Обоснование рациональных параметров пускозащитных муфт

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Развитие современной науки и техники направлено на создание и выпуск машин и оборудования, позволяющих улучшать условия труда и повышать его производительность и эффективность. В настоящее время в приводах многих технологических машин применяются муфты различной конструкции, однако результаты разгона этих приводов во многом зависят от правильного выбора типа соединительных муфт.

Повышение ресурса и качества технологических машин, улучшение условий эксплуатации и возможности предохранения от выхода из строя, а продукции — от брака, может быть достигнуто установкой в привод машин пуско-защитных муфт.

Плавный пуск машин при помощи специальных муфт позволяет снижать динамические нагрузки, ускорения и напряжения в системе и, как следствие, приводит к сокращению процента брака готовой продукции и повышению долговечности приводов. Это может быть достигнуто при обеспечении возможности регулирования времени разгона ведомых частей, при автоматическом включении ведомого вала при достижении ведущим определенной частоты вращения, что облегчает пуск электродвигателя при значительном сокращении длительности потребления пускового тока.

Однако недостаточная разработка теории пускозащитных муфт, малая изученность переходных процессов при работе муфт и отсутствие опыта их создания препятствует их широкому применению в качестве пусковых и предохранительных устройств в технологических машинах. В связи с этим возникла необходимость в проведении комплексных исследований пускозащитных муфт. Этому и посвящена рассматриваемая работа.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Повышение эффективности приводов транспортных машин путем использования научно-обоснованных параметров конструкций пускозащитных муфт, улучшающих динамику разгона машины и увеличивающих ее ресурс и качество работы.

Для достижения поставленной цели потребовалось:

— определить законы движения ведущего и ведомого валов муфты и выявить условия, обеспечивающие рациональный закон движения исполнительного органа;

— изучить движение шара в механизме включения муфты с учетом потерь на трение в самой муфте и создать математическую модель разгона машинного агрегата с пускозащитной муфтой;

— изучить влияние количества шаров и их размеров, угла контакта шаров с поверхностью упорного диска, формы поверхности упорного диска на параметры разгона машинного агрегата;

— выполнить динамический синтез рабочей поверхности упорного диска для обеспечения плавности разгона технологической машины;

— создать алгоритм, методику расчета и проектирования пускозащитных муфт;

— разработать экспериментальное стендовое оборудование и экспериментально исследовать параметры разгона агрегата, оборудованного пускозащитной муфтой.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В основе динамики разгона машинного агрегата с пускозащитной муфтой лежат дифференциальные уравнения движения технологической машины. Их решение осуществлялось с помощью степенных рядов, а для решения системы дифференциальных уравнений, описывающих движение привода, шара и электродвигателя, применялся метод Рунге-Кутта. Численное решение задачи определения динамических и кинематических параметров привода в зависимости от основных параметров муфты проводилось в системе «MathCAD». Для проверки адекватности разработанных теоретических положений и полученных с помощью программы результатов был проведен комплекс модельных физических экспериментов на специально разработанном стенде с использованием современной измерительной аппаратуры.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА состоит в разработке метода расчета и проектирования новой конструкции пускозащитной муфты, отличающейся от традиционных схем наличием упорного диска с криволинейной поверхностью, позволяющей получать требуемый закон движения исполнительного органа технологической машины более простыми и надежными средствами по сравнению с существующими конструкциями муфт.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Математическая модель разгона машинного агрегата с пускозащитной муфтой, с учетом кинематики движения шара в механизме включения муфты и потерь на трение в самой муфте, обеспечивающая рациональный закон движения исполнительного органа.

2. Взаимосвязь параметров пускозащитной муфты: количества шаров и их размеров, угла контакта шаров с поверхностью упорного диска, формы поверхности упорного диска и их влияние на параметры разгона машинного агрегата, расчётные зависимости для определения геометрических размеров деталей муфт и рациональные соотношения между ними, снижающие динамические нагрузки механического привода и обеспечивающие заданные условия включения муфты.

3. Методика синтеза рабочей поверхности упорного диска, позволяющая профилировать регулирующий диск для обеспечения плавности разгона технологической машины.

