автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Повышение эффективности защиты приводов машин от перегрузок адаптивными фрикционными муфтами второго поколения

На правах рукописи Лущик Александр Алексеевич /¿.—

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТЫ ПРИВОДОВ МАШИН ОТ ПЕРЕГРУЗОК АДАПТИВНЫМИ ФРИКЦИОННЫМИ МУФТАМИ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ

05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ИАП /ОН

Ростов-на-Дону - 2014

005548248

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО ДГТУ)

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент Шишкарев Михаил Павлович

Официальные оппоненты:

Хальфин Марат Нурмухамедович -

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор заведующий кафедрой «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова

Логунова Елена Олеговна -кандидат технических наук, доцент кафедры «Высшая математика» ФГБОУ ВПО РГУПС

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО КубГТУ, г. Краснодар

Защита состоится 3 июля 2014 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212.058.06 при Донском государственном техническом университете: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ауд. 1-252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО ДГТУ Автореферат разослан 24 Шре/1Я 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д-р техн. наук, профессор

А.Т. Рыбак

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одним из важнейших средств защиты от перегрузок машин являются предохранительные фрикционные муфты. Задача повышения стабильности вращающего момента частично решена фрикционными муфтами повышенной точности срабатывания, в которых автоматически изменяется давление на поверхностях трения в зависимости от коэффициента трения и нагрузки, поэтому в последнее время они называются адаптивными фрикционными муфтами (АФМ). Эффективность работы АФМ основана на повышении стабильности вращающего момента, что согласуется с ее оценкой по критерию точности срабатывания.

Особое место занимают АФМ второго поколения, обладающие повышенной нагрузочной способностью. Их недостатком является ограниченная точность срабатывания, что в ряде случаев не позволяет эффективно защищать приводы машин. Причиной этого является ограничение коэффициента усиления (КУ) обратной связи вследствие необходимости обеспечивать работу АФМ в адаптивном режиме во всем интервале значений коэффициента трения. Существующие исследования и конструктивные решения АФМ второго поколения не позволяют повысить точность срабатывания и улучшить защиту приводов машин от перегрузок.

Следовательно, задача, связанная с исследованием, проектированием и расчетом АФМ второго поколения, базирующаяся на установлении закономерностей силового замыкания фрикционных групп, является в настоящее время актуальной.

Цель работы - разработка элементов теории АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием для повышения точности срабатывания и нагрузочной способности муфт.

Объект исследования - процессы, происходящие в АФМ второго поколения при регулировании усилий замыкания пар трения основной (ОФГ) и дополнительной (ДФГ) фрикционных групп в зависимости от коэффициента трения.

Предмет исследования - АФМ второго поколения с комбинированной обратной связью.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов:

- в работе использованы теоретические и эмпирические методы исследования, решения задач, базирующиеся на экспериментальных данных и известных положениях теоретической механики, теории механизмов и машин, деталей машин, а также методов моделирования;

- достоверность полученных результатов подтверждается корректностью разработанных математических моделей, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальных наук и сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента.

На защиту выносятся следующие новые и содержащие элементы новизны основные положения:

- разработаны основы применения раздельного силового замыкания в АФМ второго поколения;

- выделены и изучены формы нагрузочной характеристики АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием;

- выявлены факторы, влияющие на точность срабатывания АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием;

- разработана научно обоснованная инженерная методика расчета и проектирования АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием.

Научная новизна работы заключается в том, что автором:

- созданы теоретические основы раздельного силового замыкания пар трения ОФГ и ДФГ в АФМ второго поколения для повышения стабильности передаваемой нагрузки;

- разработана принципиальная схема АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием и установлена закономерность распределения усилий замыкания пар трения ОФГ и ДФГ, обеспечивающая повышение точности срабатывания;

- найдены зависимости между величиной КУ, коэффициента трения и распределением усилий замыкания пар трения ОФГ и ДФГ, позволяющие реализовать две формы кривой нагрузочной характеристики, при которых АФМ имеет наибольшую стабильность передаваемой нагрузки.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

- разработана к обоснована конструкция АФМ второго поколения, основанная на использовании раздельного силового замыкания пар трения ОФГ и ДФГ, которое обеспечивает повышение стабильности передаваемой нагрузки;

- предложена инженерная методика расчета и проектирования АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием, позволяющая создавать муфты с высокой стабильностью передаваемой нагрузки;

- результаты исследования в виде разработанной методики расчета и проектирования АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием приняты к внедрению в ООО «Комбайновый завод «РОСТСЕЛЬМАШ», г. Ростов-на-Дону.

Апробация работы. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 5-й Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения», Ростов н/Д, 2012 г.; на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, Донской государственный технический университет, Ростов н/Д, 2011-2013 гг.; У-й научно-практической конференции «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии» в рамках IX Промышленного конгресса юга России, Ростов н/Д, 2013 г., 7-й Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения», Ростов н/Д, 2014 г.

По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 1 научная монография.

