Совершенствование механического привода. Современные мембранные муфты

        Повышение надежности машинных агрегатов – одна из важных задач дальнейшего развития машиностроения. Это определяющий показатель их качества. В статье сделана попытка показать в этом роль муфт – устройств передающих крутящий момент в машинах и механизмах.

      Механические муфты – неотъемлемая часть большого ряда агрегатов, работающих на объектах жилищно-коммунального хозяйства. В основном это втулочно-пальцевые муфты, реже зубчатые.
   Основными характеристиками муфты являются ее упругие свойства и поглощающая способность, т.е. способность сглаживать резкие колебания передаваемого крутящего момента и угловой скорости ведомого вала.
     Второй основной характеристикой муфты является ее способность работать при отклонениях от идеально правильного положения соединяемых валов без перегрузки. Различают три вида отклонений: продольное от назначенного расстояния между торцами валов, радиальное смещение относительно оси вращения и перекос осей.
    Считается, что втулочно-пальцевые муфты соответствуют этим характеристикам. В то же время они достаточно просты по конструкции, в них закладываются весьма дешевые материалы, и потому они дешевы и получили очень широкое распространение. Но на практике эта дешевизна оборачивается большими потерями при  обслуживании и ремонте. Снижается надежность агрегата в целом.
     По данным далеко неполной статистики применение этих муфт приводит к отказам агрегатов из-за ускоренного износа и разрушения подшипников электродвигателей, редукторов и приводной машины. Разбиваются расточки под подшипники. Обоймы подшипников проворачиваются. Режим их работы утяжеляется. Происходит резкое повышение скорости износа.
     Анализ причин отказов приводит к выводу, что втулочно-пальцевые и другие муфты, имеющие несколько внутренних связей, неизбежно являются генераторами колебаний и перегрузок, прогрессирующих по мере износа элементов связи.
     На рис. 1 показаны ошибки положения отверстий под соединительные пальцы втулочно-пальцевой муфты раздельно, для ясности, но в действительности они совмещаются. Это ошибки от смещения центров отверстий для соединительных пальцев относительно центровой окружности (рис.1в), несовпадения центров центровых окружностей с осью вращения (рис.1а) и смещения центров отверстий под пальцы по шагу (рис.1б).

                                                                     1а                               1б                              1в

рис.1

       На рис.1 показано, что эти ошибки положения создают перекосы полумуфты.
      Вообще звенья любого реального механизма занимают положения и имеют скорости и ускорения, отличные от этих параметров идеального механизма. Добавочные ускорения реального механизма вызывают в кинематических парах дополнительные силы реакции, а в звеньях дополнительные напряжения (Н.Г. Бруевич “Точность механизмов”).
    Ошибки положения пальцев в полумуфтах приводят к образованию статически неопределимой системы радиальных, тангенциальных и коаксиальных паразитных сил. Эти силы меняют свою величину в течение одного оборота. Изменяются и точки их приложения, а, следовательно, и длины плеч. Поэтому момент от этих сил имеет спонтанный характер. Совершается паразитная работа, которая переходит в тепло. Температура среды вблизи муфт увеличивается на 12-18С (Федоров В.А. Нормирование динамических характеристик упругих муфт. “Рынок приводной техники” №2 (5) 2006 г.).
    Полумуфты вращаются не в плоскости перпендикулярной оси вращения. При этом  их точки на внешней окружности описывают кривую, близкую по форме к лемнискате.
    С целью придания муфте способности сглаживать радиальные и угловые колебания на пальцы муфты насаживают кольца трапецеидального сечения или втулки из эластомеров. Но эти детали быстро изнашиваются. Увеличиваются зазоры пальцев в отверстиях полумуфт. Появляются ударные знакопеременные нагрузки. Они дополнительно воздействуют на подшипники и другие детали, сопряженные с валами, колебаниями в широком спектре частот, в том числе оборотных (Алханов В.В., Глушкова М.В. Снижение вибрации роторных механизмов. “Проблемы машиностроения и надежности машин” №1, 2006 г.). Поэтому в расчет берут только половину соединительных элементов (например, пальцев). Но и это связано с риском. По мере износа может наступить предельное состояние, когда момент передается одной (!) связью. Увеличиваются амплитуды колебаний валов. Это ведет к раскрытию стыков трущихся пар торцовых уплотнений или к разбиванию сальниковой набивки. Герметичность уплотнения нарушается.
   Применение шаблонов и других технологических приспособлений уменьшает величину ряда ошибок положения, но не устраняет их, ибо сами эти приспособления в свою очередь содержат ошибки положения. Но часть ошибок из разряда случайных переходят в систематические.
  Перегрузка от подшипников передается корпусным деталям машинных агрегатов. Происходит микроперемещение составных частей агрегата относительно друг друга. Это в свою очередь увеличивает нагрузку на элементы связи в муфтах.
   Таким образом, в муфтах с дискретным числом связей имеют место три ряда ошибок положения: технологические, монтажные и эксплуатационные.
       Кроме того, эти муфты требуют трудоемкого обслуживания. Частота периодов обслуживания увеличивается по мере износа их элементов, растет его объем.
      Поэтому в настоящее время все более широко применяются мембранные муфты (рис.2). Их отличие в том, что связь между полумуфтами осуществляется через мембрану (1). Она состоит из нескольких пластин тонколистовой упругой стали толщиной 0,2 мм, плотно прилегающих друг к другу. Связь между полумуфтами – через мембрану. Каждая полумуфта соединяется только с мембраной специальными болтами (2) поочередно: один болт со стороны одной полумуфты, второй с другой и т.д.

