ГЛАВНЫЕ СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ЭЛАСТИЧНЫЕ МУФТЫ

Главные соединительные муфты устанавливаются у моторов. Муфты должны удовлетворять следующим основным требованиям: хорошая центрировка во избежание возникновения больших динамических усилий; эластичность соединения для воспрепятствования передачи ударов электродвигателями; предохранение от возможности возникновения чрезмерных крутящих моментов; легкость включения и выключения на ходу; передача вращающего момента с возможно малыми затратами энергии на сопротивление трению в муфтах.

В качестве главных применяются упругие, зубчатые, гидравлическиеи муфты сцепления (в том числе электромагнитные).

Упругие муфты

В прокатных установках в последнее время наиболее часто применяются муфты Бамаг, Всеобщей компании электричества и Бибби.

а) Упругая мусфта системы Бамаг (фиг. 436, а и 6} состоит из

одним (фиг. 436, а) или двумя рядами (фиг. 436, б) деревянных, кожаных или резиновых соединительных пальцев. Пальцы свободно входят в отверстия противоположной половины муфт и от выпадания удерживаются вставленными с одной стороны пружинными кольцами.

Деревянные пальцы изготовляются преимущественно из дуба, их диаметр d1 = 50—70 мм, длина l1 = 2,8 - 3 d1.Число пальцев определяется путем расчета их на срез; при этом допускаемые напряжения для дубовых пальцев принимаются равным 8—12 кг/см2, шаг между пальцами t= (1,8-2) d.

Внешний диаметр муфты принимается равным D = (6 - 9) d, где d-диаметр вала.

Для передачи больших мощностей муфты системы Бамаг в последнее время изготовляются стальными.

б) Муфта Всеобщей компании электричества (фиг. 437) состоит из двух дисков, в одном из которых размещены кулачки 1, упирающиеся в стальные пружины 2, которые закреплены на другом диске.

Таким образом при вращении ведущего вала кулачки одной половинки муфт, соприкасаясь с пружинами другой половинки, могут передавать вращение ведомому валу.

в) Муфта Бибби с одним (фиг. 438, а) и двумя рядами пружин (фиг. 438, б), появившаяся сравнительно недавно, в настоящее время

имеет весьма широкое применение. Основными достоинствами муфты Бибби является возможность передачи ею больших крутящих моментов, значительно меньшие габариты, чем у муфты Бамаг и др., высокая эластичность, дающая возможность применять ее на валах, имеющих большие перекосы.

Муфта Бибби состоит из двух дисков, на окружности которых помещены зубцы. Каждый из дисков насаживается на валы; соединяются эти диски между собой зигзагообразной пружиной в один, два или несколько рядов (при передаче больших мощностей). До достижения нормальной нагрузки зубья упираются в прямые участки

пружин, точки опоры которых находятся на максимальном расстоянии друг от друга (фиг. 439, а). С увеличением нагрузки пружина, деформируясь, постепенно входит в соприкосновение все с большей частью зуба и расстояние между опорами пружины постепенно уменьшается (фиг. 439, б). Прямые участки пружин полностью прилегают к боковым поверхностям зубьев лишь при нагрузке, во много раз превышающей нормальную (фиг.439, в).

В зависимости от размера муфты игра в осевом направлении составляет примерно 4—

20 мм. Угловое смещение, выравниваемое муфтой Бибби, составляет 1° 15'; вертикальное

смещение 0,5-3 мм.

Для предохранения от пыли диски с пружинами помещаются в специальный кожух. Пружины и зубья муфты обильно смазываются консистентной смазкой.

Размеры стандартной мугты Бибби приведены на фиг. 440. Расчет муфты «Бибби» приводим по Лукину [164]. Задавшись средним радиусом R муфты и числом зубьев z на одном диске, получаем окружное усилие на один зуб:

Задаемся размерами зубьев а и b и величины с (фиг. 441): a —3,5 b, шаг витков пружины t=1,5b, с == 3—5 мм.

