МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХМЕЛЬНИЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Комар Роман Васильович

УДК621.825.5

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ З’ЄДНУВАЛЬНИХ

КОМПЕНСУЮЧИХ МУФТ З ПРУЖНИМИ

ГВИНТОВИМИ ЕЛЕМЕНТАМИ

05.02.02 - машинознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Хмельницький – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: Заслужений винахідник України,

доктор технічних наук, професор

Гевко Богдан Матвійович,

Тернопільський державний технічний університет

імені Івана Пулюя

завідувач кафедри технології машинобудування

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Малащенко Володимир Олександрович,

Національний університет "Львівська політехніка"

професор кафедри машинознавства

кандидат технічних наук, доцент

Ярошенко Володимир Федорович,

Національний аграрний університет (м. Київ)

доцент кафедри конструювання машин

Провідна установа: Одеський національний політехнічний університет,

кафедра "Теоретична механіка і машинознавство"

Міністерство освіти і науки України (м. Одеса)

Захист відбудеться "  травня 2004 року о 1400 годині на
засіданні спеціалізованої вченої ради Д .052.02 в Хмельницькому державному університеті за адресою: 29016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й навчальний корпус, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Хмельницького державного університету за адресою: 29016, м. Хмельницький, вул. Кам’янецька, /1

Автореферат розісланий "  квітня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Калда Г.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одними із основних вузлів різноманітних механізмів є муфти, які забезпечують зв’язок між ланками привода машини. При з’єднані валів дотримання необхідної співвісності пов’язане із значною трудомісткістю і не завжди економічно обґрунтоване. В процесі роботи привода будь-яка точність виготовлення чи монтажу може бути порушена вібраціями при перевантажені чи іншими експлуатаційними факторами. Тому для компенсації неспіввісності валів та частково динамічних резонансних навантажень використовуюся різноманітні конструкції пружно-компенсуючих муфт, а деякі з них виконують запобіжні функції. Проте більшість таких багатофункціональних пристроїв мають значні габарити, незадовільні робочі характеристики, низьку надійність, є дорогими у виготовлені та вимагають значних затрат і постійного контролю під час експлуатації.

Тому актуальною задачею машинобудування є розробка надійних, технологічних та простих в обслуговуванні багатофункціональних пружно-компенсуючих муфт. Цього можна досягти розробкою нових вдосконалених конструкцій за рахунок використання пружних гвинтових елементів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до координаційного плану важливих науково-дослідних робіт ВУЗів України на 1996-2002 рр. і є частиною досліджень по науково-дослідній держбюджетній темі ДІ „Механіко-технологічні основи проектування транспортно-технологічних систем коренезбиральних машин” (номер державної реєстрації 0102U002302). Автор дисертаційної роботи є відповідальним виконавцем даної науково-дослідної роботи.

Мета роботи і задачі досліджень. Метою роботи є покращення експлуатаційних характеристик та розширення технологічних можливостей компенсуючих муфт за рахунок використання пружних гвинтових елементів.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі дослідження:

· провести аналіз відомих конструктивних схем пружно-компенсуючих муфт, стендового обладнання для їх дослідження, а також теоретичних основ проектування даних пристроїв та виявити їх недоліки;

· на основі проведеного аналізу синтезувати перспективні компонувальні схеми компенсуючих муфт з наступною розробкою нових конструкцій і теоретично обґрунтувати їх функціонально важливі параметри;

· провести математичне моделювання динаміки привода з пружно-компенсуючими муфтами та провести теоретичне дослідження процесів їх функціонування;

· спроектувати і виготовити функціонально здатні експериментальні моделі компенсуючих муфт з пружними гвинтовими елементами;

· розробити методику проведення досліджень, спроектувати і виготовити універсальне стендове обладнання та провести дослідження експериментальних взірців муфт в умовах значної неспіввісності валів;

· провести оптимізацію основних параметрів багатофункціональних пружно-компенсуючих муфт та розробити рекомендації щодо їх вибору для забезпечення умов технологічності та функціональної здатності.

Об’єкт дослідження - приводи машин, що працюють в умовах неспіввісності.

Предмет дослідження - компенсуючі муфти з пружними гвинтовими елементами.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводились на основі механіко-математичного моделювання процесів функціонування компенсуючих муфт з використанням основних положень деталей машин, теорії машин та механізмів, теоретичної механіки, а також з використанням спеціально складених програм розрахунку на ПЕОМ. Експериментальні дослідження проводились для перевірки результатів теоретичних положень, а також для встановлення функціонально-експлуатаційних характеристик розроблених конструкцій пружно-компенсуючих муфт в умовах значної неспіввісності валів. Статистична обробка експериментальних даних проводилась з використанням прикладних програм ПК.

Наукова новизна отриманих результатів:

· вперше розроблено теоретичні аспекти методології розрахунку комбінованих пружних гвинтових елементів з гарантованим зазором між спіралями та взаємно протилежним напрямком навивання;

· на основі відомих та запропонованих технічних рішень розроблено класифікацію компенсуючих муфт за типом робочих елементів і синтезовано нові компонувальні схеми багатофункціональних пристроїв;

· вперше проведено теоретичне обґрунтування взаємозалежностей співвідношення конструктивно-силових параметрів радіально розміщених пар контакту пружина-кулька-паз від обертального моменту і величини неспіввісності;

· розвинуто прикладну теорію оптимізації конструктивних параметрів запобіжно-компенсуючих муфт за умовами технологічності щодо маси, габаритів та функціональної здатності.

