CC BY
22
© A.B. Коперчук, A.B. Мурин, 2012
А.В. Коперчук, А.В. Мурин
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ БЛОКИРУЕМОЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ МУФТЫ ДЛЯ ПРИВОДОВ ГОРНЫХ МАШИН
Рассмотрены варианты усовершенствования блокирующего механизма гидродинамической предохранительной муфты, представляющего собой центробежную муфту с дробью. Представлены зависимости для определения максимального момента блокирующего устройства различных форм внутренней полости и результаты их экспериментальной проверки. Ключевые слова: привод горных машин, гидродинамическая предохранительная блокируемая муфта, максимальный момент блокирующего механизма.
Гидродинамические муфты (гидромуфты) достаточно широко применяются в приводах горных и горнотранспортных машин. Нагрузки в приводах таких машин с асинхронным электродвигателем требуют от двигателя особых характеристик, что приводит к снижению к. п. д. и утяжелению конструкции [1].
Короткозамкнутые асинхронные электродвигатели общего назначения имеют небольшой пусковой момент и быстро выходят из строя, если разгон их валов продолжается свыше 10 секунд. В ряде случаев применяются асинхронные коротко-замкнутые двигатели с повышенным пусковым моментом. Эти двигатели дороже и имеют несколько меньший к. п. д. Кроме того, пуск рабочей машины может происходить и под нагрузкой (иногда больше номинальной). Если при этом нет предохранительной гидромуфты, то электродвигатель к концу разгона оказывается сильно перегретым, а это вызывает необходимость применения электродвигателя повышенной мощности. При наличии предохранительной гидромуфты разгон значительно упрощается. Опыт применения таких устройств доказал возможность ограничения величины ускорения при пуске, что особенно важно в системах, имеющих большие маховые массы.
Однако серьезным недостатком гидромуфт является потеря энергии из-за наличия проскальзывания. Устранить скольжение в установившемся режиме можно при помощи механизма блокировки, который в идеале сохранил бы пусковые и предохра-300
Рис. 1 Гидродинамиче екая предохранитель ная блокируемая муфта
нительные свойства обычной гидромуфты, не создавая жесткой связи между ведущим и ведомым элементом. Некоторые конструкции блокируемых гидромуфт рассмотрены в работах [1], [2], [3], [4].
На кафедре прикладной механики Томского политехнического института была разработана и запатентована [5] гидродинамическая предохранительная блокируемая муфта с блокирующим механизмом, представляющим собой центробежную муфту с дробью и гофрированным диском (рис. 1).
Муфта содержит насосное колесо 1, турбинное колесо 2, блокирующее устройство 3 в виде центробежной муфты с дробью 5 и гофрированным диском 4, жестко соединенным с выходным валом.
Достоинствами данного блокирующего механизма являются:
• конструктивная простота;
• технологичность деталей;
• автоматическое восстановление работоспособности;
• компактные размеры, позволяющие разместить его внутри гидравлической части гидромуфты, не увеличивая ее габариты.
Максимальный момент Мтор (нм), передаваемый блокирующим элементом с полуторовой рабочей полостью можно определить по зависимости:
Мтор =П ук уш? {р^2 ( - г02) + 4г1р(2г12 - г02 )■
, П 2 ¡с 2 2\ , 16 3 , 3п 4"| , т
+ 2 Р (6г1 - Го) + "3" Г1Р +-8- Р ] + 2
г 3 (II- -1£) + 2 г 5 Г ( 5 3 ) + 15 Го
(1)
где / — коэффициент трения; — плотность материала сыпучего тела, кг/м3; ку — коэффициент пористости сыпучего материала; ю1 — угловая скорость корпуса муфты, с-1; р — радиус полутора, м; го — радиус свободной поверхности сыпучего тела, м; г1 — наибольший радиус плоской внутренней поверхности корпуса, м [6].
Расчет показывает, что для / = 0,15(сталь-сталь со смазкой [7], [8]);у = 7800 кг/м3; ку=0,65 [8]; ®1 = 157,1 с-1; Н = 2р =0,040 м; Г0 = 0,06 м; Я0 = 0,09 м (рис.2), максимальный момент, передаваемый блокирующим механизмом с полу-торовой рабочей полостью будет равен 89 нм.
Предохранительные гидромуфты предназначены для того, чтобы не допускать передаваемого момента больше заданной величины, которая обычно принимается 1,7...2,5 от номинального момента рабочей машины мн [9]. При сопоставлении рабочего момента экспериментальной гидромуфты Мрг=Мтахг/1,7 (рис.3) и максимального момента блокирующего механизма Мгор можно сделать вывод, что нагрузочная способность последнего недостаточна.