Рассчитываем пружину при нормальной нагрузке, рассматривая ее как балку, закрепленную на одном конце (фиг. 442). При этом полагаем, что угол наклона касательной к упругой линии концевой точки при прогибе все время остается равным нулю.

Вылет балки

Определим отдельно прогиб балки:

1) под действием сосредоточенной силы Р1 прогиб определится из уравнения:

(422)

2) под действием внешнего момента М прогиб определится из уравнения:

(423)

Условие равновесия балки:

или

откуда

(424)

Изгибающие моменты будут изменяться по следующему закону:

(425)

Наибольший момент при х=0 и х = 1: (426)

После двукратного интегрирования диференциальное уравнение упругой линии принимает следующий вид:

(427)

Это и есть уравнение кривой очертания зуба.

Наибольший прогиб при х = 0

(428)

Этот прогиб должен равняться примерно а/4,5.

При прямоугольном сечении пружины с размерами b и h (фиг. 442) уравнение прочности ее будет:

(429)

откуда

Сечение пружины должно быть таких размеров, чтобы обеспечить прогиб

(430)

Подставляя в это выражение значение , получаем:

откуда

Определив h, находим

(431)[1]

где Rz = 4500 кг/см2, Е = 2,2 х кг!см2.

По данным Мальмеди, зазор а между дисками муфты Бибби принимается в следующих пределах: при D=1500 мм, а = 5-15 мм; при D =1000 мм, а = 3-12мм; при D = 600 мм, а = 2-8 мм.

Зубчатые муфты

Зубчатые муфты Фаста и Пула за последние 10—15 лет получили широкое применение как в США, так и в СССР.Особенностью этих муфт является высокая упругость, способность передавать большие мощности и весьма продолжительный срок их службы. Обе муфты допускают очень большие смещения осей валов, обладая хорошими компенсирующими свойствами.

а) Муфта Фаста (фиг. 443) состоит из двух втулок, закрепленных шпонками на валах. На окружности втулок помещаются зубчатые

венцы 2. Втулки помещаются в разъемном кожухе 3, фланцы 4 которого соединяются болтами. Каждая из двух половинок кожуха снабжена цилиндрической шестерней 5 с внутренней нарезкой. Эти внутренние шестерни входу в зацепление с зубчатыми венцами 2. Опорные кольца 6 служат направляющими для оси каждого из валов.

Небольшой зазор 7 между внешними и внутренними шестернями допускает некоторое взаимное смещение валов. Муфта заполняется маслом через специальное отверстие 8 в корпусе или коллекторные кольца; уровень масла поддерживается на высоте кольца с таким расчетом, чтобы при вращении муфты масло распределялось по внутренней окружности кожуха. Зубья шестерен полностью погружены в масляную ванну. Масло находится под давлением, развиваемым центребежной силой. Слой масла между зубьями шестерен обеспечивает равномерное распределение давления между каждой парой находящихся в зацеплении зубьев, благодаря чему значительно уменьшается износ их рабочих поверхностей.

Муфта Фаста с успехом применяется при высоких скоростях, больших передаваемых мощностях и реверсивной работе.

Расхождение между зубьями шестерен по сравнению с величиной расхождения между осями валов очень незначительно.

На фиг. 444 представлены параллельные валы, смещенные на величину Е при расстоянии между центрами шага зубьев L и ширине зубьев f. Треугольники abc и aed подобны, поэтому:

Если расхождение между зубьями принять за х, то:

тогда

Отношение f/L обычно равно 1/10 следовательно,

Таким образом величина расхождения между зубьями составляет только 1/10 величины расхождения между осями валов.

Положение муфты при различных перекосах валов показано на фиг. 445, a, положение зубьев по окружности — на фиг. 445, б.

