ساختار، اجزا و اصل کار یک درایو چرخشی افقی چیست؟

درایوهای چرخشی افقی مجموعه‌های محرک دوار دقیقی هستند که یک یاتاقان حلقه چرخان، یک مرحله کاهش چرخ دنده حلزونی و یک محفظه محرک را در یک واحد یکپارچه واحد که قادر به پشتیبانی، چرخش و نگه داشتن بارها در صفحه افقی است، ترکیب می‌کنند. برخلاف گیربکس‌های دوار معمولی که گشتاور را در امتداد یک محور ثابت منتقل می‌کنند، درایوهای چرخشی بارهای شعاعی، بارهای محوری و ممان‌های واژگونی را همزمان مدیریت می‌کنند و در عین حال چرخش کنترل‌شده را ارائه می‌کنند - آنها را به راه‌حل درایو ترجیحی برای کاربردهایی مانند ردیاب‌های خورشیدی، جرثقیل‌های ساختمانی، سکوهای کاری هوایی سنگین و ربات‌های صنعتی تبدیل می‌کنند. درک نحوه ساخت درایوهای چرخشی افقی و نحوه عملکرد آنها در سطح مکانیکی برای مهندسانی که سیستم های درایو را مشخص می کنند، پرسنل تعمیر و نگهداری تجهیزات نصب شده را سرویس می دهند و تیم های تدارکاتی که گزینه های تامین کننده را ارزیابی می کنند ضروری است.

ساختار کلی یک درایو چرخشی افقی

درایو چرخشی افقی یک مجموعه مستقل است که عملکردهای پشتیبانی یاتاقان، کاهش دنده و محرک چرخشی را در یک محفظه جمع و جور ادغام می کند. در پیکربندی افقی، محور حلقه چرخان اصلی به صورت عمودی است - یعنی میز خروجی یا فلنج در حال چرخش حول یک محور عمودی در یک صفحه افقی می‌چرخد، که جهت طبیعی برای میزهای گردان، ردیاب‌های آزیموت خورشیدی، و سیستم‌های چرخان جرثقیل است که در آن بار محموله به صورت افقی حول یک می‌چرخد.

محفظه بیرونی درایو چرخان از چدن یا چدن داکتیل ساخته شده است و به عنوان پوسته ساختاری گیربکس و رابط اتصال به ساختار پایه ثابت عمل می کند. محفظه استحکامی را برای مقاومت در برابر ممان‌های خمشی قابل توجهی که هنگام اعمال بارهای خارج از مرکز به خروجی چرخان ایجاد می‌شود، فراهم می‌کند و مش دنده را در یک محیط آب‌بندی شده و روغن کاری شده محصور می‌کند. سوراخ های نصب روی صفحه و پایه محفظه امکان اتصال پیچ و مهره ای به قاب دستگاه با قطر دایره پیچ استاندارد را فراهم می کند و فلنج یا حلقه خروجی رابط پیچ را برای بار چرخان در بالا فراهم می کند.

ردپای کلی مجموعه نسبت به بارهایی که مدیریت می کند فشرده است. یک درایو چرخشی افقی متوسط با اندازه گیری تقریبی قطر 300 میلی متر معمولاً می تواند بارهای محوری بیش از 50 کیلو نیوتن، بارهای شعاعی بالاتر از 30 کیلو نیوتن و ممان های واژگونی بالاتر از 15 کیلو نیوتن متر را تحمل کند، در حالی که بسته به ورودی موتور و انتخاب نسبت دنده، گشتاورهای خروجی را در محدوده 5000 تا 20000 نیوتن متر ارائه می دهد. این چگالی توان نسبت به اندازه پوشش یکی از مزیت‌های مهندسی اولیه است که باعث پذیرش فرمت درایو چرخشی یکپارچه نسبت به راه‌حل‌های بلبرینگ و گیربکس مونتاژ شده جداگانه می‌شود.

اجزای اصلی و عملکرد آنها

هر درایو چرخشی افقی حول مجموعه ای از اجزای مکانیکی هسته ساخته شده است که با هم کار می کنند تا چرخش ورودی را از یک موتور به چرخش کنترل شده و با گشتاور بالا خروجی حلقه چرخان منتقل کنند. هر جزء یک عملکرد خاص و غیر قابل جایگزینی را در مسیر بار انجام می دهد.

