Бесконтактный магнитный подшипник вращения
Подшипники являются наиболее распространенным и важным элементом многих механизмов от автомобиля до космического корабля и ракеты. Однако механические подшипники практически исчерпали свое развитие. Они имеют быстрый износ, требуют систематического ухода и недолговечны. Кроме того, механическое подшипники имеют ограничение по скорости вращения, и надежности, что сужает их область применения. Известны электромагнитные бесконтактные подшипники вращения. Однако это достаточно сложные и дорогие устройства.
Прогресс в области усовершенствования характеристик постоянных магнитов позволяет создать достаточно мощный предельно простой по конструкции и абсолютно бесконтактный магнитный подшипник. Силовое отталкивание цилиндрических магнитов компенсирует нагрузки на вал по радиальной оси. Силовое отталкивание торцевых магнитов от магнитов статора и ротора компенсирует осевые нагрузки подшипника . В результате создана самоуравновешивающуюся полностью бестоковая магнитная динамическая система бесконтактного подвеса вала. Такое новое и перспективное применение постоянных магнитов позволяет создать предельно простой и дешевый бесконтактный подшипник вообще без потерь и с неограниченным сроком эксплуатации.
Главная отличительная особенность предлагаемого простого и изящного технического решения состоит в оригинальной комбинации магнитов по двум осям координат для автоматической компенсации как осевых, так и радиальных нагрузок на валу этого подшипника.
В случае использования высоких технологий точного изготовления конструкции такого бесконтактного подвеса с соблюдением минимальных зазоров в доли миллиметра между магнитами и с применением современных магнитов типа "самарий – кобальт" такие магниты могут вполне реально использованы в динамических режимах нагрузок на валу в автотранспорте до 200 киловатт механической мощности.
Муфты. Назначение и классификация муфт. Конструкция и расчет.
Муфты
Приводными муфтами (обычно просто муфтами) называются устройства, служащие для кинематической и силовой связи валов в приводах машин и механизмов. Муфты передают с одного вала на другой вращающий момент без изменения его величины и направления, а также компенсируют монтажные неточности и деформации геометрических осей валов, разъединяют и соединяют валы без остановки двигателя, предохраняют машину от поломок в аварийных режимах, в некоторых случаях поглощают толчки и вибрации, ограничивают частоту вращения и т. д.
Применяются во многих машинах и механизмах, они являются ответственными узлами, от их правильного выбора могут зависеть уровень и характер нагруженности деталей машин.
На рис. 97 показаны возможные погрешности при монтаже валов (несоосность валов): а — радиальное смещение ∆; б — осевое смещение λ; в — угловое смещение δ. Указанные погрешности могут существовать одновременно.
Муфты приводов машин классифицируют по многим признакам. По принципу действия муфты подразделяют на четыре класса:
1 — нерасцепляемые (не допускающие разъединения валов при работе машины);
2 — управляемые (допускающие возможность управления муфтой);
3 — самодействующие (автоматически срабатывающие в результате изменения заданного режима работы);
4 — прочие (все муфты, не входящие в первые три класса).
Классы муфт (кроме четвертого) подразделяют на группы (механические, гидродинамические, электромагнитные), подгруппы (жесткие, компенсирующие, упругие, предохранительные, обгонные и др.), виды (фрикционные, с разрушаемым элементом и др.) и конструктивные исполнения (кулачковые, шариковые, зубчатые, фланцевые, втулочно-пальцевые и многие другие).
Предохранительные муфты предотвращают повреждения в результате перегрузок и сокращают дорогостоящее время простоя оборудования.
В общем случае муфта состоит из ведущей и ведомой полумуфт и соединительных элементов. В механических муфтах в качестве соединительного элемента используют твердые (жесткие или упругие) тела. В гидродинамических муфтах функции соединительного элемента выполняет жидкость, в электромагнитных — электромагнитное поле. Существуют также: гидравлическая муфта (гидродинамическая муфта), электромагнитная и магнитная и т.д.
Гидравлическая муфта — устройство, в котором валы физически не связаны, передача механической энергии происходит под действием потока рабочей жидкости (масла) от насосного колеса к турбинному колесу. Особенность гидравлической муфты в том, что она ограничивает максимальный момент, сглаживает пульсации, устраняет перегрузку двигателя при пуске и разгоне.
Электромагнитная и магнитная муфта — валы также физически не связаны, кроме того, она позволяет передавать механическую энергию через герметическую стенку абсолютно без утечек. Одно из применений в центробежных насосах для перекачки опасных жидкостей.
В рамках данного курса мы рассматриваем только наиболее распространенные механические муфты, большинство из которых стандартизовано.
