Зубчатый ремень открытый и замкнутый: когда метровый ремень со сваркой, а когда кольцо
В спецификации привода стоит «ремень зубчатый, 8M, ширина 30». Длины нет. Расчёт дал межосевое расстояние, которое не ложится ни в один каталожный размер, а шкивы стоят на неподвижных опорах без натяжителя; что заказывать: кольцо ближайшей длины и двигать двигатель, метровый ремень с последующей сваркой или что-то третье? Ответ зависит от трёх вещей, которые инженер знает заранее: сколько зубьев можно набрать между центрами, какую тяговую силу несёт ремень и допустит ли привод разрыв корда в одной точке. Дальше разбираем, что именно меняется в расчёте, когда ремень не замкнут с завода.
Каждую неделю на remen.ru разбираем подбор и расчёт приводных ремней: нормативы, методики, типовые ошибки при проектировании привода.
Что такое открытый и замкнутый зубчатый ремень и сколько между ними состояний?
Слово «бесконечный» в заявках путает всё. Беда в терминах. Один поставщик называет так любое кольцо, другой только литое без шва. Поэтому в заказе лучше писать три состояния по отдельности. Так надёжнее.
Первое: открытый ремень, он же метраж, он же бухта; приезжает отрезком нужной длины или целой бухтой, концы свободны, из него можно сделать линейный привод, где ремень закреплён на каретке, или сварить кольцо.
Второе: кольцо, сваренное из метража. Концы нарезаны «пальцами», сплавлены под нагревом, длина получилась любой, какая нужна по числу зубьев. Корд в месте шва разорван. Это главное.
Третье: замкнутый ремень заводского изготовления, без шва. Корд в нём идёт по кольцу непрерывно. Именно к этому типу относятся стандартные ряды длин в каталогах Gates, ContiTech, Optibelt и Megadyne.
Для резиновых ремней вопрос обычно не стоит. Среди проверенных каталогов Gates, ContiTech и Optibelt резиновые и неопреновые зубчатые серии не нашлись в виде метража со сваркой: они поставляются готовым кольцом, которое формуется в оснастке под конкретную длину. Открытый ремень - территория полиуретана. Резина тут не участвует. По техническому руководству Optibelt, сваривать встык можно термопластичный полиуретан. Литьевой термореактивный сваривать нельзя, хотя на бирке написано то же слово «полиуретан». Тип полимера надо уточнять до заказа.
Общую картину по профилям, шкивам и корду даёт обзорная статья о зубчатых приводных ремнях; про сравнение заводского кольца и полевой стыковки на примере конвейерных лент есть отдельный разбор в статье о заводской бесконечной ленте. Здесь речь только о синхронных ремнях в приводе.
Что происходит со швом и кордом, когда метровый ремень сваривают?
Технология проста по описанию. Суть одна. Концы полотна срезают так, чтобы получились зубья-пальцы, совмещают их в оснастке, прогревают и прижимают; по описанию поставщиков, на выходе получается кольцо любого числа зубьев. Минимальную длину называют разные производители по-разному: в каталоге Tyma фигурирует около 700 мм, у Ameco минимум 420 мм в зависимости от профиля и ширины. Цифры расходятся, и это нормально: у каждого стенда свои оснастка и ограничения.
Корд при этом остаётся разорванным. Сталь не сваривается. Optibelt прямо оговаривает это в описании линейки ALPHA LINEAR: несмотря на обрыв силовых нитей в месте стыка, сваренные ремни сохраняют не менее 50 % допустимой тяговой силы ремней с непрерывным кордом. В других местах той же компании встречается формулировка «примерно 50 %». Для инженерного расчёта берите нижнюю границу. Запас лишним не бывает.
Другие источники называют другие цифры. Texas Belting в сводной таблице способов соединения приводит для гребёнчатого стыка 80-85 % номинальной несущей способности, для стыка встык 60-70 %, для механических коннекторов 40-50 %, для крюкового разъёмного соединения 30-40 %. Откуда разница, из текстов не видно. Возможные причины две: Texas Belting описывает стыки вообще, а Optibelt одну серию одного завода, и базой сравнения у них могут быть разные величины, номинальная несущая способность в одном случае и допустимая тяговая сила в другом.
Что с этим делать в расчёте. Паспортное значение для конкретной серии берите у изготовителя ремня и фиксируйте в заказе письменно. Если паспортного значения нет, считайте по 50 %, как у Optibelt; если поставщик называет 80 % и не может показать, на чём оно основано, в расчёт оно не идёт.
Отдельно о назначении. Optibelt указывает, что сваренные ремни ALPHA V применяются главным образом в транспортных приводах. Это не силовая передача между валами двигателя и редуктора. О силовой передаче от двигателя к редуктору в описании серии ничего не сказано.
