Жесткие компенсирующие муфты

Обычно машины выполняют из отдельных, узлов или агрегатов (рис. 29.5). Взаимная установка таких узлов не может быть идеально точной вследствие погрешностей изготовления и монтажа, особен­ностей конструкции узлов и деформаций валов при работе. Иногда узлы приходится устанавливать на деформируемом основании, на­пример, на раме автомобиля.

Различают следующие возможные смещения соединяемых ва­лов (рис. 126): радиальное Δ_г (а), угловое γ (б), осевое Δ_a (в). На практике чаще встречается комбинация указанных отклонений. Так, при установке двух узлов (например, электродвигателя 1 и редукто­ра 2, рис. 125) на общем основании (плите, раме 3) точность отно­сительного расположения соединяемых муфтой валов определяют все три возможных смещения.

Рис. 125

На рис. 125 в качестве примера приведена расчетная схема, оп­ределяющая точность радиального расположения в вертикальной плоскости осей валов электродвигателя 1 и редуктора 2: h₁ - рас­стояние от оси вала электродвигателя до опорной поверхности; h₂ - размер рамы 3 между опорными поверхностями под электродвига­тель и редуктор; h_з –расстояние от оси вала редуктора до опорной поверхности. Предельные отклонения размеров, h₁, h₃ установлены соответствующими стандартами и составляют (-0,5) мм при h₁ и h₃ до 250 мм.

Компенсацию отклонений от номиналь­ного положения достигают: в жестких компенсирующих муфтах - подвижностью жестких деталей в упругих муфтах - деформи­рованием упругих деталей.

Рис.126

Среди жестких компенсирующих муфт наиболее распростране­ны зубчатые.

Зубчатая муфта состоит из двух втулок-полумуфт 1 с внешни­ми зубьями эвольвентного профиля, зацепляющимися с внутренни­ми зубьями обойм 2 (рис127, а). Обоймы соединяют между собой болтами 3, поставленными без зазора в отверстия из-под развертки. Обоймы центрируют по вершинам зубьев втулок. Втулки изготов­ляют с отверстиями для цилиндрических и конических концов ва­лов. Материал втулок и обойм - стали марок 40 или 45Л.

Зубчатые муфты компенсируют радиальные, осевые и угловые смещения валов за счет боковых зазоров в зацеплении (рис. 127, б), торцовых зазоров δ и обточки зубьев втулок по сфере радиусом R (рис. 127, а), бочкообразного профиля зуба втулки (рис. 127, в).

Компенсацию смещений валов сопровождает относительный пере­кос осей втулок и обойм (рис. 127, г, д), а следовательно, скольже­ние зубьев. Угол перекоса у оси каждой втулки относительно оси обоймы допускают до 1 °30'.

Рис. 127. Зубчатая муфта.

Основным критерием работоспособности муфты является изно­состойкость зубьев. Для повышения износостойкости зубья закали­вают до твердости 42 ... 51 HRC. Зубчатые сопряжения муфт рабо­тают в масляной ванне. Масло марки И-Г-С-68 заливают через от­верстие в обойме. Для герметизации муфт применяют уплотнения - резиновые армированные манжеты 4.

Зубчатые муфты стандартизованы.

Зубчатые муфты подбирают по условию:

Т_р ≤ Т, (20.5)

где Т - вра­щающий момент по таблицам стандарта.

При компенсации муфтой смещений на концы валов действует радиальная сила

где Т_р - расчетный момент, Н∙м; d_м - делительный диаметр зубчато­го соединения муфты, мм (рис. 127, а).

Упругие муфты

В упругих муфтах вращающий момент с одной полумуфты на другую передают через упругий элемент, неметаллический (резино­вый, полиуретановый) или стальной. Упругая связь полумуфт позво­ляет компенсировать смещения валов, снизить ударные нагрузки за счет аккумулирования и рассеяния энергии упругими элементами, изменить жесткость всей механической системы в целях предот­вращения появления резонансных колебаний.

Деформирование упругого элемента происходит вследствие от­носительного упругого поворота полумуфт при передаче вращаю­щего момента, а также вследствие взаимного перемещения полу­муфт, вызываемого компенсированием смещений соединяемых валов.

Основные характеристики упругих муфт - жесткость при кручении и демпфирующая способность.

Рис. 128. Упругая муфта.

