Совершенствование механизма блокировки предохранительной гидродинамической муфты

Гидродинамические муфты (гидромуфты) (ГМ) широко применяются в приводах различных машин. В первую очередь это относится к горнодобывающей, химической, металлургической, энергетической, деревообрабатывающей промышленности. Гидромуфты составляют неотъемлемую часть привода таких машин как ленточные, цепные, скребковые и пластинчатые конвейеры, осевые вентиляторы и дымососы, питательные насосы, дробилки и мельницы различных типов, смесители, сепараторы, центрифуги и т. д. [1]-[6].

При использовании гидромуфт привод машин приобретает целый ряд положительных свойств, из которых наиболее важными являются:

— достаточно плавное возрастание момента и ускорения, а также плавный разгон машин до рабочей скорости;

— предохранение приводного двигателя и механической трансмиссии от недопустимых перегрузок при резком торможении и пуске;

— возможность замены сложных электродвигателей с фазным ротором на простые и более надежные короткозамкнутые двигатели с обеспечением благоприятных условий их пуска под нагрузкой, в том числе и при большом моменте инерции машины;

— суммирование мощности нескольких двигателей, работающих на общий исполнительный орган при достаточно равномерном распределении нагрузки на эти двигатели, и возможность их поочередного запуска;

— стабильность и автоматичность срабатывания при заданном значении предельного момента и самовосстанавливаемость рабочего режима при устранении перегрузки;

— возможность гидродинамического и генераторного торможения машины, а также ее торможения противовращением при реверсировании двигателя;

— демпфирование и гашение крутильных колебаний крутящего момента и скорости вращения широкого спектра частот, имеющих место при работе многих машин [7]-[9].

Существенным недостатком гидромуфт является потеря энергии на установившемся режиме из-за наличия скольжения 8, т. е. отставания частоты вращения турбинного колеса п2 от частоты насосного щ. Эта величина показывает долю потерь мощности, идущих на нагрев рабочей жидкости и деталей гидромуфты. Наличие скольжения обусловлено тем, что циркуляция жидкости, обеспечивающая передачу энергии от насосного колеса к турбинному, прекращается раньше, чем сравняются угловые скорости насосного и турбинного колеса. По данным фирмы ТгапБИшс! (Италия) при расчетной рабочей (номинальной) нагрузке оно может варьироваться от 1,5% (при больших мощностях) до 6% (при малых мощностях) [10]. Значение скольжения в муфтах отечественного производства ГП480 Новосибирского производственного объединения «Сибсельмаш», 1ГПЭ400У-01 компании «Росмуфта» г. Санкт-Петербург и др. не более 3% [11]-[16].

Названный недостаток ГМ можно устранить, применив механизм блокировки, замыкающий ведущий и ведомый валы после достижения последним определенной угловой скорости. Такие конструкции ГМ существуют и получили название блокируемые гидродинамические муфты (БГМ). В основном устройство блокировки представляет собой фрикционный, центробежный, зубчатый или кулачковый механизм [17]-[23]. Однако, все эти конструкции в той или иной степени обладают недостатками, из которых основными можно считать:

— сложность конструкции;

— наличие системы управления;

— значительные габариты, увеличивающие размеры муфты;

— высокую стоимость изготовления и ремонта блокирующего устройства;

— снижение или полную потерю пусковых или предохранительных свойств гидромуфты.

На основании изложенного, создание конструктивно простого, самоуправляемого, компактного, технологичного механизма блокировки, который сохранил бы пусковые и предохранительные свойства обычной гидромуфты, не создавая жесткой связи между ведущим и ведомым элементом, является актуальной задачей.

Работа выполнена на кафедре механики и инженерной графики Юргинского технологического института Национального исследовательского Томского политехнического университета и кафедре теоретической и прикладной механики Национального исследовательского Томского политехнического университета.

Объектом исследования является механизм блокировки (МБ) предохранительной гидродинамической муфты (ПГМ).

Цель работы: повышение эксплуатационных свойств механизма блокировки предохранительных гидродинамических муфт на основе выявления закономерностей, отражающих взаимосвязи между его силовыми и геометрическими характеристиками.

