Расчет и конструирование адаптивных предохранительных фрикционных муфт. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

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

М.П. Шишкарёв

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ АДАПТИВНЫХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ ФРИКЦИОННЫХ МУФТ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону ДГТУ

2019

1

УДК 621.825.54 (088.8)+621.8.031.6 Ш65

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор М.Е. Попов доктор технических наук, профессор А.Н. Чукарин

Шишкарёв, Михаил Павлович.

Ш65 Расчет и конструирование адаптивных предохранительных фрикционных муфт : учеб. пособие / М.П. Шишкарёв ; Донской гос. техн. ун-т. – Ростов-на-Дону : ДГТУ, 2019. – 52 с.

ISBN 978-5-7890-1648-0

Рассмотрены вопросы расчета и проектирования адаптивных предохранительных фрикционных муфт, используемых в технологическом оборудовании. Приведены инженерные формулы для определения параметров, обеспечивающих наилучшие технико-эксплуатационные показатели – нагрузочную способность и точность срабатывания. Изложена методика расчета адаптивных предохранительных фрикционных муфт первого и второго поколений, в том числе модифицированных.

Предназначено для обучающихся магистратуры по направлению 15.04.05 Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств, программа подготовки «Процессы механической и физикотехнической 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)+621.8.031.6

Печатается по решению редакционно-издательского совета Донского государственного технического университета

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

2

«схватыванию», в условиях патологического трения коэффициент трения может достигать больших значений до нескольких десятков.

Фрикционные муфты обычной точности срабатывания характеризуются прямолинейной зависимостью вращающего момента от коэффициента трения, что при колебаниях последнего приводит к появлению значительных перегрузок в приводах или к срабатыванию при нагрузках, меньших номинальной (настроечной). Вследствие этого при проектировании рабочих машин приходится назначать завышенные коэффициенты запаса прочности узлов и деталей, что сказывается на материалоемкости, массе, габаритах и энергоемкости машин.

В настоящее время одним из способов повышения стабильности вращающего момента является подбор материалов пар трения, обладающих меньшим рассеянием коэффициента трения, например пара «металл – металлокерамика» [1]. Однако возможности этого способа ограничены ввиду узкого круга материалов, обладающих повышенной стабильностью коэффициента трения, а также вследствие относительно невысокого среднего значения коэффициента трения таких материалов.

5

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АДАПТИВНЫХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ ФРИКЦИОННЫХ МУФТАХ

1.1. Устройство и принцип действия адаптивных предохранительных фрикционных муфт

Действие адаптивных фрикционных муфт (АФМ), при всем их многообразии, основано на одном и том же принципе: пропорциональном, по мере изменения коэффициента трения и момента сил сопротивления на ведомых частях привода, отжатии элементов пар трения. В основу названия этих муфт положен принцип приспосабливаемости в зависимости от условий эксплуатации.

Базовой конструкцией муфт данного типа является муфта Н.Д. Вернера (рис. 1.1) [1]. В приведенной конструкции ведущая 1 и ведомая 2 полумуфты связаны посредством фрикционного диска 3, прижатие которого к упорному 6 и свободно установленному (относительно полумуфты 1) нажимному 5 дискам осуществляется пружиной 7 через упорный шарикоподшипник. Управляющее устройство представлено шариками 4, которые размещены в гнездах переменной глубины, выполненных на взаимообращенных поверхностях дисков 5 и 6.

Рис. 1.1. Муфта Н.Д. Вернера (базовый вариант)

При работе, в зависимости от текущего значения коэффициента трения, шарики 4 могут передавать часть вращающего момента (до половины полного момента муфты ‒ при двух парах трения) на нажимной диск 5. В результате этого на шариках возникает осевая реакция, направленная противоположно силе натяжения пружины 7 и ослабляющая прижатие пар трения друг к другу. С увеличением коэффициента

6

трения и ростом момента сил сопротивления происходит увеличение осевой реакции на шариках, что уменьшает влияние коэффициента трения на вращающий момент муфты и повышает, таким образом, точность срабатывания.

1.2. Основные зависимости адаптивных предохранительных фрикционных муфт

Формула приведенного коэффициента трения АФМ имеет вид [2]:

f

fпр 1 Cf ,

где f ‒ текущее значение коэффициента трения между элементами пар трения АФМ; C ‒ приведенный коэффициент усиления (КУ) обратной связи:

C ( z 1)Rср tg . r

Здесь z ‒ число пар трения муфты; Rср ‒ средний радиус поверхностей пар трения; r ‒ радиус окружности, на которой расположены шарики 4;‒ угол скоса гнезд под шарики.

