CC BY
20
УДК 621.855
ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ ЦЕПНЫХ МУФТ
СЕРГЕЕВ С.А.,
кандидат технических наук, директор ООО «Наука и образование»; тел. +79606835490; e-mail: [email protected].
ТРУБНИКОВ В.Н.,
кандидат технических наук, доцент кафедры процессов и машин в агроинженерии ФГБОУ ВО Курская ГСХА, тел. (4712) 39-61-21.
БОЕВ С.Г.,
кандидат экономических наук, доцент ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет», e-mail: [email protected].
Реферат. В статье рассматриваются вопросы, связанные с прогнозированием дальнейшего совершенствования цепных муфт. Это возможно сделать, отталкиваясь от конструкции приводных цепей, звездочек, защитных и смазочных устройств, от существующих расчетных методик, от технологии изготовлений отдельных элементов и цепных муфт в целом, а также от существующей практики эксплуатации цепных муфт, включая их диагностику. С целью прогнозирования динамики совершенствования конструкции цепных муфт необходимо располагать их технико-экономической моделью. В основу создания такой модели можно положить математические зависимости, учитывающие качественные критерии и эксплуатационные параметры работы муфт. Первоначально достаточно ограничиться простой сверткой величин без учета их значимости в заданных условиях работы. Несмотря на свою простоту, данная модель обладает ценным свойством - универсальностью. Для каждого конкретного случая исследования возможно введение весовых коэффициентов, учитывающих значимость того или иного параметра. С помощью предложенной модели можно оценивать качество конкурирующих типов приводных цепей, звездочек и муфт.
В статье обоснованы главные направления развития конструкции приводных цепей, звездочек и других устройств цепных муфт. Причем основное внимание уделено прогнозированию совершенствования конструкций этих изделий. Выявленные пути совершенствования конструкции цепных муфт реализованы в конкретных устройствах. В частности, рассмотрены: цепная муфта с упругими элементами и комбинированная упруго-цепная муфта. В результате их применения улучшено динамическое качество привода и условия работы деталей; как следствие этого, расширена область применения и повышена нагрузочная способность муфт. Дан прогноз развития расчета цепных муфт, охватывающий шесть основных направлений его совершенствования.
Ключевые слова: цепная муфта, цепной привод, звездочка, приводная цепь, технико-экономическая модель.
DYNAMICS OF DEVELOPMENT OF CHAIN CLUTCHES
SERGEEV S.A.,
Candidate of Technical Sciences, Director of LLC "Science and Education"; Tel. +79606835490; E-mail: [email protected].
TRUBNIKOV V.N.,
Candidate of Technical Sciences, the department of processes and machinery in agro-engineering, assistant-professor, Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Education Kursk state agricultural Academy.
BOEV S.G.,
candidate of Economic Sciences, assistant professor Regional Open Social Institute, e-mail: [email protected].
Essay. In article the questions connected with forecasting of further improvement of chain clutches are considered. It is possible to make it, making a start from a design of driving chains, sprockets, safety and lubricating devices, from the existing rated techniques, from manufacturing techniques of separate elements and chain clutches in general, and also from the existing practice of operation of chain clutches, including their diagnostics. For the purpose of forecasting of improvement dynamics of a design of chain clutches it is necessary to have their technical and economic model. It is possible to be the mathematical dependences considering qualitative criteria and operational parameters of work of clutches the basis for creation of such model. It is originally enough to be limited to simple convolution of values without their importance in the set working conditions. Despite the simplicity, this model has valuable property - universality. The introduction of the weight coefficients for each case of probe considering the importance of this or that parameter is possible. By means of the offered model it is possible to estimate quality of the competing types of driving chains, sprockets and clutches.
In article principal directions of development of a design of driving chains, sprockets and other devices of chain clutches are proved. And the main attention is paid to forecasting of improvement of designs of these products. The revealed ways of improvement of a design of chain clutches are realized in concrete devices. In particular, are considered a chain clutch with elastic elements and the combined elastic and chain clutch. As a result of their application are improved dynamic quality of a drive gear and operating condition of details; as a result of it, the scope is expanded and load ability of
clutches is increased. The forecast of development of calculation of chain clutches covering six main directions of its improvement is given.
Keywords: chain clutch, chain drive gear, sprocket, driving chain, technical and economic model.
