Выбор предохранительных фрикционных муфт для приводов технологического оборудования. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

М.П. Шишкарёв

ВЫБОР ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ ФРИКЦИОННЫХ МУФТ ДЛЯ ПРИВОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону ДГТУ

2020

1

УДК 621.825.54 (088.8) Ш65

Рецензент

доктор технических наук, профессор А.Н. Чукарин

Шишкарёв, Михаил Павлович.

Ш65 Выбор предохранительных фрикционных муфт для приводов технологического оборудования : учебное пособие / М.П. Шишкарёв ; Донской государственный технический университет. – Ростов-на- Дону : ДГТУ, 2020. – 74 с.

ISBN 978-5-7890-1796-8

Рассмотрены вопросы оценки эффективности защиты приводов технологического оборудования предохранительными муфтами, эксплуатационные особенности и области применения предохранительных фрикционных муфт, выбор оптимальной точности срабатывания адаптивных фрикционных муфт. Изложена методика выбора адаптивных фрикционных муфт для приводов технологического оборудования.

Предназначено обучающимся магистратуры по направлению 15.04.05 Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств, программа подготовки «Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент» при изучении теоретического курса и прохождении лабораторного практикума и практических занятий по дисциплине «Предохранительные устройства технологического оборудования».

Может быть полезным аспирантам, обучающимся по научной специальности 05.02.02 Машиноведение, системы приводов и детали машин.

УДК 621.825.54 (088.8)

Печатается по решению редакционно-издательского совета Донского государственного технического университета

Научный редактор доктор технических наук, профессор А.А. Рыжкин

2

Предисловие

В пособии рассмотрены новые аспекты общих вопросов оценки эффективности защиты приводов технологического оборудования предохранительными муфтами, приведены эксплуатационные особенности и области применения адаптивных фрикционных муфт, даны рекомендации по выбору адаптивных фрикционных муфт с учетом оптимальной точности срабатывания.

Основу материала пособия составляют результаты, которые получены автором при исследовании предохранительных фрикционных муфт в рамках научных тем «Синтез адаптивных систем автоматического регулирования в механизмах с фрикционными связями» и «Проблемы применения предохранительных устройств в приводах технологического оборудования».

Изучение данного пособия позволит будущим магистрам приобрести необходимые знания для применения их в своей профессиональной деятельности. Кроме того, оно будет способствовать углублению и закреплению знаний, полученных обучающимися на лекциях и в ходе самоподготовки; развивать способность к творческому, самостоятельному анализу учебной и справочной литературы; служить материалом для самопроверки при изучении и закреплении отдельных тем дисциплины.

3

ВВЕДЕНИЕ

Постоянное повышение производительности современных рабочих машин, высокий уровень действующих нагрузок и необходимость конкурентоспособной продукции предъявляют повышенные требования к долговечности узлов и агрегатов оборудования. Одним из наиболее эффективных способов повышения надежности машин является оснащение их предохранительными устройствами.

Широко применяемые в настоящее время в качестве устройств защиты от перегрузок вращающим моментом предохранительные фрикционные муфты, наряду с общеизвестными несомненными достоинствами, обладают существенным недостатком, заключающимся в низкой стабильности предельного вращающего момента. Это обусловлено нестабильностью значения коэффициента трения, которое зависит от большого числа независимых случайных факторов, действующих на поверхности трения фрикционных узлов муфт.

Успешное решение проблемы применения предохранительных фрикционных муфт в приводах технологического оборудования зависит, в первую очередь, от того, насколько эффективно они будут защищать механизмы и детали приводов от действующих на них перегрузок.

Как показали результаты исследований [1–3], эффективность защиты приводов технологического оборудования с помощью предохранительных фрикционных муфт зависит от нескольких факторов:

обеспечение эффективной минимальной и максимальной защиты узлов и деталей;

обеспечение точности срабатывания предохранительных фрикционных муфт, соответствующей условиям работы привода и муфты в нем, поставленной задачи по обеспечению эффективной защиты конкретных объектов привода;

обеспечение минимальных габаритных размеров привода и его массы;

долговечность предохранительных фрикционных муфт, в том числе при изменении значений собственных параметров муфт;

взаимное соответствие технических и динамических характеристик предохранительных фрикционных муфт и привода в целом;

обеспечение показателей ремонтопригодности предохранительных фрикционных муфт в процессе эксплуатации.

4

Решение задач повышения номинальной нагрузочной способности муфт и их точности срабатывания в статическом и динамическом режимах работы привода привело к созданию современных конструкций адаптивных фрикционных муфт (АФМ), в том числе новых типов, принципиально отличающихся от существующих как по составу, принципу действия, так и по точности срабатывания.

