Что обеспечивают предохранительные муфты
Предохранительные муфты: виды, назначение и особенности
На сегодняшний день большинство механизмов, автоматических систем и машин в процессе своей эксплуатации подвержены возможным сбоям в работе. Данные системы, как правило, используются в условиях повышенной нагрузки и зачастую выходят из строя или приостанавливают свою деятельность по причине заклинивания, неправильной подачи смазывающего материала, превышении максимальной грузоподъемности. Дабы избежать таких негативных моментов в ходе рабочего процесса используют предохранительные или, как их еще называют, перегрузочные муфты. Данные устройства используются при передаче крутящего момента.
В основном данное оборудование применяется в ударных механизмах, работающих в горнодобывающей промышленности, в автоматических системах и так далее. По принципу осуществления своей работы муфты делят на следующие разновидности: с разрешающим элементом, фрикционные, пружинно-кулачковые.
Фрикционные муфты
Такие муфты являются по своей конструкции самыми простыми. Чаще всего такие устройства используют в работе ударного действия в условиях кратковременных перегрузок. В своём оснащении такие муфты имеют ступицы, нажимной диск, гайку регулировки, втулки, тарельчатые пружины, винты, датчик вращения. Принцип действия таких механизмов следующий. Если максимальный уровень усилия на механизм превышен, фланец крутится во втулке, которая в свою очередь выполняет функцию подшипника скольжения. Датчик муфты выступает в роли контролирующей системы, которая может определять время проскальзывания муфты и значительно уменьшает возможность ее повреждения. В итоге проскальзывание прекращается в автоматическом режиме, что позволяет избежать остановки работы оборудования.
Пружинно-кулачковые муфты
В отличие от предыдущей модели данные муфты могут похвастаться достаточно высокой точностью срабатывания. Но, к сожалению, у данного вида устройств есть и значительный минус. При высоких оборотах такие механизмы могут подвергнуться перегрузкам. По принципу осуществления своей деятельности такие муфты могут делиться на шариковые и кулачковые.
Кулачковые муфты являются достаточно сложными в обработке. Шариковые устройства более просты в эксплуатации и поэтому имеют весьма широкое применение. Суть рабочего процесса шариковых предохранителей заключается в прижимании шариков к гнездам при воздействии на ось. При превышении нагрузки шарики выходят из гнезд, что приводит к передаче вращения.
Пружинно-шариковые устройства предполагают несколько вариантов восстановления соединения. Первым является автоматическое восстановление рабочего процесса при прекращении перегруза. Также одним из вариантов является восстановление связки валов вручную или при помощи исполнительного механизма. Также одним из самых применимых вариантов является восстановление соединения валов без прерывания передачи вращения. Данный вариант зачастую используется при необходимости отсутствия прекращения работы механизма.
Предохранительные муфты позволяют избежать выхода из строя основного оборудования, а также позволяют многим автоматизированным системам выполнять свой рабочий процесс безостановочно, что, конечно же, является неоценимо важным фактором для производства.
Важно помнить, что предохранительные муфты также могут со временем выходить из строя, а потому необходимо систематически проводить осмотр оборудования.
Чтобы задать вопрос или сделать заявку,
нажмите на кнопку ниже:
Предохранительные муфты: виды и особенности
Динамические машины часто испытывают кратковременные, превышающие пиковые значения нагрузки. В большинстве случаев их вызывают сбои в работе определенных систем оборудования. Изменение конструкции машины – дорогостоящая задача. Эта процедура приведет к увеличению габаритов устройства и усложнению его обслуживания. С экономической точки зрения выгоднее создать силовую схему на основании номинальных нагрузок и подключить к оборудованию защитное устройство. Предохранительная муфта с проскальзыванием – один из таких вариантов.
Особенности и применение предохранительных муфт
Предохранительные или перегрузочные муфты используют при передаче момента силы, поэтому иногда их называют муфтами предельного момента. Сферы применения защитных устройств:
Предохранительные изделия комбинируют с компенсирующими моделями для работы с несоосными валами.
Типы предохранительных муфт
Устройства подразделяют исходя из их принципа действия. Основных видов изделий 4:
Последний вид устройств может выпускаться с роликами или шариками. Он считается более распространенным вместе с фрикционным.
