CC BY
52
УДК 629.5.03
УПРУГИЕ МУФТЫ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В ПРИВОДАХ МАШИН ELASTIC COUPLING FOR REDUCING DYNAMICS LOADS IN MACHINE DRIVES
С. А. Граков
ФГУП «ФНПЦ «Прогресс», Омск, Россия
S. A. Grakov
FSUE «FRPC «Progress», Omsk, Russia
Аннотация. В технике широко применяются соединительные упругие муфты, призванные компенсировать различные виды смещений и снизить влияние крутильных колебаний и резонансов, возникающих при передаче крутящего момента в трансмиссионных системах. В связи с необходимостью корректного выбора наиболее подходящего типа муфты актуален вопрос их применимости в конкретных условиях. Приведены основные особенности и классификация муфт по типу работы эластомерного материала: сжатие или сдвиг. Показаны пределы применимости композитных, а также преимущества традиционных материалов в конструкциях упругих муфт с рабочими упругими эластомерными элементами.
Ключевые слова: упругие муфты, эластомерные материалы, резинометаллический упругий элемент.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-1-40-44
I. Введение
Большая часть повреждений машин и механизмов возникает по причине колебания их деталей. В валах трансмиссионных систем возникают крутильные колебания, вызванные неравномерностью периодического момента движущих сил и сил сопротивления. Расчет крутильных колебаний механической системы позволяет подобрать пути снижения амплитуд колебаний, превышающих допустимый предел. Применение упругих муфт с эластомер-ными элементами является одним из путей снижения негативных последствий крутильных колебаний.
Упругие (эластичные) муфты с эластомерными рабочими элементами в технике применяются давно и успешно. Наиболее распространенный эластомерный материал в конструкциях муфт, передающих крутящий момент, - это резина. Также применяются силиконовые эластомеры и полиуретаны. Эластомерные материалы эффективно изолируют структурный шум и вибрацию.
Широкое применение во многих отраслях нашли муфты с привулканизованными к металлическим элементам резиновыми упругими рабочими элементами. Преимущество жесткого скрепления резины с металлом в конструкции муфты при передаче крутящего момента: исключается проскальзывание между резиной и металлом, что снижает износ. В шинных (горообразных) муфтах помимо напряжений от передачи крутящего момента возникают напряжения от обжатия борта. Поскольку резина подвержена релаксационным процессам, то необходимо для надежной работы стыка борт-фланец прикладывать избыточное усилие [1], напряжения от которого отрицательно влияют на общее напряженно-деформированное состояние.
Основное назначение упругих муфт - надежная передача крутящего момента, компенсация смещений осей валов (осевых, радиальных и угловых, см. рис. 1), снижение напряжений, вызываемых крутильными колебаниями и температурными деформациями. В случае с дизельными движителями установка упругой муфты наряду с демпферами [2] - необходимость, призванная снизить возникающие крутильные колебания и предотвратить вызванные ими усталостные разрушения отдельных элементов валопровода. Упругие муфты могут нести предохранительную функцию, разрушаясь при перегрузке, сохраняя целостность валолинии, что позволяет, заменив муфту, продолжить эксплуатацию машины или механизма.
Рис. 1. Смещения валолинии
Специфика эксплуатации валопроводных систем накладывает ряд ограничений на применимость различного типа муфт:
- эффективность передачи крутящего момента;
- минимизация веса;
- стесненные габариты;
- высокая надежность;
- ремонтопригодность, легкая замена отдельных элементов;
- длительный срок службы;
- высоконагруженные продолжительные режимы работы.
Корректный выбор упругой муфты очень важен для длительной и стабильной работы всей валолинии.
В целом по муфтам имеется обширная литература, как зарубежная [3], [4] так и отечественная [5], [6], [7]. Рассматривать упругие муфты вне контекста крутильных колебаний некорректно [8].
II. Постановка задачи
Цель данной работы - обзор и описание основных характеристик и особенностей применяемых в различных отраслях техники конструкций муфт с рабочими эластомерными упругими элементами, жестко скрепленными с металлом. Особенности данного типа муфт на текущий момент делают их незаменимыми при создании современных эффективных объектов энергетики, перерабатывающей промышленности и транспорта. Они являются важной частью виброзащитных систем, передающих крутящий момент механизмов.
III. Теория
Существует множество различных классификаций муфт с упругими эластомерными элементами. Остановимся на классификации по типу работы эластомерного материала [9], [10]. Работа эластомерного материала в муфтах при передаче крутящего момента возможна на сжатие или на сдвиг.
