автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Повышение уровня защиты привода от перегрузок с помощью адаптивной фрикционной муфты

На правах рукописи

Кобзев Кирилл Олегович

ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ ЗАЩИТЫ ПРИВОДА ОТ ПЕРЕГРУЗОК С ПОМОЩЬЮ АДАПТИВНОЙ ФРИКЦИОННОЙ МУФТЫ

Специальность

05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3°С£Н2!Л5

005562826

Ростов-на-Дону - 2015

005562826

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО ДГТУ) на кафедре «Информационное обеспечение автоматизированных технологических комплексов»

Научный руководитель Шишкарев Михаил Павлович

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты Бойко Николай Иванович

доктор технических наук, профессор заведующий кафедрой «Эксплуатация и ремонт машин»

ФГБОУ ВПО РГУПС

Бородина Марина Борисовна

кандидат технических наук, доцент доцент кафедры «Прикладная механика» СТИ НИТУ «МИСиС»

Ведущая организация:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный технологический университет», г. Краснодар.

Защита состоится 26 ноября 2015 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.058.06 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 и на сайте donstu.ru

Автореферат разослан С^т^г^^р^ 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор А.Т. Рыбак

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Анализ предохранительных муфт показывает, что, несмотря на высокие темпы научно-технического прогресса в области машиностроения, развитие и совершенствование конструкций предохранительных муфт заметно отстает, а их технико-эксплуатационные характеристики в целом недостаточно полно соответствуют современным требованиям по уровню защиты приводов машин.

Адаптивные фрикционные муфты (АФМ) обладают повышенной точностью срабатывания, однако в настоящее время они также не обеспечивают, в основном, необходимый уровень защиты от перегрузок. Среди многообразия различных классов АФМ второго поколения занимают особое положение, главным образом, благодаря повышенной нагрузочной способности и более высокой точности срабатывания при относительной конструктивной простоте. Данные эксплуатационные характеристики в течение определенного периода времени удовлетворяли необходимым требованиям по точности срабатывания.

Однако в связи с неуклонным повышением в настоящее время технических характеристик машин и механизмов, АФМ второго поколения утратили свои лидирующие позиции среди предохранительных механических устройств, сейчас их эксплуатационные характеристики, в целом, не отвечают необходимым современным требованиям.

Некоторое технологическое оборудование требует для осуществления технологических процессов сохранение действующих силовых факторов с минимальным (до 7... 10 %) отклонением от номинальных значений. К такому оборудованию можно отнести, например, ткацкие станки, автоматические сборочные приспособления и комплексы приборостроения, точной механики и т. п.

Для обеспечения высокой степени постоянства рабочих усилий и моментов в приводах указанного оборудования требуется использование АФМ с существенно более высокой точностью срабатывания в указанных выше пределах.

Данная научно-техническая задача требует применения принципиально нового подхода к созданию подобных предохранительных устройств, и проведения комплекса исследований по моделированию и оптимизации происходящих в ней процессов.

Решение поставленной задачи невозможно без радикального изменения принципиальной и конструктивной схем устройства отрицательной обратной связи при сохранении общей конструктивно-компоновочной схемы остальных узлов АФМ.

В современном машиностроении исследование предохранительных фрикционных муфт занимает ключевое место.

В настоящее время возможности повышения точности срабатывания

базового варианта АФМ второго поколения без существенных конструктивных изменений практически отсутствуют. В связи с этим решение задачи повышения точности срабатывания АФМ второго поколения является актуальным.

Целью работы является повышение точности срабатывания адаптивной фрикционной муфты второго поколения на основе установления закономерности изменения коэффициента усиления управляющего устройства обратной связи.

Основными задачами диссертационной работы являются:

- установление причин ограниченной точности срабатывания адаптивной фрикционной муфты второго поколения;

- разработка теоретических основ использования в адаптивной фрикционной муфте управляющего устройства (УУ) с переменным коэффициентом усиления (КУ);

- синтез конструктивного варианта УУ с переменной величиной КУ;

- апробация на модели и проведение экспериментальных исследований синтезированной адаптивной фрикционной муфты;

- разработка принципов настройки адаптивной фрикционной муфты с переменным КУ;

- разработка научно обоснованной инженерной методики расчета и проектирования адаптивной фрикционной муфты с переменной величиной КУ на основе теоретических и экспериментальных исследований.

Объект исследования - процессы, происходящие в АФМ с переменным КУ.

Предмет исследования - АФМ второго поколения с переменным КУ.