Практичне значення отриманих результатів:

· за результатами теоретичних і експериментальних досліджень розроблено і виготовлено діючі моделі пружно-компенсуючих муфт;

· розроблено методику та виготовлено універсальне стендове обладнання для дослідження багатофункціональних компенсуючих пристроїв;

· на основі експериментальних досліджень встановлено раціональні конструктивні параметри робочих елементів муфт для граничних значень неспіввісності;

· технічна новизна проведених розробок захищена 5-ма деклараційними патентами України на винаходи;

· розроблені конструкції пружно-компенсуючих муфт впроваджені на ВАТ „ТеКЗ” і ТОВ „Універст ЛТД” (м. Тернопіль).

Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні та експериментальні дослідження за темою дисертаційної роботи виконані автором самостійно. У працях опублікованих у співавторстві здобувачем виведено аналітичні залежності для розрахунку параметрів радіальної пари контакту пружина-кулька-паз [3]; запропоновано конструктивне виконання стенда для ресурсного напрацювання компенсуючих муфт [4]; визначено параметри оптимізації запобіжно-компенсуючої муфти [5]; виведено розрахункові залежності для визначення зміни діапазону пружної деформації комбінованого пружно-гвинтового елемента [6]; розроблена динамічна модель привода і встановлена умова рівноваги радіально розміщеної пари контакту пружина-кулька-паз [8]. У деклараційних патентах отриманих у співавторстві [10, 11, 12, 13] частка кожного з авторів є рівноцінною.

Апробація результатів дисертації. Основні положення виконаних досліджень доповідались та обговорювались на щорічних наукових конференціях Тернопільського державного технічного університету (2002-2003 рр.); на третій міжнародній науково-практичній конференції „Сучасні проблеми землеробської механіки” Миколаївської державної аграрної академії (2002 р.). В повному обсязі дисертаційна робота доповідалася на розширеному засіданні науково-тематичного семінару №4 Тернопільського державного технічного університету (2003 р.), а також наукових семінарах Технологічного університету Поділля (м. Хмельницький, 2003 р.) і Одеського національного політехнічного університету (2004 р.).

Публікації. Основні положення та результати наукових досліджень опубліковані в 15 друкованих працях, з них 8 статей у фахових виданнях за переліком ВАК України, в тому числі 3 одноосібних, 2 тези конференцій і 5 деклараційних патентів на винаходи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загального висновку, списку використаних джерел із 140 найменувань та додатків. Основний зміст дисертації викладений на 150 сторінках, містить 81 рисунок і 3 таблиці. Загальний обсяг роботи складає 196 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету, об’єкт, предмет, методи досліджень і задачі, які розв’язуються у дисертації, подано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Наведено інформацію про апробацію результатів досліджень та публікації, а також подана загальна характеристика дисертаційної роботи.

У першому розділі проведено аналіз відомих конструкцій компенсуючих муфт на основі чого запропоновано їх класифікацію за типом робочих елементів. Здійснено комплексний аналіз відомостей щодо компенсуючих муфт, області їх застосування, аналіз стендового обладнання. Проведено огляд основних теоретичних положень та робіт, які характеризують параметри даного класу муфт та їх робочих елементів. Вагомий вклад у формування наукових основ теоретичних та практичних досліджень пружно-компенсуючих пристроїв внесли багато науковців, зокрема Барбаш І.Д., Гевко Б.М., Гевко Р.Б., Заблонский К.І., Іванов Е.А., Малащенко В.О., Нагорняк С.Г., Ніберг Н.Я., Поляков В.С., Решетов Д.Н., Ряховський О.А., Флік Е.П., Ярошенко В.Ф. Питаннями теорії та проектування різнофункціональних муфт займаються колективи Національних університетів „Київський політехнічний інститут”, „Національний аграрний університет”, „Львівська політехніка”, Одеського національного політехнічного університету. За кордоном провідними фірмами, що проводять розробку різного типу компенсуючих муфт є “Paulstra”, “Hochreuter Baum”, “Walterscheid”, “Lenze”, “Cardelis Kupplung”, (Німеччина); “Morse”, “Hilard Corporation”, “Une Waindrover” (США); “Slema”, “Demahe”, “Pouille” (Франція); ЗАТ „Профтехнології”, Науково-дослідний інститут при МДТУ ім. Н.Е.Баумана, “Уралмашзавод” (Росія) та інші.

У другому розділі на основі синтезного моделювання варіантів виконання пружно-компенсуючих пристроїв розроблено компонувальні схеми муфт з пружно-гвинтовими елементами. Проведено теоретичне обґрунтування співвідношення конструктивно-силових параметрів розроблених компенсуючих муфт.

