Глава 18. Подшипникискольжения

маслесозда ютспециальным насосом.

Хороший эффект дает применение самоустанавливающихся подушек на сферических опорах (рис. 18.11). Подушки автоматическиустан авливаются под оптимальным углом.

В настоящее время подпятники скольжения по возможности заменяют опорами качения, но все еще используют при очень больших нагрузках, например в гидрогенераторах, в которых подшипники качения имелибы оченьбол ши еразмеры .

18.14.Магнитные подшипники

Вмагнитных подшипниках( в основном, электромагнитных) подъемная сила создается в результате взаимодействия магнитных

полей. Подшипники способны работать без износа с очень высокими частотами вращения (до 108 мин–1 ) и при температуре от абсолютного нуля до +250 °С. Значение и направление магнитных сил регулируются электронной системой управления, работающей совместно с датчиками положения вала. Магнитные подшипники покадостаточнодорогостоящи.

Пример. Дать заключение о возможности применения бронзы БрО1Ф1 для вкладыша подшипника скольжения, кратковременно работающего в режиме полужидкостной смазки при следующих условиях:

2. Вычисляемокружную скорость цапфы:

426

18.14. Магнитные подшипники

pm 2, 4 МПа [p ] 15 МПа; V 4,56 мс [V ] 10 мс ;

pmV 10,94 МПа мс [ pV ] 15 МПа мс.

Такимобразом, указанныйматериал являетсяприемлемым .

19Муфты.2. , постоянносоединяющие валы

При ориентировочныхрасчетах приближеннопринимают:

K= 1,0…1,5 для машин с небольшими разгоняемыми массами и небольшой переменной нагрузкой (конвейеры, металлорежущие станки);

K= 1,5…2,0 для машин со средними разгоняемыми массами и средней переменной нагрузкой (поршневые компрессоры, строгальныестанки, мельницы);

K= 2,5…3,0 для машин с большими разгоняемыми массами и значительной переменной нагрузкой в виде ударов (молоты, прокастныеаны , шаровые мельницы).

19.2. Муфты, постоянно соединяющие валы

Глухие муфты. Длинные валы по условиям изготовления, сборки и транспортирования иногда изготовляют составными, в этом случае отдельные части вала соединяют глухими муфтами. В

конструкционная сталь (Ст3, Ст5). Втулочные муфты применяют для соединения валов диаметром d 70 мм. Наружный диаметр муфтыD = (1,5…1,6) d. Длина муфты L = (2,5…4,0) d (окончательно определяется длиной шпонок или шлицев). На муфты имеется стандарт[32].

Рис19.1. Втулочная муфта:

1— проволочное стопорное кольцо, препятствующее самоотвинчиванию стопорноговинта ; 2 — стопорный винт

429

Глава 19. Муфтыприводов

Рис. 19.2. Фланцевая муфта

Фланцевая муфта (рис. 19.2) состоит из двух одинаковых по-

1. Половину болтов устанавливают во фланцах полумуфт без зазора (см. рис. 19.2). В этом случае центрирование полумуфт осуществляют эти болты. В результате завинчивания гаек фланцы прижимаются силами затяжки болтов, и на торцах фланцев возникают силы трения. Вращающий момент с одной полумуфты на другуюпередается стержнями болтов, установленных беззазора , и силами трения на фланцах. Задача является статически неопределимой. В целях существенного упрощения расчетов приближенно принимают, что весь вращающий момент передается только стержнями болтов, установленных без зазора и работающих на срез и смятие. Сила, действующая на один болт, Ft 2T( zD1) , где

где[ ] — допускаемые касательные напряжения материала болта

(см . п. 2.8.1).

Далее необходимо выполнить проверочный расчет на смятие

(см . п. 2.8.1).

2. Все болты во фланцах полумуфт устанавливают с зазором. При этом необходимо предусмотреть центрирование полумуфт [32].

430

19Муфты.2. , постоянносоединяющие валы

В этом случае весь вращающий момент с одной полумуфты на другуюпередается силами тренияна фланцах.

