Восстановление работоспособности предохранительных фрикционных муфт после срабатывания Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© М П. Шишкарев, 2013

УДК 621.825.54 М.П. Шишкарев

ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ ФРИКЦИОННЫХ МУФТ ПОСЛЕ СРАБАТЫВАНИЯ

Приведены результаты исследования влияния различных типов предохранительных фрикционных муфт на восстановление их функциональных способностей после окончания действия перегрузок. Показано, что условием автоматического восстановления работоспособности предохранительных фрикционных муфт является равенство друг другу величин момента трения скольжения муфты и номинального вращающего момента машины.

Ключевые слова. Предохранительная фрикционная муфта, работоспособность, коэффициент трения, перегрузка, вращающий момент, коэффициент запаса сцепления.

Состояние вопроса. К основным особенностям и преимуществам предохранительных фрикционных муфт, удовлетворяющим одному из предъявляемых к ним требований, относится способность автоматически восстанавливать собственную работоспособность после срабатывания [1, 2]. Под этим, очевидно, имеется в виду автоматическая готовность муфт к дальнейшей эксплуатации после остановки вращения, выключения привода и устранения причины перегрузки. Повторное включение привода происходит при наступившем коэффициенте трения покоя между парами фрикционной группы муфты, что полностью соответствует принимаемому при расчете соотношению между предельным моментом трения фрикционной группы и номинальным нагрузочным моментом, необходимым для нормальной работы машины [1].

Исследование периодов работы предохранительных фрикционных муфт, характеризующихся действием временной самоустраняемой перегрузки в период работы муфты, ранее не проводилось.

Постановка задачи исследования. Исследование возможности самовосстановления функций предохранительных фрикционных муфт различных классов после окончания действия кратковременных перегрузок.

Решение задачи. Рассмотрим встречающийся в практике эксплуатации приводов машин с предохранительными фрикционными муфтами случай, характеризующийся временным срабатыванием (буксованием) в результате наступившей перегрузки с самоустранением причин ее возникновения в процессе работы без остановки работы привода. Такой случай возможен, например, при эксплуатации машин, обрабатывающих неоднородную среду, в том числе с твердыми включениями сравнительно больших размеров (почвообрабатывающие, землеройные, дробильные, горные и др. машины) [1].

Предохранительные фрикционные муфты обычной точности срабатывания

Вращающий момент, передаваемый этими муфтами при номинальном режиме работы машины (без буксования муфты), определяется по формуле [1, 2]:

Тп, = zFп Иср , (1)

где z — число пар трения фрикционной группы муфты; Рп — сила натяжения замыкающей пружины (группы замыкающих пружин); Яср — средний радиус поверхностей трения фрикционных пар; — текущее значение коэффициента трения покоя.

После срабатывания муфты при буксовании момент сил трения фрикционной группы уменьшается до величины, равной

Т. = г¥ Я { ., (2)

с.] п ср с.. ' х '

где /с]. — текущее значение коэффициента трения скольжения.

Согласно данным работы [3], для нормального протекания хода технологического процесса машины должно выполняться соотношение

Тп.н = рнТ,, (3)

где Тпн — номинальный (настроечный) вращающий момент муфты; рн — коэффициент запаса сцепления: рн=1,25 [1]; Тн — номинальный момент (наибольший момент, потребный для работы машины) [3].

Для автоматического восстановления работоспособности муфты, которая заключается в надежной передаче вращающего момента Тн, необходимо выполнение условия:

Тс, = Тн. (4)

Для конкретной фрикционной пары величины коэффициентов трения покоя и скольжения связаны между собой следующим соотношением:

= , (5)

где п — коэффициент: п >1 [4].

С учетом соотношения (5)и на основе формул (1) и (2) связь между величинами вращающих моментов Тп] и Тс] выражается соотношением:

Тп,= пТс,. (6)

Одним из требований, предъявляемых к предохранительным муфтам, являются надежность и безотказность в работе, поэтому настройка муфты должна производиться по коэффициенту трения ¡тП (/т)п — минимальное значение коэффициента трения) [5].