Научная новизна:

- найдена закономерность изменения величины коэффициента усиления, позволяющая создавать адаптивные фрикционные муфты с более высокой точностью срабатывания [п. 2 паспорта специальности 05.02.02];

- установлен и теоретически обоснован профиль гнезда под тела качения управляющего устройства для реализации найденной закономерности [п. 2 паспорта специальности 05.02.02];

- разработаны элементы теории возникновения перегрузок при использовании адаптивной фрикционной муфты с переменным коэффициентом усиления, позволяющие определить практическую точность срабатывания муфты [п. 5 паспорта специальности 05.02.02].

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

- элементы теории переменного КУ в АФМ второго поколения, позволяющие существенно повысить ее точность срабатывания;

- принципы реализации переменного КУ в конструкции АФМ с комбинированной обратной связью, позволившие осуществить конструктив-

ную разработку УУ обратной связи;

- принципиальная схема УУ, позволяющая реализовать переменный КУ в функции коэффициента трения и повысить точность срабатывания АФМ;

- научно обоснованная инженерная методика расчета АФМ с переменным КУ, которая позволяет осуществлять расчет и проектирование муфты, обеспечивающей высокий уровень защиты приводов машин и механизмов от перегрузок.

Практическая ценность работы:

- разработана научно обоснованная инженерная методика расчета, проектирования и настройки адаптивной фрикционной муфты второго поколения с переменным КУ, позволяющая создавать муфты с высокой точностью срабатывания;

- разработана методика расчета практической точности срабатывания адаптивной фрикционной муфты второго поколения с переменным коэффициентом усиления.

Реализация результатов работы. Инженерная методика расчета и проектирования адаптивной фрикционной муфты второго поколения с переменным коэффициентом усиления принята для использования в ЗАО «Донкузлитмаш», г. Азов (Ростовская область).

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на 3-й международной научно-практической конференции «European Science and Technology» (г. Мюнхен (Германия), 3031 октября 2012 г.), на 1-й международной научно-практической конференции «Science, Technology and Higher Education» (г. Вествуд (Канада), 11-12 декабря 2012 г.), 6-й международной научно-практической конференции в рамках 16-й международной агропромышленной выставки «Интерагромаш-2013» (г. Ростов-на-Дону, 26 февраля-1 марта 2013 г.), на 5-й научно-практической конференции «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии» в рамках 9-го Промышленного конгресса Юга России (г. Ростов-на-Дону, 11-13 сентября 2013 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 22 печатных работы, в том числе 10 в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 129 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованных источников из 105 наименований, содержит 2 таблицы, 28 рисунков и приложения на 9 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулирована цель работы, изложены основные научные и практические результаты работы.

В первой главе выполнен анализ существующих конструкций АФМ,

5

их классификации, способов повышения точности срабатывания, исследований статических и динамических режимов в приводах с АФМ. Исследованием предохранительных фрикционных 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 процессов 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 поколения (базовый вариант) (рис. 1) обладает более высокой точностью срабатывания и нагрузочной способностью по сравнению с АФМ первого поколения. Муфта содержит соосные одна другой полумуфты 1 и 2, связанные между собой двумя фрикционными группами - основной 3 и дополнительной 4. Нажимной диск 5 не имеет кинематической связи со ступицей полумуфты 1 в окружном направлении, за исключением малозначимого трения между ними. УУ муфты выполнено в виде тел качения 6, которые размещены в скошенных гнездах (рис. 1, сечение А-А), выполненных на обращенных одна к другой торцевых поверхностях нажимного диска 5 и упорного диска 7. жестко закрепленного на ступице полумуфты 1. Силовое замыкание всех пар трения осуществляется при помощи пружины 8. Особенностью конструкции ФМ является дополнительная группа 4, которая, в отличие от основной группы 3, не охвачена отрицательной обратной связью.

Отсутствие дифференцированного нажатия пар трения фрикционных групп приводит к чрезмерному моменту сил трения дополнительной группы. Вследствие этого в АФМ второго поколения КУ ограничен следующим значением:

-\J шах

где z, - число пар трения дополнительной группы; /тах - максимальное значение коэффициента трения между парами трения обеих групп.

Исследования базового варианта АФМ второго поколения показали, что ее эксплуатационные показатели не могут быть улучшены без суще-

Рис.1 Г^зинщгашывясхемаАФМ второго поката мя (бшовьвЧ тршнг)

ственного изменения принципиальной схемы УУ, а возможности значительного повышения точности срабатывания практически исчерпаны.

Исследования также показали, что закономерность изменения распорной силы УУ в реальных конструкциях АФМ второго поколения далека от требуемой, в связи с чем необходимо создание конструкции муфты с реализацией близкой к требуемой закономерности изменения величины КУ.