Структура и объем диссертации. Диссертация общим объемом 153 страницы состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы

из 99 наименований, включает 51 рисунок, 2 таблицы и приложения на 19 страницах. Основной текст диссертации изложен на 134 страницах машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведены краткое обоснование темы и актуальности работы.

В первой главе рассмотрены существующие конструкции АФМ, их классификация, способы повышения точности срабатывания, исследования статических и динамических процессов, происходящих в приводах с АФМ. Исследованием предохранительных муфт и АФМ занимались отечественные и зарубежные ученые В.К. Тепинкичиев, М.К. Афанасьев, В.А. Петриченко, А.З. Паламаренко, В.Р. Карамышев, P.M. Запорожченко и другие. Вопросы расчета и проектирования предохранительных фрикционных муфт и других устройств, работающих на основе сил трения, рассмотрены в работах Есипенко Я.И., Зельцермана И.М., Лопаткина М.Г., Попова Е.М., Хальфина М.Н. и других ученых. АФМ второго поколения наиболее полно исследованы в работах Шишкарева М.П.

Конструкция АФМ второго * ГТТТТ^-3 поколения (базовый вариант) (рис. 1) А

L*

позволяет повысить точность J-срабатывания и нагрузочную способность по сравнению с АФМ первого поколения. Муфта содержит соосные одна другой полумуфты 1 и 2, связанные между собой двумя фрикционными группами - ОФГ, которая состоит из дисков трения 3 и 4, и ДФГ, в состав которой входят нажимной диск 5 и диск 6. Диски 3 связаны со ступицей нажимного диска 5 способом, который позволяет им перемещаться относительно ступицы в осевом направлении (в данном случае техническое решение способа не конкретизировано). Диски 4 и 6 связаны аналогичным способом с барабаном

б

Рис. 1. Принципиальная схема АФМ второго поколения (базовый вариант)

полумуфты 2. Нажимной диск 5 не имеет кинематической связи со ступицей полумуфты 1 в окружном направлении, за исключением малозначимого трения меяаду ними. Управляющее устройство (УУ) муфты выполнено в виде тел качения 7, которые размещены в скошенных гнездах, выполненных на обращенных одна к другой торцевых поверхностях нажимного диска 5 и упорного диска 8. жестко закрепленного на ступице полумуфты 1 (рис. 1, сечение А-А). Силовое замыкание пар трения ОФГ и ДФГ осуществляется при помощи пружины 9, поставленной в муфту с предварительным натяжением. Для уменьшения сил трения, возникающих в процессе работы между нажимным диском 10 и пружиной, установлен упорный подшипник 11. Особенностью конструкции данной АФМ является ДФГ, которая, в отличие от ОФГ, не охвачена отрицательной обратной связью.

Учитывая особенность функционирования ДФГ, отсутствие дифференцированного нажатия пар трения фрикционных групп приводит к чрезмерному моменту сил трения ДФГ. Вследствие этого в базовом варианте АФМ второго поколения КУ ограничен значением, вычисляемым по формуле

. (1)

где zl - число пар трения ДФГ; /„ - максимальное значение коэффициента трения между парами трения ОФГ и ДФГ.

При значении КУ, превышающем ограничение (1), муфта в интервале значений коэффициента трения VCi...fm!sx (где С\ - увеличенное значение КУ) будет работать в режиме с положительной обратной связью, что негативно сказывается на ее точности срабатывания.

Попытка уменьшения момента сил трения в АФМ второго поколения была предпринята в работах Шишкарева М.П. Результаты исследований показали, что уменьшение среднего радиуса поверхностей трения ДФГ снижает величину момента сил трения последней и, соответственно, позволяет увеличить КУ обратной связи и точность срабатывания АФМ. Повышение точности срабатывания данного варианта АФМ относительно невелико из-за ограничения

отношения среднего радиуса пар трения ДФГ к среднему радиусу пар трения ОФГ. Указанное отношение средних радиусов не может быть меньше, чем 0,85. В этом случае возможное увеличение КУ, по отношению к базовому варианту АФМ, составляет 1,18, что в большинстве случаев практического применения незначительно влияет на повышение точности срабатывания муфты.

Анализ способов уменьшения момента сил трения ДФГ показал, что наиболее эффективно снижение силы прижатия друг к другу пар трения ДФГ за счет введения раздельного силового замыкания. Данный способ представляется перспективным, поскольку возможно варьирование момента сил трения ДФГ, увеличение КУ и точности срабатывания в более широких пределах.

Следовательно, совершенствование АФМ второго поколения должно быть направлено на разработку теоретических основ раздельного силового замыкания в АФМ второго поколения и их синтез, что позволит повысить точность срабатывания.

Основными задачами, которые предполагается решить в диссертационной работе, являются:

- определение условий высокой точности срабатывания на основе установления функциональных зависимостей между КУ управляющего устройства и коэффициентом трения;

- разработка и исследование АФМ, удовлетворяющей поставленной цели;

- исследование влияния КУ на устойчивость колебаний системы в процессе срабатывания;

- проведение экспериментальных исследований и апробация на модели разработанной конструкции АФМ;

- разработка методики расчета и проектирования АФМ.

