Способ испытания плотности посадки полумуфт без их снятия с вала и устройство для его осуществления Российский патент 2022 года по МПК B23P11/02 B23P19/02 G01L1/02 G01L5/00 

Область техники

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для повышения надежности различных механизмов для передачи моментов вращения и, в частности, к области производства и эксплуатации паровых и газовых турбин.

Уровень техники

Одними из самых ответственных и важных узлов в конструкции турбины являются соединительные муфты. Соединительные муфты предназначены для соединения между собой роторов турбины в единый валопровод, а также для передачи крутящего момента от отдельных роторов турбины к ротору генератора. Соединительные муфты несут большие нагрузки и вращаются с большой скоростью. Во время работы материал муфт испытывает значительные напряжения, кроме напряжений, связанных с действием центробежных сил и зависящих от масс и скорости вращения деталей муфт, в последних возникают знакопеременные напряжения, напряжения ударного характера, связанные с толчками и другие временные повышенные напряжения.

Из уровня техники известно принятое в качестве прототипа 1-го объекта заявляемой группы изобретений устройство для исследования коэффициентов трения между подвижной пластиной и двумя неподвижными пластинами, содержащее подвижную пластину, зажатую между двумя неподвижными пластинами, средства для прижатия двух неподвижных пластин к подвижной пластине, средства для перемещения подвижной пластины и датчик перемещения подвижной пластины (Статья «Investigation of the Press Fit Joints by the Tribology Aspect» Stamenković D., Jovanović S., Milošević M. Investigation of the press fit joints by the tribology aspect // Facta Universitatis - University of Nis, Vol. 1, №8, 2001 - pp. 1057-1064 (далее - [1])).

Из уровня техники известен принятый в качестве прототипа 2-го объекта заявляемой группы изобретений способ исследования коэффициентов трения между подвижной пластиной и двумя неподвижными пластинами, заключающийся в применении известного из [1] устройства для определения степени перемещения зажатой между двумя неподвижными пластинами подвижной пластины в зависимости от приложенной к ней силе, путем осуществления перемещения подвижной пластины с помощью средств ее перемещения и регистрации степени перемещения подвижной пластины с помощью датчика ее перемещения, при этом статический коэффициент трения рассчитывается по формуле μ=F_a/2F_N, где F_a - сила, приложенная к подвижной пластине, a F_N - сила, приложенная к неподвижной пластине [1].

Известные из [1] устройство и способ исследования коэффициентов трения между подвижной пластиной и двумя неподвижными пластинами применяются узконаправленно для исследования коэффициентов трения между пластинами и не предполагают применение для исследования коэффициентов трения между деталями другой геометрии.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено патентуемое изобретение, является создание устройства и способа испытания плотности посадки полумуфт на валу, а техническим результатом - обеспечение возможности проведения испытания плотности посадки полумуфты на валу без ее предварительного снятия с вала.

Решение указанной задачи путем достижения указанного технического результата применительно к 1-му объекту заявляемой группы изобретений, относящемуся к устройству, обеспечивается тем, что устройство для испытания плотности посадки полумуфт без их снятия с вала, содержит: планшайбу, имеющую сквозные отверстия, симметрично расположенные относительно ее продольной оси симметрии; вал, на который с натягом посажена полумуфта; шпильки, закрепленные с одного конца в вышеуказанных сквозных отверстиях планшайбы, а с другого конца - в сквозных отверстиях фланца полумуфты; как минимум один стакан, прикрепленный к торцевой поверхности планшайбы, с размещенным внутри него гидродомкратом, установленным враспор между планшайбой и плоской пластиной, упирающейся в торцевую поверхность вала; как минимум одну трубку, присоединенную с одной стороны к гидродомкрату, а с другой стороны - к насосу, который соединен с манометром и системой подачи рабочей жидкости.

