Wały - Instytut Maszyn Elektrycznych

Wał – część maszyny realizująca geometryczną oś obrotu wirnika.
- utrzymuje zamocowane na nim elementy wirnika,
- przenosi moment obrotowy
Wały maszyn elektrycznych są najczęściej:
- proste (mają jedną oś geometryczną, nie są wykorbione),
- kształtowe (o zmiennym przekroju),
- pełne (czasami drążone w maszynach o dużej średnicy),
- okrągłe (o przekroju kołowym),
- jednolite (bez przegubów),
- sztywne (nieelastyczne).
Założenia potrzebne do zaprojektowania wału:
! dyspozycje wymiarowe,
! obciążenia,
! parametry sztywności.
Etapy projektowania wału:
• wstępne ukształtowanie wału na podstawie dyspozycji wymiarowych i uproszczonych
obliczeń wytrzymałościowych,
• obliczenia weryfikujące:
- statyczne i dynamiczne strzałki oraz kąty ugięcia,
- prędkości krytyczne,
- obliczenia zmęczeniowe.
Wał małych i średnich maszyn indukcyjnych:
część środkowa
czop łożyskowy
czop końcowy
Radełkowanie wału do PN = 100kW
Materiały:
Stal węglowa konstrukcyjna zwykłej jakości (St3, St5) w postaci
- do 200mm średnicy - pręty o znormalizowanych średnicach,
- > 200mm – odkuwki.
Stal konstrukcyjna wyższej jakości (45, 65) tylko w specjalnych przypadkach:
- silniki trakcyjne, walcownicze, do pomp głębinowych, turbo i hydrogeneratory
- silniki o dużej liczbie łączeń i narażone na obciążenia udarowe,
- gdy wymagana jest duża twardość powierzchni wału (czopy pod łożyska ślizgowe i
pod koła zębate nacinane bezpośrednio na wale)
Współczynnik technologiczny:
m
kt = m < 1,15 (max . 1,3) - stosunek masy materiału do masy wału.
mw
Właściwości materiałów najczęściej używanych na wały maszynowe [Mpa]
Skręcanie i
Rozciąganie Ściskanie
Zginanie
ścinanie
Materiał
Re Zrj Zro Qc Zcj Qg Zgj Zgo Qs Zsj Zso
St3 240 210 130 240 210 290 290 160 150 190 90
Stale węglowe zwykłej
jakości
St5 280 280 150 280 280 330 380 210 170 250 125
Stale węglowe wyższej
35 310 290 160 310 290 370 400 220 190 260 130
jakości w stanie
45 340 340 190 340 340 400 460 250 210 300 150
znormalizowanym
Stale stopowe do
15H 500 360 220 500 360 550 460 290 300 320 170
nawęglania w stanie
nawęglonym i ulepszonym 12HN3 700 490 290 700 490 770 630 400 420 440 240
Stale stopowe do
30HN3 800 520 310 800 520 880 660 420 480 460 250
ulepszania w stanie
30HGS 850 570 340 850 570 930 730 460 510 500 270
ulepszonym
Re – granica sprężystości,
σ
naprężenie
15H
45
E=
∆σ
∆ε
- moduł Younga
Moduł Younga wszystkich
gatunków stali jest praktycznie
jednakowy!
Ok. 210000 MPa
St3
Różnią się jedynie wartością
granicznych naprężeń.
odkształcenie
ε
Średnice:
d1 = d ri ,
d 2 = 0,7 ÷ 0,85 d1 ,
Znormalizowane wymiary czopów końcowych:
d3 [mm]
l [mm]
d3 [mm]
6,8,10
12, 14
16, 20, 23
30
16, 18
40
50
19, 20, 22
60
24, 25, 28
30, 32, 35, 38 80
40, 42, 45, 48, 50, 55
60, 65, 70, 75
80, 85, 90, 95
100, 110, 120
130, 140, 150
160, 170, 180
d 3 = 0,9 ÷ 0,95 d 2
l [mm]
110
140
170
210
250
300
Średnice czopów łożyskowych muszą odpowiadać znormalizowanym średnicom
wewnętrznym łożysk.
Średnica wału pod rdzeniem maszyny:
d1 = kd 3
PN
nN
(P [kW], n [min-1])!
dla silników indukcyjnych: kd = 265 do 10 kW,
kd = 200 gdy PN > 10 kW,
Tolerancje i pasowania
Wały maszyn elektrycznych wykonuje się zwykle w 5 klasie dokładności co oznacza, że dla
wałka o średnicy 50 mm dopuszczalna odchyłka średnicy wynosi 0,013 mm.
Czyli maksymalna dopuszczalna średnica wałka wynosi 50,013 mm
a minimalna: 49,987
Można to zapisać :
50 +−00,,013
013
lub w skrócie: 50 j5
gdzie: j – położenie pola tolerancji,
5 – klasa dokładności.
Pasowanie – dobór pary tolerancji.
Zalecane pasowania dla łożysk poprzecznych kulkowych i walcowych
Średnica wew. [mm]
Kulkowe walcowe tolerancja
< 18
j5
18 – 80 10 – 50
k5
80 – 250 50 – 120 m5
120 - 250 n6
Chropowatość powierzchni.
Rodzaj obróbki
piłowanie ręczne (pilnikiem)
Wiercenie
toczenie zgrubne
toczenie wykańczające
Szlifowanie
Polerowanie
Wartość Ra [µ
µm]
16 – 8
8–4
4–2
2 –1
1- 0,25
0,25 – 0,01
Ra
czop końcowy – 0,63 (szlifowanie)
czop łożyskowy – 1,25 - 0,63 - 0,32 (szlifowanie)
część środkowa – 5 (toczenie)
Gładkość powierzchni zwiększa: odporność na korozję, wytrzymałość zmęczeniową i
trwałość połączeń pasowanych.
Normalne promienie zaokrągleń w mm, według PN-82/M-02045 :
0,10 ; 0,16 ; 0,25 ; 0,40 ; 0,60 ; 1,0 ; 1,6 ; 2,5 ; 4,0 ; 6,0 ; 10 ; 16 ; 25 ; 40 ; 63 ; 100 ; 160 ; 250
Unikanie karbu
źle
dobrze
Wały dużych maszyn:
Wały żebrowe maszyn o dużych średnicach:
lepiej