Действительно, при настройке предохранительных фрикционных муфт по среднему коэффициенту трения они не будут обеспечивать надежную работу, так как кратность уменьшения величины коэффициента трения от среднего значения больше, чем величина коэффициента рн . Учитывая это, можно записать на основе равенства (6):

Т Т Т (7)

п.т1п с.тт п.н ' ^ '

где Тпт1п и Тст1п — соответственно настроечный вращающий момент и соответствующий ему момент сил трения скольжения муфты.

При буксовании муфта передает в кинематическую цепь привода машины вращающий момент, величина которого равна Тст1п (при / = /т1п), поэтому для

выполнения условия (4) должно соответственно удовлетворяться равенство, вытекающее из сопоставления формул (3) и (7):

РнТн = пТс.т,. (8)

Из равенства (8), учитывая формулу (4), следует очевидное равенство Рн = П. По материалам литературных источников величина коэффициента П для пар трения «металл-металл» и «металл-неметалл» составляет 1,5...2,0. Величина коэффициента Рн меньше и не попадает в указанный интервал, следовательно, в большинстве случаев равенство (8) не выполняется и автоматическое восстановление работоспособности муфты становится невозможным. В этом случае необходимо либо уменьшить полезную нагрузку, действующую на рабочий орган машины, либо остановить работу привода и повторно включить его без нагрузки или при нагрузке, меньше номинальной.

Другой способ повышения надежности работы муфт в указанном режиме

заключается в увеличении коэффициента запаса сцепления Рн до величины

коэффициента П . Однако при этом неизбежно увеличивается коэффициент превышения номинальной нагрузки в машине [1], что влечет за собой увеличение наибольшего вращающего момента, допускаемого слабейшим звеном машины. Уменьшение величины упомянутого вращающего момента за счет увеличения точности срабатывания муфт весьма проблематично, так как стабильность величины вращающего момента муфт данного класса зависит только от рассеяния величины коэффициента трения [2]. Адаптивные фрикционные муфты

Величина вращающего момента адаптивных фрикционных муфт (АФМ) первого поколения (типа муфты Н.Д. Вернера) при всех ведущих парах трения вычисляется по формуле [2]:

f .

Т = гГ Я ----(9)

^ п Яср1 + га.' [>

п.]

где С — коэффициент усиления (КУ) обратной связи АФМ.

При буксовании АФМ передает вращающий момент, величина которого, с учетом равенства (5), составляет

Тс,= гГп Яср . (10)

р п + гС{ш

Положим, что Тп ! = рТс ! (где р — коэффициент: р >1), получим, с учетом формул (9) и (10): п + га .

р = 1—Ст. (11)

1 + гСп,.

Применив изложенный выше подход, запишем:

р = рн. (12)

Согласно выражению (11), величина коэффициента р зависит от числа пар трения 2 фрикционной группы и от КУ С . Анализ функции (11) показывает, что она убывает по аргументам 2 и С (по каждому в отдельности): первые производные по указанным аргументам соответственно равны:

д р)с=

1 - п

др) 2 =

и, очевидно, отрицательны (при п > 1).

Следовательно, увеличение (раздельное или одновременное) параметров 2 и С приводит к уменьшению величины коэффициента р и, соответственно, величины перепада между моментом трения покоя и моментом трения скольжения АФМ. Это позволяет выполнить условие (12) при заданной величине коэффициента рн . Аналогично изменяется величина коэффициента р при изменении коэффициента трения покоя /п 1, поэтому максимальное значение р будет при значении f. .

Ш1П

Воспользовавшись равенством (12) в формуле (11), найдем требуемую величину ку С при заданной величине коэффициента Рн :

С = П -рн—. (13)

2(ш.П(РИ - 1)

Из выражения (13) следует, что при фиксированном значении коэффициента рн величина КУ С может быть уменьшена за счет увеличения числа пар трения 2 . Данный вывод представляется весьма важным, поскольку в динамическом режиме нагружения АФМ величина КУ имеет ограничение сверху по условию устойчивости движения привода. Точность срабатывания АФМ при этом не изменяется, поскольку постоянным остается так называемый приведенный КУ.