Муфты с резиновыми и резинокордными упругими элемен­тами широко применяют для передачи малых и средних вращающих моментов. Они конструктивно просты, дешевы, обладают высо­кими компенсирующими свойствами и хорошей демпфирующей спо­собностью, не требуют ухода при эксплуатации, обеспечивают шумо- и электроизоляцию узлов привода. Однако долговечность ре­зиновых элементов невысока. Резина со временем теряет свои упру­гие свойства, она неработоспособна при высоких (более 100 °С) температурах и в условиях повышенной радиации.

Муфта с резиновой конусной шайбой. Полумуфты 7 и 2 со­единены резинометаллическим упругим элементом 3 с помощью винтов (рис. 128). Резинометаллический упругий элемент образу­ют стальные конические диски с привулканизированной или приклеенной к ним резиновой шайбой. Коническая форма торцов резиновой шайбы обусловливает равномерное распределение каса­тельных напряжений в резине при действии вращающего момента и, следовательно, максимальную энергоемкость муфты.

Приняв Т = Т_р, получим расчетную формулу для вычисления касательных напря­жений τ, МПа при нагружении муфты расчетным моментом Т_р:

где T_р в Н∙м, D и d в мм.

Муфты с металлическими упругими элементами отличают высокая нагрузочная способность, постоянство упругих свойств, возможность работы при высоких и низких температурах и в ус-. ловиях повышенной радиации. Однако они сложны по конструкции, дороги, имеют высокую жесткость.

Предохранительные муфты

Предохранительные муфты предназначены для предохранения машин от разрушения при перегрузках. Муфты работают при строгой соосности валов.

По принципу работы предохранительные муфты подразделя­ют на пружинно-кулачковые, фрикционные и с разрушающимся элементом.

Пружинно-кулачковая предохранительная муфта по конст­рукции аналогична сцепной кулачковой, только под­вижную в осевом направлении полумуфту прижимают к неподвиж­ной не механизмом управления, а постоянно действующей пружи­ной с регулируемой силой прижатия. Трапецеидальные кулачки вы­полняют небольшой высоты с углом а профиля 30,40 или 60°. При перегрузке сумма осевых составляющих сил на гранях кулачков превышает прижимную силу пружины, и муфта срабатывает - от­ключает ведомый вал, многократно прощелкивает кулачками, пода­вая звуковой сигнал о перегрузке. Срабатывание муфты сопровож­дают значительные ударные нагрузки, поэтому эти муфты применя­ют для передачи небольших вращающих моментов при малых час­тотах вращения и малых маховых соединяемых массах.

Рис. 129. Кулачковая предохранительная муфта.

Фрикционные предохранительные муфты применяют при частых кратковременных перегрузках и значительных частотах вра­щения.

Предохранительные муфты с разрушающимся элементам выполняют со специальным предохранительным элементом в форме штифта или шпонки, работающим на срез. Эти муфты просты Но конструкции, имеют малые размеры и высокую несущую способ­ность. Недостатком их является останов машины для замены раз­рушившегося элемента после срабатывания муфты. Применяют в приводах, работающих с редкими случайными перегрузками.

Муфта со срезным штифтом (рис. 130, а) состоит из двух фланцевых полумуфт 1 и 2, соединенных цилиндрическим штифтом 3, расположенным во втулках 4 и 5. Закаленные втулки предотвра­щают смятие штифтом менее прочного материала полумуфт. При перегрузке штифт срезается, и муфта выключается.

Условие срабатывания муфты

Т_разр = Т_пред

Рис. 130.

Здесь расчетный разрушающий момент, Н∙м:

где d_ш - диаметр штифта, мм; z - число штифтов; k - коэффициент неравномерности распределения нагрузки (k = 1 при z = 1; k = 1,2 при z = 2); R — радиус окружности расположения осей штифтов, мм; τ_в = сσ_в, - предел прочности на срез, σ_в - временное сопротивление при растяжении материала, МПа.

По опытным данным для гладких штифтов предохранительных муфт с = 0,7... 0,8; для штифтов с проточкой с = 0,9 ... 1,0 (меньшие значения для штифтов малых диаметров, выполненных из сталей с меньшим относительным удлинением при растяжении).

Диаметр d_ш, мм, штифта вычисляют из условия его прочности на срез

Центробежные муфты

Центробежные муфты служат для соединения и разъединения валов при достижении ведущим валом заданной частоты вращения.

Центробежные муфты подразделяют на муфты с грузами (с ко­лодками) и муфты с сыпучим наполнителем (стальная дробь, смесь стального и графитового порошка с маслом). Применяют в качестве пусковых, т.е. для разгона механизмов с большими маховыми мас­сами (прокатные станы, прессы и др.) при двигателе с малым пуско­вым моментом или для повышения плавности пуст.

