Исследование фрикционной предохранительной многодисковой муфты

УДК 621.825.54

ИССЛЕДОВАНИЕ ФРИКЦИОННОЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЙ МНОГОДИСКОВОЙ МУФТЫ RESEARCH OF THE SAFETY FRICTION MULTIDISK COUPLING

Н. В. Захарова, А. Н. Абакумов

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

N.V. Zakharova, A.N. Abakumov

Omsk state technical university, Omsk, Russia

Аннотация. Предохранительные фрикционные муфты нашли своё применение в горном деле, в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве, на транспорте, в коммунальном хозяйстве. С их помощью выполняется разъединение входного и выходного валов в критических ситуациях, когда величина вращающего момента превышает допустимую при кратковременных перегрузках. По сравнению с другими предохранительными муфтами, например, муфтами с разрушающими элементами (со срезными штифтами), муфтами зацепления (кулачковыми, шариковыми) фрикционные муфты передают значительно большие вращающие моменты при сравнительно меньших габаритах, имеют небольшое усилие замыкания и отличаются гораздо большей плавностью работы. Преимущество использования многодисковой муфты заключается в возможности увеличения величины предельного момента путем наращивания числа дисков (за счет увеличения площади соприкасающихся поверхностей). На работу предохранительной фрикционной многодисковой муфты влияют различные факторы, среди них малоизученной является зависимость между скоростью срабатывания фрикционной муфты и скоростью нарастания прикладываемой нагрузки. В статье приведены данные экспериментальных исследований функционирования предохранительной фрикционной многодисковой муфты на испытательном стенде, позволяющие восполнить этот пробел.

Ключевые слова: предохранительная фрикционная многодисковая муфта, скорость нарастания нагрузки, скорость срабатывания муфты, экспериментальные исследования.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-1-50-56

I. Введение

Предохранительные фрикционные многодисковые муфты используются в баровых машинах для грунторез-ных работ, добычи облицовочного камня, для нарезания щелей и траншей при прокладке кабелей и трубопроводов, в механизмах поворота для вращения поворотной части кранов, в гусеничных тракторах, при устройстве дренажа в ходе мелиоративных работ, для разрыхления грунта, для защиты в высокоточных испытательных приборах и стендах [1].

Преимуществами фрикционных муфт являются передача больших вращающих моментов при сравнительно небольших габаритах, небольшое усилие замыкания, компактность и плавность работы [2].

Назначением муфт является соединение валов и передача вращающего момента от ведущего вала к ведомому. Важное условие работы муфт - обеспечение передачи механической энергии без изменения её величины. Отличительная черта предохранительной муфт - защита машины от поломки при перегрузках. Предотвращение выхода машины из строя осуществляется настройкой муфты на определенную величину момента, называемого предельным, при превышении которого муфта срабатывает и происходит разъединение валов. Срабатывание муфты проявляется в проскальзывании дисков, входящих в состав муфты, относительно друг друга.

Внешний вид предохранительной фрикционной дисковой муфты и её схема представлены на рис. 1 и рис. 2.

glU д Щ^Уш

Рис. 1. Предохранительная фрикционная дисковая муфта с деталями: диском с фрикционной накладкой и стальным диском без накладки

И-1

] ^

1п I II

Рис. 2. Схема предохранительной фрикционной дисковой муфты

Предохранительная фрикционная многодисковая муфта [3] включает в свой состав комплект стальных дисков и так называемых «фрикционных» дисков, представляющих собой (чаще всего) стальные диски с накладками из феродо или другого фрикционного материала. Диски располагают попеременно друг за другом.

К фрикционному материалу предъявляются жесткие требования: прежде всего наличие высокого коэффициента трения, определяющего плавность торможения, минимальную пробуксовку, износостойкость дисков; материал должен обеспечивать хорошую прирабатываемость, минимальное заедание, иметь высокую теплопроводность. Всем этим требованиям наиболее полно отвечают композитные материалы, представляющие сочетание различных материалов с различными свойствами. Одним из таких материалов является феродо-фрикционный термостойкий композитный материал на основе фенол-формальдегидной смолы. В его состав входят термостойкий наполнитель, армирующая составляющая (стальные, органические или минеральные волокна), абразивные добавки и добавки, повышающие коэффициент трения. Широко распространено крепление фрикционной накладки потайными заклепками, но в связи с разработкой в настоящее время термостойких и прочных клеев все чаще используют способ крепления накладок приклеиванием.