Вторая глава посвящена синтезу АФМ с переменным КУ и исследованию ее характеристик.

Распределение общей нагрузки муфты между парами трения основной фрикционной группой (ОФГ) и дополнительной фрикционной группой (ДФГ) в режиме полного их нагружения рассмотрено в работах Шишкарева М.П. Данное исследование имело в качестве практического результата установление ограничения сверху величины коэффициента усиления отрицательной обратной связи.

Картина распределения нагрузки в базовом варианте АФМ второго поколения с дифференцированными парами трения ОФГ в условиях передачи номинального вращающего момента при изменении величины коэффициента трения до настоящего времени не была исследована.

Исследования базового варианта АФМ второго поколения показали, что их эксплуатационные характеристики практически не могут быть улучшены без существенного изменения конструктивной схемы, а возможности значительного повышения точности срабатывания практически исчерпаны.

Исследования также показали, что закономерность изменения распорной силы в реальных конструкциях АФМ второго поколения далека от требуемой закономерности, в связи с чем необходимо создание конструкций АФМ с реализацией требуемой закономерности изменения величины КУ.

Основным направлением совершенствования АФМ второго поколения являются изменение конструкции управляющего устройства в АФМ второго поколения, с целью возможности реализации закономерности изменения распорной силы и для обеспечения переменной величины коэффициента усиления от величины коэффициента трения. Поскольку стояла задача создать переменный угол ОС, то следовательно при сохраненной схемы базового варианта, это невозможно, так как нажимной диск сам перемещаться не может, следовательно, введены новые промежуточные элементы. Принципиальная схема АФМ, показана на рис. 2. АФМ состоит из двух полумуфт 1 и 2, кинематически связанных одна с другой посредством двух фрикционных групп основной фрикционной группы (ОФГ), состоящей из дисков 3 и 4, а также дополнительной фрикционной группы (ДФГ), включающей диск трения 5 и фланец 6 нажимного диска 7. Диски 3 связаны со ступицей нажимного диска 7 способом, позволяющим им перемещаться в осевом направлении, при помощи специального шлицевого соединения, которое широко применяется в конструкциях предохранительных фрикционных

дисковых муфт. Диски 4 и 5 соединены аналогичным способом с барабаном полумуфты 2. Нажимной диск 7 лишен кинематической связи в окружном направлении со ступицей полумуфты 1, за исключением малозначимого трения между ними. УУ муфты состоит из тел качения 8, которые размещены в профилированных гнездах, выполненных на торцевых поверхностях опорной втулки 9 и жестко закрепленного на ступице полумуфты 1 упорного диска 10.

Опорная втулка 9 смонтирована в центральном отверстии нажимного диска, и связана с

ним посредством направляющей шпонки 11 в окружном направлении. В осевом направлении опорная втулка 9 поджата влево двумя пружинами 12 и 13, которые своими правыми концами опираются: пружина 12 - на торец центрального отверстия нажимного диска 7, пружина 13 - на жесткий упор, смонтированный на ступице полумуфты 1.

Данная конструкция УУ принята в соответствии с результатами разработок. Боковые стенки гнезд опорной втулки 9 и упорного диска 10 профилированы образующими в форме кривых линий.

Используя формулы текущего вращающего момента и номинального вращающего момента и приравнивая их друг другу с учетом минимального коэффициента трения, получаем зависимость величины КУ от текущего коэффициента трения:

Рис.2 ПриниипгалыаясхемаАФМ второго поколения с переменным КУ

С =

_ - /шш) ■- (г ■- ОСщщ/шш(г +г,) + г,/, - гх/тт (1 - Стт/тт)

(2)

- + ) - ^ - ЪСшп/шпМ/, +1) + ^

где I - количество пар трения основной группы; /т1п - минимальный коэффициент трения; / текущий коэффициент трения; Ст|п — минимальное значение КУ.

Величина номинального вращающего момента АФМ теоретически должна быть постоянной независимо от коэффициента трения. В соответствии с этим получено уравнение осевого равновесия опорной втулки 9 для произвольного положения:

-^-- (с, + с2 ----^-/ = 0 . (3)

Интегрирование уравнения (3) дает: (с, + с2 )гх;

а

(4)

2(- + г,)^/?ср/тш

где С, - постоянная интегрирования, которая определяется из начальных

условий: у, = Уо при х, = 0.