Рис. 97. Погрешности при монтаже валов.
Примеры и группы муфт (механические)
Жёсткие (глухие) муфты:
втулочные (по ГОСТ 24246-80);
фланцевые (по ГОСТ 20761-96);
продольно-свёртные (по ГОСТ 23106-78).
Компенсирующие муфты — компенсируют радиальные, осевые и угловые смещения валов:
шарнирные муфты — угловое смещение до 45° (по ГОСТ 5147-80)
зубчатые;
цепные (по ГОСТ 20742-93).
Упругие муфты — компенсация динамических нагрузок:
муфты с торообразной оболочкой (по ГОСТ 20884-93);
втулочно-пальцевые (по ГОСТ 21423-93);
муфты со звёздочкой (по ГОСТ 14084-93).
Сцепные муфты — соединение или разъединение валов или валов с установленными на них деталями.
муфты кулачково-дисковые (по ГОСТ 20720-93);
фрикционные.
Самоуправляемые (автоматические) муфты:
обгонные муфты — передача вращения только в одном направлении;
центробежные — ограничение частоты вращения;
предохранительные муфты — ограничение передаваемого момента (с разрушающимся элементом и автоматические).
Управляемые муфты соединяют (разъединяют) агрегаты машин по команде. Самоуправляемые муфты срабатывают автоматически, соединяя или разъединяя валы в зависимости от специфики работы машины и принципа действия муфты.
Основной характеристикой нагруженности муфты является вращающий момент Т (в некоторых случаях вращающий момент задают в виде мощности при определенной частоте вращения).
Примеры муфты, постоянно соединяющие валы.
Глухие муфты. Длинные валы по условиям изготовления, сборки и транспортировки иногда изготовляют составными. В этом случае отдельные части вала соединяют глухими муфтами. В некоторых случаях эти муфты применяют и для соединения строго соосных валов агрегатов.
Втулочная муфта представляет собой втулку, надеваемую с зазором на концы валов. Муфта отличается малыми габаритами по диаметру, но усложняет монтаж из-за необходимости больших осевых смещений соединяемых агрегатов. Материал втулок — конструкционная сталь (Ст5, Ст3). Втулочные муфты применяют для соединения валов диаметром до 70мм. Наружный диаметр муфты D = (l,5...l,6)d, где d — диаметр вала,. Длина муфты L = (2,5...4,0) d (окончательно определяется длиной шпонок или шлицев).
Фланцевые муфты состоят из двух одинаковых полумуфт, выполненных в виде ступицы с фланцем. Фланцы соединяют болтами. Различают два конструктивных исполнения: половину болтов устанавливают во фланцах полумуфт без зазора для их центрирования; все болты во фланцах полумуфт устанавливают с зазором и предусматривают центрирование полумуфт.
Конструкция и расчет муфт.
Нерасцепляемые жесткие и компенсирующие муфты. Среди этих муфт наиболее простыми, дешевыми и малогабаритными являются муфты втулочные (рис. 98), относящиеся к подгруппе жестких, не допускающих относительного смещения между ведущей и ведомой частями и не уменьшающих динамические нагрузки. Недостатком этих муфт является необходимость строгой соосности валов и смещения одного из них при монтаже и демонтаже.
ГОСТ предусматривает изготовление втулочных муфт в четырех исполнениях: 1 — с цилиндрическим посадочным отверстием и штифтами; 2 — с призматическими шпонками (4); 3 — с сегментными шпонками (4); 4 — с шлицевым посадочным отверстием.
Втулка 1 муфт исполнений 2, 3 и 4 предохраняется от смещения в осевом направлении установочным винтом 2, который стопорится пружинным кольцом 3. Диапазон номинальных вращающих моментов от 1 до 12 500 Н*м при диаметрах d посадочных концов валов от 6 до 105 мм. Ограничений по частоте вращения муфта не имеет. Материал втулок — сталь 45.
Рис 98. Втулочные
муфты.
На рис. 99 показана жесткая фланцевая муфта, применяемая для соединения соосных валов при передаче номинального вращающего момента: стальными муфтами от 16 до 40 000 Нм и окружной скорости до 70 м/с; чугунными муфтами от 8 до 20 000 Нм и окружной скорости до 35 м/с. Диапазон диаметров валов от 12 до 250 мм. При переменной нагрузке и реверсивном вращении значения номинального момента уменьшаются. Посадочные отверстия для валов могут быть цилиндрическими или коническими.
Рис. 99. Фланцевая
муфта.