بلبرینگ حلقه چرخان

حلقه چرخان جزء ساختاری مرکزی مجموعه است. این یک عنصر نورد با قطر بزرگ است که با یک چرخ دنده یکپارچه - معمولاً یک چرخ دنده حلقوی چرخدار - که در حلقه داخلی یا بیرونی ماشینکاری می شود. در درایوهای چرخشی افقی، بسته به طراحی خاص، دنده معمولاً در سطح داخلی حلقه بیرونی یا سطح بیرونی حلقه داخلی ماشینکاری می شود. عناصر نورد بین حلقه های داخلی و خارجی تمام بارهای اعمال شده را حمل می کنند - نیروی محوری ناشی از وزن بار، نیروی شعاعی ناشی از بارگذاری افقی، و گشتاور واژگونی از بارهای خارج از مرکز - در حالی که به حلقه ها اجازه می دهد تا با کمترین اصطکاک نسبت به یکدیگر بچرخند.

حلقه های چرخشی در درایوهای افقی که بیشتر استفاده می شود بلبرینگ های چهار نقطه ای تک ردیفه یا بلبرینگ غلتکی متقاطع . بلبرینگ‌های تماسی چهار نقطه‌ای از پروفیل راه آهن قوس گوتیک استفاده می‌کنند که به هر توپ اجازه می‌دهد به طور همزمان در چهار نقطه با مسیر مسابقه تماس برقرار کند و یک ردیف توپ را قادر می‌سازد تا بارهای محوری را از هر دو جهت، بارهای شعاعی و لحظه‌های واژگونی حمل کند. غلتک های متقاطع غلتک های استوانه ای را در جهت های 90 درجه در یک ردیف منفرد جایگزین می کنند و در یک مقطع نازک به سختی و ظرفیت خمشی بسیار بالایی دست می یابند. هر دو نوع در درایوهای چرخشی افقی استفاده می‌شوند، با طرح‌های غلتکی متقاطع در مواقعی که حداکثر استحکام و دقت مورد نیاز است، و طرح‌های توپ تماسی چهار نقطه‌ای برای مقرون‌به‌صرفه‌تر بودن در کاربردهای سنگین‌تر اما با دقت کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ست چرخ دنده کرم

مرحله کاهش چرخ دنده حلزونی مکانیزمی است که از طریق آن گشتاور موتور چند برابر می شود و سرعت ورودی به چرخش خروجی با سرعت پایین و گشتاور زیاد مورد نیاز برنامه کاهش می یابد. شفت کرم - یک محور مارپیچی که مستقیماً توسط موتور ورودی به حرکت در می‌آید - با دندانه‌های چرخ دنده حلقه روی حلقه چرخان که به عنوان چرخ کرم در جفت چرخ دنده عمل می‌کند، مشبک می‌شود. همانطور که شفت کرم می چرخد، زاویه مارپیچ نخ کرم نیروی مماسی بر روی دندانه های چرخ دنده حلقه ایجاد می کند و آنها و حلقه چرخان را حول محور چرخش فشار می دهد.

نسبت دنده حلزونی در درایوهای چرخان معمولاً از 20:1 تا 100:1 یا بالاتر در یک مرحله کاهش، ضرب گشتاور قابل توجهی را از بسته های موتور ورودی فشرده فراهم می کند. شفت کرم معمولاً از فولاد آلیاژی سخت شده با پروفیل رزوه زمین برای دستیابی به تماس دقیق دندان و به حداقل رساندن واکنش برگشتی ساخته می شود. دندانه های چرخ دنده حلقه ای معمولاً از فولاد کربنی متوسط ​​سخت شده یا در طرح های درجه یک از آلیاژ برنز بریده می شوند که ویژگی های اصطکاک مطلوبی را در برابر کرم فولادی ایجاد می کند و سایش هر دو جزء را کاهش می دهد.