С учетом выражения (4) окончательно формула образующей стенки гнезда запишется в следующем виде, учитывая удвоенное перемещение опорной втулки (по отношению к осевому перемещению тел качения, уравнение кривой, очерчивающей боковую стенку гнезда): (С| +с2)г | 4г/} ^ 1 г,

с/

(5)

(.-+_-,)/^лР/т|П с/ ' ^г^'

где с, - осевая жесткость пружины 12; с2 - осевая жесткость пружины 13;

- текущая абсцисса, равная текущему осевому перемещению опорной втулки 9; гш - радиус тела качения 8, Ы - диаметр центрального отверстия нажимного диска; - средний радиус поверхностей трения; Рп - сила

натяжения пружины 9; /\ - коэффициент трения между нажимным диском

8 и направляющей шпонкой 11.

Профилирование боковых стенок гнезд под тела качения УУ позволяет реализовать зависимость для оптимального изменения величины С в

функции коэффициента трения и осуществить оптимальное регулирование с целью достижения высокой точности срабатывания исследуемой АФМ.

Исследование АФМ с переменным КУ, показало, что муфта не обладает точностью срабатывания, присущей «идеальной» АФМ, т. е. с постоянным предельным вращающим моментом. Поскольку исследования проводились в стационарном режиме нагружения на установке с укороченной кинематической цепью, т. е. с плавным увеличением нагрузки (время наступления полной перегрузки, приводящей к срабатыванию АФМ, больше, чем период собственных колебаний системы), влияние неучтенных динамических нагрузок практически ис-

Лу .Утш 8 1

У

\ ) 1

X

Рис. 3. Схема перемещения тела качения в гнезде

ключалось. Поскольку величина вращающего момента Тн при расчете и проектировании АФМ является исходной и задается как некоторая функция различных эксплуатационных факторов (номинальная мощность привода машины, место установки АФМ в кинематической цепи привода и т. п.), она считается постоянной. Кривая, очерчивающая боковую стенку гнезда под тело качения УУ, обеспечивает в каждой точке контакта с телом качения такой угол давления а,, при котором вращающий момент АФМ

теоретически равен моменту Тн. Однако для того, чтобы произошло перемещение тела качения 8 по образующей стенки гнезда, тело качения должно также переместиться вдоль оси опорной втулки 9, что означает сжатие пружин 12 и 13. Увеличение потенциальной энергии пружин, а также необходимость выполнения определенной работы против сил трения между нажимным диском 7 и направляющей шпонкой 11 требует приложения к АФМ дополнительной внешней нагрузки. Это означает возникновение перегрузки, несмотря на теоретическую характеристику точности срабатывания «идеальной» АФМ.

Схема, изображенная на рис. 3, иллюстрируют процесс перемещения тела качения 8 (номер позиции сохранен в соответствии с рис. 2) при автоматическом регулировании. Положение I тела качения соответствует работе АФМ при минимальном значении коэффициента трения. Ось абсцисс X проходит через центр тела качения, ось ординат у - через точку контакта боковой стенки гнезда и тела качения. В указанном положении тела качения начальная ордината точки контакта равна . Логично предположить, что максимальная перегрузка АФМ будет иметь место при максимальном значении коэффициента трения. В связи с этим в качестве второго положения тела качения относительно профиля боковой стенки гнезда соответствует положение II, соответствующее максимальному значению коэффициента трения . Этому положению соответствует ордината точки контакта 7тах. В рассматриваемом аспекте текущие абсциссы х,, и в том числе абсцисса -ТП12Х образующей кривой не принимали конкретных значений. Значения абсцисс определяли масштаб, в котором происходило построение кривой, образующей боковую стенку гнезда.

Процесс автоматического регулирования величины вращающего момента АФМ характеризуется совершением вращающим моментом определенной работы при упругом закручивании полумуфт одна относительно другой, которая расходуется на увеличение потенциальной энергии пружин 12 и 13 и против сил трения между нажимным диском 7 и направляющей шпонкой 11.

Работа вращающего момента вычисляется по следующей формуле:

Соответствующие приращения потенциальных энергий пружин 12 и 13:

ЛЯ, =

АР13=-

с\Х„

где - максимальное осевое перемещение опорной втулки 9. Значение текущей абсциссы вычисляется по соотношению:

т; 0 + -С,»,Х,„)(-- +1)/ + (г +1 - Стш/т)

Яр[(- + 1-Ст,п/„„„+Стт)^.....+/]/

-Г

2Т„

п13тт а •/'Ь+с,

(6)

Максимальная абсцисса .г^ точки контакта тела качения и боковой стенки гнезда соответствует максимальному значению коэффициента трения /тах. Получено выражение для вычисления максимальной перегрузки АГтах, вызванной увеличением коэффициента трения и наступлением общей перегрузки привода машины, при которой перемещение тела качения из положения I в положение II приводит к относительному закручиванию полумуфты АФМ на угол фтах :

ЕЛ.

