6 Axelkopplingar 6.1 ALLMÄNT En axelkoppling är avsedd att överföra vridmoment mellan två i linje eller nästan i linje liggande roterande axlar. Vridmomentet i axlarna är lika stort, men varvtalsskillnad kan förekomma vid slirning eller hel urkoppling. I sin enklaste och kanske ursprungligaste form fungerar kopplingen som en skarv på axeln. Detta är en uppgift, en annan är att förbinda två axlar, som inte nödvändigtvis är perfekt i linje med varandra. Ett sådant fel måste då kunna tas upp av kopplingen. Axelkopplingar kan ha en mängd olika funktioner och egenskaper. Med tanke på detta brukar kopplingar uppdelas i tre huvudgrupper med underrubriker, nämligen: 1. Icke urkopplingsbara kopplingar Vridstyva Vridelastiska 2. Urkopplingsbara kopplingarkopplingar med manöverorgan frigångskopplingar 3. Vridmomentbegränsande kopplingar icke styrbara styr- och reglerbara 6.2 VAL AV AXELKOPPLING Det är viktigt inte minst av kostnadsskäl att, om den inte redan finns, skapa en vettig internstandard, som med ett fåtal typer täcker de flesta kopplingsbehoven inom ett företag/anläggning. Finns inte någon standard eller skall en ny standard utarbetas - det kanske finns anledning att omarbeta den befintliga - bör följande faktorer beaktas. Typ av koppling Ej urkopplingsbar Urkopplingsbar Vridmomentbegränsande Typ av rörelse Radiell och axiell förskjutning Vinkelbrytning Krafter och moment Vridmoment Böjmoment Axiella och radiella krafter Driftfaktorer Startfrekvens Inkopplingsfrekvens Drifttid Omgivningstemperatur Masströghetsmoment Beräkningsmetoder Varvtal Balansering Dimensioner, vikt Axelhål Utrymme Miljö Korrosiv Slitande Temperatur Explosiv Uppställning och demontering Horisontella eller vertikala axlar Uppriktning Passningar Utbytbarhet Lätt att byta förslitningselement Livslängd Faktorer som påverkar Kostnad Faktorer som påverkar totalkostnad 150
6.3 TYP AV KOPPLING Ej urkopplingsbara kopplingar behåller efter monteringen en mer eller mindre flexibel men obruten överföring av rotationsrörelsen. Förbandet löses endast i samband med demontering för reparation el. dyl. De vanligaste kopplingarna för pumpar är någon form av flexibla kopplingar, som kan ta upp kvarstående fel från uppriktning. Det finns dock exempel på användningsområden för fasta kopplingar. Ett exempel är skålkoppling, som används för att underlätta demontering. Figur 6.1 Exempel på skålkoppling Ett annat är långaxliga pumpar och omrörare - figur 6.2 - där man av utrymmesskäl vid demontering måste "skarva" axeln. Tillverkningstekniska skäl gör också att man vill "skarva" långa axlar. Den vanligaste kopplingen för dessa fall är skiv- eller flänskopplingen. Figur 6.2 Långaxlig pump För att underlätta demontering och service på maskinerna är en s k "spacer"-koppling att föredra, figur 6.3. Genom att demontera kopplingen kommer man åt att arbeta med respektive maskin utan att behöva flytta dessa. 151
Figur 6.3 Förenklad demontering med spacer-koppling För speciella pumpinstallationer används urkopplingsbara och vridmomentbegränsande kopplingar. Exempel är centrifugalkopplingar för avlastad start vid användning av en direktstartad kortsluten motor. Hydrodynamiska kopplingar kan användas för avlastad start och varvtalsreglering, se vidare avsnitt 8.13. 6.4 UPPRIKTNINGSFEL De typer av rörelse eller förskjutning mellan två axlar, som kan förekomma är av tre slag enligt figur 6.4, nämligen: Dessa förskjutningar kan förekomma var för sig eller tillsammans. Kopplingsleverantören ger uppgifter på hur stora dessa förskjutningar maximalt får vara, som regel var för sig. Det är viktigt att veta hur stora förskjutningarna får vara vid en kombination och hur max tillåtna värden förändras med varvtalet och överfört moment, Se figur 6.5 Figur 6.4 Typ av rörelse 152
