Введение к работе
Актуальность темы. Тяжело нагруженные технологические машины металлургической и горной промышленности обладают высокой динамичностью, вызванной технологическими параметрами работы машины, большими значениями энергии вращающихся масс, а также способностью двигателей развивать большие моменты. Среди рабочих нагрузок нередко встречаются нагрузки высокой интенсивности, вплоть до ударно-импульсных, носящие случайный характер. Это приводит к поломкам технологических машин, выходу из строя приводов и, как следствие этого, существенным потерям производства.
Предохранительные муфты приводов тяжело нагруженных машин, кроме обычных требований, должны обеспечивать ряд дополнительных: а) упругое демпфирование и рассеивание энергии кратковременных импульсных нагрузок (величина которых может превышать предельные значения); б) возможность быстрого восстановления муфты после ее отключения; в) приемлемые габаритные размеры и вес; г) безопасность для обслуживающего персонала; д) возможность передавать большие крутящие моменты (порядка 100 кНм).
Для защиты приводов таких машин в настоящее время используются многоштифтовые муфты со срезными элементами. Восстановление этих муфт после срабатывания занимает много времени (по опыту Оскольского электрометаллургического комбината от 2...3 часов до 2...3 смен). Отдельные попытки использования различных схем фрикционных и гидродинамических муфт показали довольно ограниченную сферу их применения.
Анализ способов защиты приводов тяжело нагруженных машин показал, что производство не располагает компактными самовосстанавливающимися предохранительными муфтами, способными передавать большее крутящие моменты. Поэтому задача разработки и исследования новых конст-рущий предохранительных муфт, используемых для защиты приводов тяжело нагруженных машин, является актуальной.
Настоящая работа выполнена при поддержке государственного Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе СТАРТ (Го(Жонтракт№3425р/5861 от 18.08.2005).
Объектом исследования является новый класс предохранительных самовосстанавливающихся муфт с гидромеханическим исполнительным механизмом приводов тяжело нагруженных машин.
Предметом исследования являются закономерности работы предохранительных муфт с гидромеханическим исполнительным механизмом в процессе аварийного срабатывания.
Цель работы заключается в повышении эффективности защиты приводов тяжело нагруженных машин путём снижения аварийности и времени восстановления муфты за счёт разработки и обоснования параметров предохранительных муфт с гидромеханическим исполнительным механизмом.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ известных схем и конструкций муфт и обосновать наиболее перспективное направление создания новых схем и конструкций муфт.
-
Разработать новые структурные схемы и конструкции муфт, отвечающих поставленным требованиям.
-
Провести систематизацию муфт с учётом нового класса гидромеханических предохранительных муфт.
-
Установить взаимосвязи между конструктивными параметрами элементов муфты и параметрами функционирования исследуемой муфты, разработав математическую модель муфты и проведя её исследования.
-
Разработать и создать макет муфты и экспериментальный стенд и провести экспериментальные исследования работы мак era муфты на стенде в режиме аварийного срабатывания.
-
Разработать методику расчёта параметров предохранительных муфт с гидромеханическим исполнительным механизмом применительно к тяжело нагруженным машинам.
Методы исследований. Разработка новых схем и конструкций проводилась с использованием методических подходов Теории решения изобретательских задач. Теоретические исследования базировались на фундаментальных положениях соотвегствующих разделов теоретической механики, дифференциального и интегрального исчисления, математического моделирования с применением пакета Matlab.
Экспериментальные исследования проводились на разработанном и изготовленном специализированном стенде с применением современной цифровой аппаратуры обработки данных, в частности платы АЦП L 154, и микропроцессорной техники. Программное обеспечение разработано на языке C++ в среде Borland C++ Builder 5.
Научшш новизна заключается в выявлении закономерностей функционирования перспективной предохранительной муфты нового класса в процессе аварийного срабатывания пугём разработки математической модели гидромеханической муфты с передаточным механизмом винт-гайка, позволяющей определить и обосновать рациональные конструктивные и рабочие параметры муфты, удовлетворяющие основным требованиям защиты приводов тяжело нагруженных машин.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Расширенная классификация предохранительных муфт, отличающаяся присутствием нового класса муфт с гидромеханическим исполнительным механизмом, основанного на комплексе новых технических решений, в которых передача момента зацеплением обеспечивается за счёт избыточного давления неподвижной жидкости, а также реализуются функции упругого демпфирования и самовосстановления.
-
Математическая модель гидромеханической предохранительной муфты с передаточным дифференциальным механизмом типа винт-гайка,
основанная на совместном решении дифференциальных уравнений динамики передаточного механизма муфты и зависимостей, описывающих механическую характеристику электродвигателя и гидромеханику работы гидродемпфера, позволяющая описать динамику работы муфты на различных этапах её работы.
-
Закономерности процесса аварийного срабатывания гидромеханической предохранительной муфты и влияние на параметры функционирования муфты конструктивных и технологических параметров (геометрические размеры передаточного мехгінизма муфты, параметры гидросистемы муфты).
-
Методика и алгоритм расчета гидромеханических предохранительных муфт, позволяющая определить рационаньные конструктивные параметры, удовлетворяющие требуемым характеристикам предохранительных-муфт приводов тяжело нагруженных машин.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки и формализации задачи, обоснованностью используемых теоретических зависимостей, принятых допущений и ограничений, применением апробированных методов решения и анализа, подтверждением качественным и количественным соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая ценность заключается в том, что создан новый класс предохранительных муфт с гидромеханическим исполнительным механизмом, защищенных четырьмя патентами РФ на изобретения, в которых разработано 7 вариантов различных передаточных механизмов и 3 схемы гидросистем муфты. Изобретение по патенту РФ № 2186270 включено Федеральным институтом патентной собственности в Базу перспективных российских разработок (письмо ФИГІС № 41-330-12 от 18.03.02). Получен патент на полезную модель экспериментального стенда. На малом научно-техническом предприятии ООО «СОПИН-Сервис» внедрены: методика расчёта гидросистемы гидромеханической предохранительной муфты; методика расчета основных параметров гидромеханической муфты с дифференциальным передаточным механизмом типа винт-гайка. Разработан макет муфты и экспериментальный стенд для проведения исследований. Исследование макета муфты на стенде подтвердило работоспособность нового класса муфт. Разработан эскизный проект конструкции гидромеханической муфты для привода ножниц горячей резки металла, применительно к производству Оскольского электрометаллургического комбината.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на региональной научно-практической конференции «Полвека Белгородской области: итоги., проблемы, перспективы», (Старый Оскол, 2003, 2005); научно-технической конференции ОАО «ОЭМК» (Старый Оскол, 2005); международной научно-практической конференции «Образование, наука, производство н управление» (Старый Оскол, 2006, 2009); IX Международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии» (Курск, 2010); 4-ом Международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (Орёл, 2010). Диссерта-
ционная работа была рассмотрена и одобрена на расширенных заседаниях кафедр Орловского ГТУ и Юго-западного университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе получено 4 патента РФ на изобретения и патент на полезную модель. Работ, опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных высшей аттестационной комиссией-2.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 137 страниц, в том числе 47 иллюстраций, 3 таблицы, а также 24 страницы приложений. Список использованных литературных источников содержит 107 наименований.