Особливістю конструктивного виконання комбінованого пружно-гвинтового елемента є наявність зазору між сусідніми спіралями, які концентрично розміщені одна в одній і мають взаємно протилежний напрямок навивання. Оскільки в процесі роботи, у випадку збільшення навантаження, ведуча і ведена півмуфти зміщуючись одна відносно одної в коловому напрямку закручують спіралі на певний кут, то за рахунок взаємно протилежного напрямку навивання, спіралі контактують між собою і комбінований пружно-гвинтовий елемент функціонує як гнучкий вал внаслідок чого муфта отримує додатковий запас міцності. Для попередження защемлення витків використовуються спіралі з витками прямокутного поперечного перерізу. У порівнянні з аналогами таке конструктивне виконання забезпечує муфті значне підвищення навантажувальної здатності без втрат компенсуючих властивостей.

Для пружно-компенсуючої муфти, відповідно до конструктивної особливості комбінованого гвинтового елемента (рис.1), виведено аналітичну залежність для встановлення зміни поточної величини зазору пот між спіралями від конструктивно-силових параметрів муфти. Дана величина визначає діапазон зміни пружної деформації спіралей, характеризує компенсаційну та навантажувальну здатність муфти і визначається за рівністю

Рис.1. Схема розміщення спіралей комбінованого пружно-гвинтового елемента

, (1)

де - кут закручування муфти; Е - модуль пружності; b - ширина витка спіралі; h - висота витка спіралі; T - обертальний момент; tс1, Lс1 - крок і лінійна довжина робочої частини спіралі діаметр якої збільшується внаслідок пружної деформації; tс2, Lс2 - крок і лінійна довжина спіралі діаметр якої зменшується внаслідок пружної деформації.

Оскільки кут закручування муфти є наслідком дії навантаження та залежить від пружних властивостей комбінованого пружно-гвинтового елемента то зміна величини пот від кута закручування муфти описується співвідношенням

, (2)

де d01 – середній діаметр внутрішньої спіралі; d02 - середній діаметр зовнішньої спіралі.

Вплив обертального моменту на величину поточної величини зазору, за умови однакових поперечних перерізів витків спіралей, описується рівністю

. (3)

Оскільки в даній конструкції витки спіралей працюють на згин то умова міцності для комбінованого пружно-гвинтового елемента має вигляд

, (4)

де k - коефіцієнт кривизни витків; [ ] - допустиме напруження згину.

Так як у муфтах з металевими пружними елементами при повільному навантажені і розвантажені статична жорсткість дещо відрізняється від жорсткості, що проявляється в динамічних режимах (динамічної жорсткості) то розрахунок динамічного моменту можна провести по залежності

, (5)

де Тдв - момент зі сторони двигуна, що діє на ведучу півмуфту; Тр.о - момент, що діє на ведену півмуфту зі сторони робочого органу; J1, J2 – моменти інерції привода та робочого органу;
См - жорсткість муфти; fд - коефіцієнт, що враховує дію демпфуючого моменту.

Компенсуючі муфти з елементами кочення використовуються при великих зміщеннях з’єднуваних валів. Відповідно в традиційних конструкціях таких муфт найбільш навантаженими елементами є тіла кочення. З метою збільшення ресурсу напрацювання тіл кочення, а також для розширення функціональних можливостей такого класу муфт запропоновано встановлювати кульки у відповідні радіальні пази півмуфт з попереднім їх підтиском пружинами, тобто з можливістю спрацювання муфти як запобіжної. Принципова схема компонування елементів такої запобіжно-компенсуючої муфти показана на рис.2. Максимальне кутове зміщення, яке може компенсувати муфта даної конструкції, визначається кутом зміщення (рис.3). Значення кутової неспіввісності, що допускає муфта рівне

, (6)

де s - зазор між зовнішньої поверхнею півмуфти та внутрішньою поверхнею обойми; bп – ширина зовнішньої поверхні півмуфти.

Найбільше радіальне зміщення, що допускає муфта

, (7)

де Hn - відстань між центрами півмуфт. Осьове зміщення знаходиться в діапазоні

, (8)

де Нmax – максимальна відстань між центрами півмуфт; Нl – лінійний розмір максимально стиснутої амортизуючої пружини;  о.max  найбільша осьова деформація амортизуючої пружини.

Рис.2. Принципова схема компонування Рис.3. Розрахункова схема для визначення

запобіжно-компенсуючої муфти кута зміщень півмуфт

Так як особливістю даної конструкції є радіальне розміщення пар зачеплення пружина-кулька-паз, зумовлене функціональним призначенням компенсації неспіввісності та спрацюванням в режимі запобіжної муфти, то плече прикладання колової сили, яка визначає навантаження в парі контакту пружина-кулька-паз, визначається по залежності

, (9)

де R0 – відстань від центра півмуфти до центра кульки при відсутності кутових зміщень; rк- радіус кульки; hп - глибина паза обойми; п - поточна деформація пружини.