Силу затяжки болтов для передачи вращающего момента находят изусловия

T Tтр или TS Tтр ,

где Tтр Fзат z f D1 2 — момент силы трения на фланцах (Fзат — сила затяжки одного болта; z— число болтов; f — коэффициент трения( для сухих металлических поверхностей фланцев f = = 0,15…0,20); D1 — диаметрокру жности, на которойрасположен ы оси болтов); S = 1,2…1,5 — коэффициент запаса сцепления при действиислучайн ыхперегр узок инеста бильностисил трения .

Отсюданеобходимая сила затяжки болтов

Fзат 2Tтр (z fD1) 2TS(z fD1).

Диаметр стержня болта, работающего на растяжение, определяютизусло вия

р 1,3Fзат 4( d32 ) [ ]р , d3 dр (1,3Fзат 4 [ ]р )12 ,

где [] p — допускаемые напряжения растяжения в расчетном сеченииболта (см. п. 2.3).

Материал полумуфт — стали 40 и 35Л. Возможно применение чугуна СЧ30. На фланцевые муфты имеется стандарт для вращающих моментов от 8 до 45 000 Н · м. Полумуфты устанавливают

наконцывалов с натягом.

Компенсирующие муфты. Свойства и назначение. По эко-

номическим и технологическим соображениям машины обычно выполняют из отдельных узлов (агрегатов), которые соединяют муфтами. Однако точная установка валов таких агрегатов невозможна вследствие ошибок изготовления и монтажа, расположения агрегатов на деформируемом( нежестком) основании, взаимного радиального смещения осей соединяемых валов (расцентровки) в результате тепловых деформаций корпусов агрегатов при их работе,такжеиз -за упруг их деформаций валовпод нагрузкой .

Возможные виды смещений валов и возникающие вследствие этого дополнительные нагрузки на концах валов представлены на рис. 19.3.

431

19.2. Муфты, постоянносоединяющие валы

Рис. 19.4. Компенсирующая зубчатая муфта (а) и возможные формы зубьев на втулке в осевомсечении : бочкообразный зуб (б) и прямолинейныйзуб (в)

вое, так и радиальное смещение валов (рис. 19.6, б). Относительное смещение зубьев втулки и обоймы обусловливается наличием зазоров между зубьями и бочкообразной формой зубьев втулки. На рис. 19.5, а показан характер смещения зуба втулки в плоскости перекоса валов, на рис. 19.5, б— положение зуба втулки в плоскости, перпендикулярной к плоскостичертежа (см. рис. 19.5, а).

Зубчатые муфты обладают большой несущей способностью и надежностью благодаря значительному числу зубьев, передающих вращающий момент, а также хорошоработают при высоких частотахвращения.

При угловом смещении валов зуб втулки скользит по зубу обоймы по дуге длиной0,5 mz, занимая крайнее положение через каждую половину оборота. Таким образом, при работе муфты

433

Глава 19. Муфтыприводов

Рис. 19.5.Ха рактер взаимного смещения зубьев втулки 2 и обоймы 4 (см. рис. 19.4) и положение пятна контакта при угловом смещении полумуфт в плоскостичертежа (а) и в перпендикулярнойпл оскости (б)

происходит систематическое изнашивание боковой поверхности зубьев. Наличие сил трения между зубьями вызывает появление изгибающего момента на концах, соединяемых муфтой валов: Mи0,1 T, гдеТ— передаваемый вращающий момент.

Для снижения интенсивности изнашивания зубьев, заготовки втулок и обойм изготовляют коваными из сталей марок 35ХМ, 40, 45 или литыми (при больших размерах) из сталей марок 40Л, 45Л. Твердость поверхностей зубьев втулок и обойм должна быть

42…50 HRC.

Муфты смазывают жидким маслом с высокой вязкостью [32].

В шарнирной муфте использован принцип действия шарнира Гука. Она служит для передачи вращающего момента между валами с большими углами перекоса( 40…45°), изменяющимися во времяработы .

Муфта (рис. 19.6, а) состоит из двух одинаковыхполу муфт 1 и 3 в виде ступицы с вилкой (вилки полумуфт повернуты вокруг оси вращения на 90°) крестовины 2, соединяющей полумуфты. Кресто-

434

19Муфты.2. , постоянносоединяющие валы

Рис. 19.6. Конструктивная схема одинарной шарнирной муфты (а) и комбинациядвух шарнирных муфт (б)

вина соединена с вилками полумуфт шарнирами. Это обеспечивает свободу поворота каждой полумуфты относительнокрест овины.