Во второй главе разработаны теоретические основы и осуществлен синтез АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием пар трения ОФГ и ДФГ. Принципиальная схема АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием (конструктивный вариант 1) показана на рис. 2.

Полумуфты 1 и 2 связаны между собой фрикционными дисками 3 и 4, образующими ОФГ, дисками 5 и 6, составляющими ДФГ. Диски 3 и 5 соединены

A-A

Рис. 2. Принципиальная схема АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием

со ступицеи нажимного диска 7, лишенного кинематической связи (за исключением незначительных сил трения между нажимным диском и ступицей) с полумуфтой 1, и расположены по различным сторонам от

его фланца.

Диски 4 и 6 соединены с барабаном полумуфты 2. Часть дисков 3 соединены со ступицей полумуфты 1.

УУ обратной отрицательной связи АФМ выполнено в виде тел качения 8, которые расположены в скошенных гнездах, выполненных на обращенных один к другому торцевых поверхностях нажимного диска 7 и упорного диска 9, жестко закрепленного на ступице полумуфты 1 (сечение А-А).

Силовое замыкание пар трения ОФГ и ДФГ осуществляется при помощи двух пружин, поставленных с предварительным натяжением:

- пружина 10 осуществляет общее силовое замыкание пар трения ОФГ и ДФГ;

- пружина 11 замыкает пары трения ОФГ: своим правым торцом она опирается слева на упорный подшипник 13, поставленный между левым торцом пружины 10 и крайним правым фрикционным диском 5.

Применение данной схемы позволит снизить влияние момента сил трения ДФГ на распорную силу, и увеличить КУ.

На основе анализа схемы силового замыкания найдена математическая модель муфты:

rz-z¿\-nyjz2Cf-V)

Т„ = FRJ-

п п ср-'

1 + {z-z2)Cf

(2)

где Гп - сила натяжения пружины 10; Яср - средний радиус поверхностей трения пар фрикционных групп (принят одинаковым для обеих фрикционных групп); /

- текущее значение коэффициента трения в обеих фрикционных группах; 1 общее число пар трения ОФГ; - число пар трения ДФГ; г1 - число пар трения, непосредственно связанных со ступицей полумуфты 1; и - коэффициент: п = Рп1/Рп, где/V, - сила натяжения пружины 11, исходя из схемы АФМ, л<1; С

- КУ обратной связи.

Формула (2) отражает нагрузочную характеристику АФМ.

На основе равенства /у=/\, СРр - распорная сила), разграничивающего два режима работы муфты - адаптивный, с функционированием У У обратной связи, и неадаптивный, с блокированием действия обратной связи, найдено ограничение сверху величины КУ в виде:

С =---. (3)

г,(1 -и)/„

Формула (3) показывает, что за счет варьирования величины п можно достичь более высоких значений КУ, чем в базовом варианте АФМ.

Исследованием функции (2) установлено, что АФМ может иметь две различные формы нагрузочной характеристики.

Первая форма. Кривая, возрастающая в интервале значений коэффициента трения Уйт-Ли! (/тли ~ минимальное значение коэффициента трения). Для данного случая ограничение КУ принимает вид:

с<Л/1 + {г-г2)[г + г1(1-и)]/[г1г2(1-/г)]-1

0-*2)/та*

Вторая форма. Кривая, имеющая точку максимума внутри указанного интервала, исключая его граничные значення, при которых величины вращающего момента одинаковы. В этом случае фиксированное значение КУ определяется соотношением:

_ -у¡{т +1)2 + 4т(г - г2)[г + г,(1- и)] / [гхг2(1 - и)] - (т+1)

Установлено, что величина КУ, определяемая по соотношению (6), не превышает ограничение КУ по формуле (3) при величине коэффициента п, в

соответствии с соотношением

„<Ж£^£21±£.

2г, ^ ^

Исследования показали, что муфта с первой формой нагрузочной характеристики обладает более высокой точностью срабатывания и предпочтительна для применения на практике.

Исследование динамического режима работы АФМ основано на существовании ненулевой фазы между моментом трения скольжения фрикционных пар и распорной силой. Процесс срабатывания АФМ сопровождается скачком не только фрикционных сил, но и распорной силы, вследствие чего возникают автоколебания. При близости периодов автоколебаний и свободных колебаний квазилинейной автоколебательной системы с одной степенью свободы возможно наступление явления синхронизации.

Исходя из условия синхронизации автоколебаний, возникающих при работе муфты в динамическом режиме, выведено дифференциальное уравнение задачи:

Т

ф + Лгф = /(ф,ф) + -у8ШС0Г, (8)

где ф - угол упругого закручивания полумуфты; Га - амплитудный момент; I — момент инерпии; со - частота автоколебаний; ? - время.

На основе исследования начального периода колебаний в «малом» получено укороченное уравнение Ван дер Поля:

^Ф^ДСО«» 2ша 2./ю

где и - фаза автоколебаний.