На рис. 3 изображены детали предохранительной фрикционной дисковой муфты.

1 2 3 и

5 6 7 8 9

12345 6 7 8 9

Рис. 3. Детали предохранительной фрикционной муфты: 1 - гайка; 2 - контргайка; 3 - пружина; 4 - диск стальной с накладкой из феродо; 5 - диск стальной; 6 - диск стальной с двумя накладками из феродо; 7 - диск стальной; 8 - диск стальной с двумя накладками из феродо; 9 - корпус муфты

Следует иметь в виду, что не всегда основой фрикционных дисков является сталь, возможно в определенных случаях применение в качестве основы специальных видов пластмасс. Чем сильнее соприкасаются диски, тем больший вращающий момент можно передать. Фрикционные диски крепятся к ступице ведущего вала. Стальные диски без фрикционных покрытий фиксируются с ведомым валом. Предохранительные фрикционные дисковые муфты могут быть выполнены с одной парой трущихся поверхностей и с несколькими парами. Увеличение числа пар трущихся поверхностей сопряжено с некоторым увеличением размеров муфты в осевом направлении. При этом с увеличением количества трущихся пар увеличивается площадь соприкасающихся поверхностей, позволяя передавать значительно больший вращающий момент.

II. Постановка задачи

Эксплуатация предохранительной фрикционной многодисковой муфты происходит в условиях частых кратковременных перегрузок и значительных угловых скоростей. При этом на работу муфты влияют различные факторы: возможное прилипание дисков обусловливает более позднее наступление скольжения дисков (срабатывание муфты происходит при моменте, несколько большем, чем расчетное); свойства смазки трущихся поверхностей дисков со временем меняются (это изменяет значение момента трения); в процессе эксплуатации муфты натяжение нажимной пружины ослабевает (вместо механизма управления в предохранительные муфты встраивают пружины), а фрикционные поверхности дисков изнашиваются (нарушается правильное взаимодействие составляющих муфты между собой, что ведет к её неточному функционированию. Все эти факторы вызывают не только количественные, но и качественные изменения в функционировании муфт. Моделирование процесса функционирования муфт чрезвычайно сложно в силу неопределенности во времени и величине воздействия того или иного фактора [4]. Использование комплекса расчетных программ предполагает чрезмерно большие затраты машинного времени, так как требует перебора значительного количества вариантов, и это существенно усложняет решение вопроса.

Определение зависимости частоты оборотов входного и выходного вала от времени и зависимости частоты оборотов от момента (нагрузки) экспериментальным путем позволяет в ряде случаев получить требуемые данные о работе муфты с гораздо меньшей трудоемкостью. Определение зависимости между запаздыванием срабатывания фрикционной муфты и скоростью нарастания прикладываемой нагрузки в настоящее время в силу приведенных выше причин не имеет расчетного решения, поэтому экспериментальные исследования выявления этой зависимости являются актуальными как в практическом плане, так и в дальнейшем могут быть использованы в качестве апробации расчетного решения вопроса.

III. Теория

Предохранительная фрикционная многодисковая муфта используется в устройствах, подвергающихся частым кратковременным перегрузкам. Она хорошо зарекомендовала себя в условиях ударных нагрузок. Конструкция её схожа с управляемой многодисковой муфтой при отсутствии привода управления, при этом фрикционные диски постоянно сжаты пружинами [5]. Пружины настроены на передачу определенного заданного момента. При превышении его величины происходит срабатывание муфты, диски проскальзывают друг относительно друга. Следует учитывать, что при контакте дисков между собой происходит износ поверхностей, вследствие чего их толщина уменьшается и сила сжатия пружин ослабевает. Это обстоятельство определяет необходимость контроля состояния пружин и их регулирования.

Предохранительная фрикционная многодисковая муфта (а - внешний вид; б - конструкция в разрезе) изображены на рис. 4.

Полумуфта 1 Полумуфта 2

\ \ \ \

Рис. 4. Предохранительная фрикционная многодисковая муфта: а - внешний вид; б - конструкция в разрезе

Момент трения муфты

К • Т = Т = ^ • / • г ,

тр ал ср >

где K- коэффициент запаса; K = 1,5...2,0; f - коэффициент трения; г - средний радиус рабочих поверхностей; гср = (В1 + В2 )/4; T - передаваемый вращающий момент; Fa - требуемое усилие прижатия полумуфт. Требуемое усилие прижатия полумуфт

Ра = К Т (/ • Гср ) .

