơ đầu vào nhỏ gọn. Trục giun thường được sản xuất từ ​​​​thép hợp kim cứng với biên dạng ren nối đất để đạt được sự tiếp xúc chính xác với răng và giảm thiểu phản ứng ngược. Răng vòng bánh răng thường được cắt từ thép cacbon trung bình đã được tôi cứng hoàn toàn hoặc, trong các thiết kế cao cấp, từ hợp kim đồng, mang lại đặc tính ma sát thuận lợi với sâu thép và giảm mài mòn trên cả hai bộ phận.

Vòng bi và vỏ trục giun

Trục giun được đỡ ở cả hai đầu bên trong vỏ bằng ổ lăn - điển hình là ổ côn hoặc ổ bi tiếp xúc góc - mang tải trọng hướng tâm được tạo ra bởi lưới bánh răng giun-vành và lực đẩy dọc trục được tạo ra bởi góc xoắn của ren giun. Tải trước thích hợp trên các ổ trục này là rất quan trọng để duy trì sự tiếp xúc nhất quán giữa lưới bánh răng sâu với vòng trong toàn bộ phạm vi tải của bộ truyền động. Tải trước không đủ cho phép trục giun bị lệch khi chịu tải, làm tăng phản ứng ngược và tăng tốc độ mài mòn răng; Tải trước quá mức làm tăng ma sát ổ trục và sinh nhiệt, làm giảm hiệu suất cơ học và rút ngắn tuổi thọ của ổ trục.

Hệ thống niêm phong

Việc bịt kín hiệu quả là rất quan trọng đối với tuổi thọ của ổ xoay, đặc biệt là trong các ứng dụng ngoài trời như máy theo dõi năng lượng mặt trời và cần cẩu di động, nơi tổ hợp tiếp xúc với mưa, bụi, chu trình nhiệt độ và bức xạ tia cực tím. Bộ truyền động xoay ngang sử dụng kết hợp các vòng đệm kiểu mê cung, vòng đệm dạng môi và vòng đệm mặt vòng chữ O tại giao diện giữa vòng quay và vỏ cố định cũng như tại các điểm vào trục giun vào vỏ. Khoang phần tử lăn của vòng xoay thường được bịt kín bằng gioăng cao su liên kết với các vòng ổ trục, ngăn ngừa thất thoát chất bôi trơn và chất gây ô nhiễm xâm nhập vào bề mặt ổ trục chính.

Nguyên tắc làm việc: Cách tạo ra chuyển động quay và mô-men xoắn

Trình tự vận hành của bộ truyền động xoay ngang bắt đầu ở động cơ - hoặc là động cơ điện có giai đoạn đầu vào hộp số hành tinh, động cơ thủy lực hoặc trong một số thiết kế là động cơ servo dẫn động trực tiếp - được gắn vào mặt bích đầu vào trục sâu của vỏ. Khi trục động cơ quay, nó sẽ quay trục giun ở tốc độ đầu vào. Ren xoắn ốc của trục giun ăn khớp liên tục với các răng của bánh răng vòng của vòng trong hoặc vòng ngoài của vòng quay.

Hình dạng của lưới bánh răng giun-to-ring chuyển đổi chuyển động quay nhanh của trục giun thành chuyển động quay chậm, mô-men xoắn cao của vòng xoay thông qua lợi thế cơ học được xác định bởi tỷ số truyền. Nếu trục giun hoàn thành một vòng quay đầy đủ, vòng xoay sẽ tiến lên một số răng vòng bằng với số ren bắt đầu trên giun. Một con sâu khởi động đơn đẩy bánh răng vành 60 răng tạo ra một Tỷ số truyền 60:1 - một vòng quay trục vít hoàn chỉnh sẽ di chuyển bánh răng bao đúng một bước răng và 60 vòng quay trục vít hoàn thành một vòng quay hoàn toàn của vòng xoay.

