5.4 Проектирование карданных телескопических валов

В приводах горных машин для передачи крутящего момента к исполнительным органам и активным движителям широко используются карданные телескопические валы (КТВ). Они представляют собой разновидность соединительных муфт, обеспечивающих кинематическое соединение валов, расположенных на значительном расстоянии друг относительно друга, а также перемещающихся вместе с шарнирно закрепленными составными частями машины или агрегата. КТВ состоит из трех основных частей, т. е. двух одинаковых карданных шарниров, соединенных телескопическим валом. Карданный шарнир, включающий две однотипные вилки, соединенные крестовиной с игольчатыми подшипниками, обладает существенным недостатком – при перекосе осей наблюдается не синхронное вращение ведомых частей относительно ведущих в пределах одного оборота.

Для обеспечения нормальной эксплуатации КТВ в составе машины необходимо на стадии проектирования и сборки соблюдать три условия:

- оси вращения ведущего и ведомого вала должны быть параллельны;

- однотипные вилки двух карданных шарниров должны быть расположены в одной плоскости;

- во время соединения частей телескопического вала необходимо совмещать метки, которые нанесены во время балансировки.

КТВ с компактными вилками (автомобильного типа) допускают перекос оси телескопического вала относительно ведущего и ведомого хвостовиков в рабочем режиме до 7⁰, а кратковременный максимальный угол - до (15…17)⁰. При использовании удлиненных вилок (тракторного типа) - максимальный угол - до 40⁰.

Допустимая нагрузка на игольчатый подшипник карданного шарнира -

, кН

где z_p - число роликов в игольчатом подшипнике; l_p d_p - длина и диаметр ролика, м; n – частота вращения вала, с^-1.

Допустимый крутящий момент для карданного шарнира –

, кН·м

где h – расстояние между цапфами крестовины, м.

Во время работы КТВ происходит осевое перемещение сопряженных частей в телескопическом соединении, которое вызывает дополнительные осевые и радиальные нагрузки на подвижные опоры (подшипники):

- осевая ; - радиальная ,

где d_ср – средний диаметр шлицевого соединения, м; f - коэффициент трения в телескопическом соединении по боковым поверхностям.

6. Колебательные процессы в горных машинах

6.1.Колебания машин

Колебания – это движения с определенной степенью повторяемости во времени. Они характеризуются периодом, частотой и амплитудой.

Период () колебания – время, в течение которого каждая точка колеблющегося тела совершает одно полное колебание, с. Частота () – число полных колебаний, совершаемых телом за одну секунду, Гц=1 колебание в секунду. Амплитуда (А) – расстояние от крайнего положения колеблющегося тела до среднего положения (положение равновесия), м.

Колебания подразделяются на низкочастотные (20Гц) и высокочастотные (20Гц – вибрации).

Подвижная система, выведенная из равновесия и предоставленная сама себе (в отсутствии вынуждающей силы), совершает затухающие колебания с собственной частотой ₀. При наличии внешней периодической силы система колеблется с частотой  вынуждающей силы, оказывая ей тем меньшее сопротивление, чем ближе отношение ₀ к единице, при этом амплитуда А интенсивно увеличивается и процесс может перейти в резонанс.

Периоды собственных колебаний некоторых систем:

а) математический маятник (груз, подвешенный на нерастяжимой нити) –

;

б) вертикальные колебания груза на пружине – ;

в) консольная балка с грузом на конце - ;

г) двухопорная балка с грузом на середине пролета - ,

где l – длина подвеса; g – ускорение свободного падения; m – масса груза;

с – жесткость пружины; f и f₁ – прогиб балки на свободном конце и по середине.

В деталях машин происходят крутильные колебания, вызывающие деформации и напряжения кручения. Данная крутильная колебательная система включает в себя упругий вал определенной длины с закрепленными на его концах сосредоточенными массами. Если вал с закрепленными массами закрутить на некоторый угол и предоставить системе свободу, то концевые массы вала станут совершать относительно некоторого неподвижного сечения вала затухающие крутильные колебания навстречу друг другу. Период крутильных колебаний –

,

где l – расстояние между центрами масс; I_в –полярный момент инерции площади сечения вала; _в – модуль сдвига материала вала; I₁ и I₂ – моменты инерции масс, находящихся на концах вала.