CC BY
66
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки № 2 (23)
ISSN 2225-6733
Bibliography:
1. V.P. Belyakovsky, S.V. Kipcharsky Indicators of accuracy of kinematic chains, international scientific-technical conference "University Science - 2007": Proceedings of the Sat / Azov State Technical University - Mariupol, 2007. - Volume 2, pp. 14-15. (Rus.)
2. V.P. Belyakovsky Positioning error of the working bodies of CNC machines, associated with nye dead move the actuator, the International Scientific Conference "Universities of tetskaya science - 2008": Proceedings of the Sat / Azov State Technical universities - Mariupol, 2008. - Volume 2, pp. 16-18. (Rus.)
3. Machine tools with numerical control (special) / VA Leshchenko, N.A. Bogdanov, I.V. Weinstein [and others] : Ed. V.A. Leshchenko. - 2nd ed. rev. and add. - Moscow Machine-Building, 1988 - 568 p. (Rus.)
4. V.P. Belyakovsky Positioning accuracy of the working bodies of heavy CNC / V.P. Belyakovsky,
5. M. Shvets. - Proceedings of the International Scientific and Methodological Conference, PSTU. -Mariupol. - 2003. - pp.3-5. (Rus.)
5. A.V. Levashov Fundamentals of kinematic chains accuracy of machine tools. - Moscow: Mashinos-troenie, 1966 - 212 p. (Rus.)
6. V.A. Kutsokon, precision instruments kinematic chains - L.: Mechanical Engineering, 1980 - 221 p. (Rus.) Рецензент: М.В. Маргулис
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ» Статья поступила 22.11.2011
УДК 621. 825.7
©Корчагина Т.В.*
АЛГОРИТМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МУФТ УПРУГИХ ПАЛЬЦЕВО-ДИСКОВЫХ (МУПД)
В статье изложен алгоритм определения геометрических размеров упругого диска из полиуретана с бандажами, на основании которого предложен параметрический ряд пальцевых муфт МУПД.
Ключевые слова: муфта пальцевая, упругий диск, полиуретан, бандаж.
Корчагіна Т.В. Алгоритм проектування муфт пружних пальцево-дискових
(МУПД). У статті викладений алгоритм визначення геометричних розмірів пружного диска з поліуретану з бандажами, на підставі якого запропонований параметричний ряд пальцевих муфт МУПД.
Ключові слова: муфта пальцева, пружний диск, поліуретан, бандаж.
T. Korchagina. Design algorithm of the elastic couplings finger-disk (MUPD). The article describes an algorithm for determining the geometric dimensions of an elastic disk ofpolyurethane bandages, on the basis of which suggested a number offinger couplings parametric MUPD.
Keywords: coupling finger, elastic disk, polyurethane, bandage.
Постановка проблемы. Оборудованию металлургических заводов свойственны большие габариты, массы и моменты инерции вращающихся масс, вследствие чего оно подвержено воздействию циклических паразитных нагрузок ударного или колебательного характера [1]. Для передачи крутящего момента с вала привода на вал исполнительной машины металлургическое оборудование в основном оснащено жесткими зубчатыми муфтами типа МЗ или МЗП (ГОСТ 5006-83), рассчитанными на крутящий момент от 1000 до 63000 Нм. Предпочтение отдается зубчатым муфтам в связи с их надежностью и высокой нагрузочной способностью при малых габаритах. Однако они не защищают оборудование от паразитных нагрузок, которые могут в несколько раз превышать технологические и вызывать разрушение деталей оборудова-
ассистент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
209
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки № 2 (23)
ISSN 2225-6733
ния.
Одним из эффективных средств защиты оборудования от поломок является применение упруго-компенсирующих муфт, позволяющих снизить влияние паразитных нагрузок. Препятствием их широкому применению является низкая нагрузочная способность и недостаточный ресурс упругих элементов.
Наибольшее распространение на металлургических заводах получили муфты упругие втулочно-пальцевые (МУВП), ГОСТ 21424-75, с крутящим моментом от 6,3 до 16000 Н-м и муфты с торообразной резиновой оболочкой (ГОСТ 20884-82) с крутящим моментом от 20 до 40000 Н-м. Эти муфты применяются, в основном, на второстепенных участках из-за повышенных габаритов, масс и моментов инерции. Для сравнения в таблице 1 приведены основные характеристики различных типов муфт при одинаковом крутящем моменте, равном 16000 Н-м.