а

дг . = -

2 (с, +с2).х1

"О™

л

С\

2 с/

Исследование режимов динамического нафужения АФМ с переменным коэффициентом усиления сводится к решению дифференциальных уравнений динамических систем. Найдем время включения АФМ с дифференцированными парами трения, соответствующий промежутку времени, в течение которого растет нагрузка от номинального вращающего момента Ти до момента срабатывания .

Двухмассовая система

является эквивалентной, в которой присутствует муфта и части привода, показанные на рис. 4.

Состав системы:

инерционная масса (эквивалентная система приведена к ведущему

валу АФМ - (позиция 1, рис. 4.); инерционная масса (состоящая из ротора двигателя и ведущей части АФМ - (позиция 2, рис. 4.); упругая связь (с

Ф,

Рис. 4. Расчетная динамическая схема 1

приведенной угловой жесткостью с, и с2 соответственно - (позиции 3 и 4, рис. 4.). Также упругая система адаптивной фрикционной муфты отражена позициями 3 и 4 на рис. 4.

Полагая, что демпфирование в системе и в АФМ мало и его следует не учитывать, а приведенный момент сил сопротивления в начале движения постоянный и равный Тн, приходим к следующим уравнениям

где J^, ./, - приведенные моменты инерции соответственно адаптивной фрикционной муфты и ведомой части привода; Та - движущий момент; фх, ф2 - обобщенные координаты движения системы (углы поворота соответственно инерционных масс 1 и 2).

В соответствии с найденными значениями сх и /с вращающие моменты, действующие на упругую связь 4, равны: - для привода с упругой АФМ

На основе исследования можно отметить, что с увеличением с2 уменьшается момент, возникающий в упругой связи 4 (для упругой муфты), и увеличивается вращающий момент Т"2 (для жесткой муфты).

Исследован режим нагружения привода, когда до включения АФМ перегрузка не является причиной остановки рабочих органов машины. Схема представлена на рис. 5. По-прежнему ротор двигателя и ведущие части муфты представлены инерционной массой 1, ведомые части муфты и привода машины, за исключением рабочего органа, - инерционной массой 2, рабочий орган машины и предмет, вызвавший перегрузку, - инерционной массой 3, угловые жесткости АФМ (упругая связь 4) и части привода, расположенной между муфтой и рабочим органом (упругая связь 5).

Уравнения движения системы запишутся в виде

~Фг) = Та,

^_ф2+с2ф2 = сх(фх -фг),

с,

'2

- для привода с жесткой АФМ

М + Сх (Фу-Ф1) = тл, ¿Ж -ф2) + С2^Фг -0з) = О,

д '

-т -т —,

„ с •

где ф2, ф} - обобщенные угловые координаты инерционных масс 1, 2 и 3; Тс - возможный рост вращающего момента на рабочем органе; / -время (взаимосвязано со скоростью роста перегрузки и Гс). 3

\

х Л

»С

\

ч\

У1

4Ц,

Ч»,

Рис. 5. Расчетная динамическая схема 2

Величина момента Тс зависит от типа технологической машины и возможностей ее использования, и определяется как (1,2...4)Гн.

Небольшое значение имеет Т\ . При Г < (

2ти1 Jt ^ шах

условие <Т:

выполнимо при г > 1, т. е. для использованной конструктивно-компоновочной схемы АФМ оно справедливо. В связи с этим, для нахождения максимального значения вращающего момента, который может передать муфта при возрастании внешнего момента до значения 7], использована формула распорной силы:

Т - Т'

- — Ша ■

г

При использовании формулы вращающий момент Г', вычисляется как

Исследуема! ыуфп

т-т\

^ а

г

откуда получаем (для полного вращающего момента Тп АФМ), что Тп =Т:. В связи с этим к концу второго промежутка времени когда

завершается распределение нагрузки в

-220В

муфте, внешний вращающий момент равен моменту трения.

