МУФТА-ТОРМОЗ КОМБИНИРОВАННАЯ
COMBINATION CLUTCH-BRAKE

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в различных машинах, например в механических прессах.
Из большого количества муфт-тормозов, описанных в источнике Кожевников В.А. и др. "Комбинированные муфты-тормоза кузнечно-прессовых машин", Воронеж, 2004, с.126-137, выбраны аналоги предлагаемой конструкции - комбинированные муфты-тормоза: заявка США №60/086.688, кл.192, 1998; заявка России №2000132168, 2000; патент России №2152545, F16D 67/04, 1999 (прототип). Последняя муфта-тормоз комбинированная содержит закрепленный на валу пресса упорно-опорный блок в виде корпуса пневмоцилиндра со ступицей, упорными дисками муфты и тормоза с радиальными вентиляционными отверстиями, гильзой пневмоцилиндра и базовой ступицей, кинематически связанный с узлом трения в виде кольцеобразного поршня, размещенного наружной цилиндрической поверхностью в гильзе пневмоцилиндра, а внутренней - на базовой ступице, нажимных дисков муфты и тормоза, расположенных на концах пальцев, установленных в отверстиях упорно-опорного блока, фрикционных дисков сцепления муфты и тормоза, тормозных пружин и механизмов регулировки зазоров в парах трения по мере износа фрикционных элементов, причем поршень выполнен заодно с нажимным диском тормоза, а узел трения смонтирован с возможностью осевого перемещения и попеременного взаимодействия через диски сцепления с упорными дисками муфты и тормоза при действии поршня или тормозных пружин.
Недостатками данной конструкции являются высокая инерционность нажимного диска муфты и консольное его расположение, что обуславливает повышенный и неравномерный износ в направляющих втулках пальцев, снижает надежность и долговечность конструкции; неравномерное охлаждение поверхностей трения муфты и тормоза (площадь всасывающих воздушный поток отверстий муфты в десятки раз превосходит площадь отверстий тормоза) способствует неравномерному износу и разной долговечности дисков сцепления; ступенчатая регулировка зазоров в парах трения мерными шайбами и специальными регулировочными гайками с пазами малоэффективна и ненадежна, так как вращение гаек ограничено только полной выборкой зазоров и может осуществляться как с шайбами, так и без них, или с неполным комплектом шайб при одном и том же эффекте, кроме того, визуальный осмотр шайб через пазы затруднен; замена вышедшей из строя пружины требует разборки базовых деталей с нарушением регулировки; отсутствует блокировка муфты при максимальном износе дисков сцепления, что снижает уровень техники безопасности.
Техническая задача изобретения - повышение надежности, долговечности и быстродействия; упрощение регулировки зазоров; облегчение замены пружин без демонтажа деталей и нарушения регулировки; повышение уровня техники безопасности.
С целью более эффективного использования центробежных сил для охлаждения муфты-тормоза рассмотрены принцип работы и конструкции центробежных компрессорных машин (Елин В.И. и др. "Насосы и компрессоры", М.: Гостопиздат, 1958, с.342-362).
С целью изыскания надежной конструкции амортизатора колебаний в муфте-тормозе рассмотрены конструкции упругих компенсирующих муфт (Ряховский О.Я. и др. "Справочник по муфтам", Л.: Политехника, 1991, с.171-172) и резиновых амортизаторов (Орлов П.И. "Основы конструирования. Справочно-методическое пособие", кн.3, М.: Машиностроение, 1977, с.208-209).