Таблица 1
Основные характеристики распространенных типов муфт при Мкр = 16000 Н-м
Тип муфты Наружный диаметр D, мм Масса m, кг Динамический момент инерции GD2, кгс-м2 Угол закручивания, град.
МЗ (ГОСТ 5006-83) 300 62 1,15 0,1
МУВП (ГОСТ 21424-73) 500 355 35,72 0,5
Муфта с торообразной оболочкой (ГОСТ 20884-82) 710 336 16,00 3,5
Не все упругие муфты можно считать функционально упругими; так, муфта МУВП является практически жесткой, а резиновые втулки на ее пальцах являются не чем иным как адаптерами [2]. Термин «упругая» оправдан для муфт, энергоемкость которых сопоставима с энергоемкостью привода машины, не имеющей упругих муфт.
Анализ последних исследований и публикаций. Вопросам расчета и проектирования пальцевых муфт посвящена работа [3]. На основании этой работы предложен параметрический ряд муфт с шестью пальцами и упругими дисками из резины с крутящими моментами от 4 до 200 Н-м (ГОСТ 25021-81). В продолжение этой темы в работе [4] даны рекомендации по проектировочному расчету упругого диска. Затем на стадии проверочного расчета конструктивные размеры упругого диска уточняются. В проектировочном расчете рекомендуется допускаемые напряжения принять равными 15-20% от модуля упругости материала диска. Наружный диаметр диска предлагается принять за базовый и определить по формуле (4.19) [4]. Каждый безразмерный параметр, входящий в формулу, задан в определенных интервалах. Количество пальцев рекомендуется принять равным от 4 до 8 при крутящем моменте от 10 и более 80 Н-м. Такая методика расчета не приемлема для средних и больших крутящих моментов. Так, например, наружный диаметр упругого диска из резины, определенный по этой формуле для Мкр = 16000 Н-м, получается равным 2000 мм, что сравнимо с габаритами оборудования. Кроме того неоднозначно определяются количество пальцев, их диаметр и диаметр расположения.
Такой подход затрудняет работу конструкторов, занимающихся проектированием упругих муфт, и сдерживает их дальнейшее совершенствование. Несмотря на то, что пальцевые муфты с упругим диском просты, технологичны в изготовлении, отличаются высокой крутильной податливостью и хорошим демпфированием, они имеют основной недостаток - низкую нагрузочную способность.
3 2 1
Рис. 1 - Муфта упругая пальцеводисковая МУПД: 1 - полумуфта; 2 -упругий диск;
210
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки № 2 (23)
ISSN 2225-6733
В Приазовском государственном техническом университете (ПГТУ) на кафедре сопротивления материалов разработана муфта упругая пальцево-дисковая (МУПД) с высокой нагрузочной способностью (рис. 1), а также аналогичная муфта с промежуточным валом (рис. 2) [57]. Нагрузочная способность этих муфт сравнима с муфтами типа МЗ и достигнута за счет применения в качестве материала упругого диска полиуретана и установки бандажей на его внешний и внутренний диаметры. В работе [8] предложена аналитическая зависимость нагрузочной способности и крутильной жесткости, подтвержденная экспериментально на промышленных муфтах с упругими дисками из различных эластомеров [9] и крутящими моментами до 8000 Н-м, а также многолетней эксплуатацией на оборудовании металлургических заводов «Азовсталь» и «им. Ильича».
Цель статьи - разработать методику расчета для создания параметрического ряда пальцевых муфт МУПД с целью замены жестких муфт для их применения в металлургическом оборудовании.
Изложение основного материала. Для определения конструктивных параметров параметрического ряда упругих муфт предлагается: 1) по заданному моменту выбрать наружный диаметр в пределах параметрического ряда известных конструкций типа МЗ или МУВП; 2) по
упрощенной формуле определить приближенно крутящий момент, приходящийся на один палец; 3) определить требуемое количество пальцев, поделив заданный номинальный момент на момент единичный.