Цель исследования достигнута решением следующих основных задач:

1) определить геометрические параметры плоских ведомых дисков с отверстиями и плоских дисков с выступами, обеспечивающие наибольшую нагрузочную способность механизма блокировки предохранительной гидродинамической муфты;

2) обосновать варианты повышения нагрузочной способности механизма блокировки предохранительной гидродинамической муфты;

3) разработать расчетные зависимости, устанавливающие связь между геометрическими параметрами внутренней полости механизма блокировки и его нагрузочной способностью, для не применявшихся ранее форм внутренней полости блокирующего устройства;

4) определить влияние геометрических параметров внутренней рабочей полости механизма блокировки на величину передаваемого им максимального момента и на внешние механические характеристики гидродинамической муфты;

5) разработать комплекс рекомендаций по расчету и конструированию механизма блокировки предохранительной гидродинамической муфты с повышенными эксплуатационными свойствами.

Методы решения задач. Для решения поставленных задач в работе использованы теоретические и экспериментальные методы механики, математики, электротехники (дифференциальное и интегральное исчисление, измерение механических величин с помощью электрического оборудования, регистрация переходных механических процессов электронно-вычислительной техникой, экспериментальные исследования натурных образцов, математическая обработка массивов экспериментальных данных), а также использовано следующее программное обеспечение: Mathcad, Компас 3D, PowerGraph 3.3 Professional, Microsoft Exel, Microsoft Word.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечена большим объемом экспериментальных исследований, сопоставлением оригинальных результатов с литературными данными, использованием аттестованных измерительных средств, а также воспроизводимостью результатов исследований.

На защиту выносятся:

1) расчетные зависимости, устанавливающие связь между геометрическими параметрами внутренней полости механизма блокировки и его нагрузочной способностью, для не применявшихся ранее форм внутренней полости блокирующего устройства;

2) результаты экспериментальных исследований влияния геометрических параметров ведомого диска и различных форм рабочей (внутренней) полости механизма блокировки предохранительной гидродинамической муфты на его нагрузочную способность;

3) комплекс рекомендаций для расчета и конструирования механизма блокировки предохранительной гидродинамической муфты с повышенными эксплуатационными свойствами.

Научную новизну диссертационной работы составляют следующие результаты:

1) определены геометрические параметры более технологичного, чем используемые в подобных конструкциях, ведомого диска механизма блокировки предохранительной гидродинамической муфты, обеспечивающие максимальную нагрузочную способность устройства блокировки;

2) впервые получены расчетные зависимости, устанавливающие связь между геометрическими параметрами внутренней полости механизма блокировки и его нагрузочной способностью, для не применявшихся ранее в подобных устройствах форм внутренней полости;

3) впервые получены внешние механические характеристики механизмов блокировки для форм рабочих полостей, не применявшихся ранее в подобных устройствах, что позволяет осуществить выбор наиболее целесообразной формы полости.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1) уменьшены на потери энергии в предохранительной гидромуфте (за счет исключения скольжения при работе на установившемся режиме) и повышена производительность машины (за счет увеличения частоты вращения ведомого вала) без снижения защитных свойств гидромуфты на всех режимах работы в результате применения механизма блокировки с сыпучим рабочим телом;

2) определены геометрические параметры рабочей полости механизма блокировки, обеспечивающие повышение нагрузочной способности на 24% при неизменных габаритных размерах механизма;

3) снижена стоимость изготовления и ремонта деталей механизма блокировки предохранительной гидромуфты за счет их более технологичных форм;

4) получены результаты, показывающие возможность применения механизма блокировки с сыпучим рабочим телом не только в предохранительных, но и в пускопредохранительных гидромуфтах;

5) разработан комплекс рекомендаций для расчета и конструирования механизмов блокировки данного типа.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований используются при проектировании приводов ленточных конвейеров, конвейеров скребковых шахтных, перегружателей скребковых шахтных в Особом Конструкторском Бюро (ОКБ) ООО «Юргинский машзавод».

Рекомендации для конструирования МБ ПГМ используются в учебном процессе Юргинского технологического института Национального исследовательского Томского политехнического университета при подготовке специалистов по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» специальностей «Горные машины и оборудование», «Технология машиностроения».

