Выбор предохранительных фрикционных муфт для приводов технологического оборудования. Учебное пособие

Проанализируем области применения АФМ.

По нагрузочной способности. Данные табл. 2.2 показывают следующее:

–преобладающая часть АФМ может быть использована только в приводах легко- и средненагруженных машин. Это объясняется относительно невысокой номинальной нагрузочной способностью данных типов АФМ, продиктованной ограничением их массогабаритных характеристик при определенных предельных нагрузках, превышение которых приводит к резкому увеличению габаритных размеров и массы муфт;

–к АФМ, пригодным для эксплуатации в приводах средне- и тяжело нагруженных машин, относятся АФМ второго поколения (базовый вариант и модернизированный вариант 3), АФМ первого поколения с бифункциональным УУ и АФМ третьего поколения с положительной обратной связью. Принадлежность перечисленных типов муфт к АФМ, способным передавать большие нагрузки, объясняется наличием в конструкциях АФМ второго поколения пар трения, не охваченных отрицательной обратной связью, и более рациональным использованием усилия пружины (группы пружин) для силового замыкания пар трения ДФГ, совмещением в одном конструктивном узле УУ и нажимного механизма (в АФМ с бифункциональным УУ), настройкой на номиналь-

женных приводах машин, относятся модернизированный вариант АФМ первого поколения и первый модифицированный вариант АФМ второго поколения. Это обусловлено следствием уменьшения момента сил трения пар ДФГ АФМ второго поколения и введения полной отрицательной обратной связи в АФМ первого поколения.

По точности срабатывания. Все приведенные в табл. 2.2 поколения и типы АФМ можно разделить по группам точности срабатывания

(табл. 2.3).

Таблица 2.3

31

Окончание табл. 2.3

1.АФМ второго поколения (базовый вариант)

2.АФМ второго поколения (модернизированный вариант)

Приведенная в табл. 2.3 классификация АФМ по точности срабатывания позволяет рекомендовать их предпочтительные области применения (в пределах каждой группы или поколения).

Для выработки рекомендаций по применению АФМ, с точки зрения точности срабатывания, используем следующие особенности выбора места установки АФМ в кинематической цепи привода машины:

– место установки АФМ в приводе машины условно разделяет кинематическую цепь на две части – часть, защищаемую муфтой от перегрузок, и часть, не защищаемую от перегрузок. Часть, защищаемая от перегрузок, заключена между АФМ и приводным двигателем, включая последний. Часть, не защищаемая от перегрузок, располагается между АФМ и исполнительным (рабочим) органом машины, включая последний. В зависимости от скорости распространения ударной волны в незащищаемой части привода, распространяющейся в направлении от исполнительного органа машины к ПМ, каждый узел, расположенный в незащищаемой части, подвергается неодинаковым нагрузкам вследствие следующих причин:

неодинаковой номинальной нагрузки, действующей на каждый узел, вследствие наличия понижающих или повышающих механических и другого типа передач;

переменной демпфирующей и диссипатирующей способностью узлов и связей, соединяющих их между собой;

ограниченная скорость распространения силовой ударной волны по кинематической цепи незащищаемой части привода, зависящая от размеров поперечного сечения валопроводов и других деталей.

32

На основе принципа последовательного гашения силовой ударной волны можно сделать вывод о том, что более высокие нагрузки будут испытывать узлы и детали незащищаемой части привода, расположенные в непосредственной близости к источнику возникновения перегрузок – исполнительному органу машины;

–попытка увеличить защищаемую часть привода машины посредством перемещения места установки ПМ в направлении исполнительного органа, как правило, приводит к увеличению массы муфты, если привод содержит понижающие передачи;

–повышение точности срабатывания АФМ за счет увеличения КУ приводит к увеличению габаритных размеров и массы муфты почти прямо пропорционально изменению значения КУ. Это относится к тем АФМ, принципиальные и конструктивные особенности которых позволяют осуществлять практически безлимитное увеличение значения КУ.