В связи с этим возникла необходимость повышения нагрузочной способности механизма блокировки. Т.к. пространство внутри насосного колеса гидромуфты не позволяет увеличить радиальный и осевой размер рабочей полости (см. рис. 1),
Рис. 2
Рис. 3. Статическая характеристика гидромуфты при степени наполнения 85%
а)
б)
Рис. 4
Рис. 5
предложено повысить максимальный момент блокирующего механизма за счет изменения формы внутренней полости. Из соображений технологичности выбраны цилиндрическая (рис.4 а) и клиновая (рис.4 б) форма. Были разработаны зависимости, определяющие максимальный момент, передаваемый механизмом с этими формами внутренней полости [1о].
Мцт =nykrf о,2 (( - Г2) + 2
í О? ,.2 Л
R3
мл = п-f-у kr-0 {l • r2 (r02 - г0 ) +
cosa
f Ti 2
Ro3
Ro
V 5 3 y
2 5
— Г 15 1
RL -1
V 5 3 У
f r2 0 \
V 5 3 У
+ — r0
15 0
2 5
H ro
(2)
(3).
Таблица 1
Мтор, Мкл Мкл Мцил,
нм (а=30°), нм (а=15°), нм нм
Расчетное значение М 89 69 93 135
расч.
Среднее экспери- 130 121 130 179
ментальное значение
М эксп.ср.
М эксп.ср./М расч. 1,46 1,75 1,4 1,33
Экспериментальные исследования рассмотренных конструкций проводились на кафедре теоретической и прикладной механики Национального исследовательского Томского политехнического университета. В качестве сыпучего рабочего тела были использованы шарики от подшипников из стали ШХ15 диаметром 4,763 мм. Материал корпуса сталь 20. Результаты испытаний представлены в таблице 1. На рис. 5 приведен график зависимости максимального момента блокирующего механизма М2 с клиновой формой от угла а рабочей полости.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
Значение максимального момента, передаваемого блокирующим механизмом с клиновой формой внутренней полости, снижается с увеличением угла а.
Отличия в величине максимального момента, определенного экспериментальным и расчетным методами, говорит о том, что значение коэффициента трения f=0,15 [8] явно занижено. Его значение нужно принимать равным 0,2...0,22, что достаточно хорошо согласуется с данными [11] для коэффициента трения шариков из стали ШХ15.
Для блокирующего механизма экспериментальной предохранительной гидромуфты возможно применение любой из рассмотренных форм внутренней полости, но наиболее пригодной с точки зрения технологичности и общей массы устройства является цилиндрическая.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Докукин A.B., Берман Б.М. Центробежные и объемные гидропередачи и перспективы их применения в горной промышленности. — М.: Недра, 1964. — 370 с.
2. Мурин A.B., Коперчук A.B. Снижение потерь энергии в приводах горных машин за счёт применения блокируемой гидродинамической муфты.
— Горное машиностроение: Сборник материалов. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня. — 2011. — № ОВ2. — М.: издательство «Горная книга». — C. 337—343.
3. Гавриленко Б.А., Семичастнов И.Ф. Гидродинамические муфты и трансформаторы. — М.: Машиностроение, 1969. — 392 с.
4. Атлас конструкций гидромашин и гидропередач / Б.М. Бим-бад, М.Г. Кабаков и др. — М.: Машиностроение, 1990. — 136 с.
5. А.с. 1075027А СССР. МКИ4 F16D39/00. Гидродинамическая предохранительная блокируемая муфта/ А.В. Мурин, В.А. Осипов (СССР). — №3390034/25—27; Заявлено 05.02.82; Опубл. 23.02.84, Бюл. №7. — 4 с.
6. Коперчук A.B., Мурин A.B., Осипов В.А. Экспериментальная проверка расчетной модели торовой дробовой центробежной муфты./ Современные техника и технологии: Труды VIII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. — Томск: Изд. ТПУ, 2002. — Т1. — 225с. с.168.
7. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. Т.1. — Машиностроение, 1978. — 728 с.
8. Осипов В.А. Основы выбора параметров предохранительных блокируемых муфт и предохранительных инерционных муфт для приводов машин (на примере машин химического производства)/ Дисс. канд. техн. наук. — Томск: ТПИ, 1987. — 118 с.
9. Иванов Е.А. Муфты приводов. — М.: Машгиз, 1959. — 411 с.
10. Коперчук А.В., Мурин А.В. Влияние параметров рабочей полости центробежных муфт с сыпучим рабочим телом на их энергоемкость. — Материалы докладов пятого международн. научн. симп. им. акад. М.А. Усова. Томск: Изд-во НТЛ 2001. — 561 с.
11. Крагельский И.В., Виноградова И.Э. Коэффициенты трения. — М.: Машгиз, 1962. — 220 с. ВЗШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Коперчук Александр Викторович — старший преподаватель кафедры механики и инженерной графики, е-шаП: Avkop@mail.ru,
Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета,
Мурин Алексей Викентьевич — кандидат технических наук, доцент кафедры теоретической и прикладной механики, Национальный исследовательский Томский политехнический университет.