Поточна деформація пружини наявна при кутовому чи радіальному зміщені валів внаслідок зміни траєкторії руху кульок (рис.4). Діапазон переміщення кульки з положення 1 в положення 2 характеризується зменшенням величини поточної деформації пружини п, що триває до положення 3 в якому п = 0. В той же час протилежно по діагоналі розміщена кулька здійснює аналогічне переміщення з положення 1 до положення 3 в якому також п = 0. А при русі кульок з положення 3 до 1 і, відповідно, з 3 до 1 проходить зворотній процес, а саме поступове збільшення п до максимального значення. Кожен з періодів рівний і повторюється двічі за повний оберт муфти.

Рис.4. Розрахункова схема для встановлення зміни величини поточної деформації пружини від кута зміщення валів і кута провертання муфти

Циклічність зміни поточної деформації пружини має вплив на її силу тиску і на навантажувальну здатність пари контакту пружина-кулька-паз. Проте циклічність зміни значення обертального моменту характерна лише для однієї або двох пар зачеплення (z   ). За умови z  і при їх розміщені через 90, тобто якщо дві діагонально розміщені пари контакту будуть сприймати мінімальне навантаження, то дві інші – максимальне, наприклад пари a, c – min;
b, d – max (рис.4). Таким чином відбувається врівноваження циклічного коливання навантаження. Відповідно в залежності від кута провертання муфти величина п рівна

, (10)

де - кут провертання муфти. Сила тиску пружини з урахуванням величини поточної деформації пружини п буде змінюватись за залежністю

, (11)

де C - жорсткість пружини; о - попередня деформація (підтиск) пружини.

Значення колової сили в зачеплені пружина-кулька-паз за умови наявності кутового зміщення півмуфти

. (12)

Величина обертального моменту в радіально розміщеній парі контакту пружина-кулька-паз запобіжно-компенсуючої муфти в залежності від кута повороту муфти, кута зміщення і конструктивних параметрів пари контакту

(13)

Динамічні навантаження в приводі із запобіжно-компенсуючою муфтою досліджено за допомогою динамічної моделі у вигляді системи зведених мас (рис.5), згідно якої основними параметрами приводу є моменти інерції J1, J2, J3, J4, J5 та відповідні навантаження у вигляді моментів Тд і То, що створюються двигуном та робочим органом.

Рис.5. Розрахункова динамічна модель привода

із запобіжно-компенсуючою муфтою

При передачі обертального моменту, при відповідній жорсткості С1, С2, С3, С4, С5 елементів приводу та муфти, під дією моментів Тд і То, відбувається певна пружна деформація складових системи, яка характеризується кутами закручування 1, 2, 3, 4, 5, тобто відбувається лише часткове зміщення елементів приводу в напрямку кутів закручування, відповідно муфта функціонує тільки як з’єднувальна компенсуюча і даний етап описується системою рівнянь

(14)

Передача обертального моменту здійснюється при забезпечені умови рівноваги пари контакту пружина-кулька-паз

, (15)

де mк – маса кульки; - прискорення при переміщені кульки вздовж посадочного отвору;
Сі – жорсткість підтискної пружини; y – радіальне переміщення кульки; - кут між напрямком дії колової сили і нормаллю від точки контакту кульки з поверхнею паза; - зведений кут тертя в парі контакту кулька-паз; f - коефіцієнт тертя між кулькою та стінками посадочного отвору; п - кутова швидкість обертання півмуфти; о – осьова деформація амортизуючої пружини; С2 – жорсткість амортизуючої пружини; fА – коефіцієнт тертя між амортизуючою пружиною і торцевими поверхнями півмуфт.

При наростанні навантаження зі сторони двигуна або робочого органу, так як муфта є найподатливішою ланкою привода, відбувається зміна різниці кутів закручування до певного значення 2 - 3 = max у випадку Тд То або у випадку коли Тд То тоді 3 - 4 = max, тобто до певного значення сумарного кута закручування муфти при якому відбувається розмикання кінематичного ланцюга привода внаслідок радіального переміщення кульок в посадочних отворах і втрати контакту з поверхнями пазів обойми. Функціонування привода, з врахуванням спрацювання муфти у запобіжному режимі та впливу неспіввісності описується системою рівнянь

(16)

де Т1 – навантаження на ведучу півмуфту; Т2 – навантаження на ведену півмуфту.

По отриманих теоретичних залежностях проведено графоаналітичне дослідження впливу конструктивно-силових параметрів привода на навантажувальну здатність і компенсуючі властивості розроблених муфт.

У третьому розділі описано програму, методику, конструкції дослідних моделей компенсуючих муфт і стендового обладнання, проаналізовані результати експериментальних досліджень. Дослідні моделі пружно-компенсуючої (рис.6) і запобіжно-компенсуючої муфт (рис.7) досліджувались при варіації неспіввісності в діапазонах: о = (0,01...0,03) м; r = (0,005...0,035) м; = (15...35).