Практический коэффициент точности новых конструкций АФМ достигает Kт =1,09 при фактическом рассеивании коэффициента трения

800 % [4].

Опыт эксплуатации современных АФМ показал, что эффективность их применения можно отнести только к более высокому уровню защиты приводов машин от действия перегрузок.

Вопросы комплексной эффективности применения АФМ в современной научно-технической литературе освещены ограниченно. В ряде исследований частично рассмотрены проблемы влияния эксплуатационных характеристик АФМ на массу привода машины [1–3].

Благодаря наличию в конструкциях АФМ управляющих устройств (УУ) обратной связи осуществляется автоматическое регулирование усилия замыкания фрикционных пар в зависимости от текущего коэффициента трения и передаваемой нагрузки. В результате этого уменьшается рассеивание значения вращающего момента и повышается точность срабатывания муфты, снижается риск выхода из строя деталей и узлов приводов.

В соответствии с этим повышение точности срабатывания АФМ позволяет максимально уменьшить вероятность разрушения деталей и узлов приводов машин в результате перегрузок.

5

1. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТЫ ПРИВОДОВ МАШИН ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫМИ МУФТАМИ

1.1.Нагрузки, действующие в приводах технологического оборудования

Согласно одному из основных положений теорий приводов машин и предохранительных муфт (ПМ), место установки ПМ в кинематической цепи привода машины четко разделяет кинематическую цепь на следующие две части [5]:

часть привода, защищаемая от перегрузок ПМ;

часть привода, не защищаемая ПМ.

В состав защищаемой части привода входят детали, узлы и агрегаты, расположенные между приводным двигателем и ПМ, включая двигатель. Незащищаемую часть привода составляют детали, узлы и агрегаты, которые располагаются между рабочим (исполнительным) органом машины и ПМ, включая рабочий орган.

Поскольку ПМ располагается между защищаемой и незащищаемой частями привода, необходимо установить, к какой из частей следует ее отнести.

Действие нагрузок в кинематической цепи привода машины с ПМ при наступлении перегрузки приведено на рис. 1.1.

Рис.Рис1.1. 1Действие. Схема действиянагрузокнагв прузокиводе машиныприводе

6

Возникновение перегрузок может быть вызвано внешними (по отношению к приводу) и внутренними факторами. Внешними факторами вызваны нагрузки, действующие на рабочий орган машины при выполнении технологического процесса. Внутренние факторы обусловлены, как правило, возникновением технических или эксплуатационных неисправностей деталей, узлов и агрегатов незащищаемой части привода, которые приводят к увеличению внутренних нагрузок, действующих в приводе.

При возникновении внешней перегрузки на рабочем органе машины силовая ударная волна распространяется по кинематической цепи привода в обратном, по отношению к силовому потоку (от двигателя (Д) к рабочему органу (РО)), направлении, как это показано на графике

(см. рис. 1.1).

График отражает особенность распределения нагрузки в незащищаемой части привода: при наличии в ней понижающих механических передач (редукторов, цепных, ременных, фрикционных и тому подобных передач) совокупная нагрузка (номинальная нагрузка и перегрузка) изменяется ступенчато ‒ от Tнм на рабочем органе до Tнм7 на двигателе

вкаждой передаче.

Вмеханических проводниках силового потока (например, в валопроводах) суммарный силовой поток изменяется только в соответствии со скоростью распространения силовой ударной волны в кинематической цепи привода [6].

Отрезки прямых линий 1‒8 показывают моменты времени, совпадающие с ограничением ПМ передаваемой нагрузки (срабатывание муфты) на данном узле.

Естественно, что наиболее слабое звено привода должно располагаться в его защищаемой части.

График показывает следующее (см. рис. 1.1):

а) при большой скорости ударной силовой волны и значительной протяженности незащищаемой части привода перегрузки и суммарная нагрузка могут достигать больших значений прежде всего для тех деталей, узлов и агрегатов, которые расположены в непосредственной близости к РО;

7

б) при большой скорости распространения ударной силовой волны

ипри небольшой протяженности незащищаемой части привода перегрузки и суммарная нагрузка быстрее ограничиваются ПМ с присущей ей точностью срабатывания;

в) при медленном нарастании перегрузки, действующей на РО,

иотносительно невысокой скорости распространения ударной силовой волны по короткой незащищаемой части привода время нарастания перегрузки на ведомых частях ПМ будет сопоставимо (но неодинаково) со временем нарастания перегрузки на РО;