Момент срабатывания характеризуется началом буксования пар трения: в это мгновение вращающий момент муфты становится равным моменту трения скольжения тел фрикционных пар Тс, а управляющее воздействие еще соответствует моменту Ти, так как переход из состояние покоя в состояние движения при стопорном режиме нагружения происходит скачкообразно и в соответствии с законом сохранения количества движения перемещение еще

отсутствует, а скорость принимает конечное значение. Учитывая это условие, выведены соотношения для момента трения скольжения (10) и первого амплитудного значения момента (11):

1 - я)С/п + ф ~ Щ- я)С/п

(2-1)С/п

где р - коэффициент, /> = /с / /„ < 1.

2{г - 1X1 - р)С/п + зг, (1 - 1 - р)С/„

(10)

(П)

(*-1)С/п

Условие устойчивости стационарного режима автоколебаний имеет вид А<О, поэтому после подстановки в соотношение (9) значений Тп, Тс и Та из (2), (10) и (11) и решения полученного неравенства ограничение КУ по динамическому режиму работы муфты принимает вид:

+ г, (1-й)]_

С<-

(12)

0.1 си 0.3

0.5 0.6 0.7 0Л 0.9

' 4гр/(1 -р)[(г+ п)] + те,/(1 -п) График зависимости (12) приведен на рис. 3 (кривая 2). Кривая 1 отражает стационарное ограничение КУ вычисленное по соотношению (4), кривая 2 - динамическое, вычисленное по соотношению (12). Из рисунка видно, что при я <0,4 динамическое ограничение КУ менее жесткое, а при я >0,4 - более жесткое, т. е. в первом случае следует выбирать значение КУ по стационарному режиму работы муфты, а во втором случае - по динамическому.

В третьей главе изложено содержание экспериментальных исследований и получены данные для режимов работы АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием, проведен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных. Основными задачами экспериментальных исследований являлись:

Рис. 3. Графики зависимости С(п)

Исследуемая муфта 1 7 3 / 5

— экспериментальное определение величины вращающего момента при различных коэффициентах трения для установления точности срабатывания и обработка результатов опытов;

- проведение сравнительного анализа и оценка сходимости экспериментальных и расчетных аналитических данных.

Экспериментальные исследования проводились на стенде, состоящем из 2-х электродвигателей постоянного тока мощностью 5,5 кВт каждый, балансирно смонтированных в опорах качения, один из которых являлся нагружающим устройством. В качестве пар трения использовались «сталь бОГ-чугун СЧ 15», «сталь бОГ-материал НСФ-5» и «чугун СЧ 15-резина» (смазанная и несмазанная). Величина коэффициента трения изменялась нанесением на поверхности дисков мелкодисперсных веществ (для первых двух пар) и

смазочного материала (для третьей пары), благодаря чему был воспроизведен интервал значений коэффициента трения 0,112...0,772. На рис. 4 приведена принципиальная схема экспериментальной установки. На ступице ведомой полумуфты закреплен маховик поз. 5. Ведомая полумуфта установлена свободно на валу нагружающего устройства и связана с ним через цилиндрическую винтовую пружину кручения поз. 6. На валу двигателя установлен 4-хконтактный кольцевой токосъемник 7 и муфта свободного хода 8. Датчики 1, 2, 3 и 4 предназначены для регистрации величины вращающего

~220В

Рис. 4. Принципиальная схема экспериментальной установки

момента.

По результатам экспериментальных исследований и математико-статистической обработки материала построены графики зависимостей Гп(/):

60

iS

so

0.15 OJO OAS 0.60

Рис. 5. Теоретические и экспериментальные нагрузочные характеристики базового варианта АФМ второго поколения

- для базового варианта АФМ второго поколения (рис. 5);

- для АФМ с раздельным силовым замыканием и первой формой нагрузочной характеристики (рис. 6);

- для АФМ с раздельным силовым замыканием и второй формой нагрузочной характеристики (рис. 7).

На рисунках экспериментальные кривые изображены штриховыми линиями, кривые, построенные по теоретическим зависимостям, - сплошными линиями.

Опытные данные обрабатывались с применением методов математической статистики. Проверка основной гипотезы с применением критерия согласия Пирсона «хи-квадрат» показала возможность ее

принятия. Проверка по всем сериям опытных данных с применением критерия Кохрена показала, что гипотеза об однородности выборочных дисперсий отвечает данным наблюдений. Оценка сходимости теоретических и опытных с использованием Р-критерия Фишера-Снедекора подтвердила адекватность теоретических и

экспериментальных кривых. В качестве параметров приняты их оценки: выборочное среднее и «исправленное» выборочное среднее квадратичное отклонение.

60

i5

SO

/

0.15 0Л0 0.< 5 0.60

Рис. 6. Теоретическая и экспериментальная нагрузочные характеристики

АФМ с первой формой нагрузочной характеристики

Найденные значения теоретического Т, Кт и полученного в результате

26

2S

20

// \

/ N1 \

1 \

0.15 OJO ОМ 0.60 Рис. 7. Теоретические и экспериментальные нагрузочные характеристики

АФМ с второй формой нагрузочной характеристики

экспериментов Ктj коэффициентов точности

составили:

- для АФМ с нагрузочной характеристикой в виде кривой, имеющей точку максимума внутри интервала изменения величины коэффициента трения ЛГТ=1,36, Ят1=1,5б.