Комбинация двух муфт с промежуточным валом переменной длины позволяет соединять валы, которые имеют радиальные сме-

щения r (рис. 19.6, б).

Следует отметить, что у обычной шарнирной муфты (см. рис. 19.6, а) при угловом смещении валов ведомая полумуфта 3 вращаетсянеравномерно при равномерном вращении ведущей полуму ф- ты 1. На рис. 19.7 показаны векторы угловых скоростей 1, 2, к для двух положений муфты (во втором положении муфта повернута вокругоси вращения на 90°). Учитывая, чтопри вращениивалов кре - стовина периодически поворачивается относительно вилок полумуфт, из планауг ловых скоростейможно записа ть

2 max 1 cos ; 2 min 1 cos .

435

Глава 19. Муфтыприводов

Рис. 19.7.Угло выескорости полумуфт (1и 2 ) для двух положений муфты

Таким образом, за один оборот муфты угловая скорость ведомой полумуфты дважды становится больше и дважды меньше уг-

которых при угловом взаимном смещении полумуфт валы вращаются с одинаковойугло войскоростью .

Конструкция малогабаритной стандартизованной одинарной шарнирной муфты, у которой две одинаковые полумуфты 1 и 4 с вилкамисоединены крестовиной , состоящей из сухаря 3, двух осей 5 и 6 и двух одинаковых втулок 7, представлена на рис. 19.8. Сопряжения с зазоромоси 5 и втулок 7 с вилками 2 и 8 полумуфт образуют шарниры скольжения. Размеры муфты определяют по таблице [32] в зависимости от значения вращающего момента, определяемогопоформуле

T Tн cos ,

где Tн — номинальный вращающий момент; — угол перекоса валов.

Пальцевая муфта с металлическими дисками (рис. 19.9) со-

стоят из одинаковых полумуфт 1 и 3 и пакета плоских металлических дисков 2, которые присоединяются к полумуфтам болтами 6, установленными во фланцах полумуфт. Закаленные втулки 5 и гайки 4( см. рис. 19.9, б) позволяют надежнозажимать пакетыдисков с их торцов. Муфта проста по конструкции и не требует ухода в процессе эксплуатации. Одна муфта компенсирует только угловое смещение валов. При этом пакет упругих дисков деформируется из своейплоскости . Чем меньшепальцев на полумуфтах, тем податливее свободные участки дисков и, следовательно, выше компенсирующая способностьмуфты . Однако несущая способность муфты при этомснижается .

436

19Муфты.2. , постоянносоединяющие валы

Рис. 19.8. Малогабаритная одинарнаяшарнирная муфта

Рис. 19.9. Пальцевая муфта с металлическими дисками (а) и способ крепленияпакета дисков к полумуфте (б)

Комбинация двух муфт с промежуточным валом позволяет компенсировать как угловые, так и радиальные смещения валов (см.

рис. 19.6, б).

437

Глава 19. Муфтыприводов

При угловом смещении валов вращающийся диск испытывает циклические деформации. Это может привести к его усталостному разрушению.

Размеры муфты выбирают по таблицам [9, 32] в зависимости отрасчетного значения вращающего момента.

Муфты находят широкое применение в безлюфтовых приводах высокой крутильной жесткости с неточно установленными

агрегатами.

Упругие муфты. Свойства и назначение. Эти муфты отли-

чаются наличием упругого элемента и являются универсальными,

Упругиемуф тыспособствуют:

1) смягчению толчков и ударов вращающего момента, вызванных технологическим процессом или выбором зазора при пусках и остановках машины. При этом кинетическая энергия удара аккумулируется муфтой во время деформирования упругого элемента,

Для муфты с линейной характеристикой жесткости T= c . Для муфты с нелинейной характеристикой жесткость различна в каждой точке кривой 2 и определяется как c dT d .

438

19Муфты.2. , постоянносоединяющие валы

поглощать часть энергии деформации упругого элемента муфты при действии циклически изменяющегося вращающего момента с амплитудой T, наложенного на постоянный вращающий момент

жения муфты переменным моментом (площадь петли гистерезиса на рис. 19.11, б); Aупр — работа сил упругой деформации муфты за четвертьпериодаполногоколебания.