Введение. Динамику развития цепных муфт целесообразно рассматривать в четырех аспектах [1-3]:
1) прогнозирования развития конструкции приводных цепей, звездочек, защитных и смазочных устройств;
2) прогнозирования развития расчетов цепных муфт в направлении совершенствования изложенных ранее методик;
3) развития технологии изготовлений отдельных элементов и цепных муфт;
4) развития вопросов эксплуатации цепных муфт, включая их диагностику.
Для решения этих вопросов необходимо: во-первых, располагать технико-экономической моделью цепных муфт, позволяющей проведение их функционально-стоимостного анализа; во-вторых, выявить основные направления изменения параметров привода; в-третьих, установить взаимосвязь динамики параметров муфт с динамикой информационных потоков в виде патентов, свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ и научной литературы.
Тип цепных муфт и их параметры оказывают влияние на технико-экономические показатели машинного агрегата, в частности, на его габариты и массу; стоимость изготовления и затраты на эксплуатацию; пусковые, динамические и энергетические характеристики; показатели надежности и виброакустического качества [4]. Поэтому для прогнозирования развития конструкции цепных муфт необходимо располагать их технико-экономической моделью.
На первом предварительном этапе прогнозирования рекомендуем использовать упрощенную модель муфт следующего вида:
Kk = \M6]Lh /(тКтСъ) ^ max ^ max
Lpx ^ min
(1)
где величины, определяющие интегральный критерии качества Кк, рассмотрены в работе [1-2]; юИт - предельно допустимая угловая скорость, Ьрх - уровень
звукового давления.
Из анализа модели (1) следует, что конструкция основных деталей муфт (прежде всего цепей и звездочек) должна совершенствоваться в направлении улучшения параметров муфт: повышения величин [МТ ], Ьк, юИт и снижения - т, Кг , ^ и Ьрх. При этом важно, чтобы в процессе эксплуатации указанные параметры были стабильными или изменялись по определенному закону.
Технико-экономическая модель (1) имеет недостаток: она представляет собой простую свертку величин без учета их значимости в заданных условиях работы. Однако в этой связи она универсальная: с её помощью
можно оценить качество конкурирующих типов цепей, звездочек и муфт. Значимость того или иного параметра рекомендуем учитывать путем введения весовых коэффициентов для каждого конкретного случая исследования.
В качестве более точных технико-экономических моделей рекомендуем формулы, приведенные в работах [1, 2, 5-7]. Используя технико-экономическую модель (1), составим прогноз развития конструкции приводных цепей, звездочек и других устройств цепных муфт с целью выявления резерва повышения их качества. Затем на основе анализа патентной литературы установим, как он реализуется.
Анализируя формулы (1), видим, что важной задачей повышения надежности и улучшения виброакустических характеристик закрытых цепных муфт, работающих при высоких скоростях и нагрузках, является
увеличение [MT ] и снижение величин Кг и L
px
за
счет уменьшения первоначальной и эксплуатационной разноразмерности шагов смежных звеньев и зубьев.
В этой связи совершенствование конструкции приводных цепей и звездочек рекомендуем осуществлять в следующих направлениях:
- создания и разработки конструкций цепей и звездочек;
- повышения удельной нагрузочной способности муфт, обусловленной сопротивлением усталости и износу цепи и звездочек;
- повышения точности изготовления цепи и звездочек.
Результаты исследования. В последнее время предложена полезная модель звездочки с модернизированным вогнутым профилем зубьев [8], назначение которой - повысить нагрузочную способность и долговечность муфты.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известной звездочке цепной муфты радиус кривизны рабочей части профиля зубьев (рисунок 1) выполнен равным
Ги > Г1А,
где г1 - радиус кривизны рабочей части существующего профиля; А - коэффициент уменьшения радиуса кривизны рабочей части профиля, равный
А = Р,
а1
где р - угол, определяющий размер рабочей части профиля зубьев, р = [ 18° - 1; а1 - начальный угол
профиля зуба, а1 = | 35°-зубьев звездочки.
120°
причем z - число
z
помещают упругие элементы 3. Кроме того, могут применяться другие виды комбинированных цепных муфт МЦК. Конструкция одной их них показана на рисунке 3.
О - центр кривизны впадины зубьев; ОИ - центр кривизны рабочей части профиля зубьев; Е и Г - точки, определяющие начало и конец рабочей части профиля зуба; г - радиус впадин; г и гИ - радиус кривизны рабочей части существующего и предложенного профиля; д - угол впадины зубьев, определяющий начало рабочего участка профиля; р - угол определяющий размер рабочей части профиля зубьев; ах и а2 - начальный и конечный угол профиля зуба
Рисунок 1 - Участок зубчатого венца звездочки-полумуфты
При зацеплении звездочки муфты с цепью ролики последней взаимодействуют с рабочей частью зубьев уменьшенного радиуса кривизны. Вследствие чего контакт роликов с зубьями является более плотным, что обусловливает снижение контактных напряжений в сопряжении этих деталей.