- для АФМ с нагрузочной характеристикой в виде кривой, монотонно возрастающей внутри интервала изменения величины коэффициента трения Кг =2,33, £т1 = 2,79.

Опытные данные получены при искусственном изменении в ходе экспериментов коэффициента трения в интервале 0,112.. .0,772.

В четвертой главе изложена инженерная методика расчета и проектирования АФМ. При разработке методики учитывается ряд факторов, влияющих на работу муфты в приводе. С повышением точности срабатывания АФМ увеличиваются ее размеры и масса, которые также зависят от места установки муфты в кинематической цепи привода. АФМ защищает от перегрузок ту часть привода машины, которая располагается между источником механической энергии (двигателем) и муфтой. Поэтому первым исходным данным для расчета и проектирования АФМ является характер перегрузок, возникающих на рабочем органе машины. Вторым исходным данным является определение величины вращающего момента. Методика расчета основных параметров АФМ проиллюстрирована блок-схемой, изображенной на рис. 8.

Рис. 8. Блок-схема методики расчета

Разработаны методические рекомендации по настройке АФМ, а также ее перенастройке в процессе эксплуатации, описано влияние настройки АФМ на форму нагрузочной характеристики и точность срабатывания.

Соотношение усилий пружин, устанавливаемое при первоначальной настройке АФМ, определяет номинальный вращающий момент и точность срабатывания муфты. При вторичной настройке АФМ может измениться первоначальное соотношение усилий пружин и, соответственно, не только номинальный вращающий момент, но и точность срабатывания муфты. Приведен

графический способ определения величины соотношения усилий замыкающих пружин при перенастройке муфты, позволяющий сохранить ее точность срабатывания.

Определены предпочтительные области применения разработанных АФМ, даны, на основе чего даны практические рекомендации.

Методика расчета АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием получила положительный отзыв и принята к использованию в ООО «Комбайновый завод «РОСТСЕЛЬМАШ» при проектировании перспективных образцов техники. Ожидаемый социально-экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 364400 руб./год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение важной научно-технической задачи, заключающейся в повышении эффективности защиты приводов машин от перегрузок. Разработаны элементы теории АФМ с раздельным силовым замыканием, а также осуществлен синтез принципиальной схемы АФМ с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему.

1. Выполнен системный анализ отечественных и зарубежных АФМ, который показал их несоответствие современному уровню техники по эффективной защите приводов машин. Анализ исследований базового варианта АФМ второго поколения выявил причины их огршшченной точности срабатывания.

2. Разработаны теоретические основы раздельного силового замыкания в АФМ второго поколения, определено условие высокой точности срабатывания на основе уменьшения момента сил трения ДФГ, позволяющее в широких пределах варьировать КУ.

3. Разработана и обоснована конструкция АФМ второго поколения, основанная на использовании раздельного силового замыкания пар трения ОФГ и ДФГ, которое позволяет повысить точность срабатывания в 2,1 раза по сравнению с базовым вариантом АФМ.

4. Разработаны:

- математическая модель АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием;

- способы расчета параметров АФМ, при которых могут быть реализованы две различные формы нагрузочной характеристики для повышения точности срабатывания;

- инженерная методика расчета и проектирования АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием, позволяющая создавать муфты с высокой стабильностью передаваемой нагрузки.

5. Полученные решения позволяют:

- применять их для оптимизации значений параметров АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием по критерию точности срабатывания на стадии проектирования и расчета;

- качественно улучшить, облегчить и ускорить процесс проектирования и расчета АФМ за счет использования разработанной методики;

- использовать в качестве исходных научных положений в задачах синтеза и теоретических исследований принципиально новых конструктивных решений АФМ, обладающих улучшенными эксплуатационными показателями;

- применять для развития теории АФМ с отрицательно-нулевой обратной связью, обладающих повышенной точностью срабатывания.

6. Результаты исследования внедрены в ООО «Комбайновый завод «РОСТСЕЛЬМАШ» в виде методики расчета и проектирования АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием. Ожидаемый социально-экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 364400 руб./год.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Шишкарев М.П., Лущик А.А,; Угленко А.Ю. Адаптивные фрикционные муфты второго поколения. Исследование, конструкции и расчет: монография. -

Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2013. - 236 с.

Публикации в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

2. Шишкарев М.П., Лущик A.A. Эксплуатационные характеристики адаптивной фрикционной муфты второго поколения с раздельным силовым замыканием // Тракторы и сельхозмашины. - 2013. - № 3. - С. 28-31.

3. Шишкарев М.П., Лущик A.A., Угленко А.Ю., Кобзев К.О. Основы методологии расчета и проектирования адаптивных фрикционных муфт с раздельным силовым замыканием// Науковедение [Электронный ресурс]: кнтернет-журн. - 2013. - № 5 (18). - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/18tvn513.pdf, свободный-Загл. с экрана.