Исследования показали, что для различных поколений и типов АФМ существуют отличающиеся одна от другой закономерности изменения их габаритных размеров и массы в результате варьирования значения КУ [21]. Большему изменению габаритных размеров и массы подвержены те АФМ, которые обладают более высокой точностью срабатывания.

На основе изложенных особенностей встраивания АФМ различных поколений и типов в приводы машин предложены рекомендации по их применению, с точки зрения комплекса эксплуатационных характеристик ‒ номинальной нагрузочной способности и точности срабатывания

(табл. 2.4).

Таблица 2.4 Применение поколений типов АФМ в приводах машин

4.АФМ первого поколения с пружинами сжатия-изгиба

5.АФМ второго поколения (модернизированный вариант)

6.АФМ первого поколения с V-образными упругими лепестковыми элементами

33

Примечание. При разработке рекомендаций по применению АФМ в приводах машин были использованы следующие положения:

–целесообразность применения АФМ с низкой точностью срабатывания в приводах

скороткой однопоточной кинематической цепью обусловлена тем, что данные муфты, обладая относительно низкой точностью срабатывания при высокой номинальной нагрузочной способности, могут достаточно эффективно защищать от перегрузок практически все элементы привода, за исключением исполнительного органа машины. В данном случае используются АФМ с максимальным значением КУ, поскольку его варьирование в целях минимизации габаритных размеров и массы привода [14] не приводит к ожидаемому результату вследствие короткой кинематической цепи привода;

–АФМ, собранные во вторую (по счету) группу, отличаются более высокой номинальной нагрузочной способностью, использование их в приводах с протяженной кинематической цепью позволяет осуществлять компоновку с установкой муфт на участках приводов с действующим в них повышенным вращающим моментом. Относительно невысокая точность срабатывания этих АФМ позволяет за счет варьирования значения КУ (в сторону уменьшения от его предельного значения) минимизировать массогабаритные показатели привода;

–основанием для включения ряда АФМ в третью (по счету) группу является возможность обеспечения локальной защиты обособленных частей привода, расположенных на соответствующих коротких участках кинематической цепи, благодаря особо высокой точности срабатывания муфт при невысокой номинальной нагрузочной способности, характерной для подобной структуры привода;

–применение ряда АФМ, принадлежащего четвертой группе, в приводах с протя-

женной многопоточной кинематической цепью обусловлено, во-первых, достаточно их высокой номинальной нагрузочной способностью, позволяющей в приводах с понижающими передачами охватить защитой максимальную часть потока кинематической цепи, во-вторых, при достаточно высокой точности срабатывания и разветвленной кинематической цепи обеспечивать максимальное снижение габаритных размеров и массы привода.

Результаты исследования показали, что благодаря основной особенности, которая заключается в возможности варьирования точности срабатывания, АФМ, в зависимости от номинальной нагрузочной способности и точности срабатывания, могут наиболее эффективно приме-

34

няться в определенных областях, характеризуемых структурой и протяженностью кинематической цепи привода машины.

Технический эффект от применения АФМ складывается из высокой эффективности защиты приводов от перегрузок и минимизации массогабаритных характеристик приводов. Первое достигается за счет повышенной точности срабатывания, второе ‒ за счет оптимального сочетания номинальной нагрузочной способности и точности срабатывания.

Результаты исследования также показали, что применяемая в настоящее время практика расчетов и выбора ПМ должна быть усовершенствована посредством обязательного учета установленного влияния их технических характеристик на эксплуатационные показатели привода и машины.

Выводы

1.Анализ АФМ всех типов и поколений показал разнообразие их эксплуатационных характеристик, в частности, по номинальной нагрузочной способности и точности срабатывания, что требует учета эксплуатационных характеристик муфт при выборе их области применения.

2.Выбор точности срабатывания АФМ определяется целевой функцией, поставленной при расчетах и проектировании приводов машин.