بلبرینگ شفت کرم و مسکن

شفت کرم در هر دو انتهای محفظه توسط یاتاقان‌های عنصر غلتشی - معمولاً غلتک‌های مخروطی یا بلبرینگ‌های تماس زاویه‌ای - که بارهای شعاعی ایجاد شده توسط شبکه چرخ دنده کرم به حلقه و نیروهای رانش محوری ایجاد شده توسط زاویه مارپیچ نخ کرم را حمل می‌کنند، پشتیبانی می‌شود. پیش بارگذاری مناسب در این یاتاقان های شفت برای حفظ تماس مشبک چرخ دنده حلقوی در سراسر محدوده بار کامل درایو بسیار مهم است. پیش بارگذاری ناکافی به شفت کرم اجازه می دهد تا تحت بار منحرف شود، واکنش برگشتی را افزایش داده و سایش دندان را تسریع می کند. پیش بارگذاری بیش از حد باعث افزایش اصطکاک یاتاقان و تولید گرما، کاهش راندمان مکانیکی و کوتاه شدن عمر یاتاقان می شود.

سیستم آب بندی

آب بندی موثر برای کاهش عمر درایو بسیار مهم است، به ویژه در برنامه های کاربردی در فضای باز مانند ردیاب های خورشیدی و جرثقیل های متحرک که در آن مجموعه در معرض باران، گرد و غبار، چرخه دما و تابش UV قرار دارد. درایوهای چرخان افقی از ترکیبی از مهر و موم های لابیرنتی، آب بند لبی و مهر و موم های O-ring در سطح مشترک بین حلقه چرخان و محفظه ثابت و در نقاط ورود شفت کرم به محفظه استفاده می کنند. محفظه عنصر نورد حلقه چرخان معمولاً توسط مهر و موم های لاستیکی متصل به حلقه های یاتاقان مهر و موم می شود و از هدر رفتن روان کننده و ورود آلاینده در سطح مشترک یاتاقان جلوگیری می کند.

اصل کار: چرخش و گشتاور چگونه تولید می شوند

توالی عملکرد یک درایو چرخشی افقی از موتور شروع می شود - یا یک موتور الکتریکی با یک مرحله ورودی گیربکس سیاره ای، یک موتور هیدرولیک، یا در برخی از طرح ها یک موتور سروو درایو مستقیم - که به فلنج ورودی شفت کرمی محفظه نصب می شود. همانطور که شفت موتور می چرخد، شفت کرم را با سرعت ورودی می چرخاند. رزوه مارپیچ شفت کرم با دندانه های چرخ دنده حلقوی نژاد داخلی یا بیرونی حلقه چرخان در شبکه ای پیوسته قرار دارد.

هندسه توری چرخ دنده کرم به حلقه، حرکت چرخشی سریع شفت کرم را از طریق مزیت مکانیکی تعیین شده توسط نسبت دنده، به چرخش آهسته و با گشتاور بالا حلقه چرخان تبدیل می کند. اگر شفت کرم یک دور کامل کامل کند، حلقه چرخان با تعدادی دندان چرخ دنده حلقوی برابر با تعداد نخ هایی که روی کرم شروع می شود پیش می رود. یک کرم تک استارت که یک چرخ دنده حلقه 60 دندانه را به جلو می برد، a نسبت دنده 60:1 - یک چرخش کامل کرم چرخ دنده حلقه را دقیقاً با یک گام دندانه حرکت می دهد و 60 دور کرم یک چرخش کامل حلقه چرخان را کامل می کند.

نیروی مماسی اعمال شده بر روی دندانه های چرخ دنده حلقه ای توسط رزوه حلزونی حاصل ضرب گشتاور ورودی در نسبت دنده و راندمان مکانیکی توری حلزونی است. چرخ دنده های حلزونی از نظر مکانیکی کمتر از چرخ دنده های مارپیچ محور موازی به دلیل تماس لغزشی بین دندانه های کرم و چرخ به جای تماس غلتشی جفت چرخ دنده های مارپیچ کارایی کمتری دارند. مقادیر کارایی برای درایوهای چرخشی کرم محور معمولاً در این قسمت قرار می گیرند محدوده 50 تا 80 درصد بسته به زاویه سرب کرم، شرایط روغن کاری و مواد مورد استفاده. زوایای سرب بالاتر (کرم های چند استارت) کارایی را بهبود می بخشد اما نسبت دنده را در هر مرحله کاهش می دهد. زوایای سرب کمتر نسبت دنده را بهبود می بخشد اما بازده را کاهش می دهد و تولید گرما را در سرعت های ورودی بالا افزایش می دهد.