4. Шишкарев М.П., Лущик A.A., Угленко А.Ю., Кобзев К.О. Специфика методик расчета и проектирования адаптивных фрикционных муфт с раздельным силовым замыканием // Науковедение [Электронный ресурс]: интернет-журн. -2013. - № 5 (18). - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/18tvn513.pdf, свободный - Загл. с экрана.

Наиболее значимые публикации в других изданиях:

5. Лущик A.A., Шишкарев М.П. Синтез адаптивной фрикционной муфты второго поколения с раздельным силовым замыканием // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: материалы 5-й междунар. науч.-практ. конф. в рамках 15-й междунар. агропром. выстави! «Интераргомаш-2012», 29 февр.-1 марта. - Ростов н/Д, 2012. - С. 188-190.

6. Лущик A.A. Основные направления развития адаптивных фрикционных муфт второго поколения. // Инновационные технологии в машиностроении и металлургии: сб. ct.V науч.-практ. конф. - Ростов н/Д, 2013. - С. 191-194.

7. Шишкарев М.П., Лущик A.A. Выбор формы нагрузочной характеристики первого конструктивного варианта адаптивной фрикционной муфты с раздельным силовым замыканием // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: материалы 7-й междунар. науч.-практ. конф. в рамках 17-й междунар. агропром. выставки «Интераргомащ-2014», 25 февр.-27 февр. - Ростов н/Д, 2014, с. 206-209.

В печать ¿^2014.

Объём •/ О усл. п.'л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. Заказ №2 &&.Тираж/#£экз. Цена свободная

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина,!.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Донской государственный технический университет»

На правах рукописи

Лущик Александр Алексеевич 04201459913

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТЫ ПРИВОДОВ МАШИН ОТ ПЕРЕГРУЗОК АДАПТИВНЫМИ ФРИКЦИОННЫМИ МУФТАМИ

ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ

05.02.02. Машиноведение, системы приводов и детали машин

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Ростов-на-Дону - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ АДАПТИВНЫХ ФРИКЦИОННЫХ

МУФТ В СОВРЕМЕННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ.................................................9

1.1. Обзор предохранительных муфт............................................................................9

1.2 Классификация АФМ и место в ней муфт второго поколения...........................10

1.3 Фрикционные материалы, применяемые в АФМ.................................................11

1.4 Анализ существующих способов стабилизации вращающего момента предохранительных фрикционных муфт....................................................................15

1.5. Анализ существующих исследований АФМ.......................................................18

1.5.1 Режимы стационарного нагружения...................................................................18

1.5.2 Динамические процессы в приводах с АФМ.....................................................21

1.6. Основные направления совершенствования АФМ второго поколения. Цель и

задачи исследования......................................................................................................23

1.7 Выводы.....................................................................................................................27

2. РАЗРАБОТКА АДАПТИВНЫХ ФРИКЦИОННЫХ МУФТ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ С РАЗДЕЛЬНЫМ СИЛОВЫМ ЗАМЫКАНИЕМ............................28

2.1 Теоретические предпосылки применения раздельного силового замыкания в АФМ второго поколения........................................................................28

2.2 Разработка принципиальной схемы и исследование стационарного режима нагружения АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием...........35

2.2.1 Разработка и исследование адаптивной фрикционной муфты второго поколения с раздельным силовым замыканием.........................................................38

2.2.2 Исследование нагрузочной характеристики АФМ...........................................42

2.2.3 Установление оптимальной величины КУ........................................................47

2.2.4. Исследование точности срабатывания АФМ...................................................49

2.2.5 Исследование нагрузочной способности АФМ................................................62

2.3 Исследование динамических процессов при работе АФМ в приводе

машины...........................................................................................................................68

2.4 Выводы.....................................................................................................................74

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АДАПТИВНЫХ ФРИКЦИОННЫХ МУФТ............................................................................................75

3.1 Цель и задачи экспериментальных исследований...............................................75

3.2 Программа и методика экспериментальных исследований................................75

3.3 Технические и измерительно-регистрирующие средства для проведения экспериментальных исследований...............................................................................77

3.4 Подготовка датчиков и приспособлений стационарного

нагружения.....................................................................................................................81

3.5 Содержание экспериментальных исследований адаптивных фрикционных муфт................................................................................................................................82

3.6 Обработка полученных опытных данных.............................................................87

3.7 Анализ полученных результатов...........................................................................95

3.8. Выводы....................................................................................................................96

4 РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.............................................98

4.1 Разработка методики расчета и проектирования АФМ второго

поколения с раздельным силовым замыканием.........................................................98

4.2 Рекомендации по настройке адаптивных фрикционных муфт второго поколения с раздельным силовым замыканием.......................................................110

4.2.1 Определение рационального способа настройки АФМ.................................110

4.2.2 Настройка АФМ в процессе эксплуатации......................................................113

4.2.3 Влияние настройки АФМ на форму кривой нагрузочной характеристики............................................................................................................116

4.2.4 Исследование точности срабатывания при настройке АФМ.........................117

4.3 Рекомендации по применению АФМ с раздельным силовым

замыканием..................................................................................................................118

4.4 Внедрение и ожидаемый социально-экономический эффект...........................120

4.5 Выводы...................................................................................................................120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................122

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших средств защиты от перегрузок машин являются предохранительные фрикционные муфты. Задача повышения стабильности вращающего момента частично решена фрикционными муфтами повышенной точности срабатывания, в которых автоматически изменяется давление на поверхностях трения в зависимости от коэффициента трения и нагрузки, поэтому в последнее время они называются адаптивными фрикционными муфтами (АФМ). Эффективность работы АФМ основана на повышении стабильности вращающего момента, что согласуется с ее оценкой по критерию точности срабатывания.