Рис.6. Дослідна модель пружно-компенсуючої муфти:

1, 2 – півмуфти; 3, 4 – внутрішня і зовнішня спіралі; 5, 6 – кришки-фіксатори

Рис.7. Дослідна модель запобіжно-компенсуючої муфти:

1 – кульки; 2 – обмежуючі кільця; 3 – підтискні пружини; 4, 5 – півмуфти;

6 – обойма; 7 – фіксуючі кільця; 8 – амортизуюча пружина

Дослідний стенд (рис.8) складається із рами 5 з приводом 7, який через перетворювач обертального моменту 8 передає обертовий рух на досліджувану муфту 10. Перетворювач обертального моменту виконано у вигляді тензовала з наклеєними на тензометричних ділянках датчиками, що з’єднані по півмостовій схемі через струмознімачі із тензопідсилювачем і самописцем. Наступним по ходу кінематичного ланцюга розміщений перетворювач обертального моменту 11, що сприймає навантаження від порошкового гальма 4 на ведену півмуфту. Порошкове гальмо з’єднане з приводом через карданний вал 3. Величина радіального зміщення задається поперечним осьовим переміщенням плити 9 за допомогою механічної передачі гвинт-гайка, осьове зміщення задається переміщенням плити 12, а кутове – шляхом послаблення кріпильних елементів із наступним зміщенням плити 2 та наступною її фіксацією. Числове значення величин неспіввісності визначається по відповідних шкалах, які розміщені на направляючих по ходу переміщення плит 2, 9 і 12. При статичних дослідженнях для створення навантаження використовуються відповідні вантажі, які встановлюються на тарувальний важіль 1. Керування стендом здійснюється дистанційно з пульта керування 6, шляхом зміни напруги в обмотках живлення електродвигуна та порошкового гальма.

Рис.8. Загальний вигляд дослідного стенда

Дослідження проводились з використанням методики планування повнофакторного експерименту. Результати окремих натурних випробувань наведені на рис.9, 10. Для оцінки результатів експерименту використано метод контурно-графічного аналізу, що дозволило встановити вплив кута закручування і обертального моменту Т на зміну величини зазору між спіралями при досліджені пружно-компенсуючої муфти, а також зміну обертального моменту і кута зміщення від конструктивних параметрів пари контакту пружина-кулька-паз.

Методом інтенсифікації прискорених випробувань ( = 35, r = 35 мм, n = 2000 об/хв., повна відсутність змащувального матеріалу) встановлено, що ресурс комбінованого гвинтового пружного елемента лінійною довжиною Lс 300 мм не перевищує 65...76 год, а при Lс 100 мм становить 45...51 год. При даних величинах зміщення найкращі результати спостерігаються в муфтах лінійною довжиною Lс = 150...200 мм.

а) б)

Рис.9. Результати експериментальних досліджень зміни поточної

величини зазору від: а) кута закручування муфти; б) обертального моменту.

– теоретична залежність; – експериментальна залежність

а) б)

Рис.10. Результати експериментальних досліджень зміни: а) обертального

моменту від параметрів пари контакту; б) кутової швидкості від зміщень валів

– теоретична залежність; – експериментальна залежність

Експериментальним шляхом визначалась зміна величини обертального моменту в залежності від кута провертання муфти і кута зміщення півмуфт. Характер зміни обертального моменту за повний оберт муфти визначався при кутовій швидкості 15,7 с-1. Кількість пар контакту z = 2; 4. Величина кутового зміщення = 0...25. Встановлено, що стабільна передача обертального моменту забезпечується при кількості пар контакту z 4, відповідно зміна величини обертального моменту при = 20 і z = 4 в 3,5 раз менша ніж при = 20 і z = 2.

Проведені експериментальні дослідження дозволили встановити адекватність теоретичних залежностей, а також оптимальне співвідношення конструктивно-силових параметрів муфт для забезпечення підвищення їх навантажувальної здатності без втрати компенсуючих властивостей.

В четвертому розділі розглянуто особливості проектування компенсуючих муфт. На основі експериментальних даних встановлено відповідне співвідношення між конструктивними параметрами пари контакту пружина-кулька-паз і кутом неспіввісності

, (17)

причому для забезпечення компенсації кутових зміщень повинна виконуватись умова rк hп  п.

Графічне відображення впливу радіуса кульки rк, глибини паза hп, ширини зовнішньої поверхні півмуфти bn та поточної деформації пружини п на компенсуючі властивості муфти показано на рис.11.

Рис.11. Вплив конструктивних параметрів пари контакту пружина-кулька-паз на компенсуючі властивості запобіжно-компенсуючої муфти

Проведено оптимізацію значень конструктивних параметрів запобіжно-компенсуючої муфти за умовами технологічності по масі, габаритних розмірах та функціональній здатності, що дозволило скоротити матеріаломісткість дослідних взірців на 5...12%.