Личный вклад автора:

1) смонтирована и усовершенствована установка для испытаний муфт;

2) получены зависимости, позволяющие определить максимальный передаваемый момент МБ для конической и цилиндрической формы его внутренней рабочей полости;

3) разработана конструкция экспериментальных механизмов блокировки предохранительной гидромуфты торовой, конической и цилиндрической формой внутренней полости и плоскими ведомыми дисками с отверстиями и радиальными выступами;

4) выполнены экспериментальные исследования влияния формы ведомого диска на нагрузочную способность МБ и определены геометрические параметры плоского с выступами ведомого диска с повышенным передаваемым моментом;

5) проведены теоретические и экспериментальные исследования МБ ПГМ с различными геометрическими параметрами внутренней рабочей полости;

6) разработан комплекс рекомендаций для расчета и конструирования МБ ПГМ.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на III и IV международном научном симпозиуме имени академика.

М. А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2000, 2001 г.) — VIII и XIV международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2002, 2009 г.) — I и III международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (г. Юрга, 2010, 2012 г.) — VIII международной научно-практической конференции «Прикладные научные разработки — 2012» (г. Прага, Чехия).

Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 23 печатных работах, в том числе 2 в периодических научных изданиях, рекомендуемых ВАК Минобразования и науки России.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 109 страниц, в т. ч. рисунков — 57, таблиц — 3, библиография содержит 73 наименования, приложений — 1.

Общие выводы:

1. При скольжении сыпучего наполнителя по гладкой поверхности внутренней полости корпуса нагрузочная способность механизма блокировки выше, чем при скольжении по поверхности диска. Скольжение сыпучего наполнителя по поверхности внутренней полости обеспечивается при использовании в механизме блокировки плоского диска с высотой радиальных выступов более двух диаметров частицы сыпучего наполнителя (шарика).

2. Разработаны расчетные зависимости, отражающие связь нагрузочной способности механизма блокировки предохранительной гидромуфты с его геометрическими параметрами, для цилиндрической и конической форм внутренней рабочей полости. Из анализа зависимостей следует, что на значение максимального момента механизма блокировки в большей степени влияет величина наибольшего радиуса внутренней полости корпуса Я0 и масса сыпучего наполнителя (2, которая зависит от формы внутренней полости. Увеличение осевого размера внутренней полости р = ½ = Н/2 на нагрузочную способность механизма блокировки влияет незначительно. Результаты расчета максимального момента механизма блокировки с торовой, цилиндрической, конической формами с углом Р = 15° внутренней полости, полученные по разработанным зависимостям, достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными.

3. При проектировании блокируемой предохранительной гидродинамической муфты механизм блокировки рекомендуется располагать вне вспомогательной полости гидромуфты.

4. Экспериментально доказано, что механизм блокировки с сыпучим рабочим телом с торовой, цилиндрической, конической формами внутренней полости обеспечивает работу предохранительной гидродинамической муфты на установившемся режиме без скольжения. Это позволяет при номинальной (рабочей) нагрузке избежать потерь мощности в гидромуфте на 3.12%. Кроме того, за счет увеличения частоты вращения ведомого вала муфты на 3.12% повышается производительность рабочей машины. К применению по причине большей нагрузочной способностью при прочих равных условиях рекомендуется механизм блокировки с цилиндрической формой внутренней рабочей полости. К другим достоинствам этого механизма можно отнести малую величину момента в «стоповом» режиме, высокую технологичность его составных частей, что снижает стоимость изготовления и повышает ремонтопригодность. Применение торовой и конической с углом (3 = 15° формы полости также возможно, но менее эффективно. Увеличение угла конуса нецелесообразно по причине возрастания дополнительной нагрузки от механизма блокировки при действии перегрузки и более интенсивного износа деталей блокирующего устройства.

5. Наличие механизма блокировки увеличивает максимальный момент предохранительной гидромуфты при 100% скольжении на 2.4%, что не снижает ее предохранительных свойств.

6. Малое значение пускового и значительная величина максимального моментов механизма блокировки с сыпучим наполнителем позволяет рекомендовать рассматриваемое устройство для применения не только в предохранительных, но и в пускопредохранительных гидромуфтах.

7. Сформирован комплекс рекомендаций по расчету и конструированию механизма блокировки предохранительной гидродинамической муфты с повышенной нагрузочной способностью.

Заключение

.

В соответствие с поставленной целью диссертационной работы проведены теоретические и экспериментальные исследования механизма блокировки предохранительной гидродинамической муфты, результаты которых позволяют сформулировать рекомендации для разработки механизмов блокировки с сыпучим рабочим телом с улучшенными эксплуатационными свойствами как для предохранительных, так и для пускопредохранительных гидродинамических муфт.