Благодаря вышеуказанному выполнению звездочки цепной муфты обеспечивается возможность повышения нагрузочной способности и срока службы более чем в 1,5 раза по сравнению прототипами при неизменной материалоемкости муфты.
В целях расширения области применения муфт и повышения их демпфирующей способности в зазоры между секторами полумуфт 1 и 2 согласно рисунку 2
Рисунок 2 - Цепная упругая муфта с упругим элементом
Результаты исследования работоспособности существующих цепных муфт показывают, что нагружение элементов цепи в них несимметричное [9, 10]. Это существенно снижает нагрузочную способность муфт и, как следствие этого, уменьшает величину передаваемого муфтой момента и сокращает срок службы цепи.
С целью устранения этих недостатков, а также повышения компенсирующей и нагрузочной способности предложена конструкция комбинированной упруго-цепной муфты (рисунок 3). Эта муфта содержит две полумуфты 1 и 2 в виде звездочек, посаженных на соединяемые валы I и II; замкнутую многорядную роликовую цепь 3 охватывающую зубчатые венцы звездочек 1, 2. Причем полумуфта 2 выполнена в виде двух смещенных друг относительно друга в осевом направлении зубчатых венцов а и б, между которыми расположен венец-диск с зубьями полумуфты 1. Венцы а и б полумуфты 2 жестко соединены между собой стяжками 4, входящими в отверстия диска полумуфты 1, диаметры которых
dome = dc + 2Дг ,
где dome - диаметр отверстий; dc - диаметр стяжек; Д r -радиальное смещение осей соединяемых валов I и II.
Рисунок 3 - Цепная комбинированная муфта
Для снижения динамической нагрузки на цепь 3 и, как следствие, повышение нагрузочной способности цепной муфты на стяжки 4 посажены упругие втулки 5. Тогда диаметры отверстий диска полумуфты 1 равны
dame = de + 2Дг ,
где de - наружный диаметр втулок.
Комбинированная упруго-цепная муфта работает следующим образом, при зацеплении зубчатых венцов-полумуфт 1 и 2 с цепью 3 в связи с радиальным смещением Дг осей соединяемых валов I и II полумуфта 2 совершает поступательное движение по кругу относительно полумуфты 1. При этом часть вращающего момента T передается за счет зацепления зубьев звездочек с шарнирами цепи 3, а другая часть момента T2 передается благодаря воздействию стяжек 4, совершающих круговое движение радиусом Д r, на зубчатый венец полумуфты 1.
Упругие втулки 5, надетые на стяжки 4, способствуют снижению динамической нагрузки на цепь 3 и, как следствие, повышению нагрузочной способности цепной муфты.
Благодаря вышеуказанному выполнению комбинированной упруго-цепной муфты обеспечивается упрощение конструкции и повышение нагрузочной способности по сравнению с прототипами [9].
Патентом на полезную модель [11] защищены конструкции цепных муфт, представленных на рисунке 4а, б. Видим, что цепная муфта (рисунок 4а) содержит две полумуфты 1 и 2 в виде звездочек, замкнутую двухрядную роликовую цепь 3, охватывающую зубчатые венцы звездочек, и кожух 4, жестко соединенный с фланцем полумуфты 1 болтами 5. Внутрь кожуха помещен кольцевой упругий элемент 6, прижимаемый к цепи 3, регулируемым устройством 7, например: в виде винтов для радиального воздействия на упругий элемент. Для повышения податливости и, как следствие, уменьшение
нагрузки на соединяемые муфтой валы и на их опоры, упругий элемент может быть выполнен пустотелым.
Цепная муфта (рисунок 4б) содержит две полумуфты 1 и 2 в виде звездочек, замкнутую двухрядную роликовую цепь 3, охватывающую зубчатые венцы звездочек, и кожух 4, жестко соединенный с фланцем полумуфты 1 болтами 5. Внутрь кожуха помещен кольцевой упругий элемент 6, прижимаемый к цепи 3, регулируемым устройством 7, выполненным в виде круглой гайки, обеспечивающей осевое воздействие на упругий элемент.