Поставленную техническую задачу решает предлагаемая комбинированная муфта-тормоз, содержащая закрепленный на валу пресса упорно-опорный блок в виде корпуса пневмоцилиндра со ступицей, упорными дисками муфты и тормоза с радиальными вентиляционными отверстиями, гильзой пневмоцилиндра и базовой ступицей, кинематически связанный с узлом трения в виде кольцеобразного поршня, размещенного наружной цилиндрической поверхностью в гильзе пневмоцилиндра, нажимных дисков муфты и тормоза, расположенных на концах пальцев, установленных в отверстиях упорно-опорного блока, фрикционных дисков сцепления муфты и тормоза, тормозных пружин и механизмов регулировки зазоров в парах трения по мере износа фрикционных элементов, причем поршень выполнен заодно с нажимным диском тормоза, а узел трения смонтирован с возможностью осевого перемещения и попеременного взаимодействия через диски сцепления с упорными дисками муфты и тормоза при действии поршня или тормозных пружин. Отличие состоит в том, что упорно-опорный блок выполнен в виде рабочего колеса центробежной машины, передний диск которого и его кольцевой патрубок образуют упорный диск муфты, задний диск и его ступица образуют упорный диск тормоза и базовую ступицу, причем упорный диск тормоза снабжен концентрическим кольцевым выступом, наружный диаметр которого служит опорой и направлением для нажимного диска тормоза, а упорно-опорный блок снабжен осевыми вентиляционными отверстиями, выполненными, как и отверстия для пальцев, в упорных дисках и радиальных или отогнутых против вращения лопастях-ребрах жесткости и бобышках между упорными дисками на одном диаметре, равнорасположенными и одинаковыми, с возможностью переноса пальцев в вентиляционные отверстия, наружный диаметр патрубка служит опорой и направлением для нажимного диска муфты, выполненного, как и нажимной диск тормоза, в виде трех смещенных по оси концентрических нажимного, опорного и упорного колец, связанных двухсторонними лопастями-ребрами жесткости с осевыми отверстиями для амортизаторов продольных и/или поперечных и/или крутильных колебаний, пружин и вентиляции, равнорасположенными на одном диаметре и одинаковыми, и радиальными отверстиями для ручного поворота и вентиляции, тоже равнорасположенными и одинаковыми, при этом кольцевой поршень выполнен раздельно от нажимного диска тормоза, связан с ним и взаимодействует внутренней кольцевой поверхностью с валом пресса, пластинчатые фрикционные элементы дисков сцепления муфты и тормоза выполнены с вентиляционными канавками, а муфта-тормоз снабжена механизмом автоматической блокировки муфты при максимальном износе фрикционных элементов и многофункциональным механизмом: сблокирования муфты и тормоза, включения муфты или тормоза, обнаружения дефектных пружин, их замены или регулировки хода и усилия, регулировки зазоров в парах трения и хода поршня, фиксации регулировок и гашения продольных и/или поперечных и/или крутильных колебаний.
Кроме того, отличие муфты-тормоза в том, что:
- опорные и направляющие диаметры патрубка и кольцевого выступа на упорных дисках муфты и тормоза выполнены на одном уровне - с возможностью унификации нажимных дисков при изготовлении;
- двухсторонние лопасти-ребра жесткости нажимных дисков выполнены с трапецеидальным профилем переменного сечения: на наружных торцах нажимных колец нажимных дисков - при переменной высоте, а в зоне работы дисков сцепления - при постоянной высоте, с зеркальным отображением наружного профиля на постоянной высоте;
- пластинчатые фрикционные элементы дисков сцепления выполнены с вентиляционными канавками на плоскости трения и/или ей противоположной, радиальными или отогнутыми против вращения;
- механизм автоматической блокировки муфты выполнен использующим торцы кольцевого патрубка и опорного кольца нажимного диска муфты, которые при достижении максимального износа фрикционных элементов соприкасаются и тем самым блокируют муфту;
- многофункциональный механизм включает в себя кольцевые, упорные и нажимные диски муфты и тормоза, пружины, амортизаторы и диски сцепления, соединенные зафиксированными от проворота пальцами, регулировочными гайками, шаг резьбы которых соответствует установочному зазору, и стопорными шайбами, при этом по меньшей мере один из кольцевых дисков, например, муфты выполнен составным из кольцевых или трапецеидальных, стопорящих друг друга секторов с двумя отверстиями каждый, координаты осей которых на диаметре их расположения соответствуют координатам осей пальцев и пружин, причем одно отверстие выполнено ориентирующим сектор по пальцу и превышает его диаметр на величину необходимого зазора, а второе, вентиляционное-смотровое, соответствует внутреннему диаметру пружины, которая размещена в осевом отверстии нажимного диска муфты и наружным торцем, или через мерную шайбу взаимодействует с сектором, а внутренним торцем - с упорным диском муфты, с возможностью: сблокировать муфту и тормоз, включить муфту или тормоз, обнаружить визуальным или контактным способом через вентиляционное-смотровое отверстие дефектную пружину, осуществить замену или регулировку хода и усилия мерными шайбами, произвести бесступенчатую регулировку зазоров в парах трения и хода поршня, выполнить фиксацию регулировок и гашение продольных и/или поперечных и/или крутильных колебаний;
- механизм гашения продольных и/или поперечных и/или крутильных колебаний выполнен в виде деталей многофункционального механизма, в осевых отверстиях нажимных дисков которого с зеркальным отображением размещены амортизаторы муфты и тормоза, выполненные каждый в виде двух цельных или составных упругих втулок одинаковых диаметров и разной степени упругости с разделением их металлическими шайбами или без, с возможностью контактирования с пальцами, нажимными, упорными и кольцевыми дисками муфты и тормоза, причем втулки, торцами контактирующие с кольцевыми дисками, менее упруги, с возможностью гашения поперечных и крутильных колебаний; контактирующие торцами с неподвижными в осевом направлении упорными дисками - более упруги, с возможностью гашения продольных колебаний, а все вместе - с возможностью гашения продольных и/или поперечных и/или крутильных колебаний.
