Муфта

https://vk.com/video-204897338_456239187?t=3s

https://vk.com/video-204897338_456239188

По просьбам пикабушников

Муфта это элемент, соединяющий два вала - мотора и приводного винта, и основной задачей его является передача крутящего момента. Рассмотрим основные виды муфт в станках и принципы выбора её для свого станка.

От муфты ожидаются:

1) беззазорность.

Люфт в муфте = станок почти бесполезен.

2) высокая жесткость на кручение

3) компенсация несоосности валов

Идеально точных станков не бывает, валы всегда немного смещены относительно друг друга, и муфта должна компенсировать это смещение.

4) надежность посадки на вал

5) достижение нужной скорости вращения без вибраций

Исходя из этих требований, для разных задач делают разные муфты, а конкретней, варьируются 3 параметра.

Первый параметр - способ фиксации вала.

Способ фиксации вала #1 - стопорными винтами.

Способ самый ненадежный, вал при более-менее значительном моменте на муфте может  сдвинуться, а если вал без лысок, то и вовсе провернуться - в результате способ со стопорными винтами используется только при подсоединении энкодеров или чего-то другого, слабо нагруженного.

Почему он вообще существует - потому что он самый простой, удешевляет муфту и такие муфты гораздо более сбалансированны, то есть меньше вибрируют с возрастанием скорости вращения.

Способ фиксации вала #2 - разрезным полукольцом.

Фиксирующее вал кольцо надрезается, вал вставляется и зажимается стягивающим винтом.

Способ один из самых распространенных, уже достаточно надежно фиксируется вал, несильно удорожает муфту, может быть использован в большинстве применений.

Из недостатков его то, что вал все же зажимается не по всей окружности, т.е. это компромиссный вариант - есть способ понадежней.

А кроме того, разрез немного ослабляет прочность и жесткость муфты, на винт действует большое усилие и крутящий момент при закручивании(легко повредить резьбу или отломить шляпку), и в распределении массы муфты возникает дисбаланс - максимальная скорость вращения падает. Но тем не менее, способ хороший.

Способ фиксации вала #3 - цанговый зажим

Практически идеальный вариант. Конструктивно это выглядит как коническая цанга, которая утапливается при закручивании винтов в тело муфты, где выполнен ответный конус. В результате вал зажимается лепестками по всей окружности с огромным усилием, практически исключая проворот. При этом на винты действует малое линейное усилие, и крутящий момент при зажиме муфты тоже небольшой нужен. Цанга симметрична - не нарушает баланс, муфта цельная - не страдает жесткость. В общем, идеальный вариант, если бы не два но - 1) цена 2) габариты

Ну и наконец способ фиксации #4 - шпоночный паз

Машиностроительная классика. Но мы им не пользуемся, потому что он капризен к точности изготовления самого и вала, и паза, и шпонки, ударные нагрузки концетрируются в одной точке и гнездо постепенно изнашивается, и балансировка муфты также страдает. Плюс долбежка паза - это еще одна технологическая операция, которая удорожает муфту. Такое себе, в общем. Наше личное мнение: везде, где нужно исключить проворот, и думают о шпонпазе - можно и нужно обойтись цанговым зажимом. Если цанга не удержит такой момент - и ваше шпоночное соединение долго таких нагрузок не вытянет.

Теперь о втором параметре - о способе передачи момента. Собственно, по нему и делятся муфты на виды.

Вид #1. Сплошная муфта

Самый простой вид.

Тут все понятно. Сплошное тело(или с небольшими надрезами). Вот тут будем в баллах оценивать.

Жесткость на кручение(в данных габаритах) - 5/5

Отсутствие люфтов и зазоров - 5/5

Максимальный приложенный момент - 5/5

Компенсация несоосности(расстояние между плоскостями через валы) - 0/5

Компенсация угла между валами - 0/5

Компенсация вибраций - 1/5

Итого, муфта отличная, если у вас валы идеально соосны. Иначе в подшипниках, держащих соединяемые валы, будут оргомные усилия, вплоть до заклинивания, а сама муфта будет копить микротрещины и быстро лопнет. Вибрации от резания и прочего - не гасят, а просто передают дальше.

Вид #2. Кулачковая муфта

Два кулачка, соединенинных вставкой из того или иного материала. Материал и вид вставки влияет на свойства виброгашения, зазоры и жесткость на кручение.