Согласно классификации М.П. Шишкарева, существует три поколения АФМ. В основу классификации положен тип обратной связи, определяющий структурно-функциональную схему муфты. Особое место занимают АФМ второго поколения, обладающие повышенной нагрузочной способностью. Их недостатком является ограниченная точность срабатывания, что в ряде случаев не позволяет эффективно защищать приводы машин. Причиной указанного недостатка является относительно невысокий коэффициент усиления (КУ) обратной связи вследствие необходимости обеспечивать работу АФМ в адаптивном режиме в интервале значений коэффициента трения. Существующие конструктивные решения базового варианта АФМ второго поколения не позволяют повысить точность срабатывания и, следовательно, улучшить защиту приводов машин от перегрузок.

Следовательно, задача, связанная с исследованием, проектированием и расчетом АФМ второго поколения, базирующаяся на установлении закономерностей силового замыкания фрикционных групп, является в настоящее время актуальной.

Объект исследования - процессы, происходящие в АФМ второго поколения при регулировании усилий замыкания пар трения основной (ОФГ) и дополнительной (ДФГ) фрикционных групп в зависимости от коэффициента трения.

Предмет исследования - АФМ второго поколения с комбинированной обратной связью.

Цель работы - разработка элементов теории АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием для повышения точности срабатывания и нагрузочной способности муфт.

Задачами, которые предполагается решить в диссертационной работе, являются:

- установление причины ограниченной точности срабатывания базового варианта АФМ второго поколения;

- определение условий высокой точности срабатывания на основе установления функциональных зависимостей между КУ управляющего устройства и коэффициентом трения;

- разработка и исследование АФМ, удовлетворяющей поставленной цели;

- исследование влияния КУ на устойчивость колебаний системы в процессе срабатывания;

- проведение экспериментальных исследований и апробация на модели разработанной конструкции АФМ;

- разработка методики расчета и проектирования АФМ.

Методика исследований. Выполненные в работе исследования основаны на использовании положений теоретической механики, теории механизмов и машин, деталей машин, а также методов моделирования.

На защиту выносятся следующие новые и содержащие элементы новизны основные положения:

- разработаны основы применения раздельного силового замыкания в АФМ второго поколения;

- выделены и охарактеризованы формы нагрузочной характеристики АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием;

- выявлены факторы, влияющие на точность срабатывания АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием;

- разработана научно обоснованная инженерная методика расчета и проектирования АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- созданы теоретические основы раздельного силового замыкания пар трения ОФГ и ДФГ в АФМ второго поколения для повышения стабильности передаваемой нагрузки;

- разработана принципиальная схема АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием и установлена закономерность распределения усилий замыкания пар трения ОФГ и ДФГ, обеспечивающая повышение точности срабатывания;

- найдены зависимости между величиной КУ, коэффициента трения и распределением усилий замыкания пар трения ОФГ и ДФГ, позволяющие реализовать две формы кривой нагрузочной характеристики, при которых АФМ имеет наибольшую стабильность передаваемой нагрузки.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

- разработана и обоснована конструкция АФМ второго поколения, основанная на использовании раздельного силового замыкания пар трения ОФГ и ДФГ, которое обеспечивает повышение стабильности передаваемой нагрузки;

- предложена инженерная методика расчета и проектирования АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием, позволяющая создавать муфты с высокой стабильностью передаваемой нагрузки.

- результаты исследования в виде разработанной методики расчета и проектирования АФМ второго поколения с раздельным силовым замыканием приняты к внедрению в ООО «Комбайновый завод «РОСТСЕЛЬМАШ», г. Ростов-на-Дону.

Апробация работы. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 5-й Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения», Ростов н/Д, 2012 г.; на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, Донской государственный технический университет, Ростов н/Д, 2011-2013 гг.; У-й научно-практической конференции «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии» в рамках IX Промышленного конгресса юга России, Ростов н/Д, 2013 г., 7-й Междуна-

родной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения», Ростов н/Д, 2014 г.

По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 1 научная монография.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 99 наименований, включает 51 рисунок, 2 таблицы. Основной текст диссертации изложен на 134 страницах машинописного текста, приложения на 19 страницах.