Перечисленные отличительные признаки характеризуют новизну технического решения. Таким образом, заявляемая муфта-тормоз соответствует критерию изобретения "новизна".
Сравнение предложенного технического решения с аналогами и прототипом показывает отсутствие в них признаков, которые являются отличительными признаками заявляемой муфты-тормоза, что позволяет сделать вывод о соответствии данного решения критериям "существенные отличия" и "изобретательский уровень".
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на примере конкретного осуществления изобретения показана двухдисковая комбинированная муфта-тормоз в сборе (продольный разрез по пальцам и пружинам).
Муфта-тормоз комбинированная содержит закрепленный на валу 1 пресса упорно-опорный блок 2 в виде рабочего колеса центробежной машины. Его передний диск и кольцевой патрубок 3 образуют упорный диск 4 муфты. Задний диск и его ступица образуют упорный диск 5 тормоза и базовую ступицу 6. Упорный диск 5 снабжен концентрическим кольцевым выступом 7, наружный диаметр которого служит опорой и направлением для нажимного диска 8 тормоза, а внутренний - для наружной цилиндрической поверхности кольцевого поршня 9, который внутренней цилиндрической поверхностью взаимодействует с валом 1 пресса. Упорно-опорный блок 2 снабжен осевыми вентиляционными отверстиями, выполненными, как и отверстия для пальцев 10, в упорных дисках 4, 5 и радиальных или отогнутых против вращения лопастях-ребрах 11 жесткости и бобышках 12 между упорными дисками 4, 5 на одном диаметре D с пальцами 10, равнорасположенными и одинаковыми, с возможностью переноса пальцев в вентиляционные отверстия. Наружная поверхность патрубка 3 служит опорой и направлением для нажимного диска 13 муфты, выполненного, как и нажимной диск 8 тормоза, в виде трех смещенных по оси концентрических колец нажимного 14, опорного 15 и упорного 16. Связаны они двухсторонними лопастями-ребрами 17 жесткости с осевыми отверстиями для амортизаторов 18, пружин 19 и вентиляции, равнорасположенными на одном диаметре и одинаковыми, и радиальными отверстиями 20 для ручного поворота и вентиляции, тоже равнорасположенными и одинаковыми. Поршень 9 выполнен раздельно от нажимного диска 8 тормоза, связан с ним через упорное кольцо 16, например, клеевым и/или крепежным и/или беззазорным соединением и взаимодействует внутренней кольцевой поверхностью с валом 1 пресса. Муфта-тормоз снабжена механизмом автоматической блокировки муфты при максимальном износе фрикционных элементов 21 и многофункциональным механизмом: сблокирования муфты и тормоза, включения муфты или тормоза, обнаружения дефектных пружин, их замены и регулировки хода и усилия, регулировки зазоров в парах трения и хода поршня, фиксации регулировок и гашения продольных и/или поперечных и/или крутильных колебаний.
Опорные и направляющие диаметры d патрубка 3 и кольцевого выступа 7 на упорных дисках 4 муфты и 5 тормоза выполнены на одном уровне - с возможностью унификации нажимных дисков 8, 13 при изготовлении.
Двухсторонние лопасти-ребра 17 жесткости нажимных дисков 8, 13 выполнены с трапецеидальным профилем переменного сечения: на наружных торцах нажимных колец 14 нажимных дисков 8, 13 - при переменной высоте, а в зоне работы дисков сцепления 22 муфты и 23 тормоза - при постоянной высоте, с зеркальным отображением наружного профиля на постоянной высоте.
Пластинчатые фрикционные элементы 21 дисков сцепления 22, 23 выполнены с вентиляционными канавками 24 на плоскости трения и/или ей противоположной, радиальными или отогнутыми против вращения.
Механизм блокировки муфты выполнен использующим торцы кольцевого патрубка 3 и упорного кольца 16 нажимного диска 13 муфты, которые при достижении максимального износа фрикционных элементов 21 соприкасаются и тем самым блокируют муфту.