3.На выбор точности срабатывания АФМ также оказывает влияние тип и поколение муфты, от которых зависит влияние точности срабатывания на массогабаритные показатели АФМ.

4.Условием применения на практике АФМ с наибольшей точностью срабатывания является необходимость выдерживать на исполнительном органе машины фиксированное, с незначительными отклонениями, значение усилия или вращающего момента.

5.Одним из основных отличий АФМ от обычных предохранительных муфт, помимо повышенной точности срабатывания, является возможность варьирования последней в пределах, определяемых типом и поколением АФМ.

6.Осуществлена систематизация АФМ всех типов и поколений по признакам номинальной нагрузочной способности и точности срабатывания. Систематизация позволяет разделить все многообразие конструкций АФМ на группы с особо высокой точностью срабатывания и низкой номинальной нагрузочной способностью, со средними точно-

35

стью срабатывания и номинальной нагрузочной способностью и с низкой точностью срабатывания и высокой номинальной нагрузочной способностью. Выполненная систематизация позволяет определить области рационального применения групп АФМ.

7.В числе последних разработок выделен тип АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием, обладающих оптимальным сочетанием точности срабатывания и номинальной нагрузочной способности. Имея высокую точность срабатывания и номинальную нагрузочную способность, данный тип АФМ может быть применен в приводах машин для обеспечения наилучших эксплуатационных показателей.

8.На основе систематизации разработана классификация поколений и типов существующих АФМ в зависимости от области их применения, что позволяет осуществлять рациональный выбор АФМ для достижения наилучшего производственно-эксплуатационного результата.

9.Наибольшая часть АФМ пригодна для использования только в легко- и средненагруженных приводах машин.

10. Наименьшая часть АФМ может быть использована в приводах машин, работающих при высокостабилизированной нагрузке на исполнительном органе.

11. Осуществлена систематизация поколений и типов АФМ в зависимости от структуры приводов машин. Показано следующее:

– в приводах с короткой однопоточной кинематической цепью целесообразно использовать АФМ, обладающие относительно невысокой точностью срабатывания и ограниченной номинальной нагрузочной способностью;

– в приводах с протяженной однопоточной кинематической цепью целесообразно применение АФМ с относительно невысокой точностью срабатывания и с повышенной номинальной нагрузочной способностью;

– в приводах с короткой многопоточной кинематической цепью следует применять АФМ с особо высокой точностью срабатывания и низкой номинальной нагрузочной способностью;

– в приводах с протяженной многопоточной кинематической цепью целесообразно применение АФМ с высокой точностью срабатывания и с высокой номинальной нагрузочной способностью.

36

Контрольные вопросы

1.Основные особенности и преимущества адаптивных фрикционных

муфт.

2.От каких факторов зависит значение коэффициента точности

ПМ?

3.Влияние точности срабатывания ПМ на массогабаритные показатели приводов машин.

4.Охарактеризуйте соотношение между точностью срабатывания и нагрузочной способностью адаптивных фрикционных муфт.

5.Охарактеризуйте влияние места установки ПМ в приводе на его характеристики.

37

3. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ ТОЧНОСТИ СРАБАТЫВАНИЯ АДАПТИВНЫХ ФРИКЦИОННЫХ МУФТ

3.1. Влияние точности срабатывания АФМ на массу привода

Одной из основных особенностей АФМ различных типов является возможность варьирования точности срабатывания [14]. Это достигается изменением КУ обратной связи, которое происходит, чаще всего, за счет варьирования значения угла давления отжимных (распорных) элементов [22].

Кроме того, в некоторых типах АФМ, созданных в последнее время, возможность варьирования точности срабатывания обеспечивается выбором соответствующей формы кривой нагрузочной характеристики (зависимости вращающего момента АФМ от коэффициента трения) [23].

Увеличение КУ обратной связи приводит к повышению точности срабатывания АФМ, которое характеризуется большей стабильностью значения вращающего момента при изменении коэффициента трения [24].

