Упруго-демпфирующие характеристики шинно-пневматических муфт Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

^Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование 4'2011

УДК 621.82 5

Б.Д. Кукаленко, С.Г. Чулкин

УПРУГО-ДЕМПФИРУЮЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШИННО-ПНЕВМАТИЧЕСКИХ МУФТ

Надежность современных судовых установок, состоящих из сложных агрегатов, соединенных в одну кинематическую цепь, в значительной мере зависит от правильного подбора соединительных муфт. Судовой валопровод работает в сложных условиях, для которых характерно многообразие эксплуатационных режимов и возникающих при этом нагрузок.

Из всех муфт, применяемых в приводах судовых энергетических установок (дизельных и турбинных), наиболее совершенны шинно-пневматические муфты (ШПМ). Работоспособность таких муфт, устанавливаемых в судовом валопроводе в качестве разобщительного, упругого и шумоизолирующего элемента, в значительной мере определяется условиями развития крутильных колебаний, которые в свою очередь зависят от податливости и удельного трения, определяющих демпфирующие свойства самих муфт.

Главные признаки, характеризующие работоспособность и предельное состояние основного элемента муфты — резино-кордного баллона, — это его остаточная деформация и герметичность (целостность оболочки), определяемые воздействием высоких температур от внутреннего трения при крутильных колебаниях системы, которые передаются муфтой. Величина остаточной деформации выражается изменением геометрических размеров и может оцениваться величиной зазора между фрикционными колодками (колодочный вариант) или внутренним фрикционным протектором баллона (бесколодочный вариант) и внутренним барабаном муфты.

Обследование баллонов ШПМ непосредственно на судах показало, что зазор в муфтах за установленное время эксплуатации уменьшается с (6,5—7,0)-1(Г3 м до (1,0—1,5)-1(Г3 м. Выработанный ресурс муфт при этом составляет до 7—9 тыс.ч. при сроке службы 7—9 лет. Эксплуатация муфт в специфических условиях (присутствие газовой среды, воды, топлива) сокращает ресурс до 2,3—4,5 тыс.ч.

Были зафиксированы случаи разрушения баллонов. Причиной их разрушения при работе на максимальных оборотах стал недопустимо большой знакопеременный момент, действующий в муфте, что вызвано повышенной крутильной податливостью последней.

При обследовании баллонов был обнаружен разрыв покровной резины с расслоением кромок протекторов. По краю кромки внутреннего протектора зафиксированы очаги сильного расплавления кордного каркаса. Срезы разрушенных баллонов показали, что расплавление капронового каркаса вследствие высокой температуры (до 200 °С) способствует осмолению камеры и разрыву по наиболее разогретому участку каркаса.

Особый вид выхода из строя наблюдался у баллонов с рабочим давлением сжатого воздуха в муфте (13—15)-105 Па, у которых обнаружилось отслоение камеры и протектора от каркаса и расслоение самого каркаса. Установлено, что в местах отслоения камеры от каркаса образуются воздушные пузыри с внутренним избыточным давлением, что приводит кдеформации профиля баллона, выбору рабочего зазора в районе вспучивания и исключает возможность выключения муфты.

Возрастающие требования, предъявляемые к муфтам современных судовых установок в отношении передачи больших вращающих моментов, работы в условиях повышенных частот и возможного регулирования упруго-демпфирующих характеристик, приводят к необходимости совершенствования существующих и созданию новых ШПМ с повышенными эксплуатационными параметрами.

Естественно, что при решении поставленных задач возникает необходимость более качественного проектирования таких муфт. Действующая до настоящего времени методика проектирования баллонов ШПМ [1] в значительной мере устарела и сдерживает их модернизацию.

Для решения вопроса о замене методики проектирования требуется провести анализ накоп-

4

Машиностроение

ленных опытных данных по стендовым и эксплуатационным испытаниям муфт.

Необходимость дополнительного набора экспериментальных данных вызвана также и тем, что для изготовления баллонов приметаются новые кордные материалы и новые эластомеры (резины), свойства которых требуют изучения.

Таким образом, перечисленные сведения позволяют пересматривать и корректировать расчетные формулы методики.