На сжатие резина работает в муфтах типа рис. 2. Между двумя полумуфтами возникают усилия, сжимающие эластомерные элементы. Количество упругих элементов может варьироваться: 4, 6, 8 и более.
Рис. 2. Муфта с работающим на сжатие эластомерным материалом, где 1 - упругий эластомерный элемент, 2 - металлический элемент
Не скрепленные с металлом эластомерные упругие элементы, работающие на сжатие, - это, например, муфты кулачкового типа. Между кулачками располагается упругий эластомерный элемент в виде звездочки или втулок, который воспринимает усилия, возникающие при передаче крутящего момента. Отличия между ними и муфтами, подобными приведенным на рис. 2, в том, что в одном случае к металлическим элементам эластомер жестко прикреплен, а в другом нет.
Практика показывает, что широкое применение в технике нашли муфты, в которых эластомерный материал работает на сдвиг. Для них возможно вертикальное или горизонтальное (диафрагменный тип [5]) расположение фланцев: соответственно рис. 3 и рис. 4.
Рис. 3. Муфта с вертикальным расположением фланцев (1 - упругий эластомерный элемент, 2 - металлические фланцы)
Рис. 4. Муфта с горизонтальным расположением фланцев (1 - упругий эластомерный элемент, 2 - металлические фланцы)
При вертикальном расположении фланцев площадь объединения металл-эластомер больше, чем при горизонтальном. При горизонтальном расположении фланцев муфта способна компенсировать осевые и угловые смещения. При вертикальном расположении фланцев для компенсации осевых, угловых и радиальных смещений требуется введение дополнительных конструктивных элементов (диафрагм).
Существуют преимущества и недостатки работы эластомерного материала на сдвиг и на сжатие.
Преимущества при работе на сжатие: высокая ударная стойкость, долгий срок службы. Недостаток: высокая жесткость, обусловленная свойством несжимаемости материала (коэффициент Пуассона эластомерного материала близок к значению л = 0,5), что приводит к низкой эффективности при борьбе с крутильными колебаниями.
Преимущества при работе на сдвиг: позволяет эффективней бороться с крутильными колебаниями в связи с особенностями нагрузочной характеристики, деформации не ограничены, возможно получить большие углы поворота, т.е. большую деформативность. Недостатки: больше габаритные размеры и, соответственно, масса конструкции муфты.
Эластомерные материалы обладают свойством демпфирования (упругий гистерезис). Это свойство используют для снижения колебательных процессов, тем самым позволяя осуществлять проход через резонанс без разрушения элементов валопровода. Высокое демпфирование при длительной динамической нагрузке может стать причиной выделения тепла (нагрев), что приводит к изменению упругих свойств (в случае резины - снижение жесткости) и в дальнейшем вызывает необратимые процессы в материале и разрушение. При проектировании муфт это следует учитывать и в случае необходимости предусматривать отвод тепла от массива эластомера.
Муфты (рис. 3, 4) хорошо зарекомендовали себя в системах с дизельными, газотурбинными, электродвигателями, а также в комбинированных энергетических установках. Для передачи больших моментов, порядка 1000 кН■ м (100 тс ■ м), муфты разбивают на сегменты (рис. 5). Данное конструктивное решение обосновано технологическими соображениями как при изготовлении, так и при монтаже.
Рис. 5. Сегментарная муфта
В случае необходимости возможно объединение нескольких элементов с целью достижения требуемых характеристик как по крутильной жесткости, так и по несущей способности (рис. 6)
Рис. 6. Комбинированная муфта. Слева приведено последовательное, а справа - параллельное соединение элементов
Широкое распространение композитов и отработка их технологии на данный момент позволяют производить надежные и высокоэффективные элементы валопроводов и соединительных муфт. Использование композитов имеет ряд преимуществ перед традиционными материалами, такими как сталь и титан [11]. Также возможно минимизировать количество болтовых стыков при изготовлении монолитных конструкций, например, рис. 7. Конструкция рис. 7 получила широкое распространение как муфта, компенсирующая осевые, угловые и радиальные смещения.
Рис. 7. Композитная монолитная муфта без эластомерного упругого элемента
Варианты конструкции монолитной композитной муфты с эластомерными упругими элементами приведены на рис. 8. При создании подобных муфт требуется надежное объединение эластомерного и композитного материалов. В резинометаллических элементах в стыке между резиной и металлом на текущий момент достигается прочность выше, чем прочностные свойства массива резины (т.е. предельная нагрузка, которую сможет передавать муфта, определяется прочностными свойствами резины).