4. Алгоритм и методика расчета пускозащитных муфт для проектирования типоразмерных и параметрических рядов.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ обеспечивается корректностью постановки задачи, обоснованностью используемых теоретических зависимостей, применением известных математических методов, проведением эксперимента и согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными (до 5%), полученными автором на разработанном экспериментальном стенде с использованием современной аппаратуры, а также результатами промышленных испытаний.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ результатов работы состоит в том, что разработанный метод анализа и синтеза позволяет создавать конструкции пускозащитных муфт с заданными техническими характеристиками, улучшающими динамические качества технологических машин и повышающими их ресурс.

Разработанная на основе математической модели программа расчета основных параметров пускозащитных муфт может быть использована в конструкторских бюро и технических отделах малых и средних промышленных предприятий. Результаты работы внедрены и используются на ООО «Завод имени Медведева — Машиностроение».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Диссертация в целом, а также отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на II Международном научном симпозиуме «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия», проходившем в октябре 2003 года в г. Орлена Международном научном симпозиуме «Гидродинамическая теория смазки-120 лет», проходившем в мае 2006 года в г. Орлена III Международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (октябрь 2006, г. Орел) — на семинарах и заседаниях кафедр «Высшая математика» и «Теоретическая и прикладная механика» ОрелГТУна расширенном заседании кафедры «Проектирование механизмов и деталей машин» ТулГУ.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, списка литературы из 71 наименования и содержит 138 страниц основного текста, 46 рисунков и 2 таблицы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Представленная диссертация является законченной научной квалификационной работой, в которой предложена новая система расчета и проектирования пускозащитных муфт, улучшающих динамику разгона машины и увеличивающих ее ресурс и качество работы. Основные выводы, научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Разработаны математическая и физическая модели привода с пускоза-щитной муфтой. В уравнениях движения агрегата использовалась для приближённых расчётов механическая характеристика двигателя и постоянный коэффициент трения, в уточнённых уравнениях учтена электромагнитная податливость электродвигателя и зависимость коэффициента трения от скорости относительного скольжения.

2. Проведён динамический синтез рабочей поверхности упорного диска, позволяющий приближать закон изменения выходного звена к заданному с погрешностью, не превышающей 3−5%.

3. Определено влияние формы поверхности упорного диска, количества шаров и их размеров, а также угла контакта шаров с поверхностью упорного диска, коэффициента трения и числа фрикционных дисков на параметры разгона агрегата.

4. Установлены расчётные зависимости для определения геометрических размеров деталей муфт и определены оптимальные соотношения между ними, снижающие динамические нагрузки механического привода и обеспечивающие заданные условия включений муфты.

5. С учётом предложенных методов анализа и синтеза и полученных теоретических зависимостей разработана методика расчёта пускозащитных муфт, предложена общая методика выбора основных параметров муфт, даны рекомендации по выбору важнейших конструктивных размеров и соотношений между ними.

6. Экспериментальные исследования и промышленные испытания пускозащитных муфт позволили установить, что при использовании таких муфт в приводе тележки для транспортировки готовой продукции обеспечивается: а) безнагрузочный разгон электродвигателя, в результате чего исключается необходимость установки двигателя завышенной мощностиб) плавная передача крутящего момента с ведущей на ведомую систему, что способствует снижению динамических нагрузок от упругих колебанийв) уменьшение времени действия максимального пускового тока двигателя, в силу чего увеличивается срок службы двигателяг) использование при необходимости не пускового, а максимального момента двигателя для разгона ведомых масс установкид) разгон ведомых масс установки с ускорением, не превышающим допустимое значение.

7. Проверка конструкции муфты в промышленных условиях подтвердила целесообразность применения её в приводах машин, выявила благоприятное влияние муфты на работоспособность отдельных узлов и деталей, а также агрегата в целом, причём применение её привело к снижению эксплуатационных затрат. Ресурс приводов увеличился в 3−4 раза, затраты электроэнергии снизи-. j лись на 5−7%, брак готовой продукции уменьшился на 11%.

Обобщённый анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также производственные испытания пускозащитных муфт позволяет сделать вывод о том, что они имеют существенные преимущества перед другими конструкциями муфт и являются перспективным элементом приводных устройств с асинхронным электродвигателем для общего машиностроения и литейного производства. Применение их значительно расширяет возможности выбора оптимальной конструкции привода с асинхронным электродвигателем.