Жесткость на кручение(в данных габаритах) - 2/5

Отсутствие люфтов и зазоров - 3/5

Максимальный приложенный момент - 4/5

Компенсация несоосности(расстояние между плоскостями через валы) - 1/5

Компенсация угла между валами - 3/5

Компенсация вибраций - 2/5

Эти муфты уже способны компенсировать небольшой угол и расстояние между осями вращения. Причем чем толще, мягче и массивней вставка -  тем выше компенсаторные способности. Однако, скажем, мягкая полиуретановая вставка(а в основном они именно такие) снижает жесткость на кручение, и способна накопить деформацию, в результате чего в муфте появятся зазоры. В остальном неплохие муфты.

Вид #3. Мембранная муфта

Кольца, фиксирующие валы, соединяются хитрым способом с помощью стальных мембран на 4 штифтах(2 штифта крепят в одно кольцо, два в другое).

Прикол в том, что кольца могут немного двигаться за счет изгиба мембраны, муфта становится подобием мехов гармони. Получаем муфту с высокой компенсаторной способностью по углу и расстоянию. Причем, чем мембран может быть одна, две, три, и даже четыре. Чем выше число мембран, тем выше компенсторная способность, и ниже максимальный момент, жесткость на кручение и скорость вращения. При этом мембранные все равно остаются одними из самых жестких на кручение муфт среди составных моделей. Из недостатков еще отметим то, что гнезда штифтов бывают подвержены "нормальному износу" и постепенно приходят в негодность.

Жесткость на кручение(в данных габаритах) - 4/5

Отсутствие люфтов и зазоров - 5/5

Максимальный приложенный момент - 3/5

Компенсация несоосности(расстояние между плоскостями через валы) - 3/5

Компенсация угла между валами - 3/5

Компенсация вибраций - 1/5

Иногда, чтобы увеличить максимально возможный приложенный момент, штифты удаляют от оси вращения, чтобы снизить усилия на них. Габарит увеличивается, жесткость и прочность муфты тоже.

Вид #4. Сильфонная муфта

Фиксирующие валы кольца соединяются гофрированным элементом из стали.

Это муфты с прекрасной компенсаторной способностью, полным отсутствием зазоров, люфтов и т.п. Из недостатков у них только высокая цена, уязвимость места крепления сильфона к кольцам(его клеят, припаивают, прессуют - и все равно сильфонные муфты разваливаются как правило именно по месту крепления сильфона), и как следствие не очень большой передаваемыей крутящий момент. Также, из-за гибкости сильфона по жесткости на кручение они уступают мембранным и сплошным, но тем не менее её достаточно для работы в станках любого типа. Если вдруг жесткости не хватает - просто берут муфту диаметром побольше.

Жесткость на кручение(в данных габаритах) - 3/5

Отсутствие люфтов и зазоров - 5/5

Максимальный приложенный момент - 2/5

Компенсация несоосности(расстояние между плоскостями через валы) - 5/5

Компенсация угла между валами - 5/5

Компенсация вибраций - 2/5

Вид #5. Объединим здесь два вида в один, это разрезные(слева) и спиральные(справа) муфты

Разница в том, как сделан пропил - по спирали или паралелльно. Оба вида муфт дешевы, хорошо компенсируют погрешности установки вала, особенно спиральные. Но обладают низкой прочностью, жесткостью на кручение, а также способны резонировать на некоторых частотах вибраций, усиливая их. Поэтому разрезные в основном применяются в простейших малобюджетных станках, а спиральные и там лучше не применять - их назначение это подключать энкодеры.

Разрезные:

Жесткость на кручение(в данных габаритах) - 2/5

Отсутствие люфтов и зазоров - 5/5

Максимальный приложенный момент - 1/5

Компенсация несоосности(расстояние между плоскостями через валы) - 3/5

Компенсация угла между валами - 4/5

Компенсация вибраций - 0/5

Спиральные:

Жесткость на кручение(в данных габаритах) - 1/5

Отсутствие люфтов и зазоров - 5/5

Максимальный приложенный момент - 1/5

Компенсация несоосности(расстояние между плоскостями через валы) - 4/5

Компенсация угла между валами - 5/5

Компенсация вибраций - 0/5

Третий параметр - это материал корпуса муфты.

Но тут все понятно. Стальные муфты прочнее, жестче, долговечней и дороже алюминия, и развивают меньшую скорость из-за большего момента инерции. В остальном всё то же самое.

Видео с этими муфтами крупным планом можете найти в этом плейлисте

Поскольку у нас в электрических сетях за очень крайне редким исключением используются переменное напряжение (частотой 50 Герц), грубо говоря, "полярность магнита", которым становится кабельная линия, меняется 100 раз (50 раз за секунду кабель, как бы, становится "северным полюсом магнита" и 50 раз за секунду - как бы "южным полюсом магнита). Это очень условно и я пишу это только для понимания процесса.