Расчетный крутящий момент
Рис. 2 - МУПД с промежуточным валом: 1 - промежуточный вал может быть найден по формуле
М кр =
k - z - R - Е - h - dH
—
—
— - cos(a - —),
(1)
где
k = 2,2 - коэффициент бандажирования упругого диска [10]; z - количество пальцев на полумуфте;
R - радиус окружности расположения центров отверстий под пальцы;
Е = 30 МПа - модуль упругости материала упругого диска (полиуретана);
[s] = — = 0,2 - допускаемая относительная деформация;
—0
— - относительный угол поворота полумуфт (угол закручивания);
—0 - центральный угол между смежными пальцами; а = 30° при z = 3 - угол между окружным усилием и усилием сжатия; dH = 0,7 - h - диаметр пальца; h - толщина упругого диска.
Тогда момент, приходящийся на один палец, с учетом вышеприведенных величин определится по упрощенной формуле:
Мг=1 = 4 -106 - Dn - h2, (2)
где DH - диаметр окружности расположения центров отверстий под пальцы.
По заданному номинальному моменту определяем посадочный диаметр полумуфты d, используя известные методики, или берем его из таблицы параметрического ряда ГОСТ 5006-83 на муфты МЗ. Затем определяем наружный диаметр упругого диска Dд
Dд = 2,25 - d + 50. (3)
Формула (3) устанавливает наружные диаметры упругих дисков в пределах габаритов па-
211
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки № 2 (23)
ISSN 2225-6733
раметрического ряда зубчатых муфт типа МЗ и минимального количества пальцев с запасом прочности не менее трех.
Диаметр ступицы полумуфты DCT также берем из таблицы параметрического ряда ГОСТ 5006-83 на муфты МЗ или определяем по формуле
До = 1,5 • d. (4)
Внутренний диаметр упругого диска принимаем равным диаметру ступицы Дст.
Диаметр окружности расположения центров отверстий под пальцы на упругом диске Дп (рис. 3) определяем по формуле
D.. +
D, =-*----^. (5)
1 2
Принимаем для упругого диска диаметральное сечение квадратным, то есть b = h (рис. 3), тогда
b = h = Д ~ Dfld . (6)
2
При z = 2, 3, 4 угол а в исходном положении находится в пределах (45; 30; 22,5)°. Для примера в проектном расчете принимаем а = 30° (для трех пальцев полумуфты).
Определяем по формуле (2) момент, приходящийся на один палец с учетом полученных значений Дп и h.
По заданному номинальному моменту Мном и моменту на один палец Mz=i определяем требуемое количество пальцев z по формуле, округляя количество пальцев до целого числа,
Рис. 3 - Диаметральное сечение упругого диска по отверстию под палец: 1 - упругий диск; 2 - наружный бандаж; 3 - внутренний бандаж
:=1
(7)
Вычисляем неизвестные углы (рис. 4) с учетом количества пальцев [8]:
1800
у =---- - центральный угол между
z
смежными пальцами; а dj • 3600
р = —----- - центральный угол ме-
П' Di
жду касательными к пальцу;
90 = У ~ Р - центральный угол между касательными к двум смежным пальцам;
9 = [г] • 90 - угол поворота полумуфт друг относительно друга.
По уточненной формуле (1) определяем расчетный момент.
При расхождении Мрасч с заданным Мн по формуле
У
Рис. 4 - Расчетная схема упругого диска муфты МУПД
более чем на 5% корректируем ширину диска h
h = h •
М
расч
(8)
Толщину наружного и внутреннего бандажей m принимаем равной
m = 0,1 • d. (9)
Тогда наружный диаметр бандажа Дб составит
D6 = Дд + 2 • m. (10)
212
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки № 2 (23)
ISSN 2225-6733
Окончательно определяем габарит полумуфты, увеличивая диаметр бандажа на 5 мм для обеспечения контроля соосности полумуфт при монтаже
D — D6 + 5 .
(11)
На основе предложенного алгоритма расчета по заданному крутящему моменту определены конструктивные параметры муфт упругих пальцево-дисковых (МУПД) и представлены в таблице 2 в виде параметрического ряда. В качестве заданного номинального момента и посадочного диаметра муфт использован параметрический ряд муфт зубчатых типа МЗ с перспективой замены их на муфты упругие пальцево-дисковые [11].