Удельное давление

р = 4Га/(к( Б12 + Б22 ))<[р], где [р] - допускаемое удельное давление;

Коэффициент точности срабатывания муфт

К • Т = Т /Т

К 1 1прmаx /1 прmin '

где Тпртах и Тпртп - максимальное и минимальное значения предельного момента. Коэффициент остаточного момента

^ ом Тост! Тпр '

где Тост и Тпр - средние значения момента проскальзывания и предельного момента. Среднее значение коэффициента трения покоя

/п =(2Тпр )/(Fпр • Dср • 2) .

4. Среднее значение коэффициента трения движения

/дв = (2Тост )/ (Рпр  Т>ср  2) .

IV. Результаты экспериментов Для исследования функционирования предохранительной фрикционной многодисковой муфты и ее влияния на вращение выходного вала был использован испытательный стенд, кинематическая схема которого приведена на рис. 5.

В состав испытательного стенда входят электродвигатель закрытый обдуваемый единой серии АИР 1, редуктор (червячный) 2, порошковый тормоз 3, внутренний вал тормоза 4, выходной наружный вал 5, исследуемая предохранительная фрикционная многодисковая муфта 6.

При построении графиков выбраны следующие единицы измерения: момент - Н-м; частота оборотов валов -об/мин; время - с.

При проведении экспериментов принимался коэффициент трения f = 0.25 (феродо по стали). Учитывалось, что, поскольку давление между поверхностями трения в муфте создается пружиной, она должна быть отрегулирована на передачу предельного вращающего момента.

Рис. 5. Кинематическая схема испытательного стенда: 1 - электродвигатель; 2 - редуктор; 3 - порошковый тормоз; 4 - внутренний вал тормоза; 5 - выходной наружный вал; 6 - предохранительная фрикционная многодисковая муфта

Вращение ведущего вала в экспериментах обеспечивал электродвигатель закрытый обдуваемый единой серии АИР. Быстроходный (входной) вал редуктора соединен с электродвигателем соединительной упругой вту-лочно-пальцевой муфтой. В стенде задействован червячный редуктор, позволяющий обеспечить оптимальную для исследования частоту оборотов выходного вала за счет большого передаточного числа одноступенчатой червячной передачи. Особенностью конструкции червячного редуктора является выполнение выходного вала полым, что дает возможность установить внутрь вала подшипники качения, которые служат опорами для вала тормоза. На концевом участке вала тормоза расположены шпоночный паз и резьба. На шпонку, установленную в шпоночный паз, насаживалась полумуфта, вторая полумуфта устанавливалась на тихоходный выходной вал. Передача вращающего момента обеспечивалась силами трения между дисками муфты. Расцепление полумуфт при перегрузке происходило за счет проскальзывания дисков муфты друг относительно друга при превышении предельного момента, на который была отрегулирована муфта. Предельный момент устанавливался изменением положения регулировочной детали на резьбовом участке ведомого вала. Вращающий момент фиксировался индуктивными датчиками.

В ходе экспериментов были определены временная зависимость частоты оборотов входного и выходного вала (частоты оборотов от времени) и зависимость частоты оборотов от момента (нагрузки), проведено исследование зависимости между запаздыванием срабатывания фрикционной муфты и скоростью нарастания прикладываемой нагрузки.

Результаты проведенных экспериментов представлены на рис. 6, 7 (1-я серия экспериментов), рис. 8, 9 (2-я серия экспериментов).

Рис. 6. Зависимость частоты вращения ведущего, ведомого валов и момента от времени и зависимость запаздывания срабатывания муфты от скорости нарастания прикладывания нагрузки

Рис. 7. Зависимость частоты вращения ведущего и ведомого валов от нагрузки

14 16 18 20 22 Время

Рис. 8. Зависимость частоты вращения ведущего, ведомого валов и момента от времени и зависимость запаздывания срабатывания муфты от скорости нарастания прикладывания нагрузки

Рис. 9. Зависимость частоты вращения ведущего и ведомого валов от нагрузки

V. Обсуждение результатов

1. При нарастании нагрузки в течение некоторого времени наблюдается совпадение частоты вращения входного вала и частоты вращения выходного вала (вращение передается без изменения, что согласуется с теорией функционирования муфт). При достижении предельного момента (на графиках зафиксировано его значение) срабатывает предохранительная муфта. Частота вращения входного вала остается прежней, вращение выходного вала прекращается (прекращение вращения определяется временем срабатывания муфты) и возобновляется автоматически при снижении нагрузки.