Фрикционные
Предохранительные муфты редукторов этого типа считаются самыми простыми. Они подходят для работы при коротких перегрузках от ударного воздействия. Их используют в комбинации с фланцами, звездочками, шкивами. При штатном усилии устройство передает нагрузку за счет сжатия фланцев и ступицы. Если же показатели силы превышают допустимые, фланец прокрутится по втулке. Допустимый уровень силового момента зависит от местоположения и количества пружин. Конструкция предохранительных муфт:
Вращательный датчик позволяет отрегулировать время проскальзывания соединения. Это сведет к минимуму повреждения. Проскальзывание завершается автоматически, но при этом механизм продолжает работать. Ступицу часто заменяют игольчатым подшипником. Такая модификация необходима, если скорость скольжения и радиальные нагрузки высокие, а требования к местоположению вала и привода очень строгие. Диапазон момента силы современных предохранительных соединительных элементов – от 2 до 50000 Нм, а валовый диаметр – до 200. Скорость проскальзывания падает с увеличением размера защитного устройства.
Пружинно-кулачковые
Предохранительная муфта этого типа отличается высокой точностью срабатывания. Главную роль в повышенной точности отводится упругим свойствам пружины. При достижении пикового момента вращения пружинно-кулачковый механизм сработает с большей вероятностью, чем фрикционный. К плюсам изделия относят высокие показатели жесткости кручения, отсутствие мертвого хода. Это особенно важно при работе следящих приводов. Недостатки у пружинно-кулачковых предохранительных муфт тоже есть. Они сильно ограничены по скоростным характеристикам. При высоких скоростях защитные элементы много раз перегружаются из-за самовключений. Со временем падает показатель крутящегося момента. Пружинно-кулачковые механизмы бывают:
Сложнее всего изготавливать кулачковые муфты, поэтому производители часто используют шариковые изделия. Трение скольжение при такой конструкции заменяется частично трением качением. В кулачково-роликовых моделях установлены радиально расположенные ролики. Во время работы шарики прижимаются к гнездам за счет передачи усилия от пластин. Если нагрузка выше номинальной, шарик вылетает из гнезда, а сила передается.
Особенности эксплуатации пружинно-кулачкового устройства
Защитный элемент обеспечивает следующие способы восстановления валов:
Использование пружинно-кулачковых муфт способствует снижению стоимости и уменьшению размеров машин. Расходы на эксплуатацию тоже снижаются, т.к. растет надежность оборудования.
Предохранительные муфты
Рабочий процесс многих машин и механизмов имеет динамический характер, сопровождающийся кратковременными (пиковыми) повышениями нагрузки. Кроме того, увеличение нагрузки может быть вызвано нештатными ситуациями в работе машины: прекращением подачи смазки, забиванием рабочих органов, заеданием и др. Расчет механизмов по таким максимальным нагрузкам привел бы к ненужному утяжелению и удорожанию машины. Поэтому часто проектирование ведется исходя из номинальных нагрузок, а для предотвращения поломок деталей при перегрузках применяют предохранительные устройства. Функции предохранительного звена могут выполнять и элементы привода, допускающие проскальзывание. Так, в гидроприводах перегрузки предотвращаются предохранительными клапанами.
При передаче крутящего момента между валами для защиты от перегрузок применяются предохранительные (перегрузочные) муфты. Иногда их еще называют муфтами предельного момента. Их устанавливают в машинах ударного действия; в машинах, обрабатывающих неоднородную среду; в автоматических машинах и устройствах; в ответвляющихся цепях кинематических цепей машин, передающих небольшую часть мощности приводного двигателя (приводы подачи металлорежущих станков). Поскольку предохранительные муфты не могут устранить возникающие несоосности валов, нередко их комбинируют с компенсирующими муфтами.
Предохранительные муфты по принципу действия разделяются на: муфты с разрушающимся элементом (не рассматриваются); фрикционные (рис. 1, а); пружинно-кулачковые (рис. 1, б); магнитные (рис. 1, в). Пружинно-кулачковые муфты имеют ряд разновидностей, в которых кулачки заменены шариками или роликами.
