Korea Ever-Power · Руководство по применению инженерных решений
Червячный механизм и червячное колесо для автоматических ворот — руководство по эксплуатации на открытом воздухе
Привод раздвижных ворот находится на открытом воздухе — под воздействием дождя, солнца, мороза, соленого воздуха и пыли — от 10 до 15 лет. Он открывается и закрывается от 10 до 200 раз в день, заклинивает при столкновении с препятствиями для обеспечения безопасности и удерживает стальные ворота весом 1200 кг в закрытом положении, противостоя порывам ветра всю ночь. Все эти нагрузки ложатся на червячную передачу внутри корпуса привода.
Приводы ворот используют червячные передачи по трем причинам: самоблокировка удерживает положение ворот при остановке двигателя (отдельный механизм блокировки не требуется), 90-градусное расположение двигателя относительно выходного вала позволяет разместить его в компактных корпусах стоек ворот, а высокое передаточное отношение в одноступенчатой системе приводит в движение тяжелые ворота на низкой скорости от небольших двигателей. Основная проблема при проектировании – воздействие внешней среды: перепады температур от -20 до +55 градусов Цельсия, попадание дождя, ультрафиолетовое излучение, разрушающее уплотнения, и коррозия от соленого воздуха или промышленной атмосферы. Матрица воздействия внешней среды классифицирует установки ворот по 4 категориям и сопоставляет каждую с требуемым классом защиты IP, антикоррозионной обработкой, типом уплотнения и спецификацией смазки. Приводы ворот для жилых домов (10–20 циклов в день) рассчитаны на 10 лет службы при общем количестве циклов от 50 000 до 75 000. Приводы для промышленных предприятий (100–200 циклов в день) рассчитаны на 5 лет службы при общем количестве циклов от 150 000 до 350 000. Стандарт EN 12453 (безопасность ворот с электроприводом) предписывает ограничение момента заклинивания для предотвращения травм от защемления — червячная передача должна выдерживать многократные заклинивания без повреждения зубьев.
Почему операторы ворот используют червячные передачи?
Автоматические приводы ворот — раздвижные, распашные и рольставни — имеют общую механическую задачу: двигатель перемещает ворота в нужное положение, затем останавливается, и ворота должны оставаться в этом положении. Ветровая нагрузка, сила тяжести на наклонных направляющих и попытки взлома оказывают давление на ворота, когда двигатель выключен. Пара червячных передач удерживает ворота в нужном положении за счет геометрической самоблокировки без каких-либо отдельных замков, защелок или тормозных механизмов.
Самоблокирующаяся червячная передача удерживает ворота в любом положении — полностью открытым, полностью закрытым или частично открытым. Не требуется защелка, электромагнитный замок или пружинный возврат. Упрощает механизм привода до двигателя, червячной передачи и выходной шестерни или рычага.
Двигатель устанавливается перпендикулярно направляющей ворот внутри корпуса на стойке или подставке. Типичный корпус привода для бытовых ворот: 250 × 180 × 380 мм. Червячная передача с углом 90 градусов соответствует этим габаритам; планетарный привод с прямым расположением привода увеличил бы глубину корпуса за пределы ширины стойки.
Для привода раздвижных ворот массой 1500 кг требуется крутящий момент примерно от 150 до 250 Н·м на зубчатой передаче. Червячная передача с передаточным отношением 30:1 обеспечивает этот крутящий момент от двигателя мощностью 250 Вт, развивающего 8 Н·м — двигателя, достаточно компактного для работы от однофазной бытовой сети 220 В.
Матрица воздействия внешней среды — от места установки до технических характеристик материалов.
Наибольший вклад в характеристики червячных передач приводов ворот вносит воздействие окружающей среды. Ворота в жилом доме в умеренном климате, расположенном вдали от побережья, подвергаются умеренному воздействию. Промышленные ворота на химическом заводе на побережье подвергаются экстремальным воздействиям. Разница между этими двумя крайностями приводит к разнице в стоимости материала и уплотнений червячной передачи в 3-5 раз.
Приведенная ниже матрица воздействия классифицирует установки по четырем категориям и сопоставляет каждую с требованиями к степени защиты IP, коррозионной стойкости, температуре и смазке червячной передачи.
