ПРУЖИННАЯ МУФТА
SPRING COUPLING

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для передачи крутящего момента от энергопривода, то есть ветроколеса, к электрогенератору или же от ротора ветроэнергетической установки с вертикальным вращающимся валом к электрогенератору или рабочему механизму, использующему механическую энергию напрямую без преобразования ее в электрическую, а также для облегчения пуска электромоторов, присоединенных к рабочим механизмам.
Уровень техники
Известна пружинная муфта, содержащая наружную и внутреннюю полумуфты, винтовую пружину кручения, концы которой закреплены один на наружной полумуфте, а второй на внутренней полумуфте. Между витками пружины кручения и внутренней поверхностью наружной полумуфты свободно размещены шарики. При вращении ведущей полумуфты крутящий момент передается к ведомой наружной полумуфте. Шарики, расположенные между витками пружины и внутренней поверхностью наружной полумуфты, препятствуют смещению наружной полумуфты в радиальном направлении, центрируя ее относительно внутренней полумуфты. При этом уменьшается межвитковое трение, что повышает надежность работы пружинной муфты (см. авторское свидетельство на изобретение СССР №1344979 A1, F16D 3/52. Пружинная муфта. Публикация 15.10.1987, Бюл. №38).
Недостатки пружинной муфты заключаются в следующем: необходимо учесть, что при закручивании пружины образуется дополнительный виток или часть витка. При этом следует иметь в виду, что образование витка или его части идет за счет уменьшения диаметра пружины и уменьшения шага пружины. На чертеже изобретения указано, что витки пружины плотно прилегают к поверхности внутренней полумуфты.
С плотно прилегающими витками к поверхности полумуфты закручивания пружины не произойдет, она уже закручена, и муфта будет работать жестко. Поскольку пружина работает на закручивание, ее витки еще сильнее прижмутся к поверхности внутренней полумуфты с увеличением силы трения. Шаг пружины в силу этих причин не изменится, а, следовательно, шарики, как и в начале, останутся свободными, и их влияние останется на уровне точности сборки. Если бы пружина имела возможность закручиваться, то при работе муфты в результате закручивания пружины шаг ее уменьшился бы и шарики стали бы выдавливаться витками к внутренней поверхности ведомой муфты. Произошло бы жесткое соединение между пружиной и внешней полумуфтой и ее центрирование. Но пружина находится плотно насаженной на ведущую полумуфту и своих возможностей реализовывать не может. Она является жестким соединением.
Известна пружинная муфта, содержащая соосно две полумуфты и охватывающую их винтовую цилиндрическую пружину, сечение проволоки которой имеет форму, образованную двумя параллельными оси вращения отрезками прямой и двумя боковыми дугами. Зазоры вокруг витков заполнены смазкой для уменьшения трения между витками и их износа (см. Авторское свидетельство на изобретение СССР №388145, F16D 11/02. Пружинная муфта. Публикация 22.06.1973, Бюл. №28).
Недостатком данной муфты, работающей на скручивание пружины, является жесткость включения для передачи крутящего момента.
Известна пружинная муфта, содержащая ведущий и ведомый валы и охватывающую их концы спиральную пружину, посадочные места которой выполнены в форме многоугольника, средняя часть имеет цилиндрическую форму, а концы валов выполнены с конической заходной частью (см. авторское свидетельство на изобретение СССР №483545, F16D 3/72. Пружинная муфта. Публикация 05.09.1975, Бюл. №33).
Недостатком данной муфты является ее жесткое включение, поскольку пружина работает на закручивание, а витки, расположенные вплотную друг к другу, мешают закручиванию пружины за счет трения между собой.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту и принятой авторами за прототип является пружинная муфта, содержащая ведущую и ведомую полумуфты, соединенные винтовой пружиной, которая, с целью обеспечения автоматического срабатывания при изменении частоты вращения ведущей полумуфты, снабжена грузами, закрепленными на одном конце пружины, а другой ее конец жестко связан с ведущей полумуфтой, при этом грузы закреплены шарнирно. Данная пружинная муфта служит для автоматического отключения ведомой полумуфты при увеличении частоты вращения ведущей полумуфты (см. Авторское свидетельство на изобретение СССР №861786, F16D 43/22. Пружинная муфта. Публикация 07.09.1987, Бюл. №33).
Недостатком пружинной муфты, принятой за прототип, является жесткое начальное соединение полумуфт перед пуском, что создает значительную нагрузку на энергоагрегат через необходимое увеличение крутящего момента для преодоления сил инерции механизма, приводимого в работу. Например, если для запуска механизма используется электромотор, то для его запуска на холостом ходу пусковой ток будет в 3…4 раза больше номинального рабочего, если же электромотор запускать присоединенным к нагрузке, то его пусковой ток будет в 6…9 раз больше номинального рабочего тока. Конструкция данной пружинной муфты не позволяет энергоагрегату плавно входить в нагрузку, что отрицательно сказывается на его долговечности. При работе данная пружинная муфта реагирует только на предельные режимы работы и не реагирует на допредельные, и ее использование в ветроэнергетике для соединения ветрового колеса или ротора ветродвигателя, учитывая непостоянство скорости ветра, возможно, но из-за вышеперечисленных недостатков нерационально. Вариант №2 этой муфты не снимает проблем.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка пружинной муфты, которая имеет свободный начальный ход для запуска ветроколеса и только после этого - для передачи крутящего момента от энергопривода.