Фрикционные муфты (рис. 1, а) являются простейшими по конструкции. Они применяются при частых кратковременных перегрузках, главным образом ударного действия.
Фрикционная муфта (рис. 2) состоит из ступицы 1, подвижного нажимного диска 2, фрикционных накладок 3 (не содержащих асбеста!), регулировочной гайки 4, стопорного винта 5, тарельчатых пружин 6, подшипника скольжения (втулки) 7, датчика вращения 8 (опционально), стопорного винта 9. Между фрикционными накладками устанавливаются либо стандартизованные звездочки или шкивы, либо фланец. Принцип работы такой муфты прост: тарельчатые пружины через нажимное кольцо создают осевое усилие, прижимая фрикционные накладки к ступице и фланцу (звездочке). При превышении действующим моментом момента трения, фланец (звездочка) прокручивается по втулке, являющейся подшипником скольжения. Изменяя количество и взаимное расположение тарельчатых пружин, производители получают муфты с различным передаваемым моментом. Применение датчика вращения позволяет контролировать время проскальзывания муфты и снижает риск ее повреждения.
При действии перегрузки (рис. 3) муфта проскальзывает, и вращение выходного вала прекращается. Соединение валов восстанавливается автоматически без прекращения передачи момента при проскальзывании.
Вместо подшипника скольжения в муфтах нередко устанавливают игольчатый подшипник. Применение подшипника качения оправдано при частых срабатываниях муфты, при высоких скоростях скольжения, при больших радиальных нагрузках и при высоких требованиях к точности взаимного расположения вала и приводного элемента (например, при установке зубчатого колеса).
Пружинно-кулачковые муфты делятся на кулачковые (рис. 4, а), шариковые (рис. 4, б) и кулачково-роликовые (рис. 4, в). В кулачковых муфтах рабочие поверхности кулачков делают не плоскими, а выполненными по винтовой линии. Обработка таких поверхностей технологически сложна. Поэтому наибольшее распространение получили шариковые муфты, которые легче изготавливать. В них кулачки заменены шариками, а трение скольжения частично заменено трением качения. В кулачково-роликовых муфтах используются радиально установленные ролики, сопрягающиеся с ответными пазами.
Пружинно-шариковая муфта (рис. 5) состоит из ступицы 1, подвижного нажимного диска 2, обоймы с шариками 3, регулировочной гайки 4, тарельчатых пружин 5, упорного игольчатого подшипника 6, подшипника скольжения 7 и выходного фланца 8. Принцип работы такой муфты следующий: тарельчатые пружины через нажимное кольцо создают осевое усилие, прижимая шарики к гнездам в ступице и фланцу (рис. 4, б); при превышении действующим моментом допустимой величины шарики выходят из гнезд и передача вращения прекращается.
В отличие от фрикционных пружинно-шариковые муфты имеют различные варианты восстановления соединения валов (рис. 6). При срабатывании муфты, представленной на рис. 5, прекращается вращение выходного вала, однако, на него передается остаточный крутящий момент (рис. 6, а). Включение муфты происходит автоматически после прекращения действия перегрузки и поворота полумуфт на целое число угловых шагов шариков.
Если в конструкцию муфты между подвижным диском и пружинным блоком добавить запорный механизм (рис. 7), замыкающий подвижную полумуфту при срабатывании, то восстановление вращения возможно только вручную или внешним исполнительным механизмом. Диаграмма муфты с подобным механизмом представлена на рис. 6, б.
В некоторых конструкциях, например, в подъемных машинах, прерывание передачи крутящего момента недопустимо, а при перегрузке необходима сигнализация. Тогда в базовую конструкцию муфты (рис. 5) вводят ограничитель хода подвижного диска (рис. 8, а). При срабатывании муфты подвижный диск отходит от неподвижного до упора в ограничитель. Муфта выдерживает 4-х кратное превышение нагрузки от номинального значения. При перемещении срабатывает бесконтактный (рис. 8, б) или контактный датчик. Диаграмма работы такой муфты представлена на рис 6, в. Необходимо отметить, что датчик срабатывания может быть установлен и в другие типы муфт, генерируя сигнал о срабатывании.