Переход от класса E1 к E4 примерно втрое увеличивает стоимость червячной передачи. Бытовая пара класса E1, стоящая 35 долларов США, превращается в промышленную пару класса E4 стоимостью от 95 до 120 долларов США. Разница в стоимости обусловлена главным образом обработкой поверхности червяка (черное оксидирование за 2 доллара США против нержавеющей стали 316L за 40+ долларов США) и спецификацией уплотнения (стандартная резиновая кромка за 3 доллара США против ПТФЭ с лабиринтом за 12 долларов США). Приводы ворот, установленные на объектах класса E3 или E4 с червячными передачами класса E1, в течение 12–24 месяцев подвергаются коррозионному износу — наиболее распространенному виду преждевременного выхода из строя в прибрежных и промышленных установках ворот.
Прогнозирование срока службы циклов при прерывистом режиме работы ворот
Приводы ворот работают в прерывистом режиме — двигатель работает от 15 до 45 секунд за цикл (время движения ворот), а затем простаивает от нескольких минут до нескольких часов. Это принципиально отличается от непрерывной работы эскалаторов или высокочастотной работы сортировочных линий. Срок службы червячной передачи измеряется в общем количестве циклов, а не в часах работы.
Въездные ворота в жилой район (10-20 циклов в день). Целевой срок службы в 10 лет составляет от 36 500 до 73 000 циклов. При 30 секундах на цикл общее время работы за 10 лет составляет от 300 до 600 часов. Это ничтожно малое время работы — червячная передача никогда не износится только от часов работы. Фактором, ограничивающим срок службы, является деградация под воздействием окружающей среды: высыхание смазки из-за температурных колебаний, старение уплотнений от воздействия УФ-излучения и коррозия от атмосферной влаги. Правильно герметизированная и смазанная червячная передача в приводе ворот для жилых домов прослужит значительно дольше, чем двигатель, плата управления и направляющие ворот.
Промышленные ворота (100-200 циклов в день). Целевой срок службы 5 лет составляет от 182 500 до 365 000 циклов. При 30 секундах на цикл общее время работы: от 1500 до 3000 часов. Это всё ещё скромные показатели по меркам червячных передач, но скачки крутящего момента при каждом цикле начинают накапливать измеримую усталость. Пара червячных передач должна иметь коэффициент SF не менее 1,5 для множителя пускового крутящего момента (обычно от 1,8 до 2,2 раз больше рабочего крутящего момента для тяжелых скользящих ворот, преодолевающих статическое трение на направляющей). При 200 циклах в день смазка также подвергается более высокой сдвиговой нагрузке — для увеличения срока службы смазки при термических и механических циклах следует использовать синтетический литиевый комплекс вместо стандартного литиевого.
В корейском индустриальном парке на периметральном ограждении было установлено 14 приводов для раздвижных ворот. Технические характеристики соответствовали классу E2 (открытые вглубь материка — что соответствует местоположению объекта в 80 км от побережья). Вес ворот: 1200 кг каждый. Двигатель: 550 Вт, однофазный. Червячная передача: однозаходная, модуль 2,5, межосевое расстояние 50 мм, передаточное отношение 30:1, оцинкованный червяк, колесо из фосфористой бронзы. Герметичный корпус IP55. Частота циклов: от 60 до 80 циклов в день (въезд служебных автомобилей в течение 3 смен). Установка исправно работала в течение 3 лет. На 4-й год было построено новое хранилище химикатов в 200 метрах с подветренной стороны от линии ворот. На этом хранилище хранилась соляная кислота, и при преобладающих ветровых условиях к приводам ворот достигали следы атмосферной HCl в концентрации от 0,3 до 0,8 ppm. В течение 8 месяцев у 6 из 14 операторов наблюдалось увеличение тока двигателя — на резьбе червячных передач образовалась кислотная коррозия, что привело к увеличению трения и люфта. Цинковое покрытие (предназначенное для атмосферной коррозии класса C3, а не для воздействия химических веществ) растворилось в кислотной атмосфере. Спецификация замены для 6 затронутых устройств: класс E4 — червяк из нержавеющей стали 316L, уплотнения из ПТФЭ, синтетическая смазка. Стоимость за пару увеличилась с 45 до 110 долларов США — но альтернативой была замена пар каждые 8–12 месяцев в соответствии со спецификацией класса E2. Вывод: класс воздействия необходимо пересматривать всякий раз, когда меняется окружающая среда. Объект класса E2 может в одночасье превратиться в объект класса E4, если поблизости появится химическое предприятие.
Характеристики смазки при холодном пуске и соответствие стандарту EN 12453 по моменту затяжки при остановке.
