ГИДРОМЕХАНИЧЕСКАЯ МУФТА
HYDROMECHANICAL CLUTCH

Изобретение относится к машиностроению, в частности к предохранительным упруго-демпфирующим муфтам для передачи вращения, и может быть использовано в приводах тяжелонагруженного технологического оборудования.
Известна гидромеханическая муфта по патенту РФ №2310778 от 10.10.2005 года, F16D 25/06, содержащая две полумуфты, кинематически связанные посредством передаточного устройства винт-гайка, в котором винт связан с первой полумуфтой и гидроцилиндром, гайка связана со шлицевой втулкой второй полумуфты, причем гидроцилиндр соединен с демпфером и гидроаккумулятором через систему золотников.
Эта муфта обладает предохранительной функцией и возможностью автоматического восстановления после срабатывания. Муфта обеспечивает упругое демпфирование импульсных перегрузок в небольшом диапазоне, определяемом длиной винта и объемом гидродемпфера.
К основному недостатку этой муфты можно отнести сложность изготовления, настройки и ремонта, так как большинство деталей муфты являются нестандартными элементами гидросистемы, что значительно усложняет технологию их изготовления, а для изменения настройки золотников требуется практически полная разборка муфты.
За прототип выбрана гидромеханическая муфта по патенту РФ на полезную модель №104264 от 18.11.2010 года, F16D 31/00, содержащая две полумуфты, кинематически связанные посредством дифференциального передаточного механизма винт-гайка с несамотормозящейся резьбой, шлицевую втулку и гидроцилиндр, гидравлически связанный с гидродемпфером или гидроаккумулятором посредством управляемого гидрораспределителя, с системой управления по моменту на муфте, причем винт связан со шлицевой втулкой и, через подшипниковый узел, с гидроцилиндром, гайка закреплена на неподвижном основании посредством подшипникового узла с возможностью вращения, гидросистема закреплена на основании.
Неподвижная гидросистема может быть выполнена из стандартных узлов и позволяет оперативно настраивать параметры муфты, изменяя давление газа в гидрогазовом демпфере и гидроаккумуляторе без остановки работы привода. Кроме того, восстановление муфты может быть осуществлено как автоматически, так и по команде оператора. Последнее важно в связи с тем, что после срабатывания муфты часто требуется устранить причину перегрузки привода.
К недостаткам прототипа можно отнести нестабильность работы муфты из-за утечек рабочей жидкости в замкнутой гидросистеме при каждом срабатывании гидрораспределителя, что приводит к уменьшению рабочего хода поршня гидроцилиндра при кратковременных перегрузках, что снижает податливость муфты и уменьшает момент срабатывания. Кроме того, в процессе восстановления муфты при переключении гидрораспределителя возможны ударные процессы в шлицевом соединении элементов муфты из-за резкого увеличения давления в гидросистеме.
Техническим результатом изобретения является повышение стабильности работы муфты и исключение удара в элементах муфты при ее восстановлении, что повышает ее надежность.
Технический результат достигается тем, что в гидромеханической муфте, содержащей две полумуфты, кинематически связанные посредством дифференциального передаточного механизма винт-гайка с несамотормозящейся резьбой, шлицевую втулку, гидроцилиндр, гидравлически связанный с гидродемпфером посредством управляемого гидродросселя, систему управления по моменту на муфте, причем винт связан со шлицевой втулкой и, через подшипниковый узел, с гидроцилиндром, гайка закреплена на основании посредством подшипникового узла с возможностью вращения, гидросистема закреплена на основании, согласно изобретению, вводится сливная емкость, датчик давления, управляемый гидронасос, обратный клапан и второй управляемый гидродроссель с изменяемой степенью дросселирования вплоть до полного закрытия, причем гидронасос, связанный с гидросистемой через обратный клапан, и второй гидродроссель связывают сливную емкость с гидросистемой, а датчик давления связан с системой управления.