Теоретически зубья должны соприкасаться только при положенаях соответствующих и . Однако в действительности имеет место почти равномерное распределение давления по всем зубьям благодаря наличию между ними слоя смазки. Даже в случае максимального смещения валов наибольшее расхождение между зубьями шестерен составляет всего несколько сотых миллиметра. Точные исследования показали, что зазор между зубьями шестерен можно принять постоянным, так как невозможно вытеснить слой масла, находящийся между двумя поверхностями даже при давлении до 400 кг/см2. Таким образом хорошая работа муфты целиком зависит от качества масла и его вязкости. Число зубьев в зависимости от размера муфты берется от 40 до 80.

б) Муфта Пула (фиг. 447) отличается от муфты Фаста формой зубьев, которые в верхней части скругляются по радиусу, равному половине наружного диаметра втулки, благодаря чему отпадает надобность в радиальном зазоре между верхней кромкой, зубцами втулок и полумуфт, как в муфтах Фаста.

Обладая этой особенностью, муфта Пула допускает значительно большие перекосы валов, чем муфта Фаста.

в) Расчет муфты Пула (Фаста), приведенный нами на основе данных Балюнова [165], опускаем [(формулы 432—442) и отсылаем читателя к первоисточникам.

Муфты сцепления

Муфты сцепления применяются, когда две рабочие линии имеют обший привод или в случае необходимости путем включения одной из муфт (1 или 2) и выключения другой получить реверсивный ход (фиг. 448) стана при постоянном вращении мотора. Муфты

сцепления используются преимущественно в мелкосортных станах старых конструкций и в станах холодной прокатки. К муфтам сцепления относятся: муфта Линдзея (фиг. 449—451) и электромагнитная муфта.

а) Муфта Л и н д з е я . На ведущий вал (фиг. 449) насажен диск 1, к которому прикреплен конец пружины 2, откованной из высококачественной стали. Пружина несколькими витками охватывает барабан 3. На свободном конце пружины имеется рычажок 4, поворачивающийся относительно валика 5. На рычажке имеется болт 6, упирающийся при повороте рычажка в выступ 7, сделанный на предыдущем витке пружины. Когда тарелка 8 сдвигается по направлению к муфте, рычажок 4 стягивает крайний виток пружины на барабане и под действием сил трения начинает вращаться вместе с валом, увлекая за собой остальные витки пружины и, следовательно, ведомый вал. Для предупреждения поломки пружины, могущей возникнуть при внезапной остановке вала на диске /, имеется упор 9, который, ударяясь в выступ 7, помещенный на пружине, размыкает муфту.

Зная момент М = ,передаваемый муфтой, и средний радиус головки пружины R, можно определить силу, с которой ведущий диск тянет пружину по касательной к цилиндру ведомой втулки

(443)

Представляя пружину как упругую ленту, навитую т + 1 раз на барабан, получаем усилие, действующее на один из ее концов:

(444)

где а — угол охвата цилиндра лентой, равный 2 пm;

— коэффициент трения ленты по барабану, равный 0,18.

Взяв для данного случая Т=Р, имеем:

(445)

Усилие tпредставляет силу трения на противоположном конце пружины под действием стягивающего усилия X, полученного от давления K. Величина силы t зависит от коэффициента (фиг. 451, а), который изменяется в зависимости от угла а и коэффициента трения , с повышением которого кривая сильно поднимается.

Для определения усилия X (фиг. 451, б), стягивающего пружину, воспользуемся теорией проф. Худякова. Напряжение на стыке ленты с цилиндром одинаково с тем, которое можно получить, если заданную нагрузку распределить равномерно по вытянутой полосе той же ширины с длиной, равной радиусу цилиндра (фиг. 450, б):

(446)

где r—радиус цилиндра;

l—длина его образующей.

Сила же, давящая на всю вытянутую поверхность

(447)

Сила трения Т на поверхности цилиндра определяется из выражения:

(448)

Момент, вызываемый силой трения Т

(449)

Подставляя в это выражение значение из уравнения (446), получаем

или

откуда

Последний оборот пружины служит для того, чтобы вызвать нужную силу трения t.