Центробежная муфта с грузами представляет собой фрикци­онную муфту, у которой механизмом управления служат грузы 3 (рис. 131), находящиеся под действием центробежных сил. При достижении ведущим валом ладанной частоты вращения центро­бежные силы, перемещая грузы с фрикционными накладками в ради­альном направлении по направляющим ведущей полумуфты 1, плавно прижимают их к ведомой полумуфте 2 - включают муфту. Передачу вращающего момента осуществляют за счет сил трения на трущихся поверхностях муфты при их прижатии. Направляющий штифт 4 предотвращает осевое смещение груза.

Условие передачи муфтой расчетного момента Т_р: Т_тр ≥ T_P где Т_тр - момент сил трения.

Момент сил трения, Н м

Т_тр = 0,5∙10^-3F_цfDz (20.10)

Рис. 131. Центробежная муфта.

где F_ц - центробежная сила, Н; f - коэффициент трения; D - диа­метр, мм; z - число грузов.

Обгонные муфты

Обгонные муфты служат для передачи вращающего момента в одном направлении и допускают свободное относительное вращение в противоположном, автоматически разъединяя валы. Поэтому их также называют муфтами свободного хода. Термин "обгонное муф­ты" отражает то, что муфты допускают обгон ведущего вала ведо­мым, если тот получает более быстрое вращение от другой кинема­тической цепи.

Наибольшее распространение получили фрикционные, обгонные муфты с роликами, способные передавать значительные вращаю­щие моменты при высоких скоростях и любой частоте включений (рис.132) Эти муфты работают бесшумно, имеют малый "мертвый" ход. При­меняют в станках, вертолетах, автомобилях (привод шестерни стар­тера), мотоциклах, велосипедах и т.п. Недостатки обгонных муфт с роликами: обязательность строгой соосности валов, необходимость повышенной точности изготовления, невозможность регулирования.

Рис. 132. Обгонная муфта.

Трехроликовая муфта, встроенная в соединение шестерни с валом, (рис. 132). Состоит из двух полумуфт: обоймы 1 и звездочки 2. Обойма неподвижно соединена с валом, ее рабочая поверхность выполнена гладкой цилиндрической диаметром D. Звездочка 2, конструктивно объединенная с шестерней, имеет вырезы для цилиндрических роликов 3. Звездочка и обойма образуют сужающиеся полости. Под действием слабой пружины 4 ролик находится в постоянном соприкосновении с обоймой. Цен­трирование полумуфт выполнено путем установки полумуфт на од­ном валу и применения подшипника скольжения. Ведущей может быть как звездочка, так и обойма. Если ведущей является звездочка, то муфта, изображенная на рис. 29.18 (сечение А-А), может переда­вать вращение по направлению движения часовой стрелки, если ве­дущей является обойма - против движения часовой стрелки

При передаче вращающего момента ролики, заклиниваясь меж­ду полумуфтами в суживающейся части полости, образуют их жест­кое сцепление. При превышении частотой вращения ведомого вала частоты вращения ведущего (при обгоне) ролики, расклиниваясь, выкатываются в расширенную часть полости - муфта автоматически выключается. При останове ведущего вала ведомый вал может продолжать вращаться.

Важнейшим параметром муфты является угол а заклинива­ния, обычно α = 4... 6°.

Материал роликов - подшипниковая хромистая сталь марки IIIX15 с термической обработкой до твердости рабочих поверхно­стей 58 ... 62 HRC. Звездочку и обойму изготовляют из стали марки 20Х с цементацией и закалкой до твердости 59 ... 60 HRC.

Муфты работают при смазывании маслом И-Г-А-32.

В силу малости углов α и угла трения (f = tgφ) условие самозаклинивания можно выразить в виде:

α ≤ 2φ (20.11)

Рис. 133.

Расчет на контактную прочность производится по формуле Герца (12.10)

ЛЕКЦИЯ №21

ПОЛИСПАСТЫ

Полиспа́ст (от др.-греч. — натягиваемый многими верёвками или канатами) — таль, грузоподъёмное устройство, состоящее из собранных в подвижную и неподвижную обоймы блоков, последовательно огибаемых канатом, и предназначенное для выигрыша в силе (силовой полиспаст) или в скорости (скоростной полиспаст). Полиспаст – от греческого polýspastos что означает «много» и «тяну». Обычно полиспаст является частью механизмов подъёма и изменения вылета стрелы подъёмных кранов и такелажных приспособлений.

а). б).

Рис. 133. Принцип действия блока и полиспаста.

Полиспаст система из блоков и веревок, предназначенная для подъема тяжелых грузов или натягивания веревок, использующая в своей работе принцип рычага (выигрываем в силе — проигрываем в расстоянии).