г) при медленном нарастании перегрузки, действующей на РО,

ивысокой скорости распространения ударной силовой волны по короткой незащищаемой части привода время нарастания перегрузки на ведомых частях ПМ будет практически равно времени нарастания перегрузки на РО;

д) при медленном нарастании перегрузки, действующей на РО,

иотносительно невысокой скорости распространения ударной силовой волны по протяженной незащищаемой части привода рассогласование времени нарастания перегрузки на ведомых частях ПМ и на РО будет выше, чем согласно п. «в»;

е) при медленном нарастании перегрузки, действующей на РО,

ивысокой скорости распространения ударной силовой волны по протяженной незащищаемой части привода рассогласование времени нарастания перегрузки на ведомых частях ПМ и на РО будет незначительным.

Взависимости от сочетания скорости нарастания перегрузки, действующей на РО, скорости распространения ударной силовой волны

ипротяженности незащищаемой части привода роль точности срабатывания ПМ в отношении эффективности защиты указанной части привода будет различной.

Несмотря на принятое название незащищаемой части привода применительно к ПМ, последняя оказывает на детали, узлы и агрегаты этой части привода определенное влияние в отношении защиты от перегрузок (табл. 1.1).

8

Таблица 1.1 Характеристика действующих в приводе нагрузок

Примечания. 1. Понятия, характеризующие степень влияния точности срабатывания ПМ на эффективность защиты, являются качественными и, в некоторой степени, неопределенными. Для введения элемента определенности дадим количественную оценку данных понятий.

Вкачестве предварительного пояснения отметим, что в данном случае речь не идет

овлиянии коэффициента точности ПМ на эффективность защиты. Рассматривается применение ПМ с фиксированной точностью срабатывания независимо от сочетания приведенных в таблице факторов. Такое рассмотрение позволяет подбирать ПМ с заданной точностью срабатывания.

2. Понятие «незначительное влияние». Использование данного понятия эквивалентно обеспечению ПМ защиты деталей, узлов и агрегатов незащищаемой части привода от перегрузок, составляющих 0,85…1,0 от максимальной перегрузки.

3. Понятие «среднее влияние». Данное понятие предполагает, что ПМ будет защищать детали, узлы и агрегаты незащищаемой части привода от перегрузок, равных 0,4…0,85 от максимальной перегрузки.

4. Понятие «высокое влияние». Данное понятие эквивалентно тому, что ПМ будет защищать детали, узлы и агрегаты незащищаемой части привода от перегрузок, которые составляют 0,1…0,4 от максимальной перегрузки.

5. В качестве максимальной принимается перегрузка на РО машины не стопорного характера, которую испытывает РО при максимальной мощности, развиваемой двигателем привода.

9

Из изложенного следует, что на ограничение перегрузок, действующих в незащищаемой части привода, влияет сложившееся в рассматриваемый период времени сочетание перечисленных в табл. 1.1 факторов.

Точность срабатывания ПМ влияет на перегрузки, действующие на детали, узлы и агрегаты незащищаемой части привода в плане их распределения согласно предельному значению вращающего момента (силы), который ограничивает ПМ, поскольку именно она определяет входную нагрузку в незащищаемой части привода, вносимой двигателем Д (см. рис. 1.1).

Анализ табличных данных показывает, что наиболее эффективное защитное действие на незащищаемую часть привода ПМ оказывает при сложившемся сочетании факторов, которое характеризуется низкой скоростью нарастания перегрузки на РО и высокой скоростью передачи ее по кинематической цепи незащищаемой части привода небольшой протяженности.

Скорость распространения ударной силовой волны в приводе машины зависит, прежде всего, от механических и акустических характеристик материалов, из которых изготовлены детали привода, их геометрической формы и структурного состава привода.

Наличие в составе привода деталей, узлов и агрегатов, способствующих демпфированию механических колебаний, диссипатирующих механическую энергию в приводе, снижает скорость распространения ударной силовой волны.

К таким узлам можно отнести, например, упругодемпфирующие муфты, особенно с неметаллическими промежуточными элементами, ременные передачи, инерционные массы с большим энергетическим потенциалом и т. п.

1.2. Влияние точности срабатывания предохранительной муфты на технические характеристики привода машины

В современной практике машиностроения расчет и конструирование деталей, узлов и агрегатов приводов машин и механизмов производится по действующим нагрузкам. Учитывая, что вследствие влияния на привод различных факторов (как внешних, так и внутренних) действующие нагрузки являются переменными, во избежание случайных поломок при расчетах принимают во внимание возможные максимальные нагрузки [7].

10