Одновременно с повышением точности срабатывания АФМ при увеличении КУ возрастает распорная сила УУ, что приводит к уменьшению вращающего момента муфты. Для сохранения требуемого значения вращающего момента АФМ необходимо одно из следующих действий:

–увеличить радиальные размеры пар трения фрикционной группы;

–увеличить количество пар трения,

–повысить силу натяжения замыкающих силовых упругих элементов нажимного узла АФМ.

Любой из перечисленных способов приводит к увеличению массы АФМ, причем, как показали исследования [21], масса увеличивается практически пропорционально увеличению любого из перечисленных параметров.

Таким образом, стремление к уменьшению действующих в приводе машины перегрузок за счет повышения точности срабатывания АФМ, осуществляемого посредством увеличения КУ обратной связи, приводит к увеличению массы муфты, которое должно быть, по меньшей мере, компенсировано уменьшением общей массы узлов и деталей привода, защищаемых муфтой [6].

38

Рассматриваются АФМ первого поколения, оснащенные одноконтурной отрицательной обратной связью [5], а также АФМ других типов.

Теоретическими предпосылками оптимизации массогабаритных показателей приводов машин являются:

–уменьшение действующих в приводе перегрузок при увеличении точности срабатывания АФМ и, как следствие, ‒ возможность уменьшения габаритных размеров (площади поперечного сечения и длины) деталей привода при условии сохранения необходимого запаса прочности;

–установление закономерности увеличения массы АФМ в результате повышения ее точности срабатывания;

–установление закономерности изменения общей массы привода, включая АФМ, при изменении ее точности срабатывания.

Если при уменьшении действующих в приводе перегрузок (речь идет о защищаемой части привода, расположенной между приводным двигателем и АФМ) сохранить неизменными размеры узлов и деталей, то они будут работать с увеличенным запасом прочности. Действительно, согласно схеме на рис. 3.1, имеем ( t ‒ время):

где n1 , n2 ‒ соответственно коэффициент запаса прочности, принимаемый при расчетах деталей с учетом прогнозируемых максимальных нагрузок, и коэффициент запаса прочно-

39

Если принять

1 [ ],

где [ ] ‒ допускаемое напряжение, принимаемое при расчетах деталей привода [8], то при использовании в приводе АФМ с более высокой точностью срабатывания, обеспечивающей меньшие нагрузки, будет выполняться неравенство:

2 [ ]

при условии, что [ ] const для одного и того же материала. Следовательно, в данном случае уменьшение действующих нагру-

зок с Tmax1 (при использовании предохранительной фрикционной муфты, обладающей более низкой точностью срабатывания) до Tmax 2 (в приводе с АФМ, имеющей более высокую точность срабатывания) приводит к необходимости увеличения коэффициента запаса прочности n2 . Это представляется нерациональным, поскольку материал деталей работает с меньшими механическими напряжениями, и физикомеханические свойства его используются недостаточно полно.

В связи с этим следует привести в соответствие с допускаемыми напряжениями [ ] напряжения, действующие в деталях привода, т. е. уменьшить поперечные сечения деталей и их линейные размеры, снизив, тем самым, массу деталей.

Увеличение КУ обратной связи АФМ, которое приводит к повышению ее точности срабатывания, требует соответствующего увеличения массы муфты. При этом, как показали исследования [14], увеличение КУ непропорционально повышению точности срабатывания муфты, которая выражается коэффициентом точности [7].

Коэффициент точности характеризует кратность изменения значения предельного вращающего момента муфты относительно его настроечного значения, в качестве которого [17] принимается вращающий момент, вычисляемый при минимальном значении коэффициента трения.

Изложенное иллюстрируется графиками на рис. 3.2. Кривая 1 на этом рисунке отражает график зависимости Kт (C) , где Kт ‒ коэффициент точности АФМ, C ‒ КУ обратной связи, прямая 2 – график изменения значения КУ в принятых координатных осях.

40