Основними вихідними даними, які враховуються при оптимізації є номінальний обертальний момент Т, максимальний кут зміщення max і фізико-механічні властивості матеріалу деталей муфти виражені через допустиме контактне напруження [к]max. Оскільки компенсаційну і навантажувальну здатність характеризують параметри пари контакту то за незалежні змінні, що підлягають оптимізації прийнято: радіус кульки rк, глибину паза обойми hп, кількість кульок z, радіус поперечного перерізу підтискної пружини rп. Дані параметри позначені як кодовані змінні rк = x1, hп = x2, z = x3, rп = x4. На зміну параметрів муфти накладаються технологічні та експлуатаційні обмеження у вигляді функцій обмеження. Відповідно функція обмеження для умови:

- необхідної чутливості спрацювання в режимі запобіжної

; (18)

- нормальної роботи пристрою при неспіввісності валів

; (19)

- стійкості стінок пазів обойми

; (20)

- необхідної кількості кульок

; (21)

- необхідної кількості пазів

m = 1, 2…; (22)

- стабільної роботи муфти

; (23)

- міцності пружного елемента у запобіжному режимі

, (24)

де r21 – радіус умовно описаного кола по вершинах півмуфти; Pдоп – допустима сила тиску кульки на поверхню паза; 5 – кут підйому гвинтової лінії підтискної пружини; D52 – діаметр підтискної пружини.

Визначено напрямки перспективних розробок і запропоновано нові конструкції компенсуючих муфт, технічна новизна яких захищена патентами України на винаходи. Запропоновано методику і проведено розрахунок економічної ефективності від впровадження розробок у виробництво.

ВИСНОВКИ

1. На основі аналізу науково-технічних і патентних джерел синтезним методом розроблено нові компонувальні схеми компенсуючих пристроїв та запропоновано їх класифікацію за типом робочих елементів. Встановлено, що для пружно-компенсуючої муфти оптимальна кількість спіралей комбінованого гвинтового елемента – 2...3. Кількість радіальних пар контакту пружина-кулька-паз запобіжно-компенсучої муфти – не менше 4 на одній півмуфті.

2. Вперше розроблено теоретичні аспекти методології розрахунку комбінованих гвинтових пружних елементів на основі чого встановлено, що діапазон зазору між спіралями змінюється пропорційно до кута закручування муфти. При 0 = 0,005 м оптимальний кут закручування знаходиться в межах  ..43, для 0 ,01 м - = 53..55 і для 0 ,015 м - = 63..65. Встановлено, що при однакових параметрах навантаження і пружних характеристиках спіралей дане співвідношення справджується і для більших значень зазору.

3. Вперше теоретично обґрунтовано співвідношення конструктивно-силових параметрів радіально розміщених пар контакту пружина-кулька-паз від обертального моменту і величини неспіввісності на основі чого виявлено, що при куті зміщення = 0...8 значення обертального моменту змінюється в межах 0...4,1%; при = 0...15 зміна Т досягає 14,4%; при = 25 до 42%.

4. Проведено теоретичне моделювання динамічних процесів у приводі з пружно-компенсуючими пристроями. Встановлено, що вплив демпфуючого моменту при відсутності тертя між спіралями пружно-компенсуючої муфти незначний, динамічний момент зменшується лише в 1,09...1,23 рази. Наявність амортизуючої пружини незначно впливає на величину моменту, що сприймає запобіжно-компенсуюча муфта оскільки збільшення величини моменту не перевищує 4...5,2% для діапазону кутової швидкості 10...30 рад/с. Наростання навантаження при наявності зміщення валів знаходиться в межах 4,8...8,3%.

5. Спроектовано та виготовлено функціонально здатні моделі пружно-компенсуючих муфт з комбінованим гвинтовим елементом та радіальними парами контакту пружина-кулька-паз. Розроблено та виготовлено універсальне стендове обладнання для дослідження багатофункціональних компенсуючих муфт в діапазоні неспіввісності валів  max = 45;
r max = 250 мм; о = 350 мм, а також запропонована методика проведення випробувань.

6. Експериментальними дослідженнями встановлено, що для пружно-компенсуючої муфти похибка між результатами теоретичних та експериментальних досліджень складає 9,9...14,4%. При комбінаційній варіації неспіввісності 35, r 35 мм рекомендована лінійна довжина муфти Lс = 150...200 мм. Запропоноване конструктивне виконання пружного елемента підвищує навантажувальну здатність в 4,4...4,7 разів, порівняно з односпіральним пружним елементом, без погіршення компенсаційних властивостей муфти.

7. Експериментально встановлено, що для запобіжно-компенсуючої муфти похибка між експериментальними і теоретичними даними не перевищує 5,4...11,6%. При збільшені радіуса кульки rк на 1 мм кут зміщення збільшується в межах 21...30%, навантажувальна здатність зменшується на 40,8%. При збільшені глибини паза hп на 1 мм компенсуючі властивості муфти понижуються на 26...38%, навантажувальна здатність збільшується на 25..48%. Комбінаційний діапазон кутових та радіальних зміщень = 26; r = 12 мм. Оптимальне співвідношення між глибиною паза hп і радіусом кульки rк повинно складати hп/rк = 0,5...0,65.

8. Розвинуто прикладну теорію оптимізації конструктивних параметрів запобіжно-компенсуючих муфт за умовами технологічності щодо маси, габаритів та функціональної здатності, що дозволило скоротити матеріаломісткість дослідної моделі на 5...12%. Технічна новизна загальних розробок захищена 5-ма деклараційними патентами України на винаходи. Конструкції муфт впроваджені на ВАТ „ТеКЗ” і ТОВ „Універст ЛТД” (м. Тернопіль) з очікуваним сумарним річним економічним ефектом 106,82 грн. на один пристрій.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Комар Р.В. Обґрунтування параметрів пружно-компенсуючої муфти з гвинтовим пружним елементом // Сільськогосподарські машини. Зб. наук. статей Луцького державного технічного університету. Вип.8. – Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ. - 2001. - С. .