При «схватывании» поверхностей трения, т. е. при f имеем: fпр (z 1)C ,

что указывает на конечную величину предельного вращающего момента. Для муфт, имеющих дифференцированные ведущие и ведомые па-

ры трения, КУ ограничен соотношением:

где ‒ максимальный коэффициент трения в условиях нормального трения.

Поскольку исследованиями установлена прямая зависимость точности срабатывания КУ, муфта Н.Д. Вернера с дифференцированными парами трения обладает ограниченной точностью срабатывания, зависящей от значения fmax .

7

2. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ АДАПТИВНЫХ ФРИКЦИОННЫХ МУФТ

2.1. Предпосылки применения адаптивных фрикционных муфт

АФМ обладают свойствами предохранительных муфт, основным достоинством их является повышенная стабильность предельного значения вращающего момента, при котором происходит срабатывание муфты [3]. Указанное достоинство АФМ особенно отчетливо проявляется в тех случаях, когда при эксплуатации происходит случайное изменение (в сторону увеличения или уменьшения) коэффициента трения под действием ряда факторов [1]:

‒влажность окружающей среды;

‒температура окружающей среды и поверхностей трения;

‒наличие вибраций, действующих на механическую систему, особенно в плоскости вращения АФМ (крутильные высокочастотные колебания);

‒контактное давление на поверхностях трения;

‒скорость нарастания внешней нагрузки перед срабатыванием АФМ;

‒время неподвижного контакта поверхностей трения перед срабатыванием АФМ и др.

Следует также отметить влияние на коэффициент трения следов износа поверхностей трения, не удаляемых из зоны трения, и изменение структуры контактирующих поверхностных слоев пар трения в результате механического и теплового воздействия при буксовании.

Из перечисленных факторов наибольшее влияние на изменение коэффициента трения оказывает продолжительность неподвижного контакта поверхностей трения муфты перед ее срабатыванием [1].

К факторам, влияющим на стабильность предельного вращающего

момента АФМ, следует также отнести износ поверхностей трения в результате буксования муфты при срабатывании, и нестабильность во времени силовой характеристики нажимного упругого элемента, осуществляющего силовое замыкание пар трения муфты [4]. Эти факторы, при отсутствии мер профилактики, с течением времени уменьшают

9

предельный вращающий момент, т. е. границы поля рассеивания его, хотя и не изменяют точность срабатывания муфты.

Наконец, необходимо отметить, что во многих случаях условия эксплуатации предохранительных фрикционных муфт, в том числе АФМ, характеризуются действием агрессивной окружающей среды (высокая температура, действие влаги, химических веществ и т. п.), которая способствует интенсивному протеканию окислительных процессов на поверхностях трения. Это также способствует изменению процессов трения и коэффициента трения.

Основными причинами, вызвавшими снижение научного и практического интереса к АФМ, являются:

‒ограниченная практическая точность срабатывания существующих АФМ, что часто не позволяет обеспечить высокий уровень надежности защиты приводов машин от действующих перегрузок;

‒отсутствие научно обоснованных принципов системного подхода

крешению задачи повышения эффективности работы АФМ в составе механической системы привода машины и рекомендаций по выбору рациональных областей применения АФМ.

Первая причина обусловлена следующим:

–все конструктивное разнообразие существующих АФМ имеет в своей основе общую принципиальную схему, базирующуюся на применении отрицательной одноконтурной обратной связи. Существенным недостатком ее является то, что отжимная сила в управляющем устройстве муфт возникает под действием вращающего момента фрикционной группы и управляет силой прижатия друг к другу пар трения. Вследствие этого изменение отжимной силы управляющего устройства прямо пропорционально изменению вращающего момента муфты, что принципиально не позволяет отжимной силе изменяться по закону, необходимому для стабилизации передаваемой нагрузки;

–теоретически для почти полной стабилизации предельного вра-

щающего момента АФМ с отрицательной одноконтурной обратной связью необходимо, чтобы КУ обратной связи был большой (порядка 80…100). При этом резко увеличивается отжимная сила управляющего устройства и, соответственно, уменьшается момент сил трения муфты, что исключает возможность ее практического применения. Попытки увеличения нагрузочной способности муфты в этом случае требуют по-

10