Если Т=t, то

(450)

Расчет сделан для тонкой пружины, а так как пружина толстая и пружинит при стягивании, слегка меняясь в диаметре, то полученная величина X ниже действительной; ее необходимо увеличить на 50-100%.

Напряжение разрыва для пружины Rz = 1800—2300 кг/см2.

Напряжения изнашивания можно принять по уравнению:

(451)

где l— сторона прямоугольного сечения пружины;

q- 10- 50 кг/см2.

Усилие K для замыкания муфты определяется из условия равновесия рычага (фиг. 451,б.)

откуда

Заменяя X его выражением по уравнению (450), получаем:

(452)[2]

Так как сила К меньше силы t, пружина не скользит вдоль вала.

б) Э л е к т р о м а г н и т н а я м у ф т а . Электромагнитная муфта (фиг. 452, а) состоит из корпуса магнита 1, установленного на втулке 2, которая закреплена на конце одного из валов.

В этом корпусе помещается катушка с проволочной обмоткой 3, к которой подводится ток от двух контактных колец 4. При прохождении тока через катушку создается магнитный поток и концы электромагнита 5 и б притягивают расположенный против них якорь 7, закрепленный в ступице 8 на конце другого вала. Якорь фрикционной обкладкой прижимается к фрикционному кольцу 9 магнита. Чтобы якорь при выключении под действием остаточного магнетизма не задерживался магнитом, необходимо между полюсами и якорем иметь постоянный воздушный зазор, что несколько уменьшает силу магнита. При выключении тока шайба 7 оттягивается пружинами 10 и муфта расцепляется. Скользящие кольца 11 и 12 препятствуют недопустимому сближению обеих частей муфты.

Основные размеры электромагнитных муфт приведены в таблице (фиг. 452, а).

Расчет числа ампервитков магнитной катушки (фиг. 452, б) опускаем (формулы 453—460) и отсылаем читателя к первоисточнику [164].

ПРИМЕР. РАСЧЕТ УНИВЕРСАЛЬНОГО ШПИНДЕЛЯ РЕВЕРСИВНОГО

СТАНА ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ

Исходные данные:

Мотор стана N = 133 л. с.; п = 480 об/мин.

Передаточное число от мотора к шпинделю t = 13,95, к. п. д. передачи =,0,8.

Нормальный крутящий момент на шпинделе

Для расчета шпинделя нормальный момент увеличиваем в 1,5 раза:

Максимальное напряжение от кручения в лопастях шпинделя

где k — коэффициент, меняющийся в зависимости от отношения ширины лопасти к ее

толщине. Значения этого коэффициента приведены ниже:

Угол наклона при максимальном подъеме валков

Изгибающий момент на лопасти шпинделя во время его подъема:

Напряжение от изгиба

Суммарное напряжение от совместного действия крутящего и изгибающего моментов

Допускаемое напряжение для кованой стали с сопротивлением разрыву 50—70 кг/ммз составляет 1000—1300 кг/см2.

Крутящий момент, передаваемый шпинделю, воспринимается двумя лопастями головки. Кроме кручения на лопасти головки действует также изгибающий момент, вследствие чего она рассчитывается на сложное сопротивление.

Момент, скручивающий лопасти головки шпинделя

Напряжение от кручения в головке шпинделя

где

Площади сегмента по сечению

Изгибающий момент в сечении

Напряжение от изгиба в головке шпинделя

где

Суммарное напряжение от изгиба и кручения:

Изгибающий момент в сечении СD

Напряжение от изгиба в сечении СD

где

Суммарное напряжение от изгиба и кручения в сечении СD

Допускаемое напряжение для нормальной нагрузки доп = 1000—1300 кг/см2 соответствует фактическому, но при этом необходимо учесть, что расчет производился при условии наличия дополнительных 50% нагрузки.

[1] Формулы (432-442) опущены.

[2] Формулы (453-469) опущены.