2. Комар Р.В. Дослідження динамічних навантажень в приводах машин з використанням компенсуючих муфт з гвинтовим пружним елементом // Вісник аграрної науки Причорномор’я. Вип.4. – Миколаїв: МДАУ. - 2002. – С. .

3. Гевко І.Б., Комар Р.В. Кінематичний аналіз елементів зачеплення пружної запобіжно-компенсуючої муфти // Вісник аграрної науки Причорномор’я. Вип.4. – Миколаїв: МДАУ. - 2002. - С. . [Здобувачем виведено інженерні залежності для розрахунку параметрів радіальної пари контакту пружина-кулька-паз].

4. Гевко І.Б., Комар Р.В. Стенд для дослідження експлуатаційних характеристик пружно-компенсуючих пристроїв // Наукові нотатки. Міжвуз. зб. Вип.11. – Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ. - 2002. - С. . [Здобувачем запропоновано конструктивне виконання стенда для ресурсного напрацювання муфт].

5. Гевко І.Б., Комар Р.В. Оптимізація конструкції запобіжно-компенсуючої муфти // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. Вип.14 „Підвищення надійності відновлюємих деталей машин” – Харків: Вид-во ХДТУСГ. - 2003. - С. . [Здобувачем визначено параметри оптимізації запобіжно-компенсуючої муфти].

6. Гевко І.Б., Комар Р.В. До питання розрахунку діапазону пружної компенсації гвинтового елемента компенсуючої муфти // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. Вип.20 „Механізація сільськогосподарського виробництва” – Харків: Вид-во ХДТУСГ. - 2003. - С. . [Здобувачем виведено розрахункові залежності для визначення зміни діапазону пружної деформації комбінованого пружно-гвинтового елемента].

7. Комар Р.В. Універсальний стенд для досліджень експлуатаційних характеристик муфт // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. Вип.21 „Механізація сільськогосподарського виробництва” – Харків: Вид-во ХДТУСГ. - 2003. - С. .

8. Гевко І.Б., Комар Р.В. Динамічне моделювання роботи приводу з багатофункціональною компенсуючою муфтою // Наукові нотатки. Міжвуз. зб. Вип.12. – Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ. - 2003. - С. . [Здобувачем розроблена динамічна модель привода і встановлена умова рівноваги радіально розміщеної пари контакту пружина-кулька-паз].

9. Пат. 43160А Україна, МПК F16D3/72. Пружно-компенсуюча муфта / Р.В. Комар. – №2001031831; Заявл. 20.03.01; Опубл. 15.11.01. Бюл. №10. – 3 с.

10. Пат. 43244А Україна, МПК F16D3/22. Запобіжно-компенсуюча муфта / Б.В. Гупка, Р.В. Комар. – №2001042849; Заявл. 25.04.01; Опубл. 15.11.01. Бюл. №10. –  с. [Здобувачем запропоновано компонувальне розміщення пари контакту пружина-кулька-паз].

11. Пат. 45617А Україна, МПК F16D3/72. Еластична муфта. Варіанти / Р.В. Комар, І.Б. Гевко. – №2001042847; Заявл. 25.04.01; Опубл. 15.04.02. Бюл. №4. – 3 с. [Здобувачем запропоновано конструктивне розміщення спіралей і спосіб їх фіксації].

12. Пат. 43170А Україна, МПК F16D7/06. Запобіжна муфта / Р.В. Комар, І.Б. Гевко, В.В. Камишанов. – №2001031867; Заявл. 20.03.01; Опубл. 15.11.2001. Бюл. №10. – 3 с. [Здобувачем запропоновано компонувальну схему конструкції пристрою].

13. Пат. 45618А Україна, МПК F16D3/72. Пружно-компенсуюча муфта. Варіанти / Р.В. Комар, І.Б. Гевко, Б.Б. Гладич, Р.Я. Лещук. – №2001042848; Заявл. 25.04.01; Опубл. 15.04.02. Бюл. №4. –  с. [Здобувачем запропоновано варіанти конструктивного виконання форми спіралей пружного елемента].

14. Комар Р.В. Дослідження компенсуючої кулькової муфти // Матеріали шостої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. – Тернопіль: ТДТУ. - 2002. – С.27.

15. Комар Р.В. Технологічні основи проектування кулькових запобіжно-компенсуючих муфт // Матеріали сьомої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. – Тернопіль: ТДТУ. - 2003. – С.42.

АНОТАЦІЯ

Комар Р.В. Обґрунтування параметрів з’єднувальних компенсуючих муфт з пружними гвинтовими елементами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 – машинознавство. – Хмельницький державний університет, м. Хмельницький, 2004.