Lực tiếp tuyến tác dụng lên các răng của bánh răng vòng bằng ren giun là tích của mômen đầu vào nhân với tỷ số truyền và hiệu suất cơ học của lưới giun. Bánh răng trục vít kém hiệu quả về mặt cơ học hơn so với bánh răng xoắn ốc có trục song song do tiếp xúc trượt giữa răng sâu và bánh xe hơn là tiếp xúc lăn của các cặp bánh răng xoắn ốc. Giá trị hiệu suất của bộ truyền động quay dẫn động bằng giun thường rơi vào khoảng Phạm vi 50% đến 80% , tùy thuộc vào góc dẫn của sâu, điều kiện bôi trơn và vật liệu được sử dụng. Góc dẫn cao hơn (trục đa khởi động) cải thiện hiệu suất nhưng giảm tỷ số truyền trên mỗi giai đoạn; góc dẫn thấp hơn cải thiện tỷ số truyền nhưng giảm hiệu suất và tăng sinh nhiệt ở tốc độ đầu vào cao.

Hành vi tự khóa

Một trong những đặc điểm chức năng quan trọng nhất của bộ truyền động xoay ngang điều khiển bằng sâu là khả năng tự khóa vốn có của nó. Khi góc dẫn sâu ở dưới giá trị ngưỡng - thường dưới khoảng 6 đến 8 độ , mặc dù các giá trị chính xác phụ thuộc vào hệ số ma sát - hình học của lưới bánh răng ngăn không cho bánh răng vành dẫn động ngược trục giun. Điều này có nghĩa là khi ngắt nguồn điện động cơ, bộ truyền động xoay sẽ giữ nguyên vị trí của nó dưới tải mà không cần hệ thống phanh riêng. Phản lực từ tải trọng lên các răng của bánh răng vòng tạo ra một thành phần lực dọc theo trục trục giun, nhưng ma sát trong phần tiếp xúc giữa giun với bánh xe ngăn lực này thắng ma sát tĩnh và làm cho giun quay.

Tự khóa là một tính năng an toàn quan trọng trong các ứng dụng như máy theo dõi năng lượng mặt trời, bệ làm việc trên không và thiết bị xử lý vật liệu trong đó bộ truyền động phải duy trì vị trí cố định dưới tải trọng tác dụng khi mất điện hoặc lỗi hệ thống điều khiển. Nó loại bỏ sự cần thiết của phanh giữ bên ngoài trong nhiều ứng dụng, đơn giản hóa thiết kế hệ thống và giảm số lượng thành phần. Tuy nhiên, bộ truyền động xoay tự khóa không thể được dẫn động lùi để định vị khẩn cấp bằng tay, điều này phải được tính đến trong kế hoạch an toàn máy.

Thông số công suất tải và thông số lựa chọn

Việc chọn ổ xoay ngang chính xác cho một ứng dụng nhất định đòi hỏi phải đánh giá đồng thời bốn thông số tải chính, vì vòng bi xoay phải hỗ trợ đồng thời tất cả các tải trọng tác dụng trong suốt thời gian sử dụng của nó.

Một khía cạnh quan trọng của việc lựa chọn bộ truyền động xoay là bốn thông số này tương tác với nhau - một bộ truyền động hoạt động gần công suất mô men lật định mức của nó đã làm giảm khả năng chịu tải hướng trục và hướng tâm sẵn có và ngược lại. Bảng xếp hạng của nhà sản xuất cung cấp các đường bao khả năng chịu tải kết hợp và việc lựa chọn phù hợp đòi hỏi phải lập biểu đồ kết hợp tải trọng thực tế được áp dụng với các đường bao này thay vì so sánh các thông số riêng lẻ một cách riêng biệt.

Yêu cầu về hệ thống bôi trơn và bảo trì

Hiệu suất lâu dài của bộ truyền động xoay ngang được xác định trực tiếp bởi chất lượng và tính nhất quán của chương trình bôi trơn. Phải duy trì hai mạch bôi trơn riêng biệt: mạch phần tử lăn vòng xoay và mạch lưới bánh răng sâu, trong hầu hết các thiết kế đều dùng chung một bể dầu chung trong vỏ nhưng có thể yêu cầu các loại chất bôi trơn khác nhau trong các ứng dụng hiệu suất cao hoặc nhiệt độ khắc nghiệt.