Таблица 2
Параметрический ряд муфт МУПД
№ п/п -^Мном, Н-м d, dY.-> мм D, мм мм l, мм L, мм C, мм z, шт. d ш мм а, град. n, c-1 GD2, Н-м2 m, кг
1 1000 40 153 60 82 214 50 2 28 45 90 1,0 9
2 1600 55 190 85 219 55 30 80 2,5 15
3 2500 60 200 90 105 278 68 35 75 3,6 20
4 4000 65 225 100 273 63 3 30 62 5,7 25
5 6300 80 255 120 130 334 74 38 55 10,5 37
6 10000 100 300 150 165 415 85 45 47 24,7 63
7 16000 120 355 180 425 95 50 40 53,2 94
8 25000 140 400 210 200 510 110 60 35 104,7 146
9 40000 160 445 240 515 115 4 22,5 29 162,4 183
10 63000 200 545 300 240 613 133 65 20 409,1 314
Габаритный размер для справок.
Основные геометрические размеры упругих дисков из полиуретана определялись при допускаемой относительной деформации [е] = 0,2 и модуле упругости материала диска Е = 30 МПа. Материал для упругого диска выбран, исходя из многолетнего опыта эксплуатации. Муфты допускают кратковременные двукратные перегрузки Мтах = 2 • Мном.
Выводы
Разработан простой и экономичный алгоритм для определения геометрических размеров упругого диска из полиуретана с наружным и внутренним бандажами для любых крутящих моментов.
На основании алгоритма предложен параметрический ряд пальцевых муфт с упругим диском, способный заменить параметрический ряд жестких муфт типа МЗ (ГОСТ 5006-83).
Фундаментальное отличие упругих муфт МУПД от жестких зубчатых муфт типа МЗ заключается в том, что при одинаковой несущей способности муфты МУПД являются активными деталями, снижающими паразитные нагрузки, а, следовательно, в приведенных расчетах заложен дополнительный резерв прочности этих муфт.
На основании предложенного метода проектирования решен ряд задач по созданию амортизирующих конструкций, которые были изготовлены и прошли промышленное опробование на оборудовании металлургических заводов.
Список использованных источников:
1. Артюх Г.В. Амортизация нагрузок в металлургических машинах / Г.В. Артюх // Захист металургійних машин від поломок : Міжвуз. темат. зб. наук. пр. / ПДТУ. - Маріуполь, 1999. -Вип. 4. - С. 160-165.
2. Артюх Г.В. Об эффективности муфт МУВП / Г.В. Артюх, В.З. Мазай, Т.В. Корчагина // Захист металургійних машин від поломок : Міжвуз. темат. зб. наук. пр. / ПДТУ. - Маріуполь, 2000. - Вип. 5. - С. 156-159.
3. Михайлов Ю.К. Вопросы расчета пальцевых муфт с резиновым диском / Ю.К. Михайлов, В.С. Поляков // Тр. ЛПИ. - Ленинград, 1970. - № 314. - С. 42-50.
4. Михайлов Ю.К. Муфты с неметаллическими упругими элементами. Теория и расчет / Ю.К. Михайлов, В.С. Иванов. - Л. : Машиностроение, 1987. - 144 с.
213
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки № 2 (23)
ISSN 2225-6733
5. Пат. 71616 Україна, МПК F 16 D 3/78. Муфта пружна пальцево-дискова / Т.В. Корчагіна, В.Г. Артюх, Г.В. Артюх, В.О. Корчагін; ПДТУ. - № 2001117868; заявл. 19.11.01; опубл. 15.12.04, Бюл. № 12. - 3 с.
6. Пат. 2280790 Россия, МПК F 16 D 3/78. Муфта упругая пальцево-дисковая / Т.В. Корчагина, В.Г. Артюх, Г.В. Артюх, В.А. Корчагин; ПГТУ. - № 2002135794/11; заявл. 30.12.02; опубл. 27.07.06, Бюл. № 21. - 4 с.
7. Пат. 53938 Україна МПК F 16 D 3/28. Пружний шпиндель / Т.В. Корчагіна, В.Г. Артюх, Г.В. Артюх, В.О. Корчагін; ПДТУ. - № 2002032240; заявл. 20.03.02; опубл. 17.01.05, Бюл. № 1 - 3 с.
8. Корчагина Т.В. Исследование рабочих характеристик муфты упругой пальцево-дисковой (МУПД) / Т.В. Корчагина // Захист металургійних машин від поломок : Міжвуз. темат. зб. наук. пр. / ПДТУ. - Маріуполь, 2010. - Вип. 12. - С. 185-192.
