Устройство для передачи вращения между приводным и ведомым валами

Полезная модель относится к области энергомашиностроения, а именно к устройствам для передачи вращения между приводным и ведомым валами, и может найти применение при испытании высокооборотных центробежных колес компрессоров авиационных двигателей для привода нагнетателя в газоперекачивающих агрегатах наземных газотурбинных двигателей, в стационарных или передвижных энергетических установках.
Техническая проблема, возникающая при создании высокооборотных устройств для передачи вращения между приводным и ведомым валами, применяемых в авиационных двигателях или в установках для испытания компрессоров и турбин, заключается в том, что при относительно небольших диаметрах валов, определяемых внутренним диаметром высокооборотных шариковых подшипников, необходимо передать большой крутящий момент, обеспечивая при этом высокую надежность и долговечность соединения валов во всем диапазоне рабочих оборотов, что возможно при минимальной массе устройства. Наиболее рациональным решением этой проблемы является выполнение устройства в виде шлицевых наконечников, соединенных с тонкостенной трубой.
Известно устройство для передачи вращения между приводным и ведомым валами, содержащее промежуточный вал, выполненный в виде трубы с жестко закрепленными на ее концах фланцами, на наружном диаметре которых выполнены шлицы (Н.И. Огарко и др. Отчет о научно-исследовательской работе «Результаты обкатки ходовой части высоконапорной центробежной ступени», инв. №100-3742, ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», Москва, 2002 г., с. 27). В известном техническом решении шлицы, расположенные на фланцах, вводят в зацепление со шлицами чашечных муфт, расположенных соответственно на приводном и ведомом валах. Недостатком известного технического решения является возникновение вибраций на приводном и ведомом валах при высокой частоте вращения (более 20000 об/мин), обусловленных конструкцией и большой массой устройства.
Известно устройство для передачи вращения между приводным и ведомым валами, представляющее собой муфту в виде трубы со шлицами, выполненными на концах последней на ее внутренней поверхности и предназначенными для зацепления с соответствующими шлицами на приводном и ведомом валах (Ю.М. Никитин. «Конструирование элементов деталей и узлов авиационных двигателей», ГНТИ, Оборонгиз, Москва, 1961 г., с. 144, фиг. 5.16). В известном техническом решении диаметр шлицов устройства определяется диаметром шлицов на приводном и ведомом валах. Недостатком известного технического решения является возникновение при передаче вращения значительных местных (по концам шлицов) перегрузок, снижающих надежность устройства, обусловленных малым диаметром шлицов, их длиной и расстоянием между приводным и ведомым валами при частоте вращения от 3000 до 10000 об/мин.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемой полезной модели является устройство для передачи вращения между приводным и ведомым валами, содержащее промежуточный вал, выполненный в виде трубы с размещенными на ее концах конусообразными наконечниками, конусная часть каждого из которых своими основаниями сопряжена соответственно с основаниями цилиндров меньшего и большего диаметров, причем на боковой поверхности цилиндров меньшего диаметра выполнены шлицы, предназначенные для зацепления со шлицами соответственно приводного и ведомого валов и центрирующие пояски (RU 30987, 2003). В известном техническом решении промежуточный вал связан с наконечниками при помощи сварки с образованием неразъемного соединения. Существенным недостатком известного технического решения является невозможность его применения при изменении расстояния между приводным и ведомым валами или при изменении частоты вращения, что может привести к появлению критических частот вращения устройства и возникновению дисбаланса, и, как следствие, к разрушению устройства.
Техническая проблема, решаемая созданием заявляемой полезной модели, заключается в создании устройства для передачи вращения между приводным и ведомым валами в широком диапазоне частот вращения от 15000 до 70000 об/мин при различных расстояниях между валами.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемой полезной моделью, заключается в обеспечении снижения уровня вибраций приводного и ведомого валов.
Заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для передачи вращения между приводным и ведомым валами, содержащем промежуточный вал, выполненный в виде трубы с размещенными на ее концах конусообразными наконечниками, конусная часть каждого из которых своими основаниями сопряжена соответственно с основаниями цилиндров меньшего и большего диаметра, причем на боковой поверхности цилиндров меньшего диаметра выполнены шлицы, предназначенные для зацепления со шлицами соответственно приводного и ведомого валов и центрирующие пояски, угол конусности наконечников составляет 45°-60°, на боковой поверхности цилиндра большего диаметра каждого из наконечников выполнены дополнительные шлицы, предназначенные для зацепления с соответствующими дополнительными шлицами, выполненными на внутренней поверхности трубы, и дополнительные центрирующие пояски, предназначенные для взаимодействия с внутренней поверхностью трубы, при этом значение большего диаметра D цилиндра определяется из соотношения
,
где n - рабочая частота вращения трубы;
L - длина трубы с наконечниками;
ρ - плотность материала трубы;
Е - модуль упругости материала трубы;
д.ш.
ш
ш
д.ш.
длина L дополнительных шлицов определяется в зависимости от длины L шлицов и диаметров D шлицов и D дополнительных шлицов соответственно меньшего и большего цилиндров из соотношения
,
а положение наконечников зафиксировано относительно трубы при помощи ограничителей осевого перемещения с образованием разъемного соединения.
Совокупность существенных признаков достаточна для решения указанной технической проблемы и достижения заявленного технического результата.
Выполнение угла конусности наконечников в диапазоне 45°-60° обеспечивает снижение уровня вибраций приводного и ведомого валов, что, в свою очередь, повышает надежность использования устройства при частотах вращения в диапазоне от 15000 до 70000 об/мин и различных расстояниях между валами.
д.ш.
ш
ш
д.ш.
Выполнение на боковой поверхности цилиндра большего диаметра каждого из наконечников дополнительных шлицов, предназначенных для зацепления с соответствующими дополнительными шлицами, выполненными на внутренней поверхности трубы, и дополнительных центрирующих поясков, предназначенных для взаимодействия с внутренней поверхностью трубы при выборе значения большего диаметра D цилиндра и при выполнении длины L дополнительных шлицов в зависимости от длины L шлицов и диаметров D и D соответственно меньшего и большего цилиндров по определенным соотношениям обеспечивает надежность использования устройства при скоростях вращения от 15000 до 70000 об/мин и различных расстояниях между валами различных скоростях вращения за счет обеспечения при беззазорной посадке между наконечниками и трубой снижения уровня вибраций приводного и ведомого валов.
Выполнение положения наконечников зафиксированным относительно трубы при помощи ограничителей осевого перемещения с образованием разъемного соединения обеспечивает снижение уровня вибраций приводного и ведомого валов за счет возможности использования труб различной конфигурации и геометрических размеров.
Предложенное техническое решение поясняется последующим подробным описанием конструкции устройства для передачи вращения между приводным и ведомым валами и его работы со ссылкой на фиг. 1-5, где
- на фиг. 1 изображена схема установки устройства для передачи вращения между приводным и ведомым валами испытуемых объектов;
- на фиг. 2 изображен график зависимости между относительной критической скоростью вращения и углом конусности наконечника;
- на фиг. 3 изображена схема устройства для передачи вращения между приводным и ведомым валами;
- на фиг. 4 изображен вид А на фиг. 3;
- на фиг. 5 изображены варианты выполнения трубы.
Устройство для передачи вращения между соосными приводным валом 1, расположенным в корпусе 2, и ведомым валом 3, расположенным в корпусе 4, содержит промежуточный вал, выполненный в виде трубы 5 с размещенными на ее концах конусообразными наконечниками 6 (фиг. 1). Угол конусности наконечников 6 составляет 45°-60°, причем указанный диапазон определяется зависимостью угла конусности от относительной частоты вращения (фиг. 2). Конусная часть каждого из наконечников 6 своими основаниями сопряжена соответственно с основаниями цилиндра 7 меньшего и цилиндра 8 большего диаметров (фиг. 3). При этом значение большего диаметра цилиндра 8 выбирается из соотношения
,
где n - рабочая частота вращения трубы;
L - длина трубы с наконечниками;
ρ - плотность материала трубы;
Е - модуль упругости материала трубы.