Крутильная податливость е , характеризующая упругие свойства при скручивании и синусоидальном нагружении ШПМ, определяется как отношение переменной составляющей угла скручивания Л к амплитуде переменной составляющей вращающего момента Т7 [ 1 ]:

* А

е =—, 1/Нм. Г

(1)

Удельное трение (д муфты представляет собой соотношение между энергией Щ„р, поглощаемой муфтой, и потенциальной энергией при крутильных колебаниях:

Ж

ц =

тр

IV,

тр

пГА

г2 *

пг е

(2)

Радиальная и осевая жесткости, по которым также оцениваются упругие свойства муфты, представляют собой силу (нагрузку), которую нужно приложить к муфте для смещения одной из полумуфт на единицу длины в радиальном или осевом направлении.

Упруго-демпфирующие характеристики баллона в свою очередь зависят от его конструкции, типа применяемых резин и корда каркаса, из которых он изготовлен, частоты и амплитуды вращающего момента, а также температуры поля, развивающегося в массиве баллона.

Расчетные формулы для определения указанных характеристик были получены главным образом эмпирическим путем [ 1, 2] и приводятся без выводов.

Крутильная податливость баллона в ШПМ, изготовленного из резины на основе натурального каучука (НК) и капронового каркаса, может быть представлена так:

0,019

(1 + 0.561)1 1 + v ' ц 453,15 тл"

Нм

; (3)

А =

1 + -

0,316Г

0,5

А3

3

„3 '

п\г

где р — радиус кривизны срединнои поверхности каркаса в радиальном сечении, мм; /ь, —толщина внутреннего протектора, мм; й4 — толщина наружного протектора, мм; г^ — максимальный радиус вращения наружного протектора во включенном состоянии, мм; г4 — минимальный радиус вращения внутреннего протектора во включенном состоянии, мм; г0 — радиус точки профиля, соответствующий максимальной ширине оболочки (близко к гср — среднему радиусу), мм; г — число слоев корда в каркасе; /тах — максимальная температура в массиве баллона, К; X — частота крутильных колебаний, Гц.

Если баллон изготовлен из резины на основе синтетического каучука (СК) и капронового каркаса, крутильная податливость баллона е ШПМ определяется выражением

е =

0,019(0,0064*тах-0,748)Л

(1 + 0,561) 1 + -

4,02У,

V

-

1

Нм

(4)

А =

0,46

\

я я Г4 )

П\г

Р +

0,31 б/1

Расчетная схема сечения баллона, соответствующая состоянию баллона, наполненного воздухом, показана на рисунке. Ориентировочно можно полагать

Р = ^2">2)-

(5)

Чем больше удельное трение ц баллона муфты, тем реже проявляются условия резонанса и тем благоприятнее становятся условия работы силовой установки. Однако завышение удельного коэффициента демпфирования при увеличенной податливости и больших знакопеременных эластических моментах может привести к недопустимому нагреву баллона. Поэтому рассчитывают оптимальные значения ц, которые удовлетворяют как необходимой податливости, так и отсутствию перегрева массива баллона температурой внутреннего трения.

Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование 4'2011

Рис.1. Расчетная схема сечения резино-кордного баллона ШПМ: 1 — камера; 2— кордный каркас; 3 и 4— наружный и внутренний протекторы соответственно; г4— средний наименьший радиус каркаса; г2 — средний наибольший радиус каркаса

Удельное трение (д * рассчитывают по формуле

М'О

1-0> МО-5((-273,15)

(1 + 0,04г0)

0,392^ + 0,3 Р ,

к у

(6)

где — статическое удельное трение при гтах = =293,16 К(|а0 =0,16 —для резин на основе Н К;

= 0,22 — для резин на основе СК).

Из формулы (6) следует, что при определенной конструкции баллона проектант может регулировать коэффициент демпфирования (д в основном за счет изменения рецептуры материалов. Рецептура, составленная на основе СК, дает большие значения коэффициента демпфирования, чем при использовании НК.

Допускаемая величина амплитуды переменной составляющей вращающего момента может быть определена как

^яоп=0,168

(^доп ^возд)-^б

^ е У5

-, Нм, (7)

—+ 5,618-10_25

\ат

где / — допускаемая температура нагрева в массиве баллона в соответствии с ТЗ и ТУ, К; /возд — температура окружающего воздуха, К; Мб — масса баллона, кг; 5 — условная максимальная толщина стенки баллона, мм (см. рис. 1); ар-коэффициент теплоотдачи от стенки баллона в воздух, Вт/м^-К.