Такое выполнение муфты позволило исключить гидрораспределитель, как основной источник утечек гидрожидкости, повышая тем самым стабильность работы муфты. Введение в гидросистему гидронасоса позволяет постепенно увеличивать давление в гидросистеме при восстановлении муфты, что исключает ударные нагрузки в шлицевом соединении винта и приводной втулки и, следовательно, повышает надежность и стабильность работы муфты по сравнению с прототипом. Введение обратного клапана предотвращает перетекание рабочей жидкости из гидросистемы в сливную емкость.
Кроме того, согласно изобретению, гидродемпфер может быть выполнен гидромеханическим или гидрогазовым. В последнем случае возможности управления рабочими параметрами муфты могут быть существенно расширены, за счет изменения давления газа в гидрогазовом демпфере при настройке муфты и даже в процессе работы муфты.
Кроме того, согласно изобретению, первый управляемый дроссель выполнен с возможностью регулирования степени дросселирования при настройке и в процессе работы муфты. Такое техническое решение позволяет изменять демпфирующие свойства муфты при прямом и обратном ходе гидроцилиндра.
Кроме того, согласно изобретению, вводится датчик линейного перемещения штока гидроцилиндра связанный с системой управления. Такое техническое решение позволяет оценить возможные утечки рабочей жидкости гидросистемы через уплотнения гидроцилиндра.
На фиг.1 изображена схема гидромеханической муфты; на фиг.2 - схема передаточного устройства в виде дифференциального механизма винт-гайка.
Гидромеханическая муфта содержит ведущую 1 и ведомую 2 полумуфты (фиг.1), кинематически связанные посредством дифференциального передаточного механизма 3 и гидроцилиндра 4. Поршневая полость гидроцилиндра 4 гидравлически связана с гидродемпфером 5 через управляемый гидродроссель 6 и со сливной емкостью 7 через управляемый гидродроссель 8, который до срабатывания муфты находится в закрытом состоянии. Гидронасос 9 связан с гидросистемой через обратный клапан 10.
В простейшем случае гидродемпфер 5 может быть поршневым гидромеханическим, когда возврат поршня в исходное положение осуществляется упругим элементом, например пружиной (на фиг.1 не показано).
Более перспективно использовать гидрогазовый демпфер 5. В этом случае, газовую полость гидродемпфера 5 целесообразно связать с системой, позволяющей изменять количество газа в газовой полости. Изменение количества газа в газовой полости гидродемпфера 5 осуществляется посредством управляемых вентилей 11 и 12, связанных с атмосферой и с источником высокого давления 13. Для контроля давления в газовой полости гидродемпфера 5 при зарядке его целесообразно ввести манометр 14.
Система управления по моменту на муфте 15 связана с датчиком давления 16, показания которого характеризуют величину момента на муфте, и управляет работой гидродросселей 6 и 8, вентилей 11 и 12, а также гидронасоса 9.
Кроме того, в систему может быть введен датчик 17 перемещения штока гидроцилиндра 4, связанный с системой управления 15.
Передаточный механизм 3 выполнен в виде дифференциального передаточного механизма винт-гайка (фиг.2), который включает шлицевую втулку, выполняющую роль ведущей полумуфты 1, которая с одной стороны связана с двигателем непосредственно или через редуктор (на чертеже не показаны), а с другой стороны - с винтом 18 через шлицевое соединение. Винт 18 связан через подшипниковый узел 19 со штоком гидроцилиндра 4 и взаимодействует с гайкой 20, которая закреплена на основании посредством подшипниковых узлов 21 и жестко связана с шестерней, выполняющей роль ведомой полумуфты 2.
Муфта работает следующим образом. В рабочем состоянии гидроцилиндр 4 через гидродроссель 6 связан с гидродемпфером 5, а гидродроссель 8 закрыт.
При возрастании момента на муфте, полумуфты 1 и 2 относительно проворачиваются, соответственно гайка 20 начинает вращаться медленнее относительно винта 18. В результате чего винт 18 движется в осевом направлении влево (на фиг.2) и через подшипниковый узел 19 воздействует на шток гидроцилиндра 4. Смещение поршня гидроцилиндра 4 приводит к перетеканию рабочей жидкости в гидродемпфер 5, сжимая в нем газ. Давление в гидродемпфере повышается до тех пор, пока не установится равновесное состояние. При этом в гидросистеме создается давление пропорциональное передаваемому моменту и контролируемое датчиком давления 16.