Если шов создаёт сомнения, не пытайтесь «усилить» его самодельно: клей и скобы не дают предсказуемой прочности, об этом подробнее в статье о том, можно ли растянуть, укоротить или склеить ремень.
Как посчитать число зубьев и почему кольцо не всегда ложится в межосевое?
Начнём с арифметики. Она короткая. Ремень 8M с 125 зубьями имеет длину по делительной линии 125 × 8 = 1000 мм. Тот же шаг 5 мм при 200 зубьях даёт те же 1000 мм; это единственный расчёт, который нужен для переходов между «длиной» и «зубьями».
Возьмём привод. Два одинаковых шкива по 40 зубьев, шаг 8 мм. Делительный диаметр каждого d = z·p/π = 40 × 8 / 3,1416 около 101,9 мм; для одинаковых шкивов длина ремня вычисляется просто: L = 2C + z·p, где C - межосевое расстояние. При C = 400 мм получаем L = 800 + 320 = 1120 мм, то есть ровно 140 зубьев. Такое совпадение случается редко.
Сдвинем центры. Пусть по компоновке станка C = 405 мм. Тогда L = 810 + 320 = 1130 мм, а это 141,25 зуба. Целого числа нет. Дробного зуба не бывает. Ремень на 141 зуб даст C = (1128 - 320) / 2 = 404 мм, ремень на 142 зуба даст C = (1136 - 320) / 2 = 408 мм. Выбор невелик: либо минус миллиметр, либо плюс три. Третьего нет.
Дальше ситуация с каталогом. Допустим, ближайшие размеры в ряду - 140 и 145 зубьев. Шаг в пять зубьев - это 40 мм по длине, то есть 20 мм по межосевому расстоянию; если привод допускает подвижку двигателя на 20 мм, вопрос закрыт, кольцо подходит. Если ход опор мал, а компоновку менять нельзя, остаётся сварной вариант на нужное число зубьев, здесь же видна граница: когда регулировка есть, сварной ремень не нужен, и лишняя потеря прочности ни к чему.
Правило полшага работает для двух шкивов близких размеров, для разных диаметров формула сложнее, и её лучше считать по методике изготовителя ремня. Но порядок величины сохраняется.
Тонкость, которую часто забывают. Каталожная длина зубчатого ремня - это длина по делительной линии, зубья и спинка в счёт не идут; допуск на длину и допуск на межосевое расстояние у разных серий разные, в каталоге они указаны в таблице. Сверяйтесь с таблицей.
В каких приводах метровый ремень оправдан?
Нестандартная длина. По формулировке Texas Belting, стандартные замкнутые ремни выпускаются фиксированными ступенями длины, и если привод требует другой, открытый ремень нарезают и соединяют точно на нужную длину. Когда это действительно нужно, мы уже посчитали выше: при неподвижных опорах и пустой ступени каталога.
Привод без доступа с торца. Кольцо надевают на шкивы с торца вала, а если шкив сидит на консоли под кожухом и за ним стоит подшипниковый узел, придётся снимать узел. BRECOflex поставляет ремни с подготовленными концами под сварку на месте и пишет, что при замене полиуретановых зубчатых ремней машину почти не приходится разбирать; сама сварка занимает около 30 минут на портативном аппарате без водяного охлаждения.
Линейные приводы. Кольца здесь нет вообще. Совсем. Оба конца ремня закрепляют на каретке, и ремень огибает ведущий шкив, что Texas Belting описывает для линейных актуаторов, портальных систем и позиционирующих столов. Шов не нужен, вопрос «открытый или замкнутый» снимается сам собой, и остаётся выбрать корд и ширину.
Очень длинные трассы. Texas Belting упоминает транспортные приводы, где длина превышает самый длинный стандартный ремень, а Tyma указывает, что максимальная длина сварного ремня у них не ограничена. Максимум для своей ширины и профиля уточняйте у изготовителя письменно.
Складская унификация. Бухта выручает. Одна бухта одного профиля закрывает сразу несколько длин. Для сервиса с парком однотипных машин довод весомый, для единичного привода он слабее, а цена шва остаётся той же.
Пример из практики проектирования. Привод подачи на упаковочной линии, ремень идёт по двум шкивам по 40 зубьев с шагом 8 мм. Конструктор выбрал межосевое 405 мм, натяжного ролика нет, а ход опор двигателя составляет всего несколько миллиметров. Ближайшие каталожные кольца имеют 140 и 145 зубьев, то есть дают 400 и 420 мм, и ни одно в ход не попадает. Сварной ремень на 141 зуб даёт расчётные 404 мм и входит. Оправдан он только при условии, что ширину рассчитали с поправкой на шов, о чём ниже.