Цепные муфты [11] работают следующим образом, при зацеплении звездочек-полумуфт с цепью в связи с радиальным Дг и угловым 8 смещениями осей соединяемых валов перемещение шарниров по зубьям будет осцилляционным. При этом имеет место относительное колебательное перемещение звеньев цепи, обуславливающее износ деталей шарниров, а также перемещение цепи относительно звездочек, изменяющее дисбаланс и вызывающее дополнительную динамическую нагрузку. Упругий элемент, облегая цепь, способствует уменьшению относительных колебательных перемещений звеньев и снижению дисбаланса. Благодаря вышеуказанным конструкциям цепной муфты обеспечивается возможность повышения допустимой частоты вращения и нагрузочной способности по сравнению с прототипами.
В предыдущих работах [1, 2, 7, 12, 13] были сформулированы цели и задачи геометро-кинематических, динамических, проектировочных и проверочных расчетов по основным критериям работоспособного состояния приводных цепей, звездочек и муфт. Подавляющее большинство из них выполнены с разработкой методики таких расчетов. В отдельных случаях предложены, соответствующие математические модели и показан алгоритм решения. Это касается, прежде всего, геометрических расчетов и расчетов по характеристикам надежности в вероятностном аспекте в сочетании с процедурой оптимизации.
а) б)
Рисунок 4 - Варианты исполнения цепной комбинированной муфты
Для дальнейшего совершенствования расчетов считаем целесообразным: во-первых, накапливать статистические данные о точности изготовления приводных цепей и звездочек, о динамике повреждений (в виде износа или разрушений) их основных элементов; о нагрузках, действующих на детали цепных муфт с обязательным учетом внешней динамики машинного агрегата; об экономических показателях цепных муфт; устанавливать связь между технологическими мероприятиями повышения качества цепей и звездочек и их экономическими показателями; во-вторых, расширять и углублять методику оптимального проектирования приводных цепей; совершенствовать методику оптимизации конструкции звездочек; в-третьих, совершенствовать и развивать методику расчета муфт с учетом современного состояния вопросов о трибологии [2], сопротивлении фриттинг-усталости [7] и действительных условий работы в реальных устройствах; в-четвертых, совершенствовать методику диагностики цепных муфт; в-пятых, по мере накопления информации развивать и углублять систему автоматизированного проектирования цепных муфт [11] в направлении сочетания расчета по характеристикам надежности с
процедурой оптимизации; в-шестых, совершенствовать методику сравнительной оценки цепных муфт с другими видами механических муфт.
Выводы.
1. Предложенная технико-экономическая модель цепных муфт является универсальной: с её помощью можно оценивать качество конкурирующих типов приводных цепей, звездочек и муфт;
2. Обоснованы главные направления развития конструкции приводных цепей, звездочек и других устройств цепных муфт. Причем основное внимание уделено прогнозированию совершенствования конструкций этих изделий;
3. Выявленные пути совершенствования конструкции цепных муфт реализованы в конкретных устройствах. В результате улучшены динамическое качество привода и условия работы деталей; как следствие этого, расширена область применения и повышена нагрузочная способность муфт;
4. Дан прогноз развития расчета цепных муфт, охватывающий шесть основных направлений его совершенствования.
Список использованных источников
1. Сергеев С.А., Москалев Д.В., Дмитракова Т.В. Перспективы развития цепных муфт // Наука Красноярья. -Красноярск, 2012. - № 1(01). - С.167-176.
2. Сергеев С.А. Цепные муфты: анализ и синтез: монография. - Старый Оскол: ООО «ТНТ», 2011. - 398 с.
3. Червяков Л.М., Сергеев С.А., Дмитракова Т.В. Системный подход к проектированию цепных муфт // Технология металлов. - 2011. - № 12. - С. 45-48.
4. Сергеев С.А. Технико-экономический анализ при выборе типа компенсирующей муфты // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2010. - № 1. - С. 28-33.
5. Климов Н.С., Трубников В.Н., Сергеев С.А. Надежность цепных муфт // Механическое оборудование металлургических заводов. - 2016. - № 1 (6). - С. 47-53.
6. Сергеев С.А., Трубников В.Н. Оценка эффективности параметрической оптимизации модернизированного профиля зубьев звездочки-полумуфты // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. -2016. - № 7. - С. 69-73.
7. Сергеев С.А. Повышение эффективности автоматизированного проектирования цепных муфт на основе создания их математической модели: дисс. ... на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - М., 2007.