Полиспасты, изображенные на рис.133,б с различными комбинациями блоков трех типов: слева – пара двойных блоков; в центре – тройной блок с двойным; справа – пара тройных блоков. В тройном блоке конец троса, к которому прилагается тяговое усилие, проходит через центральный желоб; при этом нижний – подвижный – блок крепится коушем так, что его ось перпендикулярна оси верхнего – неподвижного – блока.

Принципы действия этих механизмов поясняются на рисунках. На рис. а груз весом W₁ поднимают с помощью одиночного блока усилием P₁ , равным весу. Груз W₂ поднимают простейшим кратным полиспастом, состоящим из двух блоков, усилием P₂, равным только половине веса W₂. Воздействие этого веса делится поровну между ветвями троса, на которых шкив B₂ подвешен к шкиву A₂ с помощью крюка C₂. Следовательно, для того чтобы поднять груз W₂, к ветви троса, проходящей через желоб шкива A₂, достаточно приложить силу P₂, равную половине веса W₂; таким образом, простейший полиспаст дает двойной выигрыш в силе. Последний рисунок на а) поясняет работу полиспаста с двумя шкивами, каждый из которых имеет два желоба. Здесь усилие P₃, необходимое для поднятия груза W₃, составляет лишь четверть его веса. Это достигается благодаря распределению всего веса W₃ между четырьмя тросами подвеса блока B₃. Отметим, что кратность выигрыша в силе при подъеме тяжестей всегда равна числу тросов, на которых висит подвижный блок B₃. Полиспаст по своему принципу действия подобен рычагу: выигрыш в силе равен проигрышу в расстоянии при теоретическом равенстве совершаемых работ.

Основной характеристикой полиспаста является его кратность i_n, представляющая собой число ветвей гибкого органа, на которых подвешивается поднимаемый груз. Это определение нельзя распространять на сдвоенные системы (фиг. 134, в), представляющие два параллельно работающих полиспаста. Хотя груз подвешен здесь на четырех ветвях, этот полиспаст является сдвоенным двукратным (i = 2), а не четырех­кратным. Попутно следует отметить особенность блока А, который по существу не является элементом полиспаста и не вращается при подъеме и опускании груза, а служит исключительно для устранения перекосов подвески от неравномерной вытяжки каната, небольших отклонений в диаметре барабана и каната и прочих случайных причин. Поэтому блок А и называется уравнительным. Ввиду того, что уравнительный блок почти не вращается и канат не подвергается на нем повторным изгибам, диаметр его можно делать значительно меньше (обычно на 40°/₀), чем у рабочих блоков.

Рис. 134. Схемы полиспастов: о —двукратный; 6 — четырехкратный; в —сдвоенный двукратный.

Канатные барабаны

Барабаны, как было указано выше, служат для преобразования вращательного движения привода подъемного механизма (вала рукоятки или двигателя) в поступательное движение подъема или опускания груза. Как правило, барабаны имеют цилиндрическую форму. В особых же случаях, когда натяжение набегающей на барабан ветви каната законо­мерно изменяется от минимума до максимума, целесообразно прида­вать барабану коническую форму, чтобы получить на нем постоян­ный грузовой момент

В большинстве случаев канат наматывается на барабан в один слой. При очень больших высо­тах подъема для уменьшения раз­меров барабана приходится при­бегать к многослойной навивке каната (рис. 135). Очевидно, что при такой навивке нижние слои каната испытывают значительное сжатие со стороны верхних слоев. Кроме того, расчетный диаметр барабана возрастает по мере навивания каната и соответственно увели­чивает (при постоянном T₀)грузовой момент барабана; однако в неко­торых специальных случаях увеличение D₀ может удачно компенсиро­ваться понижением натяжения Т₀ (за счет уменьшения длины каната и его веса), вследствие чего грузовой момент сохраняет примерно постоянную величину.