Для сравнения с клиновыми и поликлиновыми приводами, где регулировка длины устроена иначе, смотрите статью о выборе типа привода.
Когда нужен только замкнутый ремень?
Первое условие: привод силовой, расчёт идёт на предел. Потерю в шве нельзя добрать ничем, кроме ширины, а ширина ограничена шкивом, и добавить 20 мм удаётся не всегда.
Второе: синхронизация. Здесь шов мешает. Если ремень связывает два вала с заданным фазовым соотношением, как в печатном или упаковочном оборудовании, точка с разорванным кордом даёт локальное изменение жёсткости. Для позиционирования производители применяют ремни со стальным кордом и заявляют удлинение менее 0,03 %; это значение относится к непрерывному корду, а как ведёт себя шов под нагрузкой, открытые каталоги не раскрывают.
Третье: реверс и ударная нагрузка. Тяга в шве идёт через полиуретановые пальцы, корд её не несёт. В статье о плюсах и минусах зубчатой передачи разобрано, почему зубчатый ремень не прощает перегрузку; у сварного эта особенность выражена сильнее.
Четвёртое: резиновый ремень. Тут всё просто. Метражных форм у резиновых зубчатых серий нет, как сказано выше.
Пятое: ответственный привод, где простой дороже ремня. Производители и отраслевая практика в таких местах последовательно советуют истинно замкнутый ремень без шва, замена кольца при плановой остановке - рядовая операция, а запас по тяге, потерянный на шве, не возвращается.
Шестое касается среды. Для высокой температуры, масла и воды выбор между полиуретаном и резиной задаётся условиями работы. Подробнее в статье о рабочей температуре ремня.
Как заложить потерю прочности шва в расчёт?
Схема простая. Формул немного. Берёте окружную силу на малом шкиве по мощности и скорости, добавляете коэффициент режима по методике изготовителя и получаете требуемую тяговую силу, дальше подбираете ширину так, чтобы допустимая тяговая сила на ней перекрывала требуемую.
С бесшовным кольцом допустимая сила берётся из каталога. Со сварным её умножают на коэффициент шва. Ориентир при коэффициенте 0,5: если кольцу без шва хватает ширины 20 мм, сварному потребуется около 40 мм. Это грубая прикидка, потому что допустимая сила не всегда строго пропорциональна ширине, но порядок величины верен. Ошибиться в большую сторону дешевле, чем в меньшую.
Что останавливает такую замену? Ширина шкива. Шкив под ремень 30 мм не примет 40 мм без нового шкива с новой ступицей, посадкой и балансировкой; иногда проще перейти на крупный шаг: ремень 14M несёт на единицу ширины больше, чем 8M, хотя и требует других шкивов.
Второй предел - зуб. Он не зависит от шва. У ремня две независимые границы прочности, и об этом пишет BRECOflex: прочность на срез зуба определяется силой, нужной для необратимой деформации зуба или его отслоения от корда, а прочность корда - допустимой растягивающей нагрузкой на сечение. Сварной шов снижает вторую границу, но не отменяет первую. По отраслевым материалам Texas Belting и SDP/SI, если на малом шкиве в зацеплении меньше шести зубьев, нагрузка распределяется неравномерно и зубья срезаются. Для сварного ремня это тоже правило.
Проверка делается на пальцах. У двух одинаковых шкивов угол обхвата равен 180 градусам, и в зацеплении находится примерно половина зубьев каждого. Для шкива на 40 зубьев это около 20, запас огромный. Для малого шкива на 12 зубьев при большом передаточном числе угол обхвата падает, и в зацеплении остаётся лишь несколько зубьев, а шов добавляет точку, в которой нагрузка распределяется хуже. Именно на таких узлах сварной ремень чаще всего оказывается под вопросом, и проверять нужно оба шкива, а не только ведущий. Угол обхвата считают по межосевому и диаметрам, формула есть в методике любого производителя ремней. Проверяйте число зубьев в зацеплении отдельно. Пять зубьев и меньше - уже ниже порога.
Остаются поправки. Для арамидного корда во влажной среде добавляется разбухание, меняющее натяжение. Про стальной, арамидный и карбоновый корд подробнее в статье о ремнях Gates с карбоновым кордом.
Итог для расчёта. Шов - это коэффициент 0,5 на тягу, и закладывают его до заказа. После первого пуска поздно.
Что проверить при заказе и приёмке сварного ремня?
Хорошая строка заявки выглядит так: профиль и серия (например, HTD 8M), 141 зуб, ширина 40 мм, корд стальной, термопластичный полиуретан, гребёнчатая сварка, тяговая способность шва не ниже указанной в паспорте серии. Плохая: «ремень 8M на 1130, сварной». В ней нет ни профиля, ни материала, ни корда.