Если помните описанный выше школьный опыт, то наверняка помните и то, что когда мы перемещали магнит (меняли магнитное поле), стружка на столе тоже двигалась. Именно поэтому при создании кабеля не допустимы вкрапления в изоляцию чего угодно магнитного.

При наличии любых магнитных вкраплений в изоляции кабеля возникают небольшие локальные пробои (очень грубо говоря, "искры" на очень маленьких участках, длинной намного меньше миллиметра). Один такой пробой ни к чему не приводит, кроме того, что изоляция кабеля в месте микро-пробоя получает микроскопический дефект. Вроде бы, мелочь, но через какое-то время (может через сотую долю секунды, а может через день, месяц, год), пробой в этом месте может повторится. И дефект увеличится ещё. И так далее, при этом чем больше развился дефект, тем быстрее произойдет следующий микро-пробой. В результате разрушения изоляции в ней появляются так называемые "триинги".

Ниже - картинка из и-нета, на котором показано как при нарушении внешней изоляции попадание влаги постепенно приводит к образованию "водного триинга" и "съедает" изоляцию:

А дальше, в конце концов, произойдет пробой изоляции основной жилы, короткое замыкание и отключение кабеля от защиты с последующим возможным обесточением потребителей (если нет резерва или он не работает в автоматическом режиме) и дорогостоящим ремонтом.

Отсюда вывод: кабельные муфты 110 кВ ставят для того, чтобы обеспечить изоляцию участка в месте соединения, а так же обеспечения равномерного распределения электромагнитного поля для того, чтобы исключить развитие триингов.

Отсюда требование к монтажу муфт 110 кВ: применение только качественных материалов, обязательное и безусловное следование технологии, хирургическая точность и почти больничная чистота при монтаже муфты. Цена ошибки исчисляется, как минимум, семизначной цифрой (в рублях). Конечно, можно "рискнуть" и "забить" на какие-то требования, но тогда никто не даст гарантий надежности.

Кабельные муфты бывают двух типов: соединительные и концевые. Соединительные нужны для соединения двух концов кабеля, что нужно либо при строительстве (если длина кабельной линии грубо под километр и более - для одной фазы используются несколько кабельных барабанов и их соединяют на трассе). Бывают ещё соединительные транспозиционные кабельные муфты, но это сильно специфическая тема, возможно далеко не всем интересная.

Концевые кабельные муфты используются в конце кабельной линии, например, на подстанциях или в месте перехода кабельной линии в воздушную. Концевые муфты бывают внутренней (для помещений) и наружной (на улице) помещений, но это снова специфика, возможно мало кому интересная.

Теперь о том, как монтируется кабельная муфта. Монтаж соединительной и концевой кабельной муфты, конечно, имеет свои отличия, но суть примерно одинакова. Полтора года назад наши партнеры (в хорошем смысле ;) ) пригласили нас посмотреть, как готовится и монтируется кабельная муфта. И пару часов показывали подготовку кабеля для монтажа концевой муфты.

Собственно, ниже фотки этого процесса. За качество сразу прошу прощения, снимал на зубочистку (нет, на самом деле писал видео, но качество совсем "не ахти").

Слева на полу - кусок кабеля, уже "разделанный" (это именно демонстрационный образец, понятно, в работе он вообще никуда не годный, кроме как для обучения или демонстрации). На "козле" - кусок кабеля, видимо, какой-то не нужный образок, на котором и будет производится демонстрация. Если правильно помню, марка кабеля АПвП2г.

Кабельщик отмеряет расстояние, здесь вообще всё должно быть очень точно, до миллиметра, так как у элементов муфты есть и есть допустимое отклонение, то оно очень небольшое.

Сначала снимают внешнюю оболочку. Она довольно прочная и для того, чтобы не повредить алюминиевую фольгу эту оболочку снимают довольно необычным способом. Оболочку разогревают паяльной лампой и затем с помощью специальной нити, которая буквально вдавливается в разогретую оболочку, разрезая эту оболочку.

Вот собственно, на фрагменте видео видно процесс начала наложения нити - видно, что верхний слой она просто "продавила". Нить используется не любая, а специальная - она режет оболочку, но не способна порезать алюминиевую фольгу под оболочкой.

Когда оболочку разрезали в двух местах, кабельщик с помощью ножа и "кусачек" аккуратно отделяет оболочку.

Все тщательно зачищается, кабельщик использует самый разный инструмент - на правом фрагменте - что-то типа рубанка, которым он подравнивает край внешней оболочки, слева - подчищает шкуркой. Кабельный нож тоже активно используется. К слову, На демонстрации были, можно сказать, "тепличные" условия - кабельщик работает стоя, в том числе, обрабатывая кабель снизу, а в реальности часто приходится работать и лежа (на земле) и в "позе зю".