Рис. 135. Гладкий барабан,

Диаметр барабана выбирается таким образом, чтобы при навивании на него волокна или проволоки каната не испытывали больших напря­жений изгиба. Практикой установлены минимальные размеры барабана: для пенькового каната D₀ ≥ 10d₀, для проволочного каната D₀ ≥ (12…40)d_k (стр. 63) в зависимости от условий его эксплуатации. Для пеньковых канатов применяются гладкие барабаны (рис. 135) с чисто обработанной цилиндрической поверхностью. Витки каната рас­полагаются на ней по винтовой линии с шагом, равным диаметру каната, s = d_к. Такие барабаны пригодны и для проволочных канатов, но для них преимущественно применяются барабаны с винтовой канав­кой, проточенной на его поверхности. На рис. 136 показаны профили нормальной и глубокой ка­навки. При такой конструкции зна­чительно понижается удель­ное давление между канатом и поверхностью барабана, а также устраняется, вслед­ствие наличия зазоров Δ, трение каната о соседний виток при набегании каната на барабан и сбегании с него, что существенно повы­шает срок его службы. На практике чаще применяется нормальная (мелкая) канавка, у которой шаг s_x меньше, чем у глубокой канавки s₂, вследствие чего рабочая длина барабана получается при нормальной канавке также меньше, чем при глубокой. Принципиально же глубокая канавкадля каната лучше мелкой (нормальной), поэтому в случаях, когда вышеприведенные соображения не имеют значения, нет никаких оснований избегать ее применения.

Фиг. 136. Профиль канавок для каната на барабане.

Фиг. 137.К расчету длины барабана.

Теоретически канат должен набегать на поверхность барабана в пло­скости, перпендикулярной к его оси (точнее — по касательной к средней винтовой линии витка каната на барабане). Удовлетворить это условие, не осложняя подъемного механизма рядом дополнительных отклоняющих блоков, в большинстве случаев невозможно. Поэтому практически это требование сводится к ограничению угла отклонения α набегающей на барабан ветви каната от идеального ее направления (рис. 135 и 136).

Рис. 138. Схема набегания каната на барабан.

Для гладких цилиндрических барабанов, во избежание смещения витков каната вдоль оси барабана, принимают а для барабанов с винтовой канавкой tgα ≤ 0,l (т. е. α ≤ 6°).

Полезная длина барабана определяется в основном его канатоёмкостью,т. е. длиной каната l, которая должна быть намотана на него. Величина l определяется заданной высотой подъема груза Н_тах и крат­ностью принятого полиспаста i_n:

По величине l находят количество рабочих витков каната на барабане:

На барабане должно быть предусмотрено место для двух-трех (но не менее полутора по правилам Госгортехнадзора) дополнительных витков, которые никогда не должны сматываться с барабана и которые "служат для уменьшения усилия, действующего на крепление конца каната к барабану. В некоторых учебных пособиях эти дополнительные витки часто называются запасными, что неправильно определяет их назначение; правильнее называть их неприкосновенными. Эти витки оказывают довольно существенное влияние на величину усилия F₁ для расчета закрепления каната на барабане. При α_min = 3π (1,5 витка) и f = 0,10…0,15 получаем используя зависимость Эйлера (16.5):

т. е. в 3—4 раза меньше натяжения набегающей на барабан ветви каната.

Полное число витков каната на барабане

z = z_p + z_д,

где z_д — число дополнительных неприкосновенных витков.

Фрикционные барабаны (шпили)

Большое заданное перемещение груза предопределяет и большую длину барабана или заставляет прибегать к многослойной навивке каната на барабан. Во избежание этого иногда применяют специальные фрик­ционные барабаны, которые отличаются от обычных тем, что конец каната не крепится к нему, а удерживается на его поверхности исклю­чительно за счет сил трения между витками каната и барабаном. Подобные устройства применяются преимущественно в механизмах для горизонтального перемещения грузов — в лебедках для подачи железно­дорожных вагонов при маневровых работах, при швартовке судов и т. п. Подобный механизм (вертикальный шпиль) изображен на рис. 139. Канат, при помощи которого перемещается груз, охватывает несколь­кими витками барабан, а сбегающая ветвь его натягивается руками усилием F₁. Согласно уравнению Эйлера (16.5),

Величина коэффициента е^fα

Угол обхвата α	f= 0,15	f = 0,2
2π	2,6	3,5
4π	6,6	12,4
6π		43,4
8π	43,4	152,4

Для повышения f на поверхности барабана иногда делают невысокие ребра, расположенные по образующим. Таким образом, натягивая сбегающую с барабана ветвь ка­ната небольшой силой F₁ ≈100 Н, мы можем получить на набегающей ветви его при обхвате барабана че­тырьмя витками усилие в зависимости от величины коэффициента трения на рабочей поверхности.

Рис. 139. Вертикальный шпиль.

Фрикционные барабаны обычно делают переменного диаметра во избежание перемещения витков каната вдоль оси барабана. При относительно небольшом перемещении груза можно при­менять и обычный цилиндрический бара­бан — часто так осуществляют механизмы для передвижения тележки поворотного крана.

Грузовой момент барабана:

так как F₁« F₂

Момент T_б для преодоления T_гр