 

                                                                                                                                                                               рис.2                                                       рис.3

      На рис.2 изображена муфта с проставком (3), предназначенным для компенсации расстояния между торцами валов. Преимущество применения проставка еще и в том, что в этом случае две мембраны, а это допускает значительные радиальные отклонения, и угловые и осевые допуски увеличиваются более чем в 2 раза.

     Как видно из рис.3 мембрана работает как рессора. Амортизируя отклонения, сглаживает колебания крутящего момента и снимает перегрузки от паразитных сил.
В результате долговечность подшипников увеличивается в 1,7-1,9 раза.
    В таблице приведены данные по втулочно-пальцевым и мембранным муфтам, приблизительно сравнимым по предельно допустимому передаваемому моменту.

   Технические характеристики мембранных муфт по сравнению с втулочно-пальцевыми очевидно имеют большие преимущества.
      Дальнейшим развитием конструкции мембранных муфт стали муфты с ограничением крутящего момента. Это позволяет защитить от перегрузок сложные и дорогие агрегаты. Муфта с предохранительным от перегрузки устройством изображена на рис.4. Тип TSK и TLK.

 

рис.4

     Повышение надежности приводной части машинного агрегата включает не только снижение механических перегрузок соединяемых валов и подшипников, но и их защиту от вредных воздействий окружающей среды.
    Разнообразие условий эксплуатации определяет широкий спектр механических и химических факторов, сокращающих долговечность подшипников. Пыль, песчинки, другие мелкие частицы, попадая в смазку подшипников, образуют смеси, подобные притирочным пастам. Но эти грубые смеси не притирают, а истирают шарики, ролики, кольца и обоймы. Зазоры увеличиваются. Увеличиваются амплитуды колебания валов. Идет ускоренное разрушение подшипников. Защитные устройства, встроенные в подшипники, значительно уменьшают воздействия этого разрушающего фактора. Но полностью не устраняют. Кроме того, снижают долговечность подшипников влага, пары, на химических предприятиях туман агрессивных сред и т.д. Нужна не статическая защита подшипников, а динамическая.
   Такая защита осуществляется лабиринтными уплотнениями «Протек» (рис.5). Уплотнения имеют вращающуюся с валом часть 2, уплотненную на нем кольцом из эластомера, и неподвижную 3, которая зафиксирована и уплотнена в корпусе 4.

 

                    рис.5

      Известны более десяти конструкций таких уплотнений, разработанных фирмой Джон Крейн и изготовляемых на ее предприятиях. Разнообразие конструкций позволяет выбирать оптимальные для конкретных условий эксплуатации. Эти уплотнения не только защищают подшипники, но и исключают утечку смазки. Продляется срок их службы и уменьшается объем необходимого обслуживания.
    Таким образом, применение мембранных муфт и лабиринтных уплотнений подшипников, хотя и несколько удорожает агрегат в целом, но эти расходы довольно быстро окупаются за счет многократного увеличения долговечности и снижения производственных потерь от ремонта и простоев.
Предприятие “Насосы и Уплотнения” обеспечивает достаточно оперативно поставки муфт и уплотнений фирмы «Джон Крейн», предоставляя бесплатные консультации, и оказывает необходимую техническую помощь пользователям.

---