На простейшем примере двухмассовой колебательной системы( рис. 19.12) рассмотрим влияние упругой муфты с линейной характеристикой жесткости c и демпфирующей способностью .

Примем, что крутильная податливость валов пренебрежимо мала по сравнению с крутильной податливостью муфты. На массы с моментами инерции J1 и J2 действуют переменные вращающие моменты с одинаковойкруговой частотой .

Собственная круговая частота рассматриваемой системы без

для муфт с одинаковой крутильной жесткостью, но с разной демпфирующей способностью. В резонансной зоне крутильных колебаний ( с 1) амплитуда колебаний (угол относитель-

439

Глава 19. Муфтыприводов

ного поворота полумуфт) зависит от демпфирующей способности муфты. С повышением демпфирования амплитуда колебаний снижается.

Отметим, что амплитуда крутильных колебаний зависит от отношения возмущающей частоты к собственной частоте крутильныхколебанийсистемы .

Таким образом, правильно выбранная упругая муфта по крутильной жесткости c и демпфирующей способности существенно снижает амплитуду вредных крутильных колебаний в приводахмашин , что повышаетихресурс.

Муфты с неметаллическими ( резиновыми) упругими элементами. Эти муфты широко распространены благодаря простотеконструкц ий, дешевизне изготовления, простотеэксплуатации (не требуют ухода), высокой податливости при кручении и хорошей демпфирующей способности. Два последних свойства определяютсясвойствами резины , из которойизготовлен уп ругийэлемен тмуф - ты. Однако вследствие невысокой прочности по сравнению с металломэти муфты имеют бóльшиеразмеры .

Муфты с упругим элементом в виде резиновой тороидальной

На рис. 19.14 изображена муфта с упругим элементом в виде внешнего тора. Две одинаковые полумуфты 1 соединены тороидальным упругим элементом 2, края которого прижаты к полумуфтам нажимными полукольцами 3 и винтами 5, равномерно расположенными по окружности. Нажимные кольца разделены на

440

19Муфты.2. , постоянносоединяющие валы

Рис. 19.14. Муфта с резиновым упругим элементом в видевнешнего тора

два полукольца 3 для удобства монтажа и притянуты винтами 6 кольцам 4. Тороидальный упругий элемент 2 изготовлен из резины, армированной нитями корда, которые уложены слоями. В зависимости от числа слоев корда и угла его наклона по отношению к меридиану торовой оболочки меняется крутильная жесткость муфты. В неответственных машинах с малыми нагрузками применяют упругий элемент из резины (без корда). Он дешевле и проще в изготовлении. Благодаряосо бойформе упругого элемента эта муфта обладает также повышенной компенсирующей способностью, т. е. допускает значительные взаимные смещения полумуфт (угловое до 3°, радиальное 2…5 мм, осевое±2 мм и их комбинацию). Однако необходимо помнить, что чем больше расцентровка осей полумуфт, тем больше циклические деформации в упругомэлементе и ниже егоресурс .

Недостатками муфты являются большой диаметр D и появле-

ние осевых сил, сближающих полумуфты при вращении муфты.

441

Глава 19. Муфтыприводов

Причиной появления осевых сил является деформация упругого элемента при его вращении под действием центробежных сил. На конструкцию муфты имеется стандарт, в котором приведены основные размеры муфт в зависимости от значения вращающего момента[32] .

После выбора габаритных размеров муфты выполняют проверочныерасчеты .

1. Уточняют толщину h упругого элемента в сечении I–I (см. рис. 19.14) изего расчета по основнымкасат ельнымнапряжениям:

момент сил трения (Fзат — сила затяжки одного винта; f — ко-

Допускаемое напряжение смятия[ ] см определяют в зависимости от конструкции края упругого элемента (наличие корда или металлических колец, повышающих жесткость края при его сжатмарки)ирезины.