На зачищенную фольгу ставят пружину постоянного давления (это она такая блестящая, шириной около сантиметра) - за ней будет снята фольга, здесь она используется как ограничитель (под ней фольга останется, но позже эту пружину уберут). Затем снова разогревают оболочку и кабельным ножом надрезают. Здесь уже не боятся повредить фольгу, так как на этом участке она будет снята. Снимали самодельным устройством, но я решил его не показывать - вдруг это ноу-хау, не хочу раскрывать ничьих секретов, хотя устройство примитивное, самодельное, но несколько облегчает труд по снятию внешней оболочки.

Далее снимают водоблокирующий слой (ткань, которая при попадании на неё влаги разбухает и блокирует дальнейшее распространение воды в кабеле).

Под водоблокирующим слоем находится так называемый экран - медные проволоки (хотя отдельные личности пытаются внедрить алюминиевые, но не уверен, что на такие изделия есть спрос в силу ряда причин). Кабельщик закрепляет слой и затем начинает отгибать и аккуратно раскладывать каждую проволочку. Выглядит это так:

Снова повторюсь - не ставлю своей целью написать подробную инструкцию - огромное количество важных операций я намеренно пропускаю. Они нужны и важны кабельщику, но навряд ли интересны всем и каждому.

Под зкраном - следующий слой водоблокирующей ленты (на фото - именно его снимают - он снимается очень легко), а под ним - полупроводящий слой. Мы уже почти добрались до основной изоляции кабеля.

Теперь настала очередь полупроводящего слоя. Профессионалы снимают его с помощью специальной "машинки" (чисто механической) и затем подчищают стеклышками (да, обычными кусками стекла - наверное такого же, как то, которое у нас в окнах). Вредители для этих целей используют в лучшем случае кабельный нож (и потом эксплуатационщики удивляются, а чего это муфта на кабеле десять киловольт простояла всего полгода и сгорела?). Вот фото этой машинки в процессе установки на кабель:

Кабельщик настраивает глубину проникновения ножа, угол среза и затем просто вращает машинку, срезая с кабеля слой строго определенной длины. Слева - участок с уже снятым полупроводящим слоем белого цвета. Это и есть основная изоляция жилы - сшитый полиэтилен.

Вот тут то у моей зубочистки мыльницы и кончилась батарейка. Но я успел сделать ещё несколько кадров. Вот, собственно, после снятия полупроводящего слоя, кабельщик дочищает экран с помощью стеклышка и "выводят" полупроводящий слой в конус.

Затем снимают основную изоляцию с самой жилы на участке около 10 см. А вот после этого начинается очень долгий, нудный и трудоемкий процесс зачистки (выравнивания) внешней поверхности основной изоляции (сшитого полиэтилена). На первых этапах для этого могут использовать шлифмашинку, а затем берут шкурку и с каждым разом уменьшая её зернистость вычищают изоляцию до идеально ровного слоя.

Собственно, вот шлифмашинка в процессе (если правильно помню, здесь сводят край изоляции "в конус"):

Ну а дальше - шлифовка, шлифовка и шлифовка. Вручную. На несколько часов. Мне, к счастью, наблюдать весь этот процесс от начала до конца не пришлось - на этом демонстрацию прервали, пояснили, что это жутко скучно.

Но что дальше?

Дальше кабель ещё некоторое время подготавливают (удаляют изоляцию с токоведущей жилы, всё вычищают, проверяют (наверняка делают ещё какие-то важные операции, о которых я не знаю) и затем начинают монтировать муфту. Процесс не менее серьезный, чем подготовка кабеля - с жесткими требованиями по технологии, строгой последовательностью наложения слоев и так далее. Муфты разных производителей могут отличаться, но для примера я взял что-то наиболее похожее на самый распространенный тип соединительной муфты, которая у нас (в наших сетях) применяется

1 - соединительная гильза, 2 - собственно, кабель, 3-11 - куча очень нужных вещей, о которых рассказывать долго, но признаюсь честно, не спец и могу ошибиться. "В натуре" все это выглядит на трассе примерно так (картинка из и-нета):

Концевые муфты многие могли видеть в крупных городах, вот прямо из яндекс-карты:

Ну и напоследок - концевая муфта на 220 кВ (она примерно раза в полтора больше муфты на 110 кВ) в разрезе. Целиком в кадр не вошла, поэтому "разрезана" на два фото. Слева - нижняя часть (где кабель подходит), справа - верхняя часть с аппаратным зажимом, на который подключается шлейф воздушной линии или от коммутационного аппарата подстанции.

Надеюсь, было интересно (и не слишком занудно (и не очень много косяков)).

Дочитавшим до конца - спасибо за внимание!