Максимальная температура в массиве баллона может быть определена выражением

35,506^ е/' Уб

г = _!_V

тах . ж

— + 5,618-Ю"2 5

Чат

(8)

Коэффициент теплоотдачи от баллона в воздух зависит от критерия Рейнольдса Ле

а = 3,300л/ю, Вт/(м2-К), если Яе = 2,4-105; (9)

а = 0,208ю°'8/п0'6, Вт/(м2-К), если Яе = 2,4-105; (10)

а = 2,012.4

-1,715

^ е Х8 М,

-

(Н) (12)

Вт/(м -К), еслию = 0. где Яе = 5,423 ют02.

Формулы (7) и (8) выведены для теплопередачи через плоскую пластину из резинотканевого (кордного) материала, имеющего постоян-5

В методике [1] формул, аналогичных (7) и (8), нет. Предложенный в методике способ оценки теплового состояния баллона по суммарной величине теплообразования недостаточен. Эмпирическая формула для расчета перепада температур пригодна в основном для частных случаев.

При расчете баллона ШПМ следует рассматривать весь комплекс формул (3)—(12) и вести вычисления методом последовательных приближений, поскольку многие входящие в них величины взаимно зависимы.

Для наиболее полной оценки упруго-демпфирующих свойств ШПМ при имеющейся несоосности валов, соединяемых муфтой, определяют также радиальную и осевую жесткости, характеризующие величину образуемых при этом реактивных сил, действующих на систему вало-провода с подшипниками, и допустимость той или иной расцентровки. Поскольку радиальная

4

Машиностроение^

жесткость баллона определяется в основном упругой силой деформации сдвига в элементах баллона, она может быть рассчитана по формуле

ср=4т, кН/м, (13)

где е* — условная крутильная податливость баллона при г = гтах, К; ку — условная частота крутильных колебаний:

2я

Однако радиальная жесткость не определяет пригодности к эксплуатации выбранной конструкции и параметров баллона муфты, тем более что зависимость ср от крутильной податливости е ограничивает возможность ее регулирования.

Осевая жесткость баллона с0 может быть определена по формуле

с0 = 56г0р, кН/м, (15)

тер — рабочее давление сжатого воздуха в баллоне, Па.

Как показали испытания, величина осевой жесткости с0 в 6—8 раз меньше радиальной жесткости ср

При особых требованиях, обусловливающих определенные упруго-демпфирующие свойства

муфты в системе валопровода энергетической установки, могут быть подобраны такие конструктивные и технологические показатели, которые дадут оптимальные значения осевой жесткости при сохранении других необходимых параметров баллонов муфты.

В заключение следует сказать, что предложенные откорректированные расчетные формулы для определения крутильной податливости е , удельного трения ц , допускаемой величины амплитуды переменной составляющей вращающего момента Faoп, максимальной температуры в массиве баллона /тах> а также радиальной жесткости ср и осевой жесткости с0 позволят проектанту учитывать повышенные требования заказчиков к эксплуатационным характеристикам баллонов ШПМ, серийно выпускаемых, а также новых типов и размеров.

2. Применение компьютерной программы по откорректированной методике расчета упруго-демпфирующих характеристик баллонов позволит оперативнее проводить модернизацию проектирования и изготовления шинно-пнев-матических муфт с улучшенными эксплуатационными параметрами в приводах судовых энергетических установок.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кукаленко, Б.Д. Силовые элементы упругих муфт. Конструирование, производство, эксплуатация |Текст| / Б.Д. Кукаленко. — Л.: Химия, 1977. - 143 с.

2. Пономарев, С.Д. Расчеты на прочность в машиностроении [Текст] / С.Д. Пономарев, В.Л. Би-дерман, К.К. Лихарев |и др. | — М.: Машгиз, 1958,- Том 2,- 974 с.

УДК623.1 1 3

И.А. Мазуренко, А.Г.Семёнов, В.В. Цветков

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СТАБИЛИЗАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ

Цель работы — разработка принципов построения систем стабилизации подвижных объектов, в частности легковых автомобилей (на примере которых будет излагаться в дальнейшем содержание статьи) и др. автотранспортных

средств (АТС), на основе акселерометров и обоснование числа датчиков ускорений, необходимых для описания стабильного положения или вычисления параметров движения объекта на основании показаний акселерометров.