Lưới bánh răng trục vít thường được bôi trơn bằng cách bắn dầu từ bể chứa được duy trì ở đáy vỏ đến mức cho phép phần dưới của răng bánh răng vòng nhúng vào dầu trong quá trình quay, mang chất bôi trơn vào vùng tiếp xúc với lưới. Chất bôi trơn được khuyên dùng là dầu bánh răng có phụ gia cực áp (EP) được pha chế cho các ứng dụng bánh răng trục vít, với cấp độ nhớt ISO VG 220 hoặc VG 460 được chỉ định phổ biến nhất. Vận tốc trượt cao khi tiếp xúc giữa trục vít với bánh xe tạo ra nhiệt phải được quản lý bởi đặc tính nhiệt độ nhớt của chất bôi trơn và chu kỳ thay dầu là 2.000 đến 4.000 giờ hoạt động là điển hình cho các ổ đĩa trong dịch vụ ngoài trời.

Các phần tử lăn của vòng xoay yêu cầu bôi trơn bằng mỡ thông qua các núm mỡ nằm trên vòng hoặc vỏ. Mỡ phải thấm vào rãnh lăn của con lăn thông qua các rãnh phân phối mỡ được gia công vào các rãnh vòng. Khi lắp đặt ngoài trời, khoảng thời gian tra dầu phải phù hợp với lịch bảo trì của ứng dụng — thường là 6 đến 12 tháng một lần đối với các ứng dụng theo dõi năng lượng mặt trời và thường xuyên hơn đối với các thiết bị xây dựng phải trải qua chu trình rửa và nhiễm bẩn.

Các ứng dụng điển hình của bộ truyền động xoay ngang

Đặc điểm thiết kế của bộ truyền động xoay ngang — cấu trúc tích hợp nhỏ gọn, khả năng tự khóa, khả năng chịu mô men lật cao và quay tốc độ thấp có kiểm soát — làm cho chúng phù hợp với phạm vi ứng dụng cụ thể và được xác định rõ ràng trong đó các đặc tính này được yêu cầu đồng thời.

• Máy theo dõi quang điện mặt trời: Bộ theo dõi góc phương vị trục đơn cho các trang trại năng lượng mặt trời quy mô tiện ích sử dụng bộ truyền động xoay ngang để xoay các mảng bảng điều khiển quanh trục thẳng đứng, theo chuyển động góc phương vị của mặt trời suốt cả ngày. Đặc tính tự khóa giữ vị trí bảng điều khiển một cách chính xác trong quá trình tải gió mà không cần nguồn động cơ liên tục, giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng và độ phức tạp của hệ thống điều khiển.
• Cần cẩu di động và thiết bị nâng ống lồng: Cấu trúc xoay phía trên của cần cẩu di động quay trên các bộ truyền động xoay ngang phải hỗ trợ toàn bộ mô men lật của cần và tải trọng nâng đồng thời cung cấp khả năng xoay trơn tru, có kiểm soát trong quá trình vận hành xoay. Khả năng mô men lật cao kết hợp với khả năng giữ tải tự khóa đều rất quan trọng trong ứng dụng này.
• Sàn làm việc trên không (AWP) và xe nâng cần cẩu: Bàn xoay ở đế của cụm cần quay trên một bộ truyền động xoay ngang, hỗ trợ toàn bộ trọng lượng của cần kéo dài, bệ và người ngồi dưới dạng mômen lật. Lớp vỏ nhỏ gọn bên trong cấu trúc đế máy là yêu cầu then chốt mà bộ truyền động xoay tích hợp đáp ứng một cách hiệu quả.
• Máy định vị công nghiệp và bàn xoay hàn: Bộ truyền động xoay ngang rotate workpieces around a vertical axis for welding, inspection, or assembly operations, providing precise angular positioning under substantial workpiece weight. The combination of high axial load capacity and accurate positioning from the worm gear mesh makes them well-matched to this application class.
• Anten truyền thông vệ tinh: Ăng-ten theo dõi trên mặt đất sử dụng bộ truyền động xoay ngang để xoay góc phương vị, trong đó cần phải định vị chính xác, giảm thiểu phản ứng ngược để duy trì sự liên kết chùm tia của ăng-ten với các vệ tinh đang chuyển động. Cấu hình giun đất chính xác và ổ trục trục vít tải sẵn được chỉ định trong các ứng dụng này để giảm thiểu lỗi định vị góc.