Figur 6.5 Vinkelfel, kombination axial-radialfel. Livslängden på både koppling och maskiner påverkas också av snedställningen. Hur mycket livslängden på maskinen förändras kan bedömas först efter uppgifter på hur stora de återförande momenten och krafterna blir vid en viss snedställning. Oftast talas enbart om hur stor snedställning de olika kopplingstyperna tål, när det istället borde undersökas vilken koppling maskinen tål vid en viss uppriktningsgrad, figur 6.6. Figur 6.6 Förhållandet förskjutning/kraft 6.5 KRAFTER OCH MOMENT En axelkoppling är normalt konstruerad för att belastas med ett vridande moment. I vissa fall kan en koppling belastas med böjmoment samt axiella och radiella krafter. För fasta kopplingar utgör detta normalt inget problem, men för övriga typer bör dessa belastningar undvikas eller vara mycket små. Speciella arrangemang kan eventuellt utformas. Det är lämpligt att rådfråga leverantören i varje enskilt fall. Undantag finns. Ett exempel på detta är membrankopplingar, som kan ta upp radiella krafter och bära t ex långa mellanaxlar. 6.6 DRIFTFAKTORER Vid storleksbestämning av flexibla kopplingar och även vid andra kopplingstyper är det vanligt att utvärdera en viss driftfaktor eller säkerhetsfaktor, som framför allt tar hänsyn till typ av drivande och driven maskin och sällan till driftsförhållanden. Svårigheten att använda sådana driftfaktorer ligger i den subjektiva värderingen av de aktuella maskinerna, som skall kopplas ihop. 153
Ett annat problem är, att tillverkaren inte redovisat grunddata för kopplingen, utan bara lämnat en rekommendation om största tillåtna belastning. Vilka dolda marginaler eller faktorer, som finns, är okända för köparen. För att objektivt kunna jämföra olika kopplingar och framför allt kunna göra en mer realistisk beräkning, har en ny metod utarbetats, där hänsyn tas till: Startfrekvens, temperatur, drivande och driven maskins masströghetsmoment, normalmoment och maximalmoment. Denna metod har presenterats i en tysk kopplingsstandard med beteckningen DIN 740, som förutom beräkningsmetoden innehåller en dimensionsstandard. I vissa stycken kan denna standard tyckas överarbetad, medan den i andra underlåtit att ta med några viktiga faktorer. Den ena är, hur en tänkbar snedställning av axlarna påverkar kopplingen. En faktor baserad på hur stora uppriktningsfelen får vara i % av maximalt tillåtna fel, skall kunna anges. Den andra faktorn som skall tas hänsyn till är vibrationsnivån hos de båda maskinerna, åtminstone vid hastigheter över 1,5-2 mm/sek. Notera att för pumpar kan tillåtas upp till 4,5 mm/sek, vilket ungefär motsvarar balanseringsgrad Q 16 enligt VDI 2060. De olika faktorernas storlek och betydelse för kopplingsvalet varierar med de konstruktiva skillnaderna mellan olika typer varför beräkningsgång och angivna värden i DIN 740 måste användas med viss försiktighet och leverantörens anvisningar måste gälla. En mycket väsentlig sak i sammanhanget, som beaktats för lite och som i många fall är dimensionerande, är hur startmomentet kan se ut för en kortsluten asynkronmotor vid direktstart. Mätningar, som gjorts visar, att omedelbart - ca 0,04 sek - efter tillslag erhålles en momenttopp, som ligger mellan 6-10 ggr normalmomentet, i vissa fall ännu högre. De verkliga maxmomenten ligger alltså betydligt över vad som anges i motorkatalogerna. En viktig faktor för kopplingsberäkningen är förhållandet mellan motorns och drivna maskinens svängmoment och kan beskrivas av följande samband: Ekv 6.1 Svängmomentet för en pump kan anges i % av motorns och som riktvärden kan följande siffror användas: 2-polig motor 4-polig motor 6-polig motor 0,04-0,2 x S mo 0,25-0,6 x S mo 0,6-3,2 x S mo 154