Профиль в заявке нужен всегда. У ремней одного шага бывают разные формы зуба, и округлый зуб HTD с трапециевидным профилем STD при одинаковом шаге между собой не меняются. Подробности по профилям собраны в статье о стандартах приводных ремней.
Что спросить у поставщика письменно? Кто сваривает: завод-изготовитель или сервисная мастерская. Какой допуск на длину готового кольца. Есть ли протокол по шву. Если в ответ слышно «шов не хуже ремня», но цифры нет, считайте, что ответа нет.
Приёмка. Три шага. Сначала считаете зубья: расхождение с заявкой хотя бы на один даёт ошибку и по длине, и по межосевому; затем осматриваете шов: ровная линия без непроваров, зубья по обе стороны одной высоты, расслоения нет. Затем прокручиваете ремень по шкивам без нагрузки и смотрите, нет ли биения в зоне шва. Общий порядок входного контроля описан в статье о приёмке ремней.
Монтаж сварного ремня ничем не отличается от обычного, но с натяжением спешить не стоит. Спешка вредит. Недотяжка даёт перескок зубьев, перетяжка быстрее выбирает ресурс. Методика для зубчатых ремней отличается от клиновых, что разобрано в материале про натяжение приводного ремня, а общий порядок работ описан в статье об установке приводного ремня. Бухту метража до сварки хранят по общим правилам для ремней, они изложены в статье о хранении приводных ремней.
Пять ошибок при выборе между метром и кольцом
Первая. Заказ по длине без числа зубьев. Длина 1000 мм у 8M и у 5M даёт 125 и 200 зубьев соответственно, и заявка «на 1000» без профиля не определяет ремень.
Вторая. Ширину считают по каталогу кольца, а заказывают сварной ремень; потеря на шве в расчёт не вошла, и ремень с первого дня работает на пределе. Итог один.
Третья. Попытка сварить резиновый ремень. Нужная форма поставки у резиновых серий просто отсутствует, поэтому заказывать надо кольцо.
Четвёртая. Сварка литьевого полиуретана. Сваривается термопластичный полиуретан, а термореактивный нет, и слово «полиуретан» на бирке одно от другого не отличает.
Пятая. Приёмка без счёта зубьев. Ремень пришёл, ремень смонтирован, на шкивы не сел, причину ищут в шкивах, а причина в лишнем зубе.
Частые вопросы
Можно ли сварить резиновый зубчатый ремень из метража? Такой формы поставки мы не нашли. В проверенных каталогах Gates, ContiTech и Optibelt резиновые и неопреновые зубчатые серии поставляются только готовым кольцом. Метраж со сваркой относится к термопластичному полиуретану.
Сколько прочности теряет сварной зубчатый ремень? По данным Optibelt, сваренные ремни сохраняют не менее 50 % допустимой тяговой силы ремней с непрерывным кордом. Texas Belting называет для гребёнчатого стыка 80-85 %. Для расчёта берите паспортное значение серии или нижнюю оценку в 50 %.
Чем сварной ремень отличается от литого бесшовного? В литом кольце корд непрерывен и шва нет, поэтому тяговая способность равна каталожной. В сварном корд разорван в месте шва.
Как перевести длину в число зубьев? Разделите длину по делительной линии на шаг. Для 8M длина 1000 мм даёт 125 зубьев, для 5M та же длина даёт 200.
Нужно ли сдвигать двигатель при замене на кольцо другой длины? Придётся, если нового размера нет в ряду. Один зуб длины меняет межосевое расстояние примерно на полшага. Если регулировки нет, остаётся сварной вариант.
Где сварной зубчатый ремень не стоит применять? В силовых приводах, рассчитанных на предел тяги, при реверсе и ударных нагрузках, в синхронных связях с жёсткой фазой, а также в резиновом исполнении.
Что запомнить перед заказом
Три состояния ремня: метраж, сварное кольцо, бесшовное кольцо. В заказе называйте нужное прямо.
Длина равна числу зубьев на шаг. Один зуб - полшага по межосевому.
Шов у сварного ремня - это разрыв корда. Паспортное значение берут у изготовителя серии, без паспорта считают по 50 %.
Резиновые серии свариванию не подлежат. Свариваемо только термопластичное исполнение полиуретана.
Линейные приводы, труднодоступные валы и нестандартные межосевые - территория метрового ремня. Силовая передача с регулировкой требует кольца.
Подобрать профиль, число зубьев и ширину под ваш привод можно вместе с инженером remen.ru: пришлите межосевое расстояние, шкивы и нагрузку, в ответ получите расчёт и вариант поставки, а каталог ремней смотрите в разделе зубчатых ремней.