9. Корчагина Т.В. Испытания муфт с упругими элементами, изготовленными из эластомеров / Т.В. Корчагина // Захист металургійних машин від поломок : Міжвуз. темат. зб. наук. пр. / ПДТУ. - Маріуполь, 2002. - Вип. 6. - С. 149-152.
10. Корчагина Т.В. Исследование жесткости и напряженного состояния упругих пальцеводисковых муфт / Т.В. Корчагина, В.Г. Артюх // Захист металургійних машин від поломок : Міжвуз. темат. зб. наук. пр. / ПДТУ. - Маріуполь, 2005. - Вип. 8. - С. 152-158.
11. Перспективы замены муфт типа МЗ и МЗП / В.Г. Артюх [и др.] // Захист металургійних машин від поломок : Міжвуз. темат. зб. наук. пр. / ПДТУ. - Маріуполь, 2002. - Вип. 6. - С. 129-131.
Bibliography:
1. Artiukh G. Depreciation pressures in metallurgical machinery / G. Artiukh // Zakhist metalurgiinikh mashin vid polomok : Interuniversity thematic collection of scientific papers / PGTU. -Mariupol, 1999. - № 4. - P. 160-165. (Rus.)
2. Artiukh G. On the efficiency of coupling MUVP / G. Artiukh, V. Mazai, T. Korchagina // Zakhist metalurgiinikh mashin vid polomok : Interuniversity thematic collection of scientific papers / PGTU. -Mariupol, 2000. - №. 5. - P. 156-159. (Rus.)
3. Mikhailov U. Questions of finger joints with rubber disc / U. Mikhailov, V. Polyakov // Proceedings of the LPI. - Leningrad, 1970. - № 314. - P. 42-50. (Rus.)
4. Mikhailov U. Couplings with non-metallic elastic elements. Theory and design / U. Mikhailov, V. Ivanov. - L. : Mashinostroenie, 1987. - 144 p. (Rus.)
5. Pat. 71616 Ukraine, IPC F 16 D 3/78. Coupling elastic finger-disc / T. Korchagina, V. Artiukh,
G. Artiukh, V. Korchagin; PGTU. - № 2001117868; stated 19.11.01; published 15.12.04, Bull. № 12. - 3 p. (Ukr.)
6. Pat. 2280790 Russia, IPC F 16 D 3/78. Coupling elastic finger-disc / T. Korchagina, V. Artiukh, G. Artiukh, V. Korchagin; PGTU. - № 2002135794/11; stated 30.12.02; published 27.07.06, Bull. № 21. - 4 p. (Rus.)
7. Pat. 53938 Ukraine IPC F 16 D 3/28. Elastic spindle / T. Korchagina, V. Artiukh, G. Artiukh, V. Korchagin; PGTU. - № 2002032240; stated 20.03.02; published 17.01.05, Bull. № 1 - 3 p. (Ukr.)
8. Korchagina T. Study the performance of an elastic finger-clutch disc (MUPD) / T. Korchagina // Zakhist metalurgiinikh mashin vid polomok : Interuniversity thematic collection of scientific papers / PGTU. - Mariupol, 2010. - № 12. - P. 185-192. (Rus.)
9. Korchagina T. Tests of joints with elastic elements made from elastomeric / T. Korchagina // Zakh-ist metalurgiinikh mashin vid polomok : Interuniversity thematic collection of scientific papers / PGTU. - Mariupol, 2002. - № 6. - P. 149-152. (Rus.)
10. Korchagina T. Investigation of stiffness and stress state of elastic finger-disc clutches / T. Korchagina, V. Artiukh // Zakhist metalurgiinikh mashin vid polomok : Interuniversity thematic collection of scientific papers / PGTU. - Mariupol, 2005. - № 8. - P. 152-158. (Rus.)
11. Prospects for the replacement clutch type MZ and MZP / V. Artiukh [and other] // Zakhist meta-lurgiinikh mashin vid polomok : Interuniversity thematic collection of scientific papers / PGTU. -Mariupol, 2005. - № 6. - P. 129-131. (Rus.)
Рецензент: А.А. Ищенко
д-р техн. наук, проф. ГВУЗ «ПГТУ» Статья поступила 19.10.2011
214