Дисертація присвячена вирішенню науково-прикладної задачі підвищення надійності, технологічності і покращення функціональних характеристик пружно-компенсуючих муфт шляхом розробки нових багатофункціональних конструкцій з пружними гвинтовими елементами. На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень розроблено компонувальні схеми компенсуючих муфт та методологію розрахунку комбінованих пружних гвинтових елементів. Теоретично обґрунтовано взаємозалежності конструктивно-силових параметрів радіально розміщених пар контакту пружина-кулька-паз від обертального моменту і величини неспіввісності. Проведено комплекс експериментальних досліджень для встановлення експлуатаційних характеристик розроблених компенсуючих муфт.

Ключові слова: компенсація, з'єднання, неспіввісність, комбінований пружно-гвинтовий елемент, компенсуюча муфта, обертальний момент, привод.

АННОТАЦИЯ

Комар Р.В. Обоснование параметров соединительных компенсирующих муфт с упругими винтовыми элементами. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 – машиноведение. – Хмельницкий государственный университет, г. Хмельницкий, 2004.

Диссертационная работа направлена на улучшение эксплуатационных характеристик и расширение технологических возможностей компенсирующих устройств за счет создания новых улучшенных конструкций муфт с использованием упругих винтовых рабочих элементов.

В работе проведен комплексный анализ распространенных конструкций компенсирующих муфт, а также основных теоретических ведомостей, что касаются параметров данного класса муфт и их рабочих элементов. Определено основные направления усовершенствования упруго-компенсирующих муфт. На основе выше упомянутого предложено их классификацию по типу и исполнению рабочих органов. Проведен анализ оборудования для исследования компенсирующих устройств.

Методом синтеза и моделирования, исходя из условий компактности, простоты и надежности конструкций, а также обеспечения желаемых функциональных характеристик, разработаны новые компоновочные схемы компенсирующих устройств с упруго-винтовыми элементами, что дало возможность упростить выбор рациональных конструкций при их проектировании. Теоретически обосновано конструктивно-силовые параметры рабочих элементов муфт соответственно принятых вариантов их исполнения. Разработано теоретические аспекты методологии расчета комбинированных упругих винтовых элементов. Их конструктивная особенность - это наличие зазора между соседними спиралями, что размещены концентрически одна в одной и имеют взаимно обратное направление навивки. Также теоретически обосновано соотношения конструктивных параметров радиально расположенных пар контакта пружина-шарик-паз в зависимости от крутящего момента и величины несоосности. Проведено графоаналитическое исследование взаимного влияния конструктивно-силовых параметров муфт. Исследовано динамику приводов с упруго-компенсирующей и предохранительно-компенсирующей муфтами на примере динамических моделей с помощью которых установлено влияние параметров привода на величину крутящего момента воспринимаемого муфтой.

С учетом разработанной программы экспериментальных исследований спроектированные и изготовлены действующие опытные модели компенсирующих муфт с комбинированным упруго-винтовым элементом и радиально расположенными парами контакта пружина-шарик-паз. Также разработана и изготовлена экспериментальная установка для исследования опытных моделей в условиях значительной комбинационной несоосности валов. Проведено комплекс экспериментальных исследований, что дало возможность определить функционально-ресурсные характеристики разработанных конструкций муфт и диапазон их оптимальных конструктивных параметров.

Сформировано основные положения технологичности проектируемых муфт. Установлено влияние таких конструктивных параметров как длина и радиус изгиба комбинированного упруго-винтового элемента упруго-компенсирующей муфты, а также радиуса шарика, глубины паза, текущей деформации пружины предохранительно-компенсирующей муфты на их компенсирующие свойства. Развито прикладную теорию оптимизации конструктивных параметров предохранительно-компенсирующих муфт по условиям технологичности по весу, габаритах и функциональной способности. Определены перспективные направления усовершенствования конструкций компенсирующих устройств, на основе чего разработаны конструкции компенсирующих муфт с упругими винтовыми элементами. Техническое новшество всех разработок защищено патентами Украины на изобретения. Предложено методику и проведено расчет экономической эффективности от внедрения разработок в производство. Ожидаемый экономический эффект составляет 106,82 грн. на одно устройство.

Ключевые слова: компенсация, соединение, несоосность, комбинированный упруго-винтовой элемент, компенсирующая муфта, крутящий момент, привод.

SUMMARY

Roman Komar. Substantiation of parameters of connective compensating clutches with elastic screw elements. - Manuscript.

The thesis for the degree of Candidate of Technical Sciences in speciality 05.02.02 - machinery sciences. - Khmelnitskiy state university, Khmelnitskiy, 2004.

The thesis is devoted to functional characteristics of elastic-compensated clutches scientific-applied task by the way of multi-functioning constructions with elastic-screw elements. The arranging schemes of compensated clutches as well as methodology of combined elastic screw elements are designed on the basis of theoretical and practical investigations. The theoretical reasoning of construct-power parameters in radially placed pairs of contacts “spring-ball-slot” interdependencies from rotation moment and rate of misalignment. Investigated dynamic of a drive with it is elastic-compensating clutches on an example of the generalized dynamic model. The experimental research for operating characteristics of designed elastic-compensated clutches. It is advanced the application theory of optimization of design parameters of protective-compensating clutches.

Key words: compensation, connection, misalignment, combined elastic-screw element, compensating clutch, rotation moment, drive.