д.ш.
ш
ш
д.ш.
На боковой поверхности каждого из цилиндров 7 меньшего диаметра выполнены шлицы 9 с соответствующим центрирующим пояском 10, а на боковой поверхности каждого из цилиндров 8 большего диаметра выполнены дополнительные шлицы 11 с соответствующим дополнительным центрирующим пояском 12 (фиг. 4). Длина L дополнительных шлицов 11 определяется в зависимости от длины L шлицов 9 и диаметров D шлицов меньшего цилиндра 7 и D дополнительных шлицов 11 большего цилиндра 8 из соотношения
.
На концах внутренней поверхности трубы 5 выполнены соответствующие дополнительные шлицы 13. Дополнительные шлицы 11 наконечников 6 при помощи соответствующих дополнительных центрирующих поясков 12 находятся в зацеплении с соответствующими дополнительными шлицами 13 трубы 5. В дополнительных поясках 12 выполнены радиальные отверстия (на чертеже не показаны), предназначенные для размещения ограничителей осевого перемещения наконечников 6. Ограничители выполнены в виде установленных в отверстиях соответствующих штифтов 14, закрепление которых от выпадения осуществляется, например, кернением. При этом штифты 14 фиксируют положение наконечников 6 относительно трубы 5, образуя в результате разъемное соединение.
Устройство работает следующим образом.
Шлицы 9 при помощи соответствующих центрирующих поясков 10 вводятся в зацепление соответственно со шлицами приводного вала 1 и шлицами ведомого вала 3. При этом центрирование при помощи соответствующих дополнительных центрирующих поясков 12 обеспечивает беззазорную посадку между наконечниками 6 и трубой 5, что позволяет достичь при передаче вращения минимально возможного дисбаланса устройства. При переходе на рабочие частоты вращения в диапазоне от 15000 до 70000 об/мин или в случае изменения расстояния между приводным и ведомым валами, например при испытаниях нового объекта, критические частоты вращения могут оказаться в рабочем диапазоне. Выполнение соединения наконечников 6 и трубы 5 разъемным позволяет вывести критические числа оборотов за пределы рабочих частот вращения за счет выполнения трубы 5 другой длины и диаметра (фиг. 5).
Значение большего диаметра D цилиндра 8 определяется из соотношения
,
где n - рабочая частота вращения трубы, об/мин;
L - длина трубы с наконечниками, м;
2
4
ρ - плотность материала трубы, н/с/м;
2
Е - модуль упругости материала трубы, н/м.
Толщина δ стенки трубы определяется передаваемой мощностью N:
,
2
где [τ] - допустимое касательное напряжение материала трубы, н/м;
ср.
R - средний радиус поперечного сечения трубы, м.
При этом необходимым условием является проведение проверки стенки трубы на устойчивость:
у
у
ср.
2
1/5
δ≥2,06 [(Nk/nE)/R]
при
,
у
где δ - толщина стенки трубы, определяемая проверкой на устойчивость, м;
у
k - коэффициент запаса на устойчивость, равный 2-3.
у
у
Если δ≥δ, то толщина трубы выбирается равной δ.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет решить проблему создания устройства для передачи вращения между приводным и ведомым валами в широком диапазоне частот вращения от 15000 до 70000 об/мин при различных расстояниях между валами, которое за счет беззазорной посадки между элементами устройства обеспечивает снижение уровня вибраций приводного и ведомого валов, и уменьшение дисбаланса и местных (по концам шлицов) перегрузок, снижающих надежность устройства.