Sättes dessa siffror in i formeln och antas samtidigt att Mi = 6-10 - M n (normalmomentet) erhålles i de sämsta fallen: Mk 4-polig motor Mk 6-polig motor = 3,8 M n = 7,6 M n Slutsatsen blir att försiktighet måste iakttagas vid storleksberäkning av kopplingar utsatta för direktstart. Framför allt då den drivna maskinen har ett stort svängmoment. Finns dessutom glapp någonstans i transmissionen - koppling eller växel - kan ännu högre toppmoment uppnås orsakade av accelerationskrafter. 6.7 VARVTAL Med ökat varvtal ökar centrifugalkrafterna. Kopplingens material och tillåtna periferihastigheter måste beaktas. Maximal tillåten periferihastighet för t ex gråjärn är 35 m/sek. En icke allsidigt bearbetad koppling kräver statisk och dynamisk balansering vid betydligt lägre varvtal än en allsidigt bearbetad för undervikande av skadliga vibrationer. En kopplings massa är oftast ganska liten i förhållande till de roterande massorna i den drivna och drivande maskinen. För pumpar gäller att förhållandet kopplingsvikt/rotorvikt är ungefär 0,02-0,08. Följaktligen har obalans i kopplingen normalt mindre inverkan på lagringar och vibrationer än obalans i själva huvuddelarna. Helt utan betydelse är det dock inte. Följande samband gäller: Ekv. 6.2 Exempel: En allsidigt bearbetad koppling kan antagas ha en balansgrad - utan dynamisk balansering - motsvarande Q 16 - Q 40 - enligt VDI 2060, vilket motsvarar ca 0,08 mm tillåten centrumförskjutning vid 3000 r/min. Finns en koncentricitetstolerans för axelhålet i navet, som ligger på 0,05 mm, erhålles i värsta fall en centrumförskjutning som är 0,13 mm. Detta är inte på något sätt onormalt. I många fall når enbart koncentriciteten detta värde. Denna centrumförskjutning ger vid 3000 r/min en obalanskraft, som är ca 12 N per kg kopplingsvikt. En koppling för 50 kw kan väga 10-15 kg, betydelsen av en god balans är mycket stor. Vid högelastiska gummielementkopplingar med mellanaxel kan obalansen förstärkas ytterligare p g a egensvängningar. Viktigt är också om balansering skall ske med hel, halv eller utan kil beroende på hur motparten balanseras. 6.8 DIMENSIONER, VIKT Tidigare har nämnts betydelsen av små dimensioner och låg vikt för att svängmomentet skall bli litet samtidigt som obalanskrafterna minskar. I vissa extrema fall används lättmetallegeringar för att hålla vikten nere. Samtidigt som kravet på små dimensioner/överfört moment finns, så finns också kravet, att kopplingen skall kunna klara stora variationer i axeldiameter, av både kostnads- och standard skäl. 155
6.9 MILJÖ Korrosiv och slitande omgivning kan påverka kopplingens livslängd genom onormal förslitning av ingående element. Stark kyla eller värme kan påverka kopplingens hållfasthet och elasticitet hos ingående material. Olja, kemikalier och ozon kan helt förstöra gummielement. En koppling helt av metall t ex membrankoppling är i de flesta sådana fall den enda lösningen. Processindustri erbjuder som regel en mycket dålig miljö ur kopplingens synpunkt. I vissa typer av industrier t ex petrokemisk, raffinaderi och olje- och gastankers ställs krav på gnistfria kopplingar. En membrankoppling t ex kan göras gnistfri genom att membranen görs av monel och övriga delar i kopplingen av brons. Figur 6.7 Gnistfri koppling Ett annat sätt att klara explosionsrisken, framför allt ombord på fartyg, är gastäta skott- eller däcksgenomföringar, bestående av 2 st plantätningar med vätskespärr emellan, samt bälg som har till uppgift att ta upp snedställningar. En sådan gastät genomföring måste sedan kompletteras med gnistfri axelkopplingar. 6.10 UPPSTÄLLNING OCH DEMONTERING För att erhålla maximal driftsäkerhet och för att underlätta montering och underhåll är det av vikt att anslutna maskiner är stadigt uppställda helst på gemensamt och stadigt fundament. Dessutom finns det normer för hur en koppling skall förses med beröringsskydd, ANSI B15.1 och BS 1649. I vissa fall måste kopplingen byggas in bakom ett sprängskydd, som skall kunna stå emot ett eventuellt kast av kopplingen vid haveri. Ett bättre sätt är att välja en kastsäker koppling, som har tillräckliga styrningar, enligt figur 6.8. Figur 6.8 Kastsäker koppling med styrningar 156
