Acoplamentos de diafragma explicados: projeto, limites de desalinhamento e aplicações

Um trem de bombas circulantes petroquímicos perdia um acoplamento de engrenagem a cada nove meses. A causa raiz foi um flange de saída do motor situado 1,2 mm acima da entrada da bomba, um número bem dentro das tolerâncias de alinhamento a frio, mas destrutivo para dentes de engrenagem lubrificados a 3.600 rpm. A equipe de manutenção mudou para um acoplamento de diafragma duplo com espaçador e o intervalo de substituição se estendeu por quatro anos. Esse resultado é típico: os acoplamentos de diafragma falham com menos frequência porque não têm dentes para desgastar, nenhuma graxa para perder e nenhum elastômero para envelhecer.

Como funciona um acoplamento de diafragma

Um acoplamento de diafragma transmite torque através de um disco de metal fino, ou uma pilha de discos finos, aparafusados alternadamente aos flanges acionadores e acionados. Quando a rotação começa, o caminho do torque passa através do diafragma em cisalhamento e tensão ao redor do círculo do parafuso. O disco deforma-se elasticamente para absorver o movimento angular e axial, o que torna o acoplamento flexível.

Um conjunto completo geralmente contém um cubo esquerdo, um pacote de diafragma, um eixo espaçador, um segundo pacote de diafragma e um cubo direito. O eixo espaçador permite que o acoplamento faça a ponte entre dois eixos da máquina e é também o elemento que torna possíveis projetos de flexão dupla.

Duas regras regem quase todas as decisões de acoplamento do diafragma. Primeiro, um conjunto de diafragma único lida apenas com desalinhamento angular. Se a máquina tiver deslocamento de eixo paralelo, você precisará de dois conjuntos de diafragmas espaçados, porque essa combinação cria uma seção central flutuante que traduz o deslocamento em deflexão angular. Segundo, como o torque flui através de juntas de parafusos pré-carregadas, os acoplamentos de diafragma são inerentemente livres de folga.

Projetos de diafragma simples versus duplo

A distinção é mais importante do que a maioria das comparações de folhas de dados admite. Um acoplamento de diafragma único é rígido em todas as direções, exceto axial e angular. Ele é adequado para motores de acoplamento curto, codificadores e sensores de torque onde os eixos são alinhados em frações de milímetro. Uma unidade de diafragma duplo é a escolha certa quando você precisa aceitar um deslocamento medido e ainda assim transmitir torque suavemente.

Pacotes de diafragma único feitos de liga de alumínio de alta resistência mantêm a inércia baixa, o que é valioso para servo-eixos e mesas de posicionamento. Esta configuração está disponível com cubos de fixação em uma faixa de furos compactos.

Acoplamento de diafragma único de alumínio RSK-CPSM com cubos de fixação Este acoplamento utiliza uma luva de liga de alumínio de alta resistência e um diafragma de aço inoxidável 304. Sua baixa inércia e alta rigidez de torque são adequadas para servoeixos e mesas de posicionamento que exigem controle de rotação preciso. Ver Produto →

Quando o trem de força tem um deslocamento paralelo que não pode ser eliminado, um acoplamento de diafragma duplo de alumínio é uma resposta prática para fusos CNC compactos e eixos de máquinas.

Acoplamento de diafragma duplo de alumínio RSK-CPLF para fusos CNC Apresentando um design de braçadeira curta com uma luva de liga de alumínio e diafragmas de aço inoxidável, este acoplamento aborda deslocamento paralelo em fusos CNC compactos e eixos de máquinas, oferecendo controle preciso para servomotores e motores de passo. Ver Produto →

Onde os acoplamentos de diafragma ganham seu sustento

Os acoplamentos de diafragma são padrão em equipamentos rotativos onde o tempo de inatividade é caro e as velocidades são altas. A tarefa mais comum são as turbomáquinas: turbinas a vapor e a gás, compressores centrífugos e grandes bombas de processo. Essas máquinas funcionam a milhares de rotações por minuto, crescem vários milímetros à medida que aquecem e não toleram um acoplamento que precise de atenção entre as revisões. Um acoplamento de diafragma de aço com dois pacotes flexíveis e um espaçador cobre todas essas condições sem lubrificação.

A faixa de aplicação é mais ampla do que a das turbinas. Bancadas de testes de alta velocidade executam acoplamentos de diafragma entre o motor de acionamento e o flange de torque, onde folga zero e um grau de equilíbrio estável são mais importantes do que a capacidade bruta de torque. Os acionamentos auxiliares marítimos os utilizam onde a atmosfera da água do mar atacaria os acoplamentos lubrificados. No lado da precisão, servorredutores, fusos de esferas e fusos CNC usam pequenos acoplamentos de diafragma de alumínio porque não introduzem folga e mantêm a inércia baixa.