В конструкциях некоторых машин и агрегатов необходимо выдерживать точное взаимное угловое положение ведущего и ведомого звеньев. По признаку взаимного углового положения валов муфты делятся на храповые и синхронные. Муфта, изображенная на рис. 5, имеет храповое исполнение.
В муфте храпового исполнения после прекращения действия перегрузки шарики занимают следующую свободную позицию, а, следовательно, взаимное положение валов произвольное.
На рис. 9 представлена кулачково-роликовая пружинная муфта, восстанавливающая соединение только при повороте полумуфт на 360° (45°, 60°, 90° или 180°). Это муфта синхронного действия. Принцип работы аналогичен рассмотренной пружинно-шариковой муфте. Строго определенное взаимное положение валов достигается неравномерным угловым положением кулачков и ответных роликов (рис. 4, в). Синхронное исполнение могут иметь также пружинно-шариковые муфты (рис. 11, б, 12, б, 13, б).
В современных машинах широкое распространение получили системы с датчиком обратной связи (сервоприводы). Чаще всего датчик обратной связи устанавливается на двигателе (серводвигателе), а перемещения приводимого механизма отслеживают по числу оборотов двигателя. Например, именно на этом принципе работает большинство станков с ЧПУ. Однако, если элементы, расположенные в кинематической цепи после двигателя (муфты, редукторы и т.д.) имеют малую крутильную жесткость и (или) мертвый ход, то при реверсе нагрузки в системе подсчета перемещения возникает несоответствие между числом оборотов вала двигателя (с учетом передаточных отношений) и реальным значениями.
Для решения этой проблемы производители предлагают предохранительные муфты с отсутствием мертвого хода (рис. 11, 12, 13). Отсутствие люфта достигается за счет повышения точности изготовления элементов муфты, и, прежде всего, узла передачи момента. Равномерное распределение нагрузки между шариками обеспечивает высокую крутильную жесткость. На рис. 10, а представлена сравнительная зависимость между крутящим моментом и углом закручивания стандартной муфты и муфты с отсутствием люфта.
Для прецизионных муфт часто подбирают такую тарельчатую пружину, чтобы рабочий диапазон хода приходился на нисходящую ветвь диаграммы усилий пружины (рис. 10, б). Это позволяет увеличить скорость и точность срабатывания муфты.
По конструкции и принципу работы муфты с отсутствием мертвого хода аналогичны описанным выше пружинно-шариковым муфтам. На рис. 11 – 13 представлены муфты фирм Mayr, KTR и R+W с узлами передачи крутящего момента. Муфты имеют как храповое, так и синхронное исполнения; исполнения с запорным механизмом; исполнения без прерывания передачи момента с генераций электрического сигнала; могут быть оборудованы датчиком срабатывания.
Рассмотрим оригинальные конструкторские решения, отличающие беззазорные муфты различных производителей. Помимо требований к точности и отсутствию люфта в сервоприводах стремятся уменьшить массовый момент инерции (массу) приводимых частей. Уменьшение массы позволяет снизить требования к мощности дорогостоящего серводвигателя. В конструкции муфты Syntex фирмы KTR (рис. 12) крутящий момент передается через специальную тарельчатую пружину, имеющую посадочные места для шариков. Совмещение функций нажимной пружины и подвижного фланца снижает массу узла передачи момента. С другой стороны, технология изготовления специальной тарельчатой пружины усложняется.
Почти во всех муфтах для повышения точности хода выходного фланца и уменьшения общих габаритов узла подшипник скольжения меняется на подшипник качения. В конструкции муфт фирмы R+W (рис. 13) применяются интегрированные подшипники. Это позволяет уменьшить массу подшипникового узла и размеры выходного фланца. Однако усложняется технология производства муфты (необходимость выполнения дорожек качения, сложность сборки и т.д.)
Кроме шпоночного соединения в муфтах широко применяются фрикционные зажимные ступицы (рис. 11 – 13). Их применение облегчает сборку при гарантированном отсутствии зазоров в соединении муфта – вал. О типах зажимных муфт и особенностях их применения мы уже писали (РИТМ №8, 2008 г.)