Uppriktning av kopplingar - egentligen axlarna, som kopplingen skall förbinda - skall ske så noggrant som möjligt. Ekonomiskt möjlig får faktiskt en perfekt uppriktning anses vara, eftersom uppriktningen kan påverka både drifts- och underhållskostnader högst avsevärt. Se avsnitt 6.13 om metod för uppriktning av axlar. Hänsyn måste tas till: Axlarnas temperaturutvidgning, glidlagrade elmotorers magnetiska centrum - axiella vibrationer - och rörspänningar. Ett bra sätt att förenkla uppriktningsförfarandet är att välja en koppling med mellanaxel, eftersom utrymme för att komma åt att arbeta med maskinerna erhålles, utan att behöva flytta dem. Detta innebär, att kanske enbart kontroll av uppriktningen medför att en omriktning inte behöver göras. Inom petrokemisk industri och raffinaderier föres protokoll på uppriktningen. Den kontrolleras och noteras före drift och efter drift innnan pumpen tas in eller isär för renovering. På samma föredömliga sätt göres en uppriktningskontroll av heta pumpar efter varmkörning. För kardankopplingar gäller att vinkelförskjutningen skall vara jämnt fördelad mellan de båda knutarna för att undvika ojämn hastighet. Dessutom bör en kardankoppling alltid rotera med en liten snedställning. När det gäller fastsättning av naven på axeln uppstår som regel konfliktsituation. Navet skall sitta fast och helst ta upp en del av vridmomentet för att avlasta kilförbandet, samtidigt som det skall vara lätt att demontera. Praxis för navfastsättning följer motoraxlarna, där passningen vanligen är H7/k6 - lätt drivpassning - upp till 48 mm diameter. Över 55 mm väljes helst H7/m6 -drivpassning. Skälet till en hårdare passning är att kilhöjden minskar med ökad diameter från att ha varit 12,5 av diametern vid 24 mm axel till endast 6 % vid 100 mm axel. Denna minskning bör också kompenseras med ökade navlängder. Vanligt när det gäller elmotorer är att kilen inte går ända fram till axeländen, vilket ytterligare ökar påkänningen på kilen och måste kompenseras med ökad navlängd. Demontering av kopplingshalvor fordrar som regel hårt arbete, som skulle kunna underlättas betydligt, om motor, pump och kopplingsleverantörer försåg sin utrustning med lämpliga fästen och dylikt för avdragare. På elmotorer kan ett borrat och gängat hål i axeländen enligt figur 6.9 erhållas mot merkostnad. Detta borde vara standardiserat. Figur 6.9 Demonteringshål på elmotoraxel Andra fastsättningsmetoder är ett rent krympförband, bomförband eller någon form av spännhylsa. Spännhylsor används i första hand för kedjehjul och repskivor, men kan vara ett gott alternativ även för axelkopplingar i mån av utrymme. 157
Figur 6.10 Exempel på spännhylsor. De flexibla elementen måste vara lätta att köpa och byta eller reparera. Att de skall kunna bytas utan att maskinerna eller kopplingsnaven behöver rubbas är en självklarhet. 6.11 LIVSLÄNGD Kopplingens livslängd påverkas av en mängd olika faktorer, som varierar med kopplingens konstruktion. En faktor, som påverkar framför allt kopplingar med gummielement, är den omgivande miljön. En bågtandkopplings livslängd beror till stor del på hur smörjningen sköts och att rätt smörjmedel med hänsyn till omgivningstemperatur etc används. Uppriktningen påverkar livslängden för alla kopplingar, oavsett konstruktion och fabrikat. För vissa typer av installationer kan det vara lämpligt att kopplingen utformas så att en viss nödmedbringning sker, om ett element går sönder i den. För andra installationer kan det vara nödvändigt med en vridmomentbegränsande koppling med brytande funktion. Regelbundet återkommande tillsyn och kontroll av uppriktningen och flexibla element enligt tillverkarens rekommendationer är viktig. Det är väsentligt, att sådana instruktioner hamnar hos rätt personal. Tyvärr saknas ofta metod eller regel för att bedöma förslitningsgraden. 