Рис. 8. Варианты конструкций композитной муфты: 1 - эластомерный упругий элемент; 2 - промежуточный вал; 3 - фланцы
При всех своих преимуществах композитные материалы не могут на данный момент полностью вытеснить традиционные материалы. Ориентировочно муфты типа рис. 6 и рис. 7 надежно в течение длительного времени способны передавать крутящий момент до 200 кН ■ м (20 тс ■ м). Это ограничение обосновано технологическими соображениями, недостатком конструктивных решений и опытных данных. При тяжелых условиях работы и нагрузках больше 200 кН ■ м (20 тс ■ м) по-прежнему применяется сталь.
IV. Результаты расчетов
Минимальный требуемый внешний диаметр упругого элемента для муфт рис. 3 и рис. 4, исходя из критерия допускаемых предельных напряжений в эластомере [т]«0.3..0.5 МПа [9] для надежной передачи крутящего момента 1000 кН■ м (100 тс■ м), должен быть приблизительно 2000 мм.
Крутильная жесткость муфт рис. 3 и рис. 4 может различаться в 1,5-2 раза в зависимости от упругих свойств применяемого эластомера.
Муфты рис. 4 имеют большие углы закручивания в сравнении с муфтами рис. 3. Их используют как комбинацию двух и более одинаковых элементов, соединяя параллельно (рис. 6). При этом увеличиваются крутильная жесткость и несущая способность.
Муфты рис. 3 соединяют последовательно. Это снижает жесткость и, соответственно, увеличивает угол закручивания (рис. 6). В некоторых движительных системах зарекомендовала себя схема, состоящая из двух муфт данного типа с промежуточным валом. Подобная схема с применением композитных материалов приведена на рис. 8.
V. Обсуждение результатов
В конструкции гибких упругих муфт с эластомерным рабочим элементом для передачи крутящего момента до 200 кН ■ м (20 тс ■ м) перспективно применение композитных материалов.
Для моментов порядка 1000 кН ■ м (100 тс ■ м) наиболее подходящей является сегментарная конструкция упругой муфты (рис. 5).
Как указывалось выше, внешние диаметры упругих элементов муфт рис. 3 и рис. 4 при передаче крутящего момента приблизительно равны. Варьируются, в свою очередь, массы и количество упругих элементов. От количества элементов в наборе и присутствия или отсутствия промежуточного вала зависит установочная длина конструкции муфты в целом.
VI. Выводы и заключение
Приведены особенности и основные характеристики конструкций муфт, применяющихся для передачи крутящего момента, с целью снижения влияния негативных явлений, возникающих при крутильных колебаниях и смещениях валов. Показаны границы применимости композитных материалов в данных конструкциях на текущий момент.
Список литературы
1. Михайлов Ю. К., Иванов Б. С. Муфты с неметаллическими упругими элементами: теория и расчет. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. 145 с.
2. Сахаров А. Б. Защита судовых валопроводов от крутильных колебаний. М.: Транспорт, 1988. 117 с.
3. Göbel E. F. Berechnung und gestaltung von gummifrdern, Berlin, Springer, 1955. 86 p.
4. Mancuso Jon A. Coupling and jouints. Design, selection, and application, 1999. 582 p.
5. Трибельский И. А., Шалай В. В., Зубарев А. В., Трибельский М. И. Расчетно-экспериментальные методы проектирования сложных резинокордных конструкций: моногр. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. 240 с.
6. Справочник по муфтам / под общ. ред. В. С. Полякова. М.: Машиностроение, 1979. 344 с.
7 Ряховский О. А., Иванов С. С. Справочник по муфтам. Л.: Политехника, 1991. 384 с.
8. Терских В. П. Крутильные колебания валопроводов силовых установок. Т. 1. Л.: Судостроение, 1977.
9. Григорьев Е. Т. Расчет и конструирование резиновых амортизаторов. М.: Машгиз, 1960. 164 с.
10. Gent Alan N. Engineering with rubber: how to design rubber components / Alan N. Gent editor. Hanser; NY : Ox. Univ. Press, 1992. 334 p.
11. Граков С. А., Зубарев А. В., Бохан В. В., Угренев М. В. Использование композитных материалов в тонкостенных облегченных высоконагруженных судовых валопроводах // Судостроение. 2018. № 2. С. 50-51