АФМ второго поколения (базовый вариант) передает вращающий момент, величина которого вычисляется по формуле [6]:

Т = РК f (2 +1)-(14)

Тп, ^пКсрfп, 1 + (2 - 1)С^ '

при 21 =1 (21 — число пар трения дополнительной фрикционной группы). Соответственно момент трения скольжения АФМ равен

Т = РЯ f (2 +1)п -(15)

1,1 ^Ясрfп, [п + (2 - 1)С4; ]п • (15)

По аналогии с изложенным выше и на основе соотношений (14) и (15) запишем:

р = [(2 + 1) - С^ ][п + (2 - 1)С4, ]п (16)

1 [(2 + 1) п - С^, ][1 + (2 - 1)С/. ]' ^ '

Попутно заметим, что р = 1/ V дс (где V дс — коэффициент, характеризующий действие предохранительной муфты при срабатывании [1]).

Особенностью рассматриваемой АФМ является ограничение величины КУ, имеющее вид С < 1/ fmax (fmax — максимальная величина коэффициента трения). В противном случае муфта на части интервала изменения коэффициента трения будет работать в неадаптивном режиме, что приведет к снижению точности срабатывания. В связи с этим, согласно соотношению (16), выделим в качестве переменных два параметра — г , fпi и исследуем их влияние на величину коэффициента р . При исследовании воспользуемся графическим способом, построив в координатных осях р - г графики при различных значениях коэффициента трения fпi. Графики построены при С =1,25 и п =1,5 (кривые 1 и 2). Прямая Рн отражает принятое в практике выбора и расчета предохранительных муфт значение, равное 1,25 [1].

Графики показывают, что величина коэффициента р убывает с увеличением числа пар трения г , причем, условие Рн > р выполняется при г >8. С увеличением коэффициента трения fП■x величина коэффициента р уменьшается (кривые 3 и 4).

Следовательно, только многодисковый вариант АФМ 2-го поколения обеспечивает автоматическое восстановление собственной работоспособности после срабатывания.

АФМ с пружиной сжатия-кручения относится к муфтам первого поколения, однако она обладает переменным КУ. величина которого зависит от коэффициента трения и, следовательно, от передаваемой нагрузки [7]. Вращающий момент такой муфты вычисляется по формуле:

Тп, = L {[А(п, + иО(1 - 2)] -V[ л^+юа - 2)]2 - В^) , (17)

где Л , В и L — константы, зависящие от геометрических параметров муфты в целом и пружины сжатия-кручения, а также от физико-механических характеристик материала пружины [7].

С учетом формулы (17) величина коэффициента р вычисляется по соотношению:

п ! + - 2)] -V[Л^, + кО(1 - 2)]2 - В(,,}

р = -!—-, . 2 • (18)

[Л^, + тЮпЦ - 2)] [Л^,+жОп(1 - 2)]2 - Впп,

В формуле (18) величины параметров Л и В зависят от числа пар трения г , поэтому функцию р(г) можно представить графически на рисунке кривой а. График показывает (кривая 5), что величина коэффициента р АФМ с пружиной сжатия-кручения несколько меньше, чем АФМ Н.Д. Вернера (кривая 1). Это объясняется тем, что АФМ с пружиной сжатия-кручения имеет переменный КУ, величина которого возрастает по мере увеличения передаваемой нагрузки. Поэтому в режиме буксования муфты величина КУ уменьшается, что, согласно выражению (11), приводит к уменьшению величины коэффициента р.

р

1,3 1,2

1Д 1

XI 2

ß=

5 3

j

8 10

Графики зависимости р(г) для различных типов предохранительных фрикционных муфт

Увеличение коэффициента трения ¡п 1 в АФМ с пружиной сжатия-

кручения приводит к уменьшению величины коэффициента р (кривая 6).

Очевидно, что аналогичная картина будет наблюдаться у АФМ с пружинами сжатия-изгиба [8] и у АФМ с У-образными упругими лепестковыми элементами [9], которые не исследованы в данной работе.