На рис. 19.15 изображена муфта с упругим элементом в виде внутреннего тора. Две одинаковые полумуфты 1 соединены тороидальным упругим элементом 2, края которого прижаты к полумуфтам нажимными кольцами 3 и винтами 4, равномерно распо-

442

19Муфты.2. , постоянносоединяющие валы

Рис. 19.15. Муфта с резиновым упругим элементом в виде внутреннего тора

ложенными по окружности. Эта муфта лишена недостатков муфты, показанной на рис. 19.14. При такой же несущей способности рассматриваемая муфта имеет меньший наружный диаметр, а потому меньше подвержена влиянию центробежных сил, т. е. допускает бó льшие частоты вращения. Центробежные силы, действующие на оболочку, воспринимают нажимные кольца. Муфта имеет меньше металлических деталей ипроще при установке упругого элемента.

На конструкцию муфты имеется стандарт, в котором приведены основные размеры муфт в зависимости от значения вращающего момента [32].

После выбора габаритных размеров муфты выполняют проверочныерасчеты .

1. Уточняют толщину h упругого элемента в сечении I–I (см. рис. 19.15) изего расчета по основнымкасат ельнымнапряжениям:

гдеT — расчетный вращающиймомент ; [ ] — допускаемые касательные напряжения (зависят от марки резины и числа слоев корда).

2. Определяют необходимую силу прижатия края упругого элемента к полумуфте из условия Tтр T , где Tтр Fзат f zDср 2 — момент сил трения (Fзат — сила затяжки одного винта; f — ко-

443

Глава 19. Муфтыприводов

мости от конструкции края упругого элемента (наличие корда или

Муфта с резиновой конической шайбой изображена на рис. 19.16. Резинометаллический упругий элемент 4 крепят к полумуфтам 1 и 6 винтами, равномерно расположенными по окружности. Современные способы привулканизации резины к металлу

Рис. 19.16. Упругая муфта с резиновой конической шайбой

444

19Муфты.2. , постоянносоединяющие валы

позволяют получить прочность соединения не ниже прочности самой резины. Привулканизация резины к металлу является предпочтительным способом крепления, так как отсутствует концентрация напряжений в зоне прижатия буртов упругого элемента к металлусм( . рис. 19.14).

По сравнению с муфтами, представленными на рис. 19.14 и 19.15, эта муфта не обладает высокими компенсирующими свойствами. Однако ее с успехом применяют в приводах машин для гашения вредных крутильных колебаний. Изменяя угол конуса, можнополу чить необходимуюкр утильнуюжесткость муфты

cT GD(D3 d 3) ,

24H

где G — модуль упругости второго рода резины; остальные обозначениясм . нарис . 19.16.

Положительной особенностью муфты является равномерное распределение основных касательных напряжений по объему резины при действии вращающего момента Т. На рис. 19.17 приведенасхема работ ырез инометаллического упругогоэлемента .

Рис. 19.17. Характер деформирования резинометаллического упругого элементапри нагружении вращающим моментом

При действии вращающего момента резиновая коническая шайба испытывает крутильный сдвиг; при этом одно металлическое кольцо поворачивается относительно другого на угол , а точка 2 на радиусе смещается относительно точки 1 на в точку 2*. Если рассматривать малые деформации, то приближенно можнозаписать

445

Глава 19. Муфтыприводов

h, h .

Тогда в соответствии с закономГу ка G G h.

Таким образом, при фиксированном угле напряжения одинаковына любомрадиусе , поскольку h const.

В ответственныхприводах вму фте (см. рис. 19.16) применяют кольца 2 и 5 с торцовыми кулачками 3, которые, зацепляясь, продолжают передавать вращающий момент даже после разрушения резиновойшайбы .

Муфты с металлическими упругими элементами. Такие муфты обладают меньшими габаритными размерами, хорошо работают при изменениях температуры в большом диапазоне. Однако они сложны по конструкции, более дорогостоящи, требуют ухода приэксплуатации .

На рис. 19.18 изображена муфта с упругими элементами в виде стальныхстержней , работающих на изгиб при действии вращающего момента. Полумуфты 1 и 6 соединены цилиндрическими стальны-

Рис. 19.18. Муфта с упругими элементами в видестальных стержней

ми стержнями (пружинами) 4, равномерно расположенными по окружностидиаметром D. Крышка 2 и кожух 3 удерживают стержни от выпадания и смазочное масло в муфте благодаря уплотнениям 7. Для уменьшения износа пружин и их гнезд муфта через масленку 5 заполняется масломпрот ивозадирнымиприсадками .

446