6.12 AXLARS UPPRIKTNING Allmänt Flexibla axelkopplingar används normalt för att överföra vridmoment mellan roterande axlar när axlarna inte nödvändigtvis är perfekt uppriktade. Det bör noteras att en flexibel koppling inte är någon ursäkt för dålig uppriktning. Noggrann uppriktning är väsentlig i syfte att uppnå maximal driftsäkerhet samt att minska service och underhåll. Det talas mycket om perfekt uppriktade axlar, men tyvärr uppnås detta sällan beroende på värmerörelser och formförändringar orsakade av rörspänningar samt sättningar i stativ och fundament etc. 158
Korrekt kopplingsuppriktning kan uppnås genom ett flertal metoder beroende på typ av utrustning och vilken noggrannhet som fordras. Att använda mätklockor anses vara den mest noggranna metoden. Antingen genom att göra avläsningar på ändplanet och periferin på ett nav eller genom att använda periferimetoden, där mätningar på periferin på båda kopplingsnaven görs samtidigt. Den senare metoden är att föredra, eftersom hänsyn, ej behöver tas till axiell rörelse hos axlarna. När denna metod är invand kan uppriktningen utföras båda snabbt och noggrant. Perferimetoden Många applikationer i processindustrin innebär uppriktning mellan pumpar och elmotorer, pumpar och turbiner etc och vanligast är att justera den drivande till den drivna enheten. När kopplingsnavet är monterat på axeln skall den i idealfallet vara koncentrisk med axeln, men detta uppnås sällan beroende på tillverkningstoleranser mellan nav och axel. För att förhindra att excentriciteten påverkar uppriktningen är det praxis att rotera de två naven tillsammans. Detta kan göras genom att en gängad axel är fästad i navens skruvhål. 1. Montera indikatorklockorna enligt fig nr 6.11 och var noggrann med att mätspetsarna hamnar parallellt och över axlarnas centrumlinjer. Lämpligt material för klockstativet är ø 12-15 mm rundstång. Detta bör vara tillräckligt för att förhindra instabilitet och därmed avläsningsfel upp till ca 250 mm avstånd mellan axeländarna. Om det uppstår avläsningsfel p g a att stativet är instabilt dra ifrån två ggr avläsningsfelet från skillnaden mellan 3M och 3P. Se figur 6.12 Figur 6.11 Montering indikatorklockor 2. Märk båda naven i 90 0 intervaller från utgångsläget - noll-läget - för indikatorklockorna. 3. Båda klockorna skall nollställas i toppläget. Innan några avläsningar noteras flyttas motorn eller den drivande enheten horisontellt till ett så centrerat läge som möjligt. Drag sedan fast den ordentligt, detta ger då en noggrannare avläsning. Rotera naven sakta tillsammans och notera avläsningar i 90 intervaller som visas i figur 6.12. OBS: Alla avläsningar skall göras från ett och samma håll och från den drivande sidan sett, figur 6.15. 159
Figur 6.12 Märkning av naven i 90 -intervaller. Notering av indikatoravläsningar. Exempel på vertikal uppriktning Vertikal justering - genom att lägga shims under fötterna eller stativet - skall göras före horisontell uppriktning. 1. Ta ett vanligt fall där en elektrisk motor - nav M - skall uppriktas mot en pump - nav P - och indikatoravläsningarna - tagna från motorhållet - är enligt figur 6.12. 2. Avläsningarna visar att axel M är snedställd i förhållande till axel P och vice versa, men avsikten är att bara flytta motorn för att justera felet. 3. Notera de vertikala avläsningarna 1 M = 0 1 P =0 3 M = 3 mm 3 P = -3,4 mm Figur 6.13 Axlarnas centrumlinjer enligt avläsningar punkt 3. 