Резкий скачок крутящего момента при холодном пуске. Стандартная литиевая смазка (NLGI 2) значительно густеет при температуре ниже 0 градусов Цельсия. При температуре минус 15 градусов Цельсия (типичное корейское зимнее утро) кажущаяся вязкость минеральной литиевой смазки увеличивается в 5-8 раз по сравнению с 20 градусами Цельсия. Холодная смазка препятствует вращению червячного механизма, и двигатель должен преодолеть как трение о направляющие ворот, так и сопротивление смазки при запуске. Если двигатель заглохнет из-за холодной смазки, ворота не откроются — это приведет к нарушению надежности, даже если ни один компонент не поврежден. Решение заключается в использовании синтетической смазки (на основе полиалюминиевого гликоля или полиальфаолефина) для любых установок, где зимние температуры опускаются ниже минус 10 градусов Цельсия. Синтетическая смазка сохраняет прокачиваемость до минус 30 градусов Цельсия или ниже, обеспечивая надежность холодного запуска.
Соответствие стандарту EN 12453 по моменту затяжки при заклинивании. Стандарт EN 12453 (безопасность ворот с электроприводом) требует от операторов ворот ограничения усилия закрытия для предотвращения травм от защемления — обычно максимум 400 Н на переднем крае для ворот в жилых районах. При столкновении ворот с препятствием (человек, транспортное средство, объект) двигатель останавливается, и червячная передача передает полный крутящий момент при остановке. Крутящий момент при остановке обычно в 2,5–3,5 раза превышает рабочий крутящий момент. Червячная передача должна выдерживать многократные остановки (до 5 в день — обычное явление на оживленных промышленных воротах, где транспортные средства срабатывают на датчик безопасности) без повреждения поверхности зубьев. Это требование к выдержке при остановке устанавливает минимальную площадь контакта зубьев и твердость материала — пара должна быть рассчитана на крутящий момент при остановке, а не только на рабочий крутящий момент, умноженный на коэффициент повторяемости остановок от 1,3 до 1,5.
Технические характеристики трех червячных передач для приводов ворот
Пример 1 — Корейский индустриальный парк: раздвижные ворота грузоподъемностью 1200 кг, класс энергоэффективности E2, 80 циклов в день.
Корейская компания по управлению индустриальными парками заказала червячные передачи для 14 периметральных раздвижных ворот весом 1200 кг каждая. Длина направляющей: 6 метров. Скорость движения: 0,15 м/с (от открытия до закрытия 40 секунд). Двигатель: 550 Вт, однофазный, 220 В. Диаметр зубчатой передачи: 60 мм. Требуемый выходной крутящий момент на шестерне: 180 Н·м (с учетом трения о направляющую, ветровой нагрузки и веса ворот на наклонном участке направляющей). Червячная передача: однозаходная, модуль 2,5, межосевое расстояние 50 мм, передаточное отношение 30:1, угол захода 3,8 градуса. КПД: 52%. Момент заклинивания при блокировке ротора двигателем: 3,0 раза больше рабочего момента = 540 Н·м — в пределах номинального крутящего момента пары 620 Н·м. Материал: оцинкованный закаленный червяк, колесо из фосфористой бронзы. Уплотнение: двухкромочное, степень защиты IP55. Смазка: синтетический литиевый комплекс (минимальная температура зимой в Корее на этом участке -18 градусов Цельсия). Стоимость за пару: 45 долларов США. Целевой срок службы: 5 лет при 80 циклах в день = 146 000 циклов. Достигнуто: 3,5 года до того, как изменение условий окружающей среды (воздействие кислоты) потребовало перехода на класс защиты E4 — см. примечание инженерного отдела выше.
Пример 2 — Японский прибрежный курорт: распашные ворота грузоподъемностью 800 кг, класс защиты E3, 15 циклов в день.
В японском курортном отеле на побережье Окинавы для двух декоративных кованых распашных ворот у главного входа были выбраны червячные редукторы. Вес ворот: 800 кг (двухстворчатые, 400 кг на створку). Длина поворотного рычага: 600 мм. Требуемый выходной крутящий момент: 120 Н·м на створку, включая ветровую нагрузку (расчетный ветер для зоны тайфунов: 50 м/с, требуется усилие запирания ворот, эквивалентное 3000 Н на конце рычага). Двигатель: 370 Вт, однофазный, на створку. Передаточное отношение: 40:1. Червячный редуктор: однозаходный, модуль 2, межосевое расстояние 40 мм, червяк с горячим цинкованием (согласно ISO 1461 для прибрежных районов C4-H), колесо из алюминиевой бронзы CuAl10Fe5Ni5. Уплотнение: витоновое сальниковое уплотнение + лабиринтное, IP55. Смазка: синтетическая смазка морского класса PAG. Момент срыва при пределе EN 12453: 400 Н на рычаге 600 мм = 240 Н·м — в пределах номинального момента пары 320 Н·м с запасом. Частота циклов: 15 в день (автомобили гостей отеля). Целевой срок службы: 10 лет = 55 000 циклов. Стоимость пары: 82 доллара США (морская премия E3). Испытание на солевое распыление (ASTM B117) пройдено через 720 часов без видимой коррозии — превышение требования E3 в 500 часов. червячный редуктор для ворот варианты с защитой от коррозии морского класса для установки на прибрежных воротах.
