Приводная техника

Появление колеса предопределило основной способ получения и применения механической энергии в форме вращательного движения. Замечательные свойства вращательного движения – цикличность и равномерность – позволяют организовать сколь угодно длительный отъем энергии от источника в пределах ограниченного участка пространства без реверсирования приводного усилия и «мертвых точек», неизбежных в системах линейного преобразования движения. Водяное колесо, ветряк, вороты, брашпили, кривошипы, храповики – все эти нехитрые механизмы были созданы для отъема энергии у природных линейных источников (течение воды, поток воздуха, мускульное усилие человека и тягловых животных) и преобразования ее во вращательное движение исполнительных устройств.

Поэтому под «приводной техникой» в современном понятии почти исключительно понимается гамма изделий, задачей которых является преобразование вращательного движения. Таковое преобразование может заключаться, в частности:

• в передаче крутящего момента на расстояние;
• в изменении направления вращения;
• в изменении угловой ориентации оси вращения;
• в изменении числа оборотов;
• в распределении мощности и крутящего момента на несколько осей;
• в преобразовании равномерного вращения в импульсное, прерывистое;
• в сообщении крутящего момента нагрузке с нулевой скоростью вращения;
• в поглощении энергии вращения с целью замедления вращения или останова нагрузки.

Мощным толчком развития технологий современной приводной техники стало развитие в эпоху великих географических открытий метрологии времени. Изготовление и строительство часов различного «калибра» - от носимых до стационарных интерьерных и башенных – буквально взорвало точную механику. По сути своей, механические часы представляют собой сложный прецизионный мотор-редуктор, объединяющий почти все функции преобразования энергии. В качестве привода используется пружина, гиревая тяга или механический двигатель, причем в башенном «часостроении» свое слово в качестве привода «сказали» даже паровые машины. На часовых механизмах были обкатаны технологии передачи вращения, которые не устаревают до сих пор. Главной из них является зубчатая передача.

Промышленная революция взяла на вооружение зубчатую передачу сравнительно поздно. Это объясняется тем, что до появления компактного электропривода первые производственные машины и станки либо приводились в движение вручную, либо «вножную». А для этого наиболее пригодным был ременной привод. Паровые машины были достаточно громоздкими, попытка сокращения их размеров вела к падению и без этого невысокого К.П.Д. Снабжение каждого агрегата собственной паровой машиной, кроме того, породило бы на проблему отопления локального парового котла. Удобство и безопасность эксплуатации диктовали центральное сжигание топлива и выработку пара, а также центральное расположение паровой машины. Крутящий же момент от паровой машины приходилось распределять при помощи громоздких и замысловатых трансмиссий с десятками кожаных приводных ремней и длинными валами. Обилие в цехах не закрытых никакими кожухами движущихся частей удручающе сказывалось на картине производственного травматизма. Износ ремней, скольжение, сход с барабанов, огромные вращающиеся массы, шум и вибрация быстро сделали технологию устаревшей. В видоизмененном воплощении гладкие ремни дошли до наших дней, в основном, в форме транспортерных лент. Для повышения надежности передачи крутящего момента на большие расстояния стали применять цепи, сократив размеры и массы приводных систем, и поставив точку в вопросе обеспечения синхронного вращения.

Принцип передачи вращения при помощи зубчатых колес поначалу приживался тяжело, хоть до появления паровой машины Уатта с кривошипно-шатунным механизмом зубчатая рейка и шестерня были единственным способом преобразования энергии возвратно-поступательного движения поршня во вращение. Большие шестерни не отличались точностью изготовления, имели в зацепе значительные люфты, быстро изнашивались, поскольку применялись «насухую» в открытом исполнении. Примитивные подшипники добавляли нагрузку, быстро нагревались и теряли эффективность. Большие механические и тепловые потери сильно портили репутацию технологии. Изящество воплощения теории, сосредоточившейся на принципе, и не вдававшейся в детали, на практике зависело от развития сопутствующих элементов. В 1850 году немец Фридрих Фишер разработал технологию изготовления шарикоподшипников современного типа. Шарикоподшипник позволил значительно уменьшить трение, жестко стабилизировать вращающийся вал в кинематической системе и обеспечить постоянство межосевых расстояний в трансмиссии. Еще некоторое время потребовалось, чтобы придумали помещать зубчатые пары в корпуса, а в корпуса заливать смазочное масло. Масло понизило трение, позволило радикально уменьшить износ рабочих поверхностей, ограничивало нагрев, отводя тепло через стенки корпуса. Развитие новых высокооборотных типов привода, таких как паровая турбина, ДВС и электродвигатели требовало создания компактных надежных трансмиссий для понижения числа оборотов с технологически оправданного до практически необходимого. И этот вызов был принят промышленностью, давшей на него блестящий ответ.

Зубчатая передача является на сегодняшний день глубоко стандартизированным классом промышленных изделий и основным типом трансмиссии общего назначения. В качестве вспомогательной трансмиссии для решения частных задач применяются ременные передачи. Зубчатые, клиновые и поликлиновые ремни широко применяются для передачи небольших и средних крутящих моментов на небольшие межосевые расстояния, они отличаются от цепей с зубчатыми колесами низким уровнем шума, предохраняют трансмиссионные механизмы от повреждений при случайных перегрузках за счет собственного разрушения.

Несколько добрых слов заслуживают, безусловно, бесступенчатые механические трансмиссии. Возможность изменения числа оборотов исполнительных механизмов, насосов и вентиляторов повышает гибкость системы, позволяет подстраивать производительность под реальные потребности и экономит энергию. До появления силовой электроники массово строились четыре типа бесступенчатых редукторов, называемых вариаторами: ременные вариаторы, вариаторы с дифференциальным механизмом, фрикционные вариаторы и гидравлические вариаторы (гидромуфты). Последние до сих пор изготавливаются массово в качестве АКПП автомобилей. Производство остальных типов радикально свернуто, но на «свалку прогресса» этим заслуженным и технологически изящным механизмам пока отправляться рановато. Электронные силовые устройства, как правило, перегружены функциями управления, большая часть из которых в простых технологических процессах попросту не используется. Вариаторы имеют только одну функцию: изменение числа оборотов и фиксирование его на заданном значении. Их «интерфейс» прост и понятен работнику с любым уровнем подготовки, в отличие от замысловатых панелей управления современных преобразователей частоты. В небольших вариаторах настройка осуществляется при помощи ручного маховика, в крупных вариаторах имеется механизация настройки числа оборотов при помощи небольшого электромотора и кнопочного пульта.

Настоящий обзор-экскурс по приводной технике был бы неполным без упоминания о вспомогательных элементах трансмиссий. К ним относятся разнообразной конструкции муфты для соосной передачи крутящего момента с вала на вал, обгонные муфты, передающие крутящий момент только в одном направлении вращения. Карданные валы позволяют передачу крутящего момента под углом к приводному валу и изменять этот угол в процессе работы. Механизмы сцепления и электромагнитные муфты позволяют подключать к источнику крутящего момента покоящиеся нагрузки. Ручные и механизированные тормозные устройства обеспечивают затормаживание нагрузок или их фиксирование в положении покоя. Натяжные ролики и успокоители для ремней и цепей, подвижные платформы и рамы для регулирования натяжения в больших ременных передачах, паразитные шестерни и звездочки – это устройства наладки трансмиссий, призванные снизить шумовые и вибрационные нагрузки, обеспечить длительную успешную работу всех элементов кинематической системы производственной установки.

Совершенствование механических приводных компонентов продолжается, поскольку в промышленности и на транспорте они еще длительное время будут становым хребтом технологии преобразования механической энергии.