Предохранительные муфты не компенсируют несоосность валов. Для этого существуют компенсирующие муфты. При необходимости установки в механизме двух типов муфт можно приобрести комбинированную муфту (рис. 14). В компенсирующей части такой муфты применяются муфты: упругие с эластомерной звездочкой (рис. 14, а, б), сильфонные (рис. 14, в), зубчатые, дисковые.
Длительное скольжение во фрикционных муфтах привело бы к большому износу поверхностей трения. Поэтому в случаях необходимости длительного скольжения применяют муфты, основанные на использовании в качестве передаточного звена жидкости или сил магнитного взаимодействия. На рис. 1, в представлена магнитная муфта на постоянных магнитах. Муфта состоит из ступицы с постоянными магнитами; выходного фланца, опирающегося на подшипник качения; гильзы с магнитом, навинченной на выходной фланец, стопорного винта. Ввинчивая или вывинчивая гильзу, можно изменять передаваемый момент. В муфте отсутствуют трущиеся элементы.
Диаграмма работы муфты представлена на рис. 15. Как видно из рисунка, на выходной вал всегда действует постоянный момент, а обороты выходного вала при перегрузке падают. При проскальзывании муфты выделяется тепло. Допустимое время и скорость скольжения зависят от теплового режима муфты.
В кинематической цепи предохранительную муфту рекомендуется располагать непосредственно на вале, приводящем в действие исполнительный механизм (рис. 16). В этом случае от перегрузок защищены все механизмы в цепи.
Однако, в большинстве случаев крутящий момент на исполнительном механизме существенно выше, чем на двигателе. Соответственно, растет габарит и цена муфты. На рис. 16, б показано альтернативное размещение муфты. При этом редуктор должен выдержать пиковые перегрузки.
Очень часто предохранительные муфты комбинируют со шкивом (звездочкой) ременных (цепных) передач или компенсирующей муфтой. При конструировании узла с предохранительной муфтой следует помнить, что не все муфты предполагают установку элементов трансмиссий непосредственно на выходной фланец. На рис. 17, а представлена установка предохранительной муфты на выходном валу электродвигателя со шкивом ременной передачи. Шкив установлен на отдельный подшипник качения. На рис. 17, б представлено исполнение предохранительной муфты с длинной ступицей, предназначенной для установки пары подшипников звездочки трехрядной цепи.
В случае комбинированной муфты, представленной на рис. 17, в, ведущая полумуфта компенсирующей части устанавливается на игольчатый подшипник. Муфты на рис. 2 и 17, г позволяют установить звездочку или шкив зубчатой ременной передачи без дополнительных опор.
На рис. 18 под цифрой 1 представлен график реально действующего момента в произвольном механизме. Цифрой 2 обозначена граница максимального значения этого момента. Номинальный момент муфты TN, Нм рекомендуется принимать на 30…50% больше, чем максимальный момент, возникающий при работе (обозначен цифрой 3).
Встраивание предохранительных муфт в конструкцию приводит к снижению стоимости машины (за счет уменьшения размеров) и стоимости эксплуатации (за счет повышения надежности). Конструкции предлагаемых на рынке муфт отличаются разнообразием и позволяют удовлетворить любые требования конструктора. Остается только выбирать и помнить, что «Проблема выбора только в том, что он есть».
Михаил Гранкин
Журнал «РИТМ», февраль 2009 г.
Предохранительная муфта
Распространенные динамические машины могут для передачи вращения и другого усилия. При этом часто наблюдается ситуация, когда устройство испытывает кратковременные пиковые перегрузки. В большинстве случаев подобная проблема возникает по причине износа или неисправности основных элементов конструкции. Изменение конструктивных элементов для снижения вероятности возникновения перегрузки в большинстве случаев становится причиной увеличения размеров. Наиболее простым решением можно назвать установку предохранительной муфты, которая может проскальзывать в случае возникновения перегрузки. Рассмотрим все подробности устройства подробнее.
Особенности и применение предохранительных муфт
Рассматриваемая предохранительная муфта используется для передачи момента силы с учетом возможности перегрузки при определенных ситуациях. Область применения устройства следующая:
Учитывая конструкцию муфты можно сказать, что она может использоваться для передачи момента между различными устройствами. При этом механизм может существенно отличаться, все зависит от конкретного случая.