Техническим результатом данного изобретения является пружинная муфта, имеющая свободный начальный ход, позволяющий энергоприводу - ветроколесу или ротору ветроэнергетической установки с вертикальным вращающимся валом или же электромотору - начать вращение без нагрузки и только после этого постепенно наращивать ее до полной, а также сглаживать нестабильность оборотов подсоединенного рабочего механизма за счет его инерции при изменениях скорости ветра.
Технический результат достигается тем, что пружинная муфта, содержащая ведущую и ведомую полумуфты, укрепленные на ведущем и ведомом валах и соединенные между собой винтовой пружиной, выполнена в виде фланцев со ступицами, на торцевых концах которых имеются выступы с амортизирующими прокладками по плоскостям зацепления. Внутри ступиц вдоль оси вращения имеются несквозные отверстия со шлицами, которыми ступицы соединяются соответственно с ведущим и ведомым валами с возможностью их свободного перемещения вдоль валов по шлицам, а во фланцах муфт имеются кольцевые прорези, выполненные только по части окружности. Винтовая пружина размещается на ступицах ведущей и ведомой полумуфт с зазором между внутренней поверхностью витков и внешней поверхностью ступиц для обеспечения возможности закручивания пружины при работе муфты. Отогнутые концы винтовой пружины вставлены в кольцевые прорези во фланцах полумуфт с возможностью их перемещения по кольцевым прорезям, а с внешней стороны фланцев полумуфт отогнутые концы зафиксированы стопорными кольцами, препятствующими выскакиванию отогнутых концов из кольцевых прорезей во фланцах полумуфт. На полумуфты надет центрирующий цилиндрический кожух, закрепленный на фланце ведущей полумуфты неподвижно, а фланец ведомой полумуфты при работе пружинной муфты имеет возможность перемещаться в центрирующем цилиндрическом кожухе.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 дан продольный разрез пружинной муфты, на котором показаны геометрическая форма ведущей и ведомой полумуфт, содержащих фланцы, ступицы, соединяющую их цилиндрическую пружину с загнутыми концами, центрирующий цилиндрический предохранительный кожух и взаимное соединение всех деталей на ведущем и ведомом валах.
На фиг. 2 дан поперечный разрез ведущей полумуфты без цилиндрической пружины, на котором показаны форма кольцевого выреза на фланце, выступы с амортизирующими прокладками по плоскостям зацепления и вариант крепления центрирующего цилиндрического кожуха на фланце ведущей полумуфты.
Осуществление изобретения
Пружинная муфта состоит из ведущей и ведомой полумуфт 1 и 2 соответственно, укрепленных на ведущем и ведомом валах 3 и 4 соответственно. Ведущая и ведомая полумуфты 1 и 2 выполнены в виде фланцев 5 и 6 со ступицами 7 и 8, имеющими на торцевых концах выступы 9 и 10 с амортизирующими прокладками 11 и 12, укрепленными по плоскостям зацепления. Внутри ступиц 7 и 8 выполнены по оси несквозные отверстия со шлицами в них 13 и 14, которыми ступицы 7 и 8 соединяются со шлицами ведущего и ведомого валов 3 и 4 соответственно с возможностью свободного перемещения ступиц 7 и 8 вдоль валов по шлицам 13 и 14. Во фланцах 5 и 6 полумуфт выполнены кольцевые прорези 15 и 16 только по части окружности (см. фиг. 2). На ступицы 7 и 8 полумуфт 1 и 2 надета винтовая пружина 17, размещенная на них с зазором между внутренними поверхностями витков и внешними поверхностями ступиц 7 и 8, обеспечивающим достаточное скручивание винтовой пружины 17 при работе пружинной муфты. Концы 18 и 19 винтовой пружины 17 отогнуты и вставлены в кольцевые прорези 15 и 16 во фланцах 5 и 6 с возможностью перемещения в них и зафиксированы от выскакивания из кольцевых прорезей 15 и 16 стопорными кольцами 20 и 21, установленными на отогнутых концах 18 и 19 винтовой пружины 17 с внешней плоскости фланцев 5 и 6. На фланцы 5 и 6 полумуфт 1 и 2 надет центрирующий цилиндрический предохранительный кожух 22, закрепленный неподвижно на фланце 5 ведущей полумуфты 1, а фланец 6 ведомой полумуфты 2 при работе пружинной муфты имеет возможность перемещаться в центрирующем цилиндрическом предохранительном кожухе 22.
Пружинная муфта работает следующим образом.