Пример 3 — Роллетные ворота на вьетнамском заводе: 600 кг, класс защиты E2, высокая частота 200 циклов в день.
Вьетнамская швейная фабрика заказала червячные передачи для 4 рольставней погрузочной платформы весом 600 кг каждая. Интенсивность работы: 200 циклов в день (погрузка грузовиков каждые 2-3 минуты в часы пик). Это было самое ресурсоемкое применение ворот в рамках спецификации — в общей сложности 365 000 циклов за 5-летний целевой срок службы. Двигатель: 750 Вт, трехфазный. Передаточное отношение: 25:1. Червячная передача: однозаходная, модуль 3, межосевое расстояние 63 мм (на один типоразмер больше, чем потребовалось бы только для крутящего момента — увеличено для увеличения срока службы). Рабочий крутящий момент: 95 Н·м. Пусковой крутящий момент при холодном положении рольставней утром: 2,2 раза = 209 Н·м. Номинальный крутящий момент пары: 480 Н·м — что дает коэффициент запаса прочности SF 2,3 при запуске (достаточный запас для высокоцикловой усталости). Материал: оцинкованный червяк, колесо из фосфористой бронзы. Уплотнение: двойное, IP44 (погрузочная платформа защищена от ветра). Смазка: литиевый комплекс NLGI 2 с интервалом повторной смазки 12 месяцев (доступный штуцер для смазки на корпусе). Стоимость за пару: 58 долларов США. После 4,2 лет (приблизительно 306 000 циклов) измерение ежегодного люфта показало 1,4 раза больше стоимости поставки — приближаясь к пороговому значению в 1,5 раза больше стоимости замены. Замена колеса запланирована на 5-й год технического обслуживания по цене 28 долларов США за колесо.
Часто задаваемые вопросы
В: Можно ли вручную отключить червячную передачу привода ворот при отключении электропитания?
Самоблокирующиеся червячные передачи не могут быть приведены в движение путем ручного толкания ворот. Поэтому приводы ворот включают в себя механизм ручного разблокирования — как правило, это муфта с ключом, которая отсоединяет червяк от выходного вала, позволяя свободно толкать ворота. Муфта должна автоматически включаться при следующем включении двигателя. Правила пожарной безопасности в Корее и Японии требуют наличия этого ручного разблокирования на всех воротах с электроприводом, обслуживающих аварийные выходы. Технические характеристики червячной передачи не зависят от муфты — муфта является элементом корпуса, расположенным вне самой зубчатой передачи.
В: Как ветровая нагрузка влияет на технические характеристики червячной передачи?
Ветровая нагрузка действует на панель ворот в виде распределенного давления, которое преобразуется в крутящий момент на выходном валу червячной передачи. Для 6-метровых раздвижных ворот на высоте 1,5 метра в зоне ветра со скоростью 30 м/с сила ветра составляет приблизительно 2400 Н (на основе упрощенной формулы 0,6 × 1,2 × 1/2 × 1,225 × 30² × 6 × 1,5). Эта сила должна компенсироваться самоблокировкой червячной передачи при выключенном двигателе. Запас самоблокировки должен превышать крутящий момент ветра на выходном валу в наихудших условиях. В районах тайфунов (скорость ветра от 50 до 60 м/с) сила ветра возрастает пропорционально квадрату скорости — примерно в 2,8–4 раза больше значения при 30 м/с — и может потребовать использования червячной передачи большего размера или дополнительного механического замка ворот.
В: Какую смазку следует использовать для привода ворот в климате с жарким летом и холодной зимой?