Фланцы полумуфт соединены болтами, из которых половина (через один) ставится с зазором и работает на растяжение. Остальные болты устанавливаются в развернутые отверстия без зазора; они осуществляют взаимное центрирование полумуфт и работают на срез. Расчет болтов обычно ведут в предположении, что вся нагрузка воспринимается болтами, работающими на срез.
На рис. 100 представлена жесткая продольно-свертная муфта, применяемая для соединения цилиндрических валов диаметром d = 25...130 мм при номинальных вращающих моментах от 125 до 12 500 Нм, передаваемых силами трения. Допускаемое радиальное смешение валов 0,05 мм.
Муфта состоит из двух полумуфт 1, соединенных болтами, полукожухов 2, закрепляемых винтами, и двух фиксирующих полуколец 3. В крупных муфтах дополнительно ставят призматическую шпонку. Достоинство муфты — возможность монтажа без осевого смещения валов.
Рис. 100.
Продольно-свёртная муфта.
На рис. 101 изображена кулачково-дисковая муфта, применяемая для соединения валов диаметром от 16 до 150 мм, при номинальных вращающих моментах от 16 до 16 000 Нм без уменьшения динамических нагрузок. Максимальная частота вращения 4 с-1 для муфт с наружным диаметром до 300 мм и 2 с-1 для муфт большого диаметра. Муфта допускает угловое смещение геометрических осей валов до 0°30' и их радиальное смещение от 0,6 до 3,6 мм (в зависимости от диаметра вала), поэтому она относится к подгруппе компенсирующих муфт. Посадочные отверстия для валов могут быть цилиндрическими или коническими.
Кулачково-дисковая муфта состоит из полумуфт 1 и 2, плавающего диска 3 и кожуха 4. Пазы на полумуфтах являются направляющими для выступов на диске, обеспечивающих передачу вращающего момента, но вместе с тем допускающих относительное поперечное смещение полумуфт и диска. Выступы на торцах диска расположены по взаимно перпендикулярным диаметрам. Для уменьшения трения и износа муфту необходимо периодически смазывать, причем рекомендуются смазочные материалы с противозадирными присадками. Обычно полумуфты и диск изготовляют из углеродистых или легированных (хромистых) сталей.
Для соединения валов, установленных друг к другу под углом до 45°, применяют шарнирные муфты (рис. 102). ГОСТ регламентирует основные параметры, конструкцию и размеры малогабаритных шарнирных муфт общего назначения для передачи номинального вращающего момента от 11,2 до 1120 Нм без смягчения динамических нагрузок. Стандарт предусматривает изготовление двух типов шарнирных муфт: одинарных и сдвоенных с промежуточной спаренной вилкой 3 (рис. 102). Эти муфты широко применяются в автомобилестроении (карданная передача).
Рис. 101. Кулачково-дисковая муфта. Рис. 102. Шарнирная муфта.
Шарнирные муфты компенсируют неточность монтажа узлов, деформации рамы и рессор в транспортных машинах, поэтому их можно отнести к подгруппе компенсирующих муфт.
Пространственное изображение одинарной, схематическое и конструктивное изображение сдвоенной шарнирной муфты представлены на рис. 102. Ведущий вал 1 заканчивается вилкой, соединенной с крестовиной 2; вторая перекладина крестовины соединена с вилкой ведомого вала одинарной муфты или со спаренной вилкой 3, если муфта сдвоенная.
У одинарной муфты при равномерном вращении ведущего вала ведомый вал будет вращаться неравномерно. Если муфта сдвоенная, а ведущий вал 1 и ведомый вал 5 параллельны (или образуют равные углы со спаренной вилкой 3), то при равномерном вращении ведущего вала ведомый вал тоже вращается равномерно. Детали шарнирной муфты изготовляют из сталей 20Х и 40Х.
Расчет муфт. Стандартные и нормализованные муфты на практике подбирают по каталогам в зависимости от диаметра соединяемых валов и расчетного вращающего момента Тр по условию:
Тр = К Т ТН,
где К — коэффициент перегрузки, учитывающий режим работы и ответственность конструкции; Т — наибольший, длительно действующий вращающий момент; ТН — номинальный вращающий момент, указанный в каталоге.
Для приводов от электродвигателя принимают: при спокойной нагрузке К = 1,0... 1,5; при переменной нагрузке К = 1,5...2; при ударной и реверсивной нагрузке К = 2,5…3 и более. Для фрикционных муфт вместо коэффициента перегрузки вводится коэффициент запаса сцепления k =1,25.. .1,5.
В ответственных конструкциях выполняют проверочный расчет работоспособности отдельных элементов выбранной муфты по расчетному или предельному (для предохранительных муфт) вращающему моменту. Расчетные формулы стандартизированы и приводятся в справочной (специальной) литературе.