Para funcionamento da célula de teste em velocidades de até 10.000 rpm, um acoplamento de diafragma de alta velocidade personalizado equilibra vários conjuntos de diafragmas com tolerâncias de fabricação restritas e um grau de equilíbrio documentado para operação sustentada em alta velocidade.

Critérios de seleção e erros comuns de especificação

Escolha um acoplamento de diafragma definindo seis parâmetros antes de consultar um catálogo:

1. Torque: use o torque de pico ou de sobrecarga, não apenas o torque nominal do motor, e aplique um fator de segurança de 1,5 a 2 para cargas cíclicas.
2. Desalinhamento: medir valores angulares e de deslocamento na temperatura operacional e incluir o crescimento térmico das carcaças da máquina.
3. Velocidade: confirme a rotação máxima de acoplamento e o grau de equilíbrio em relação à velocidade contínua mais rápida que o trem verá.
4. Curso axial: leve em consideração a expansão do eixo e escolha um design duplo flexível com espaçador se o deslocamento exceder alguns décimos de milímetro.
5. Furo e montagem: decidir entre cubos de fixação e cubos chaveados; os cubos de fixação simplificam a instalação e eliminam a folga da chaveta.
6. Meio Ambiente: temperatura, umidade e produtos químicos de lavagem decidem a família do material, normalmente alumínio ou aço inoxidável.

Dois erros de especificação são recorrentes. O primeiro é o subdimensionamento para o pico de torque: um acoplamento que mantém 1.000 N·m estaticamente pode não sobreviver a 500 N·m de torque cíclico a 6.000 rpm indefinidamente, porque o diafragma falha por fadiga, e não por sobrecarga estática. A segunda é ignorar a rigidez axial. Em uma máquina de acoplamento curto, um acoplamento axialmente rígido pode exercer uma força significativa nos rolamentos do equipamento quando os eixos crescem termicamente, portanto, o deslocamento axial especificado deve ser compatível com o crescimento térmico real.

Como os acoplamentos de diafragma se comparam aos designs de engrenagens e elastoméricos

Os acoplamentos de diafragma geralmente acabam competindo com acoplamentos de engrenagem e acoplamentos elastoméricos.

Os acoplamentos de engrenagem fornecem mais torque por tamanho e aceitam mais desalinhamentos, mas precisam de graxa, sua folga aumenta permanentemente à medida que os dentes se desgastam e exigem manutenção disciplinada. Os acoplamentos elastoméricos são baratos e tolerantes, mas amolecem o trem de força, reduzem as frequências naturais e desgastam-se mais rapidamente sob torque contínuo. Um acoplamento de diafragma fica entre os dois: lubrificação zero, folga zero, alta rigidez torcional e capacidade moderada de desalinhamento com vida útil à fadiga previsível. Os engenheiros que desejam revisar a lógica de desempenho mais ampla por trás dessa compensação podem ler o resumo de vantagens do acoplamento no site da empresa.

Manutenção e vida útil esperada

Os acoplamentos de diafragma são frequentemente rotulados como isentos de manutenção porque não há peças lubrificadas. Na prática, isso significa que a manutenção é periódica e visual, em vez de constante.

• Inspecione os conjuntos de diafragmas quanto a rachaduras, desgaste ou corrosão, especialmente ao redor dos orifícios dos parafusos.
• Verifique os torques dos parafusos após as primeiras semanas de operação e após qualquer revisão do acoplamento.
• Verifique o alinhamento, as marcas de equilíbrio e a condição dos fixadores quando a máquina for aberta para manutenção.

A vida útil é limitada pela fadiga do metal e não pelo desgaste por deslizamento. Grandes acoplamentos de diafragma industriais em serviço limpo geralmente passam de dez anos antes que um conjunto de diafragma precise ser substituído. Quando aparecem fissuras por fadiga, o conjunto de diafragma é substituído como um módulo e os cubos e o espaçador podem continuar em serviço, o que mantém baixo o custo do ciclo de vida.

A maneira confiável de especificar um acoplamento de diafragma não é selecioná-lo apenas pelo tamanho do furo. Defina o envelope de torque, o real desalinhamento entre os flanges na temperatura de operação, a velocidade e classe de balanceamento e o curso axial que o equipamento irá gerar. Depois que esses números são anotados, a escolha do design se torna simples. A Jiangsu Rokang fabrica acoplamentos de diafragma simples e duplo de alumínio e aço, além de unidades de alta velocidade para equipamentos de teste rotativos, e a linha completa é organizada por serviço no local. site corporativo .