При снижении момента на полумуфте 2, винт 18 смещается в обратном направлении (под действием избыточного давления в гидродемпфере 5), рабочая жидкость перетекает из гидродемпфера 5 в гидроцилиндр 4 до установления равновесного состояния. При движении винта в обратном направлении, гайка 20 начинает вращаться быстрее винта 18, возвращая часть энергии, накопленной в гидродемпфере 5.
При этом из-за гидравлических сопротивлений в гидродросселе 6 происходит рассеивание части энергии и затухание колебательного процесса. В этом случае муфта работает в режиме упругого демпфирования.
При кратковременном (ударном) возрастании рабочей нагрузки выше допустимой, резко смещается шток гидроцилиндра и возрастает давление в гидросистеме, что фиксирует датчик 16, система управления 15 увеличивает степень дросселирования дросселя 6, что создает определенную задержку времени перетекания жидкости в гидродемпфер 5 и снижает темп нарастания давления. При этом продолжается относительное движение винта и гайки, за счет чего динамика нарастания момента на полумуфте 1 снижается. При снижении рабочей нагрузки происходит обратный процесс, при этом система управления 15 полностью открывает гидродроссель 6, что обеспечивает быстрое приведение муфты в исходное состояние. При этом за малое время воздействия пиковой нагрузки момент на полумуфте 1 не достигает значений выше допустимого, что исключает срабатывание муфты, не допустив перегрузки электродвигателя. А снижение степени дросселирования на обратном ходе позволяет исключить «ложное» срабатывание при серии кратковременных пиковых нагрузок.
Если момент на муфте превышает допустимый продолжительное время, то, по сигналу датчика давления 16, система управления 15 открывает гидродроссель 8, и рабочая жидкость ускоренно перетекает из гидросистемы в сливную емкость 7. При этом поршень гидроцилиндра и винт 18 резко смещаются в крайне левое (на фиг.2) положение, размыкая шлицевое соединение во втулке полумуфты 1, что обеспечивает размыкание полумуфт 1 и 2, то есть срабатывание предохранительной муфты. В момент открытия дросселя 8, система управления 15 может подать сигнал (в случае необходимости) на отключение двигателя привода.
После устранения причины аварийной ситуации, система управления 15 автоматически или по команде оператора закрывает гидродроссель 8, включает гидронасос 9, который через обратный клапан 10 закачивает рабочую жидкость в гидросистему, до начального давления, фиксируемого датчиком 16. Поршень гидроцилиндра 4 и винт 18 смещаются в крайне правое положение, при этом шлицы винта 18 входят в зацепление со шлицевой втулкой полумуфты 1 и муфта приходит в исходное состояние, то есть самовосстанавливается.
При штатной работе муфты датчик перемещения штока 17 и датчик давления 16 подают в систему управления 15 сигналы, пропорциональные моменту на муфте. В процессе длительной работы муфты возможны утечки рабочей жидкости через уплотнения поршня гидроцилиндра и в соединениях гидросистемы. Это приводит к рассогласованию показаний датчиков 16 и 17, в результате чего система управления 15 кратковременно включит гидронасос 9 для компенсации утечек, обеспечивая нормальное функционирование муфты. При этом система управления 15 может (при необходимости) подать сигнал оператору о наличии утечек в гидросистеме, который принимает решение об остановке привода для ремонта муфты или о продолжении работы до очередного технического обслуживания.
Кроме того, по команде оператора, система управления 15, может осуществлять управление открытием и закрытием вентилей 11 и 12, через которые осуществляется изменение давления в газовой полости гидродемпфера 5 (сброс давления через вентиль 11, увеличение давления через вентиль 12 от источника высокого давления 13). Изменение количества газа в газовой полости гидродемпфера 5 позволяет менять параметры муфты в процессе работы привода. Как показали наши исследования, возможность изменения давления в газовой полости позволяет, в случае необходимости, избежать резонансных зон при выводе технологической машины на рабочий режим за счет изменения коэффициента динамичности и собственной частоты муфты.