В третьей главе изложено содержание экспериментальных исследований и получены данные для режимов работы АФМ второго поколения с пере-

Рис. 6. Принципиальная схема экспериментальной установки

менным КУ, проведен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных. Цель экспериментальных исследований - получение опытных результатов для определения точности срабатывания АФМ и проведение сравнительного анализа теоретических и экспериментальных данных для оценки их сходимости. Основными задачами экспериментальных исследований являются: при помощи эксперимента определение величины вращающего момента и обработка результатов опытов. Для решения поставленных задач спроектирована и создана экспериментальная установка. Принципиальная схема экспериментальной установки показана на рис. 6. Один из электродвигателей работает в режиме противовключения, т. е. является нагружающим устройством, с помощью которого имеется вероятность модифицировать величину момента сил сопротивления на ведомой полумуфте. Ведомая полумуфта смонтирована беспрепятственно на валу нагружающего устройства и сообщается с ним через цилиндрическую винтовую пружину кручения 6 (рис. 6.). Справа пружина связана с диском, смонтированным на валу при помощи шпоночного крепления, слева - с полумуфтой. На ступице ведомой части АФМ смонтирован маховик 5 (рис. 6.), играющего роль инерционной массы. Чтобы исключить встречное, по отношению к движению вала электродвигателя, вращение вала нагружающего устройства после старта буксование адаптивной фрикционной муфты, по причине уменьшения момента трения муфты в задней крышке нагружающего устройства произведен монтаж муфты без барьерного хода, обойма которой закреплена к крышке, а звездочка присоединена к валу нагружающего устройства с помощью шпоночного соединения. В связи с этим выполнено растачивание крышки с уменьшением размера втулки опорного подшипника.

Т, Н/м __Т, Н/м_

25

— -

/ 20 / // Г

Рис. 7 Рис. 8

Теоретическая и экспериментальная нагрузочные характеристики базового варианта АФМ второго поколения (рис. 7) и АФМ с переменным КУ (рис. 8) Опытные данные обрабатывались с применением методов математической статистики. Проверка основной гипотезы с применением критерия со-

гласия 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 данных с использованием ^-критерия Фишера-Снедекора подтвердила адекватность теоретических и экспериментальных кривых. В качестве параметров приняты их оценки: выборочное среднее и «исправленное» выборочное среднее квадратичное отклонение. Сводные результаты экспериментальных исследований и теоретических исследований приведены в таблице 1.

Таблица 1

Тип муфты 5,% Л, % К Т

АФМ второго поколения с переменным КУ 1,5 9,7 1,04 1.18

АФМ второго поколения (базовый вариант) 1,1 10.9 2,89 3,11

Экспериментальное исследование двух конструктивных вариантов АФМ с различными принципиальными схемами УУ в одинаковых условиях и полученные результаты позволили оценить уровень эффективности АФМ с переменным КУ по отношению к базовому варианту муфты. Эксперименты подтвердили более высокую точность срабатывания АФМ с переменным КУ, удовлетворительную сходимость теоретических и экспериментальных данных, которая составила:

- для АФМ с переменным КУ - 85,7 %;

- для базового варианта АФМ - 87,8 % (см. данные таблицы).

Согласно эксперименту номинальная нагрузочная способность АФМ с

переменным КУ несколько выше, чем у базового варианта (при одинаковых общих конструктивных параметрах муфт). Это объясняется отсутствием отрицательной обратной связи при минимальном значении коэффициента трения в АФМ с переменным КУ, что достигается особой конструкцией УУ. При остальных значениях коэффициента трения вращающий момент базового варианта АФМ выще, чем у АФМ с переменным КУ, что указывает на более высокую точность срабатывания последней.

Также в эксперименте имеет место влияние некоторых факторов, которые не были учтены в теоретических исследованиях. К таким факторам следует отнести: 1) неточность углового шага расположения гнезд под тела качения УУ и связанный с этим перекос нажимного диска относительно ступицы полумуфты, вызывающий дополнительные осевые силы трения

между ними; 2) трение в сочленении между фрикционным диском и полумуфтой.

Кроме того, более высокое расхождение значений для АФМ с переменным КУ объясняется неизбежными погрешностями при изготовлении профилей стенок гнезд под тела качения УУ.

В четвертой главе изложена инженерная методика расчета и проектирования АФМ второго поколения с переменным УУ. При разработке методики учитывался 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 величина номинального вращающего момента.

Методика расчета и проектирования АФМ предусматривает:

— расчет и проектирование УУ в целом и его отдельных элементов;

— расчет и проектирование ОФГ и ДФГ;

— расчет и проектирование нажимного узла.

Расчет и проектирование УУ. Максимальный угол давления атах должен иметь ограничение сверху, что обусловлено:

— необходимостью выполнения условия возврата опорной втулки 9 под действием усилий пружин 12 и 13 в исходное положение после снятия приложенной к муфте внешней нагрузки;

— необходимостью выполнения условия не превышения максимального значения КУ его предельной величины.

Диаметр тела качения 8 выбирается по условию контактной прочности, с учетом передаваемой им локальной нагрузки. Размеры гнезда под тело качения 8 должны строго соответствовать диаметру тела качения, как по глубине, так и по минимальному поперечному сечению.