رفتار قفل شدن خود

یکی از مهم ترین ویژگی های عملکردی درایو چرخشی افقی کرم محور، قابلیت خود قفل شدن ذاتی آن است. هنگامی که زاویه سرب کرم زیر یک مقدار آستانه است - معمولاً کمتر از تقریباً 6 تا 8 درجه اگرچه مقادیر دقیق به ضرایب اصطکاک بستگی دارد - هندسه مش چرخ دنده از عقب راندن چرخ دنده حلقه ای به شفت کرم جلوگیری می کند. این بدان معنی است که وقتی قدرت موتور حذف می شود، درایو چرخان موقعیت خود را تحت بار بدون نیاز به سیستم ترمز جداگانه حفظ می کند. نیروی واکنش ناشی از بار روی دندانه های چرخ دنده حلقه ای یک جزء نیرو در امتداد محور شفت کرم ایجاد می کند، اما اصطکاک در تماس کرم به چرخ مانع از غلبه بر اصطکاک استاتیک این نیرو می شود و کرم را به چرخش سوق می دهد.

قفل خودکار یک ویژگی ایمنی حیاتی در کاربردهایی مانند ردیاب های خورشیدی، سکوهای کاری هوایی و تجهیزات جابجایی مواد است که در آن درایو باید در هنگام قطع برق یا خرابی سیستم کنترل، موقعیت ثابتی را تحت بارهای اعمال شده حفظ کند. این نیاز به ترمزهای نگهدارنده خارجی را در بسیاری از کاربردها حذف می کند، طراحی سیستم را ساده می کند و تعداد قطعات را کاهش می دهد. با این حال، درایوهای چرخشی خود قفل شونده را نمی توان برای موقعیت یابی دستی اضطراری به عقب هدایت کرد، که باید در برنامه ریزی ایمنی ماشین در نظر گرفته شود.

پارامترهای ظرفیت بار و مشخصات انتخاب

انتخاب درایو چرخشی افقی صحیح برای یک کاربرد معین مستلزم ارزیابی چهار پارامتر بار اولیه به طور همزمان است، زیرا یاتاقان حلقه چرخان باید تمام بارهای اعمال شده را به طور همزمان در طول عمر مفید خود پشتیبانی کند.

یکی از جنبه‌های مهم انتخاب درایو چرخشی این است که این چهار پارامتر با هم تعامل دارند - یک درایو که نزدیک به ظرفیت ممان واژگونی نامی خود کار می‌کند، ظرفیت بار محوری و شعاعی موجود را کاهش می‌دهد و بالعکس. جداول رتبه‌بندی سازنده، پوشش‌های ظرفیت بار ترکیبی را ارائه می‌کنند، و انتخاب مناسب به جای مقایسه پارامترهای مجزا به صورت مجزا، مستلزم ترسیم ترکیب بار اعمال‌شده واقعی در برابر این پاکت‌ها است.

سیستم روغنکاری و الزامات نگهداری

عملکرد طولانی مدت یک درایو چرخشی افقی به طور مستقیم با کیفیت و ثبات برنامه روانکاری آن تعیین می شود. دو مدار روانکاری جداگانه باید حفظ شود: مدار عنصر نورد حلقه چرخشی و مدار توری چرخ دنده حلزونی، که در بیشتر طرح‌ها یک حمام روغن مشترک در داخل محفظه دارند، اما ممکن است در کاربردهای با کارایی بالا یا دمای شدید به درجه‌های روان‌کننده متفاوتی نیاز داشته باشند.