Многофункциональный механизм включает в себя диски кольцевые 25 тормоза, 26 муфты, упорные 4, 5, нажимные 13, 8, пружины 19, амортизаторы 18 и диски сцепления 22, 23, соединенные зафиксированными от проворота пальцами 10, регулировочными гайками 27, шаг резьбы которых соответствует установочному зазору, и стопорными шайбами 28, при этом по меньшей мере один из кольцевых дисков, например, диск 26 выполнен составным из кольцевых или трапецеидальных, стопорящих друг друга, секторов 29 с двумя отверстиями каждый, координаты осей которых на диаметре их расположения соответствуют координатам осей пальцев 10 и пружин 19, причем одно отверстие выполнено ориентирующим сектор 29 по пальцу 10 и превышает его диаметр на величину необходимого зазора, а второе, вентиляционное-смотровое, соответствует внутреннему диаметру пружины 19, которая размещена в нажимном диске муфты и наружным торцем, или через мерную шайбу (не показано), взаимодействует с сектором 29, а внутренним торцем - с упорным диском 4 муфты, с возможностью: сблокировать муфту и тормоз, включить муфту или тормоз, обнаружить визуальным или контактным способом через вентиляционное-смотровое отверстие дефектную пружину, осуществить замену или регулировку хода и усилия мерными шайбами, произвести бесступенчатую регулировку зазоров в парах трения и хода поршня, выполнить фиксацию регулировок и гашение продольных и/или поперечных и/или крутильных колебаний.
Механизм гашения продольных и/или поперечных и/или крутильных колебаний выполнен в виде деталей многофункционального механизма, в осевых отверстиях нажимных дисков 13, 8 которого с зеркальным отображением размещены амортизаторы 18 муфты и тормоза, выполненные каждый в виде двух цельных или составных упругих втулок одинаковых диаметров и разной степени упругости, с разделением их металлическими шайбами или без, с возможностью контактирования с пальцами 10, нажимными 13, 8, упорными 4, 5 и кольцевыми 26, 25 дисками муфты и тормоза, причем втулки, торцами контактирующие с кольцевыми дисками 26, 25, менее упруги, с возможностью гашения поперечных и крутильных колебаний; контактирующие торцами с неподвижными в осевом направлении упорными дисками 4, 5 - более упруги, с возможностью гашения продольных колебаний, а все вместе - с возможностью гашения продольных и/или поперечных и/или крутильных колебаний.
Муфта-тормоз может быть установлена перед или за маховиком с вариантами связи дисков сцепления 22, 23 со станиной 30 и маховиком 31.
Работа муфты-тормоза.
В исходом положении муфта-тормоз заторможена.
При подаче энергоносителя из сети через вал 1 пресса в полость поршня 9 он перемещается в осевом направлении. Нажимной диск 8 тормоза отходит от диска сцепления 23 тормоза и он растормаживается, а нажимной диск 13 муфты через пальцы 10, гайки 27 с шайбами 28, секторы 29 сжимает пружины 19 и амортизаторы 18 муфты, прижимает диск сцепления 22 муфты к упорному диску 4 муфты упорно-опорного блока 2 - муфта включается.
При подаче команды на останов энергоноситель из полости поршня 9 выбрасывается в атмосферу. Амортизаторы 18 муфты и пружины 19 отводят нажимной диск 13 муфты от диска сцепления 22 муфты - она выключается. Пальцы 10 под действием пружин 19 через секторы 29, гайки 27 с шайбами 28 сжимают амортизаторы 18 тормоза и прижимают нажимной диск 8 тормоза к диску 23 сцепления тормоза и упорному диску 5 тормоза упорно-опорного блока 2 - включается тормоз.
Включение муфты и тормоза происходит мягко (малошумно), так как амортизаторы 18 и пружины 19 работают бесшумно и гасят возникающие продольные, поперечные и крутильные колебания.
В процессе работы фрикционные элементы 21 муфты и тормоза изнашиваются. Это приводит к увеличению хода поршня как в сторону тормоза, так и в сторону муфты. При максимальном износе фрикционных элементов 21 торец упорного кольца 16 нажимного диска 13 муфты упирается в торец всасывающего патрубка 3, автоматически блокируя включение муфты. Включение тормоза остается обеспеченным, что надежно исключает сдваивание ходов машины при работе муфты-тормоза.