1 СОСТОЯНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ АДАПТИВНЫХ ФРИКЦИОННЫХ МУФТ В СОВРЕМЕННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

1.1 Обзор предохранительных муфт

На всех этапах развития машиностроения большое внимание уделялось увеличению мощности машин и параллельному уменьшению их массы и размеров. Так как доля материала в общей структуре стоимости детали для серийного производства составляет, в среднем, 50...70 % [32, 44, 64], уменьшение общей массы деталей привода позволит снизить в соответствующем масштабе затраты на производство и стоимость изделий в целом. В основном это достигается либо опытно-конструкторской работой, направленной на поиск новых конструктивных решений, либо за счет применения современных материалов повышенной прочности, что сильно увеличивает стоимость оборудования, либо за счет снижения запаса прочности деталей машин.

В данных условиях остро встает проблема ограничения возможных перегрузок, существенно сокращающих ресурс отдельных деталей и машин в целом, или вообще выводящих оборудование из строя. Для решения данной проблемы разработаны предохранительные устройства различных конструкций. Наиболее широкое применение получили предохранительные муфты. Существует несколько типов предохранительных муфт, самыми распространенными из них являются фрикционные, пружинно-шариковые, пружинно-кулачковые и муфты с разрушающимися элементами. Фрикционные муфты обладают более высокой плавностью при буксовании по сравнению с муфтами других типов, бесшумны при работе. Однако, данным муфтам присущ существенный недостаток, заключающийся в нестабильности предельного вращающего момента [57]. Задача повышения стабильности передаваемого вращающего момента частично решена разработкой фрикционных муфт повышенной точности срабатывания. Эти муфты обладают свойством автоматического изменения силы нормального давления на поверхности трения в зависимости от текущего значения коэффициента трения, т. е. явля-

ются самонастраивающимися объектами, поэтому их называют адаптивными фрикционными муфтами (АФМ) [65].

1.2 Классификация АФМ и место в ней муфт второго поколения

Классификации АФМ основаны на их различии по форме фрикционных поверхностей (дисковые, конусные и ленточные) и конструктивным особенностям управляющего устройства (УУ) (с шариками, роликами, винтовыми парами, кулачками, комбинированные, с гидравлической обратной связью), либо по угловой жесткости и величине сигнала обратной связи (жесткие и упругие, с частичной и полной обратной связью) [7].

По мнению М.П. Шишкарева [81], основой принадлежности АФМ к какому-либо классу должен быть тип обратной связи, определяющий структурно-функциональную схему, которая устанавливает характер внутриструктурных связей. В соответствии с этим все современные АФМ разделены на 3 поколения.

Структурно-функциональная схема АФМ первого поколения построена на основе отрицательной одноконтурной обратной связи с одной фрикционной группой. Обратная связь создается при помощи УУ в виде тел качения.

Ограниченная стабильность вращающего момента АФМ первого поколения и принципиальная невозможность ее повышения [65] привели к созданию АФМ второго поколения, особенностью которых является введение ДФГ, что позволило значительно повысить стабильность вращающего момента, точность срабатывания, а также нагрузочную способность муфт. Отличительной особенностью АФМ второго поколения является возможность получения равенства распорной силы, возникающей от УУ и силы замыкающей пружины. Данное равенство разграничивает режимы работы муфты - режим с отрицательной обратной связью до, и режим с положительной обратной связью после наступления указанного равенства.

В рассмотренных выше АФМ используется отрицательная обратная связь по управляющему воздействию. Положительная обратная связь в АФМ второго

поколения не характерна и в основном режиме работы муфт не используется. Поэтому управляющее воздействие существует независимо от величины возмущающего воздействия, что приводит к снижению стабильности вращающего момента при малых значениях возмущающего воздействия [38]. В связи с этим созданы АФМ с переменной - отрицательно-положительной и положительной обратной связью — АФМ третьего поколения. Введение положительной обратной связи позволяет стабилизировать вращающий момент в интервале значений Лш1--/ср [38].

Эволюционная классификация АФМ, составленная на основе предложенного принципа, приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Классификация АФМ

1.3 Фрикционные материалы, применяемые в АФМ

Качество работы АФМ находится в сильной зависимости от конструкции и материала фрикционных вставок. В отличие от антифрикционных фрикционные материалы должны обладать высоким и стабильным коэффициентом трения, достаточной износостойкостью, прочностью, устойчивостью к температурным скачкам, воздействию абразива и агрессивных сред [10]. В частности, материалы фрикционных муфт должны обеспечивать плавное срабатывание системы без ав-

тофрикционных колебаний, проявляющихся в форме скрипа при пробуксовке и обеспечивать высокий срок службы.

Фрикционные элементы с порошковыми материалами изготавливают в виде дисков, секторных накладок и колодок различной конфигурации. Они представляют собой, как правило, конструкцию, состоящую из стального несущего каркаса, облицованного с одной либо с двух сторон слоем спеченного фрикционного материала [9].

Во фрикционных материалах сочетается металлическая несущая матрица, обладающая необходимыми свойствами: прочностью, износостойкостью, жаропрочностью и пластичностью, с хрупкими наполнителями, обеспечивающими достижение требуемых значений коэффициента трения и их стабильность и предотвращающими схватывание. В связи с этим порошковые фрикционные материалы представляют собой сложные композиции из металлических и неметаллических порошков. Доля последних нередко достигает 50-60 об. %. Высокое содержание неметаллических добавок сни