توری چرخ دنده حلزونی معمولاً توسط پاشش روغن از مخزنی که در پایین محفظه نگهداری می شود تا سطحی روانکاری می شود که به قسمت پایینی دندانه های چرخ دنده حلقوی اجازه می دهد در طول چرخش به داخل روغن فرو رفته و روان کننده را به منطقه تماس مش می برد. روان کننده های توصیه شده، روغن های دنده با افزودنی های فشار شدید (EP) هستند که برای کاربردهای چرخ دنده حلزونی فرموله شده اند و معمولاً درجه های ویسکوزیته ISO VG 220 یا VG 460 مشخص می شود. سرعت لغزش بالا در تماس کرم به چرخ گرما ایجاد می کند که باید با ویژگی های ویسکوزیته-دمای روانکار مدیریت شود و فواصل تغییر روغن 2000 تا 4000 ساعت کار برای درایوها در خدمات فضای باز معمولی هستند.

عناصر نورد حلقه چرخان نیاز به روغن کاری گریس دارند که از طریق نوک سینه های گریس واقع در حلقه یا محفظه اعمال می شود. گریس باید از طریق شیارهای توزیع گریس که در رینگ رینگ ماشین کاری شده اند، به داخل راهروی عنصر نورد نفوذ کند. در تاسیسات در فضای باز، فواصل روغن کاری مجدد باید با برنامه تعمیر و نگهداری برنامه هماهنگ شود - معمولاً هر 6 تا 12 ماه برای کاربردهای ردیاب خورشیدی و اغلب برای تجهیزات ساختمانی که در معرض چرخه های شستشو و آلودگی قرار دارند.

کاربردهای معمولی درایوهای چرخشی افقی

ویژگی‌های طراحی درایوهای چرخان افقی - ساختار یکپارچه فشرده، قابلیت قفل خودکار، ظرفیت گشتاور واژگونی بالا، و چرخش با سرعت پایین کنترل‌شده - آنها را برای یک محدوده خاص و کاملاً تعریف شده از کاربردها که در آن این ویژگی‌ها به طور همزمان مورد نیاز است، مناسب می‌سازد.

• ردیاب های فتوولتائیک خورشیدی: ردیاب‌های آزیموت تک محوری برای مزارع خورشیدی در مقیاس کاربردی از درایوهای چرخشی افقی برای چرخش آرایه‌های پانل حول یک محور عمودی استفاده می‌کنند، به دنبال حرکت آزیموت خورشید در طول روز. ویژگی قفل خودکار موقعیت پانل را به طور دقیق در هنگام بارگذاری باد بدون نیروی موتور مداوم حفظ می کند و مصرف انرژی و پیچیدگی سیستم کنترل را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.
• جرثقیل های متحرک و هندلرهای تلسکوپی: ساختار چرخشی فوقانی جرثقیل های متحرک بر روی درایوهای چرخشی افقی می چرخد که باید لحظه واژگونی کامل بوم و بار برداشته شده را تحمل کنند و در عین حال چرخش نرم و کنترل شده را در طول عملیات چرخاندن فراهم کنند. ظرفیت گشتاور واژگونی بالا همراه با نگه داشتن بار خود قفل شونده هر دو در این برنامه حیاتی هستند.
• سکوهای کاری هوایی (AWP) و بالابرهای بوم: میز گردان در پایه مجموعه بوم بر روی یک درایو چرخشی افقی می چرخد و وزن کامل بوم، پلت فرم و سرنشینان را به عنوان لحظه واژگونی تحمل می کند. پوشش فشرده در ساختار پایه ماشین یک نیاز کلیدی است که درایوهای چرخشی یکپارچه به طور موثر برآورده می شوند.
• پوزیشنرهای صنعتی و میزهای گردان جوشکاری: درایوهای چرخشی افقی 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.
• آنتن های ارتباطی ماهواره ای: آنتن‌های ردیابی زمینی از درایوهای چرخشی افقی برای چرخش آزیموت استفاده می‌کنند، جایی که برای حفظ همسویی پرتو آنتن با ماهواره‌های متحرک، به موقعیت‌یابی دقیق و با حداقل عکس‌العمل نیاز است. پروفیل‌های کرم زمینی دقیق و یاتاقان‌های شفت کرم از پیش بارگذاری‌شده در این برنامه‌ها برای به حداقل رساندن خطای موقعیت‌یابی زاویه‌ای مشخص شده‌اند.