Результаты исследования могут быть использованы в практике расчета предохранительных фрикционных муфт различных типов при назначении оптимальной величины коэффициента запаса сцепления в зависимости от конструктивных параметров муфт.

Выводы

1. Условием автоматического восстановления работоспособности предохранительных фрикционных муфт после их срабатывания является, по меньшей мере, равенство друг другу величин момента трения скольжения муфты и номинального момента машины.

2. При принятом в практике расчета и конструирования предохранительных муфт значении коэффициента запаса сцепления автоматическое восстановление работоспособности предохранительных фрикционных муфт обычной точности срабатывания невозможно.

3. В АФМ величина перепада вращающих моментов, передаваемых без буксования и при скольжении, зависит от величины коэффициента трения. Максимальная величина перепада соответствует минимальному значению коэффициента трения.

4. Величина перепада вращающих моментов в АФМ зависит от числа пар трения фрикционной группы и коэффициента усиления обратной связи. Перепад вращающих моментов уменьшается с увеличением числа пар трения и коэффициента усиления.

5. Величина перепада вращающих моментов АФМ с переменным коэффициентом усиления меньше, чем у АФМ с постоянной величиной коэффициента усиления вследствие уменьшения при срабатывании не только коэффициента трения, но и коэффициента усиления.

1. Поляков B.C., Барбаш И.Д, Ряховский O.A. Справочник по муфтам. строение. Ленингр. отд-ние, 1974. - 352 с.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Л.: Машино-

2. Дьяченко С.К., Киркач Н.Ф. Предохранительные муфты. - Киев: Гостехиздат УССР, 1962. - 122 с.

3. Тепинкичиев В.К. Предохранительные устройства от перегрузки станков. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1968. - 112 с.

4. КухлингХ. Справочник по физике: Пер с нем. - М.: Мир, 1982. - 520 с.

5. Шишкарев М.П. Эффективность применения адаптивных фрикционных муфт // Изв. вузов. Машиностроение. — 2001. - № 1. — С. 27-31.

6. А. с. 1430633 СССР, МПК4 F 16 D 7/02. Предохранительная фрикционная муфта / М.П. Шишкарев (СССР). — № 4048607/25-27; Заявлено 26.02.86; Опубл. 15.10.88. Бюл. № 38. — 3 с.: ил.

7. А.с. 1295064 СССР, МПК4 F 16 D 7/02. Предохранительная фрикционная муфта / М.П. Шишкарев (СССР). — № 3968197/25-27; Заявлено 24.10.85; Опубл. 07.03.87. Бюл. № 9. — 3 с.: ил.

8. Шишкарев М.П. Задача о продольно-поперечном изгибе цилиндрической винтовой пружины в приложении // «Машиностроение: интеграция отраслевой и вузовской науки»: Материалы XII науч. — техн. конф. — Ростов н/Д, 1998. — С. 58—62.

9. Шишкарев М.П. Синтез адаптивной фрикционной муфты с переменным коэффициентом усиления управляющего устройства // Междунар. науч-техн. конф. «Интеграция отраслевой и вузовской науки: проблемы современного машиностроения»: Тез. докл. — Ростов н/Д, 2000. — С. 107-109. Й2Е

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Шишкарев Михаил Павлович — доктор технических наук, доцент, БЫБЬкагеу_т_р@та11.ги, Институт энергетики и машиностроения Донского государственного технического университета.

ГОРНАЯ КНИГА -

Практическая механика горных пород

В.И. Борщ-Компониец 2013 г. 322 с.

ISBN: 978-5-98672-342-6 UDK: 622.83

Приведены общие вопросы механики горных пород, позволяющие читателю получить знания, формирующие системное представление о механических закономерностях, протекающих в массивах при проведении горных выработок. Рассмотрены особенности горных пород и напряженного состояния массивов, закономерности проявления горного давления при проведении одиночных и очистных горных выработок, основные положения сдвижения горных пород при подземной и открытой разработке. Описаны методы изучения сдвижения и проявления горного давления, виды анкерного крепления, пучения горных пород.