Для определения наибольшей контактной нагрузки использована приведенная на рис. 9 схема сил, действующих в точке контакта между боковой стенкой гнезда и телом качения. Окружную (тангенциальную) силу ^

гнезда УУ

и осевую (распорную) силу можно заменить, по правилу силового треугольника, равнодействующей - силой нормального давления . Найдена рабочая глубина гнезда, определяемая по соотношению:

где I - количество пар трения ОФГ; Стп - минимальное значение КУ; /ш.п ~~ минимальный коэффициента трения; Лср - средний радиус поверхностей трения ОФГ и ДФГ; Ти — номинальный вращающий момент АФМ; с12 и с1} - осевые жесткости пружин 12 и 13 соответственно. Общая глубина гнезда определяется по соотношению:

где 5 - гарантированный осевой зазор между телом качения 8 и дном гнезда (см. рис. 9): 5=1...2 мм.

Расчет и проектирование нажимного узла. При расчете необходимо:

— учитывать в конструкции нажимного узла возможность настройки АФМ на необходимый номинальный вращающий момент с обеспечением точности регулирования силы натяжения пружины 14 в пределах ±3 %;

— учитывать схему и соотношение усилий упругих элементов УУ и нажимного узла при расчете необходимого усилия натяжения пружины 14 для настройки АФМ на необходимый номинальный вращающий момент.

При расчете, проектировании и эксплуатации предохранительных фрикционных муфт используется также способ настройки с учетом среднего коэффициента трения.

Данный способ основан на учете в формуле номинального вращающего момента коэффициента запаса Рн, который должен обеспечивать

надежную передачу номинального вращающего момента при всех значениях коэффициента трения, возможных в реальных условиях эксплуатации привода машины с предохранительной муфтой.

Обязательным условием надежной передачи номинальной нагрузки АФМ является отсутствие буксования муфты при минимальном коэффициенте трения. При настройке АФМ минимальный вращающий момент муфты, с учетом коэффициента запаса, вычисляется по выражению:

(\ + :С Кг + П/- +(г + 1-Г и

^ ^ \ ишк нии мин / ^ ним НЮХ

Я0=Яр+ДЯ + 6,

^ппп Рн ^п ^ср-/п

_ */ ПИП

1 + (^-1)С/П1Й1'

-О™,,

н п ср^ ПИП

При настройке АФМ с переменным КУ необходимо, чтобы минимальный вращающий момент муфты был равен ее номинальному моменту (с учетом запаса сцепления). Это объясняется тем, что данная муфта теоретически должна передавать постоянный вращающий момент при любом значении коэффициента трения.

Для обеспечения теоретически «идеальной» точности срабатывания АФМ необходимо выполнение следующего частного условия:

^н > ^"тах'

Формула предельного вращающего момента АФМ имеет следующий вид:

Т = R F R f

max гн' п cp^max'

АФМ с переменным КУ обладает наиболее высокой точностью срабатывания и более сложна конструктивно; ее целесообразно применять в тех случаях, когда возможные последствия перегрузок могут привести к значительному материальному ущербу, связанному с длительным выходом машины из строя и с большими затратами на ее восстановление. Эту муфту следует применять в приводах технологического оборудования, когда возникновение даже незначительных перегрузок может привести к производственному браку при изготовлении изделий. Кроме того, высокая точность срабатывания АФМ позволяет использовать ее с целью снижения общей массы привода машин, что особенно эффективно при использовании длинных и разветвленных кинематических цепей.

Методика расчета и проектирования АФМ была принята на предприятии ЗАО «Донкузлитмаш» Ростовской области (г. Азов) при использовании муфты в конструкции ножниц для резки арматурных стержней Н1226Г. Предполагается, что применение АФМ позволит уменьшить механические перегрузки в приводе ножниц и повысить ресурс их работы. В результате снижения годовых эксплуатационных издержек, связанных с обслуживанием и ремонтом ножниц, ожидаемый годовой социально-экономический эффект от внедрения при программе выпуска в 500 шт. составит 807 тыс. рублей (в ценах 2014 года).

Заключение

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 его ограниченной точности срабатывания.

2. Разработаны элементы теории переменного КУ в АФМ второго поколения, позволяющие создать основы повышения точности срабатывания муфты.

3. Сформулированы принципы реализации переменного КУ в конструкции АФМ с комбинированной обратной связью, позволившие осуществить конструктивную разработку УУ обратной связи муфты.

4. Разработана принципиальная схема УУ и конструктивного варианта, позволяющая реализовать переменный КУ в функции коэффициента трения и существенно повысить точность срабатывания АФМ.

5. Разработаны принципы настройки адаптивной фрикционной муфты с переменным коэффициентом усиления.