Обеспечение технических результатов изобретения:
1. Повышение надежности
- рациональной конструктивной схемой упорно-опорного блока 2 (УОБ) с признаками по п.1 и 2 формулы изобретения;
- частичной разгрузкой крепления УОБ 2 при установке тормоза фронтом к станине (как на чертеже) от возникающего осевого давления, направленного в сторону всасывания воздушного потока;
- жесткостью конструкции в целом;
- стабильностью положений и перемещений нажимных дисков 8, 13 по опорным и направляющим диаметрам кольцевого выступа 7 и всасывающего патрубка 3;
- благоприятной схемой нагружения силовых пальцев 10 при двухопорном, а не консольном, как у аналогов, расположении нажимного диска 13 муфты;
- упругим взаимодействием пальцев 10, нажимных 8, 13, упорных 4, 5 и кольцевых 25, 26 дисков с признаками по пп.1, 3 и 7, способствующим гашению продольных, поперечных и крутильных колебаний, снижению динамических нагрузок;
- размещением пружин 19 в лопастях-ребрах 17 жесткости нажимного диска 13 муфты, что позволяет избежать негативных последствий от проникновения осколков пружин на поверхности трения;
- конструкцией, позволяющей на стадии проектирования заложить основы сбалансированности подвижных масс.
2. Повышение долговечности
- многократным увеличением площади всасывающих воздух отверстий, в том числе осевых 10 на упорных дисках 4, 5, которые позволяют охлаждать тормоз при работе муфты и наоборот;
- высокой эффективностью принудительного теплоотвода центробежными силами от лопастей-ребер 12 жесткости рабочего колеса 2 центробежной машины и ребер жесткости 17 нажимных дисков 8, 13 с признаками по пп.1 и 3;
- "парусностью" открытых участков пружин 19 и амортизаторов 18 в рабочей зоне;
- ремонтопригодностью конструкции;
- возможностью переналадки, перестановки пальцев 10 в вентиляционные отверстия без дополнительной обработки;
- выполнением фрикционных элементов 21 с вентиляционными канавками 24 с признаками по пп.1 и 4, что позволяет увеличить принудительно охлаждаемую поверхность трения непосредственно в момент трения и в течение цикла, а также удалять центробежными силами из зоны трения продукты износа контактирующих материалов.
3. Повышение быстродействия
- уменьшением моментов инерции вращающихся масс деталей 2, 8, 9, 13 с признаками по пп.1, 2, 3;
- сблокированием элементов конструкции муфты и тормоза, чтобы сохранялась размерная цепочка;
- возможностью деталей муфты-тормоза выполнять свои функции в относительно разгруженном состоянии, с хорошей опорой и направлением.
4. Упрощение регулировки зазоров и хода поршня
- конструкцией указанной регулировки с признаками по пп.1 и 6, позволяющими для этой ответственной операции использовать малоквалифицированный труд;
- уменьшением количества слесарных операций для выполнения регулировки (например: расконтриваем стопорные шайбы 28 и закручиваем регулировочные гайки 27 до отказа - выбираем зазор, затем откручиваем их на один полный оборот и стопорим шайбами - регулировка закончена).
5. Облегчение замены пружин без демонтажа деталей и нарушения регулировки
- составной конструкцией кольцевого или трапецеидального диска 26 с признаками по пп.1 и 6, в которых сектор 29 при откручивании гайки 27 приподнимается под действием пружины 19 на высоту несколько больше толщины сектора 29, поворачивают его вокруг пальца 10 на 90° и удаляют дефектную пружину, не демонтируя деталей и не нарушая регулировки; работа по установке пружины 19 производится в обратном порядке.
6. Повышение уровня техники безопасности
- наличием блокировки муфты, выполненной с признаками по пп.1 и 5 и срабатывающей при максимальном износе фрикционных элементов 21 (торцы кольцевого патрубка 3 и упорного кольца 16 нажимного диска 13 муфты соприкасаются и тем самым блокируют муфту);
- работой пружин 19 в замкнутом объеме нажимных дисков 13 муфты;
- невозможностью или минимальной вероятностью попадания осколков пружины во внемуфтовое пространство;
- упругим взаимодействием пальцев 10, нажимных 8, 13, упорных 4, 5 и кольцевых 25, 26 дисков муфты и тормоза через амортизаторы 18, что способствует уменьшению шума.
Таким образом, поставленная изобретением техническая задача выполнена.
Конструкция муфты-тормоза компактна, работоспособна, технологична в изготовлении и монтаже, ремонтопригодна и может быть успешно реализована:
- в трехдисковой муфте-тормозе с базированием промежуточного диска по наружному диаметру кольцевого патрубка;
- в четырехдисковой муфте-тормозе с базированием промежуточных дисков по наружным диаметрам гильзы цилиндра и кольцевого патрубка.
Разработана техническая документация муфт-тормозов к прессам с усилиями 1000 кН Воронежского ПО КПО и 630 кН Сальского завода КПО, проработан размерный ряд к прессам с усилиями 400 кН и 250 кН.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в различных машинах, требующих быстрого включения и отключения, например в механических прессах, буровых установках, станкостроении, автомобилестроении и т.п. Охватывает значительную область и показывает возможность широкой промышленной применимости технических решений данного изобретения.