8. Пат. № 55059 Российская Федерация, МПК F16D 3/54. Звездочка цепной муфты / Учаев П.Н., Емельянов С.Г., Сергеев С.А.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Курский государственный технический университет». № 2006107594/22; заявл. 10.03.2006; опубл. 27.07.2006.
9. Пат. № 60157 Российская Федерация, МПК F16D 3/54. Комбинированная упруго-цепная муфта / Учаев П.Н., Емельянов С.Г., Сергеев С.А.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Курский государственный технический университет». №2006110740/22; заявл. 03.03.2006; опубл. 10.01.2007 Бюл. №1.
10. Пат. №55905 Российская Федерация, МПК F16D 3/54. Цепная муфта / Учаев П.Н., Емельянов С.Г., Сергеев С.А.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Курский государственный технический университет». №2006110055/22; заявл. 28.03.2006; опубл. 27.08.2006 Бюл. №28.
11. Червяков Л.М., Сергеев С.А. Виды повреждений цепных муфт и критерии их надежности // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2011. - № 4. - С. 38-42.
12. Сергеев С.А., Трубников В.Н., Боев С.Г. Напряженно-деформированное состояние элементов приводных цепей // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. - 2017. - № 1. - С. 31-39.
13. Учаев П.Н., Сергеев С.А. Коэффициент полезного действия цепных муфт // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2009. - № 3. - С. 70-73.
List of sources used
1. Sergeev S.A., Moskalev D.V., Dmitrikova ^V. Prospects for the development of chain couplings // Science of Krasnoyarsk. - Krasnoyarsk, 2012. - No. 1 (01). - P.167-176.
2. Sergeyev S.A. Chain couplings: analysis and synthesis: monograph. - Stary Oskol: TNT LLC, 2011. - 398 p.
3. Chervyakov L.M., Sergeyev S.A., Dmitrikova ^V. System approach to the design of chain couplings // Technology of metals. - 2011. - No. 12. - P. 45-48.
4. Sergeyev S.A. Technical and economic analysis when choosing the type of compensating coupling // Izvestiya Tula State University. Technical science. - 2010. - No. 1. - P. 28-33.
5. Klimov N.S., Trubnikov V.N., Sergeev S.A. Reliability of chain couplings // Mechanical equipment of metallurgical plants. - 2016. - No. 1 (6). - P. 47-53.
6. Sergeyev S.A., Trubnikov V.N. Estimation of the efficiency of parametric optimization of the modernized profile of the teeth of an asterisk-half-coupling // Bulletin of the Kursk State Agricultural Academy. - 2016. - No. 7. - P. 69-73.
7. Sergeyev S.A. Increase the efficiency of automated design of chain couplings based on the creation of their mathematical model: diss. ... on the socisk. Uch. step. Cand. Tech. Sciences. - Moscow State Technological University, 2007.
8. Pat. No. 55059 Russian Federation, IPC F16D 3/54. Asterisk of the chain clutch / Uchayev P.N., Emelyanov S.G., Sergeev S.A.; The applicant and the patent holder of the VPO "Kursk State Technical University". No. 2006107594/22; Claimed. 10.03.2006; Publ. 27.07.2006.
9. Pat. No. 60157 Russian Federation, IPC F16D 3/54. Combined elastic-chain clutch / Uchaev P.N., Emelyanov S.G., Sergeev S.A.; The applicant and the patent holder of the VPO "Kursk State Technical University". №2006110740 / 22; Claimed. 03/03/2006; Publ. 10.01.2007 Bul. №1.
10. Pat. No. 55905 Russian Federation, IPC F16D 3/54. Chain clutch / Uchaev P.N., Emelyanov S.G., Sergeev S.A.; The applicant and the patent holder of the VPO "Kursk State Technical University". No. 2006110055/22; Claimed. 28.03.2006; Publ. August 27, 2006 Bul. №28.
11. Chervyakov L.M., Sergeyev S.A. Types of damage of chain couplings and criteria for their reliability // Repair, restoration, modernization. - 2011. - No. 4. - P. 38-42.
12. Sergeev S.A., Trubnikov V.N., Boev S.G. Stress-strain state of elements of drive chains // Bulletin of the Kursk State Agricultural Academy. - 2017. - No. 1. - P. 31-39.
13. Uchaev P.N., Sergeev S.A. Coefficient of efficiency of chain couplings // Bulletin of the Bryansk State Technical University. - 2009. - No. 3. - P. 70-73.