Синтетическая литиевая комплексная смазка на основе полиальфаолефинов (PAO) или полиалюминиевого гликоля (PAG) обеспечивает самый широкий диапазон рабочих температур: от -30 до +130 градусов Цельсия, при этом прокачиваемость при холодном пуске сохраняется до -40 градусов Цельсия. Стандартная минеральная литиевая смазка (рассчитанная на температуру от -10 до +120 градусов Цельсия) подходит для умеренного климата, но не проходит испытания на холодный пуск при температуре ниже -10 градусов Цельсия. Для корейских установок, где минимальные зимние температуры достигают -15-20 градусов Цельсия, рекомендуется использовать синтетическую смазку. Доплата за синтетическую смазку (примерно 3-5 долларов США за заправку привода ворот) незначительна по сравнению со стоимостью вызова специалиста для ремонта ворот, которые не открываются холодным утром.
В: Как часто следует проводить техническое обслуживание червячной передачи привода ворот?
Ворота жилых домов (10-20 циклов в день): ежегодный визуальный осмотр уплотнений, ежегодная проверка состояния смазки, повторная смазка при высыхании или изменении цвета. Измерение люфта не требуется, если не появляются симптомы (смещение ворот, повышенный шум). Промышленные ворота (100+ циклов в день): проверка и долив смазки каждые 6 месяцев, ежегодное измерение люфта, ежегодный осмотр уплотнений. Замена уплотнений каждые 5 лет независимо от их состояния (УФ-излучение и температурные циклы разрушают резиновые уплотнения, даже если они кажутся целыми). Прибрежные установки класса E3: дополнительная проверка на коррозию открытых крепежных элементов и внешней поверхности корпуса каждые 6 месяцев — первые признаки коррозии на внешних деталях указывают на то, что класс атмосферной коррозии может быть выше, чем указано.
В: Можно ли использовать червячную передачу с двумя звеньями в приводе ворот для упрощения ручного управления?
Двухзаходная пара с типичными значениями q имеет угол опережения, превышающий угол трения, и не является блокирующей — ворота будут смещаться или сдвигаться в открытое/закрытое положение под воздействием ветра, когда двигатель выключен. Это сводит на нет основную цель использования червячной передачи в приводе ворот. Если целью является более простое ручное управление, правильным решением является муфта ручного разблокирования на однозаходной самоблокирующейся паре, которая обеспечивает самоблокировку во время нормальной работы и свободное перемещение при ручном управлении. Некоторые производители ворот используют двухзаходные пары с электромагнитным тормозом для удержания положения, но это увеличивает стоимость, сложность и создает возможность отказа (если тормоз выходит из строя или теряет питание, ворота остаются незащищенными). Однозаходная пара с муфтой остается отраслевым стандартом.
Автоматические приводы ворот размещают червячную передачу в наиболее неблагоприятных для окружающей среды условиях среди всех стандартных промышленных применений — на открытом воздухе, подвергая воздействию погоды, экстремальных температур и атмосферной коррозии в течение десяти лет и более. Матрица воздействия окружающей среды классифицирует установки по четырем категориям и сопоставляет каждую с уровнем защиты IP, требованиями к защите от коррозии и смазке, которые определяют как стоимость, так и срок службы. Срок службы при работе ворот измеряется общим количеством циклов открытия-закрытия, а не часами работы: для жилых ворот целевой показатель составляет от 50 000 до 75 000 циклов в течение 10 лет, а для промышленных ворот — от 150 000 до 365 000 циклов в течение 5 лет. Характеристики смазки при холодном пуске ниже минус 10 градусов Цельсия и устойчивость к заклиниванию по стандарту EN 12453 — это два параметра рабочих условий, которые не охватываются стандартными техническими характеристиками червячных передач непрерывного действия — конструкторы приводов ворот должны проверить оба параметра независимо.
Для производителей приводов для ворот и служб эксплуатации зданий наш инженерный отдел проводит классификацию воздействия окружающей среды и расчет срока службы для вашей установки. Стандартный каталог компактные червячные редукторы Подходит для приводов ворот с межосевым расстоянием от 40 до 80 мм, для всех четырех классов условий эксплуатации, с соответствующими комплектами уплотнений и смазки. Отправьте заявку. Технические характеристики привода ворот с учетом веса ворот, частоты циклов и условий окружающей среды.
Выбираете червячные передачи для привода ворот?
Укажите тип ворот (раздвижные, распашные, рольставни), вес ворот, частоту срабатывания, местоположение объекта и любые особые условия окружающей среды (прибрежная зона, химическая обстановка, сильный холод). Мы классифицируем условия, порекомендуем подходящий материал и уплотнитель, а также составим ценовое предложение с учетом вашего годового объема работ.
Редактор: Cxm