6. Результаты проведенных экспериментов подтвердили корректность теоретических разработок. Сходимость теоретических и экспериментальных результатов составляет 86 %.

7. Разработана научно обоснованная инженерная методика расчета АФМ с переменным КУ, которая позволяет осуществлять расчет и проектирование муфты, обеспечивающей высокий уровень защиты приводов машин и механизмов от перегрузок.

8. Ожидаемый годовой социально-экономический эффект от внедрения муфты в ЗАО «Донкузлитмаш» составляет 807000 рублей (в ценах 2014 г.).

9. Конструктивный вариант АФМ с переменным КУ применим не только в ножницах для резки арматурных стержней Н1226Г, но и в приводах сельскохозяйственной и железнодорожной техники.

По результатам исследований опубликовано 22 работы.

Основные публикации по теме диссертационной работы Публикации в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Кобзев К.О. Исследование точности срабатывания адаптивных фрикционных муфт с комбинированной обратной связью (часть 1) / Кобзев К.О. // Интернет-журнал «Науковедение», 2013 № 4(17) [Электронный ресурс]. - М. 2013. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/02tvn413.pdf, свободный - Загл. с экрана.

2. Кобзев К.О. Исследование точности срабатывания адаптивных фрикционных муфт с комбинированной обратной связью (часть 2) / Шиш-карев М.П., Кобзев К.О. // Интернет-журнал «Науковедение», 2013 № 4(17) [Электронный ресурс]. - М. 2013. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/03tvn413.pdf, свободный - Загл. с экрана.

3. Кобзев К.О. Синтез принципиальной схемы модернизированного варианта адаптивной фрикционной муфты с комбинированной обратной связью / Шишкарев М.П., Кобзев К.О. // Инженерный вестник «Дона», 2013 № 2 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1738, свободный - Загл. с экрана.

4. Кобзев К.О. Распределение нагрузки в адаптивных фрикционных муфтах второго поколения (часть1) / Шишкарев М.П., Кобзев К.О. // Инженерный вестник «Дона», 2013 № 3 [Электронный ресурс]. - Режим доступа:

http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1784, свободный - Загл. с экрана.

5. Кобзев К.О. Распределение нагрузки в адаптивных фрикционных муфтах второго поколения (часть2)/ Шишкарев М.П., Кобзев К.О. // Инженерный вестник «Дона», 2013 № 3 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1785, свободный - Загл. с экрана.

6. Кобзев К.О. Методологические основы расчета и проектирования адаптивных фрикционных муфт / Шишкарев М.П., Кобзев К.О. // Интернет-журнал «Науковедение», 2013 № 4(17) [Электронный ресурс]. - М. 2013. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/19tvn513.pdf, свободный

- Загл. с экрана.

7. Кобзев К.О. Эксплуатационные характеристики адаптивной фрикционной муфты второго поколения / Шишкарев М.П., Кобзев К.О. // Интернет-журнал «Науковедение», 2013 № 4(17) [Электронный ресурс]. - М. 2013. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/75tvn413.pdf, свободный.

- Загл. с экрана.

8. Кобзев К.О. Элементы теории отрицательно-нулевой обратной связи в адаптивных фрикционных муфтах / Шишкарев М.П., Кобзев К.О. // Вестн. ДГТУ.-№ 1.-С. 180-191.-2014.

9. Кобзев К.О. Основы методологии расчета и проектирования адаптивных фрикционных муфт с раздельным силовым замыканием / Шишкарев М.П., Лущик А.А, Угленко А.Ю., Кобзев К.О. (статья), Науковедение: интернет-журнал: [Электронный ресурс]: электрон, науч. журн. -2013. -№ 5. - Режим доступа: http://www.naukovedenie.ru/PDF/17tvn513.pdf. - Загл. с экрана. -№ гос. регистрации 0421200136.

10. Кобзев К.О. Специфика методик расчета и проектирования адаптивных фрикционных муфт с раздельным силовым замыканием / Шишкарев М.П., Лущик А.А, Угленко А.Ю., Кобзев К.О. (статья), Науковедение: интернет-журнал: [Электронный ресурс]: электрон, науч. журн. -2013. -№ 5. - Режим доступа: http://www.naukovedenie.ru/PDF/18tvn513.pdf. - Загл. с экрана. -№ гос. регистрации 0421200136

Подписано в печать 21.09.2015г. Формат 60x94/16. Бумага офсетная. Уч.-печ. л. 1,25. Заказ № 136/9. Отпечатано 22.09.2015г. Тираж 100шт. ООО «ДГТУ-Принт», 34400, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1