Типы предохранительных муфт
Распространенные предохранительные муфты валов классифицируются в зависимости от принципа действия. Выделяют четыре различных типа муфты:
Все типы устройств характеризуются своими определенными особенностями, которые должны учитываться. При изготовлении применяются самые различные материалы, большинство характеризуется высокой степенью защиты от воздействия окружающей среды.
Фрикционные
Наиболее простой конструкцией характеризуется фрикционная предохранительная муфта. Она зачастую устанавливается в случае, когда есть вероятность возникновения перегрузки в течение короткого периода при ударном воздействии.Среди особенностей применения отметим:
Выделяют довольно большое количество вариантов исполнения подобного механизма, классический представлен сочетанием следующих элементов:
За счет установки датчиков есть возможность проводит регулировку момента проскальзывания. За счет этого существенно снижается степень повреждения механизма. При нормальной работе проскальзывание завершается автоматически, а сам механизм продолжает функционировать.
В некоторых случаях проводится замена ступицы на специальный подшипник игольчатого типа. Подобная модификация рассчитана на большие осевые нагрузки. Диапазон момента силы варьирует в пределе от 2 до 50 000 Нм, диаметр валов доходит до 200 мм. При этом скорость скольжения существенно снижается за счет увеличения диаметральных размеров.
Пружинно-кулачковые
Довольно большое распространение получила предохранительная муфта пружинно-кулачкового типа. Это связано с тем, что они обеспечивают высокую точность срабатывания за счет установки упругой пружины. Особенностями назовем следующие моменты:
Существенным недостатком можно назвать только ограничения по скорости работы. Из-за большого количества оборотов устройство начинает быстро изнашиваться. При этом со временем происходит падение показателя максимального крутящего момента.
Рассматриваемая муфта бывает следующего типа:
Кулачки довольно сложны в изготовлении, поэтому чаще всего встречаются шариковые варианты исполнения. При этом степень износа снижается за счет скольжения. Кулачково-роликовый вариант исполнения характеризуется тем, что ролики устанавливаются радиально. При слишком высоком передаваемом усилии шарики вылетают из гнезд.
Особенности эксплуатации пружинно-кулачкового устройства
Для того чтобы обеспечить длительную эксплуатацию устройства следует рассмотреть особенности его эксплуатации. Среди особенностей предохранительной муфты отметим следующее:
Довольно большое распространение также получили варианты исполнения муфты, которые отвечают за появление сигнализации о возникновении перегрузки. Примером можно назвать ситуацию, когда останавливать вращение устройства запрещается, но в случае перегрузки нужно предпринять меры по снижению степени износа основных элементов.
Шариковые муфты
Стальные шарики используются при создании самых различных механизмов, в том числе предохранительных муфт. Подобный вариант исполнения входит в число специальных устройств. Особенности этого варианта исполнения заключаются в следующем:
Слишком высокая нагрузка становится причиной воздействия кромок дика на шарики, после чего они смещаются. В результате этого устройство начинает работать как трещотка, что можно назвать особенностью конструкции.
Шариковая предохранительная на сегодняшний день получила весьма широкое распространение. Это можно связать с тем, что шарики при проскальзывании не сильно изнашиваются, за счет чего существенно увеличивается эксплуатационный срок. Кроме этого, нет необходимости проводить добавление смазывающей жидкости для снижения степени износа.
Специальные муфты
Довольно широкое распространение предохранительных элементов определило появление особых вариантов исполнения, которые характеризуются определенными эксплуатационными характеристиками. Специальные предохранительные муфты устанавливаются в случае, когда обычные варианты исполнения не подходят. Классическая конструкция представлена:
Сегодня многие производители проводят выпуск специальных муфт под заказа покупателя. Классификация может проводится по диаметральным и линейным размерам, принципу действия и многим другим моментам.
В заключение отметим, что предохранительные устройства сегодня получили весьма широкое распространение. Они устанавливаются в транспортных средствах и станках, многих других механизмах. Распространенная проблема заключается в перегреве рабочей поверхности, поэтому многие варианты исполнения не могут служить в течение длительного периода. В большинстве случаев обслуживание предусматривает добавление смазывающего вещества, которое снижает трение и отводит излишки температуры, приводящих к повышению пластичности материала и снижению его износостойкости.