4. Eftersom 3P är -3,4 mm så tycks motorn ligga 3,4 delat på 2 = 1,7 mm för lågt - 3,4 mm är det totala axelkastet. Bestämning av det relativa läget för axlarnas centrumlinjer samt bestämning av underläggens storlek kan göras grafiskt. Se figur 6.6. Om motorns höjs 1,7 mm genom att sätta in shims under fötterna F1 och F2 figur 6.15 så skulle avläsningarna och det relativa läget mellan motor och pump bli så som visas i figur 6.14. Vid detta läge skall inga shims sättas dit och inte heller någon justering göras därför att med en fortsatt enkel uträkning så kan slutjusteringen för vinkel- och vertikalfelen göras i en operation. OBS: Den bit som motorn måste höjas - i detta fall 1,7 mm - skall noteras eftersom den kommer att användas i slututräkningen. 160
5. Antag att motorn höjts 1,7 mm, 3M2 i figur 6.11 skulle nu läsas -0,4 mm eller, hänvisande till utgångsavläsningen, (3M 3P) 3,0-3,4 = -0,4. Om de ursprungliga mätningarna hade visat att motorn låg för högt så skulle 3M2 ha ett plustecken och shims hade behövts tas bort från F 1 och F2 för att korrigera detta fel. 6. Tidigare noteringar och följande mått C = 155 mm F1 = 236 mm F2 = 472 mm, se figur 6.15 är tagna från ett praktikfall. OBS: Måtten C, F1 och F2 kan med tillräcklig noggrannhet mätas med hjälp av en stålskala. Figur 6.14 Avläsningar och centrumlinjer efter höjning av motorn 1,7 mm. 7. För att erhålla motorns lutning per mm divideras 3M2 delat på 2 med C. 8. Multiplicerar måtten F1 och F2 med motorns lutning enligt punkt 7 erhålles erforderlig shimsning för att korrigera motorns lutning. Fot: F 1 x 0,0013 = 236 x 0,0013 = 0,3 mm Fot: F 2 x 0,0013 = 472 x 0,0013 = 0,6 mm. 9. För att justera motorns lutning är det nödvändigt att ta bort 0,3 mm shims under F 1 och 0,6 mm under F2. Lutningsuträkningarna gjordes med tanke på att motorn hade höjts 1,7 mm därför blir slututräkningen 1,7-0,3 =1,4 mm 1,7-0,6 = 1,1 mm. Hade motorn lutat uppåt och motorns centrumlinje sänkts så hade slututräkningen blivit -1,7+0,3=-1,4mm resp -1,7+0,6=-1,1 mm. F 1 antages ha höjts 1,7-0,3 = 1,4 mm F 2 antages ha höjts 1,7-0,6 = 1,1 mm Detta är ännu en fördel med denna metod då man väljer tjockleken på shimsen i förväg. Figur 6.15 Definition av mått 161
Horisontell uppriktning 1. När den vertikala justeringen är utförd justeras den horisontella snedställningen av motorn. Den justering i mm som kommer att behövas kan beräknas på samma sätt som tidigare genom att använda avläsningarna 2 M och 4 M resp 2 P och 4 P. Efter att ha gjort denna beräkning och fått fram det värde i mm som motorn behöver flyttas horisontellt måste indikatorklockorna användas som hjälp. Därför finns det ingen anledning att göra beräkningen, utan motorn flyttas i sidled på vanligt sätt och riktas med direkt hjälp av indikatorklockorna. 2. Slutligen innan motorn fästes kontrolleras avstånd mellan axeländar efter kopplingstillverkarens måttabell. Förutsatt att allting har gjorts tillräckligt noggrant, avläsningarna och beräkningarna är riktiga, så bör en kontrollavläsning ge ett max-axelkast av 0,1 mm. Denna snedställning är fullt acceptabel för de flesta utrustningar. Erfordras en noggrannare uppriktning kan det vara nödvändigt med ytterligare finjustering. Figur 6.16 Grafisk metod för bestämning av underläggs storlek shims. 6.13 LITTERATURFÖRTECKNING Mekanresultat 72003 Axelkopplingar, Produktinformation utgiven av Sveriges Mekanförbund innehåller en mängd uppgifter om kopplingar de flesta med beteckningssystem och inbyggnadsmått. DIN 740 en kopplingsstandard med fastlagda beteckningssystem och inbyggnadsmått. Användes ofta till pumpar utförda enl ISO 2858 och är lämplig vid uppläggning av egen standard för att underlätta hantering, lagerhållning etc. 162