При достаточной скорости ветра вал энергопривода 3, находящийся в отверстии со шлицами 13 полумуфты 1, начинает вращение свободно без нагрузки, преодолевая только собственную силу инерции покоя, потому что пружина не препятствует вращению ведущей полумуфты 1, поскольку отогнутые концы 18 и 19 пружины 17, зафиксированные стопорными кольцами 20 и 21, свободно перемещаются по прорезям 15 и 16 во фланцах 5 и 6 от начального положения до упора. Так как прорези 15 и 16 находятся в обоих фланцах 5 и 6, ветровое колесо или вал ротора начинают вращение, преодолевая только собственную силу инерции, и, следовательно, приобретают больше кинетической энергии для последующего трогания подсоединенного механизма и преодоления его силы инерции покоя. При упоре загнутых концов 18 и 19 в стенки прорезей 15 и 16 фланец 5 ведущей полумуфты 1, воздействуя на загнутый конец 18, начинает закручивать спиральную пружину 17 с нарастающим усилием, передавая через ее загнутый конец 19 крутящий момент фланцу 6 ведомой полумуфты 2 и ведомому валу 4, находящемуся в отверстии со шлицами 14 ведомой полумуфты 2. При закручивании пружины 17 происходит образование дополнительного витка или витков за счет уменьшения диаметра пружины 17, что обеспечивается наличием зазора между внутренними поверхностями витков винтовой пружины 17 и внешними поверхностями ступиц 7 и 8. При свободном закручивании винтовой пружины 17 в силу распределения направления усилий закручивания по соседним виткам шаг винтовой пружины 17 уменьшается, она своими загнутыми концами 18 и 19, зафиксированными в прорезях 15 и 16 фланцев 5 и 6, начинает сближать полумуфты 1 и 2. При их сближении торцы ступиц 7 и 8 приближаются своими выступами 9 и 10 друг к другу. При увеличении крутящего момента и дальнейшем закручивании пружины 17 выступы 9 и 10 могут не попасть в углубление, а упереться друг в друга, а крутящий момент будет передаваться только через закрученную пружину. При этом выступы 9 и 10 на ступицах 7 и 8 не участвуют в передаче крутящего момента. При увеличении крутящего момента винтовая пружина 17 закручивается сильнее, а фланцы 5 и 6 полумуфт 1 и 2 прокручиваются относительно друг друга. При этом прокручиваются относительно друг друга и выступы 9 и 10 на торцах ступиц 7 и 8, сильнее прижимаясь друг к другу, пока выступы 9 и 10 и прорезь не совпадут. При совпадении выступы 9 и 10 входят в прорезь с усилием, созданным на их торцах закрученной пружиной 17, когда они упирались друг в друга, и пружинная муфта 17 передает теперь крутящий момент жестко через зацепление выступами 9 и 10 на торцах ступиц 7 и 8 и амортизирующие прокладки 11 и 12. При уменьшении крутящего момента винтовая пружина 17 раскручивается, удлиняется и выводит выступы 9 и 10 из жесткого зацепления, а крутящий момент передается только через закрученную винтовую пружину 17. При колебаниях угловой скорости ведущего вала 3 и изменении крутящего момента на ведущем валу 4 винтовая пружина 17, закручиваясь или раскручиваясь, сглаживает резкие колебания, передаваемые на рабочий механизм, благодаря своей упругости, а центрирующий цилиндрический предохранительный кожух 22 обеспечивает безопасное использование пружинной муфты.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими техническими решениями имеет следующие преимущества.
Благодаря свободному начальному ходу ведущей полумуфты 1 относительно ведомой полумуфты 2 ветроколесо или ротор ветродвигателя с вертикальным вращающимся валом начнут вращение при меньшей скорости ветрового потока, потому что им будет необходимо преодолеть только собственную силу инерции покоя, поскольку за счет наличия прорезей 15 и 16 во фланцах 5 и 6 спиральная пружина 17 свободна и не передает крутящего момента на рабочий механизм. Этим обеспечивается трогание ветроколеса или ротора без нагрузки. Свободный начальный ход позволяет ветроколесу или ротору ветродвигателя приобрести некоторое количество кинетической энергии для последующего воздействия на рабочий механизм через спиральную пружину 17.
Спиральная пружина, закручиваемая при вращении ветроколеса или ротора ветродвигателя, обеспечивает плавное увеличение крутящего момента, передаваемого на рабочий механизм, и позволяет осуществить его трогание при меньшем усилии, то есть преодолеть его силу инерции покоя при меньшем крутящем моменте, передаваемом от ветроколеса или ротора ветродвигателя.
Наличие свободного хода и спиральной пружины позволяет сглаживать колебания оборотов рабочего механизма за счет запаса его кинетической энергии при колебаниях оборотов ветроколеса или ротора ветродвигателя.
При использовании пружинной муфты со свободным начальным ходом для соединения электродвигателя с нагрузкой пусковой ток электродвигателя при его включении будет значительно меньше, чем при соединении через жесткую муфту. Сглаживание колебаний, передаваемых от рабочего механизма при колебаниях нагрузки на электродвигатель, положительно скажется на его работе и долговечности по сравнению с соединением его через жесткую муфту.