2. Проведенные эксперименты показали существование зависимости между запаздыванием срабатывания предохранительной фрикционной многодисковой муфты и скоростью нарастания прикладываемой нагрузки (наблюдается запаздывание срабатывания фрикционной муфты с уменьшением скорости нарастания прикладываемой нагрузки).

VI. Выводы и заключение

Полученные экспериментальные данные служат для определения параметров предохранительной фрикционной многодисковой муфты.

Список литературы

1. Детали машин / под ред. О. А. Ряховского. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. 544 с.

2. Jula, D., Dumitrescu, I., Lupulescu, M., Poiana, L., Ro§u (Girjob), E. Safety couplings used in the mechanical transmission of the rotating system ON 1400 EsRc BUCKET WHEEL EXCAVATORS. Annals of the University of Petro§ani, Mechanical Engineering. 12 (2010). 133-140.

3. ГОСТ 15622-96. Муфта предохранительная фрикционная.

4. H. Larsson and K. Farhang. Vibrational Interaction of Two Rotors with Friction Coupling. Hindawi Publishing Corporation. Advances in Acoustics and Vibration. Vol. 2016. Article ID 9275147, 9 p.

http://dx.doi.org/10.1155/2016/9275147.

5. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя : в 3 т. Т. 2. / под ред. Н. И. Жестковой. М.: Машиностроение, 2006. 960 с.

УДК 621.01:534

ДИСКРЕТНАЯ КОММУТАЦИЯ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ КАК СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЕМПФИРОВАНИЯ В ОСЦИЛЛЯТОРЕ ДУФФИНГА

DISCRETE SWITCHING OF ELASTIC ELEMENTS AS A WAY TO PROVIDE DAMPING IN THE DUFFING OSCILLATOR

Б. А. Калашников1, Н. Н. Рассказова2, В. Н. Сорокин1

'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Научно-производственное предприятие «Прогресс», г. Омск, Россия

B. A. Kalashnikov1, N. N. Rasskazova2, V. N.Sorokin1

'Omsk state technical University, Omsk, Russia 2Research and production enterprise "Progress", Omsk, Russia

Аннотация. С целью повышения эффективности гашения колебаний в неавтономной системе Дуф-финга упругий элемент разделён на деформируемую и аккумулирующую части, между которыми четыре раза на периоде осуществляется дискретная коммутация, заключающаяся в кратковременном разъединении и соединении частей. Вводятся понятия скачкообразного изменения начальной длины деформируемой части и смещения состояния статического равновесия защищаемого объекта. Массоперенос между частями упругого элемента, происходящий в моменты дискретной коммутации, приводит к диссипации энергии механических колебаний. С использованием введённых понятий построены характеристики позиционной силы, выполнена их гармоническая линеаризация, найдены эквивалентные коэффициенты жёсткости, демпфирования и относительного затухания, проанализировано влияние на них амплитуды относительных колебаний, отношения масс частей и начального натяжения.

Ключевые слова: уравнение Дуффинга, дискретная коммутация частей упругого элемента, смещение состояния статического равновесия, коэффициент относительного затухания.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-1-56-74

I. Введение

Динамические характеристики систем амортизации объектов с дискретной коммутацией частей упругих элементов (пружин, торсионов, пневмоэлементов), продольная ось которых совпадает с вектором перемещения, подробно исследована в работах [1, 2, 3, 4]. В этих системах введено разделение упругих элементов на деформируемую и аккумулирующую части и их дискретная коммутация (ДК) в амплитудных положениях объекта. Такая модификация связей позволила получить значительное увеличение коэффициента относительного затухания в зоне резонанса и в значительной мере удовлетворить требованиям к системам амортизации [5, 6] без введения специальных демпфирующих устройств. Известные механизмы демпфирования колебаний (Кулонов, линейный, квадратичный, гистерезисный) рассмотрены в работах [1, с. 13; 6, с. 128; 7, 8]. Наиболее близкими по физической сущности демпфирования, создаваемого ДК, являются системы с перескоком [9, 10, 11, 12]. В работах [10, с. 53; 11, с. 44] указывается, что в момент перескока возникают высокочастотные колебания, в результате которых за счёт внутреннего и конструкционного трения происходит рассеяние механической энергии. Аналогичное утверждение содержится в работе А.П. Иванова [13], рассматривавшего соударение упругой пружины с абсолютно жёсткой преградой.