Решение указанной задачи путем достижения указанного технического результата применительно ко 2-му объекту заявляемой группы изобретений, относящемуся к способу, обеспечивается тем, что способ испытания плотности посадки полумуфт без их снятия с вала, в котором применяется вышеуказанное устройство, относящееся к 1-му объекту заявляемой группы изобретений, заключается в осуществлении постепенного увеличения осевого усилия, воздействующего на плоскую пластину, упирающуюся в торцевую поверхность вала, с помощью гидродомкрата до тех пор, пока не начнется осевое перемещение вала или пока вышеуказанное усилие, регистрируемое по показаниям манометра, не станет равным расчетному минимальному предельному усилию, при котором вал должен оставаться неподвижным, рассчитываемому по формуле: P_N=f_тр⋅k_S⋅S⋅P_max, где: P_N - расчетное предельное усилие, при котором вал остается неподвижным; f_тр - минимальный коэффициент трения при страгивании вала; k_S - коэффициент эффективной площади контакта полумуфты с валом; S - расчетная контактная площадь поверхности полумуфты; P_max - контактное давление.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков патентуемой группы изобретений и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.

За счет наличия в патентуемом устройстве планшайбы, соединенной с помощью шпилек с фланцем полумуфты, посаженной на вал с натягом, и как минимум одного стакана с размещенным внутри него гидродомкратом, установленным враспор между планшайбой и плоской пластиной, упирающейся в торцевую поверхность вала, обеспечивается возможность осуществления испытания плотности посадки полумуфты на валу без ее предварительного снятия с вала.

При этом для испытания плотности посадки полумуфт без их снятия с вала осуществляется постепенное увеличение осевого усилия, воздействующего на плоскую пластину, упирающуюся в торцевую поверхность вала, с помощью гидродомкрата до тех пор, пока не начнется осевое перемещение вала или пока вышеуказанное усилие, регистрируемое по показаниям манометра, не станет равным расчетному предельному усилию P_N, при котором вал должен оставаться неподвижным, рассчитываемому по вышеуказанной формуле. Наличие плоской пластины обусловлено необходимостью обеспечения более равномерного распределения усилия на торцевой поверхности вала. Степень перемещения вала регистрируется с помощью часового индикатора перемещения, установленного на штативе или держателе и упирающегося измерительной головкой в торцевую поверхность вала, противоположную торцевой поверхности, в которую упирается плоская пластина. Часовой индикатор также может быть установлен на торцевой поверхности планшайбы и упираться измерительной головкой в торцевую поверхность плоской пластины. Рабочая жидкость подается в гидродомкрат с помощью насоса, который соединен с помощью трубки с гидродомкратом и с системой подачи рабочей жидкости. При этом величина осевого усилия, воздействующего на плоскую пластину, упирающуюся в торцевую поверхность вала, регистрируется с помощью манометра, соединенного с насосом.

Краткое описание фигур

На фиг. 1 представлено устройство для испытания плотности посадки полумуфт без их снятия с вала в продольном разрезе относительно центральной оси симметрии. На фиг. 2 представлено устройство для испытания плотности посадки полумуфт без их снятия с вала в аксонометрической проекции без вала и муфты. На фиг. 3 представлена схема подключения устройства для испытания плотности посадки полумуфт без их снятия с вала к системе подачи рабочей жидкости.

Описание позиций фигур

1 - планшайба;

2 - вал;

3 - полумуфта;

4 - шпильки;

5 - гайки;

6 - стаканы;

7 - гидродомкраты;

8 - плоская пластина;

9 - трубки;

10 - быстроразъемное соединение;

11 - адаптер;

12 - манометр;

13 - насос;

14 - коллектор;

15 - трубка.

Осуществление изобретения

Ниже приведен частный пример устройства и способа испытания плотности посадки полумуфт без их снятия с вала.

Пример осуществления заявляемой группы изобретений приведен применительно к полумуфте турбины К-300-240 ЛМЗ. Материал полумуфты - сталь 30, материал вала ротора - Р2МА (25Х1М1ФА).

Устройство для испытания плотности посадки полумуфт без их снятия с вала, содержит: планшайбу 1, имеющую сквозные отверстия, симметрично расположенные относительно ее продольной оси симметрии; вал 2, на который с натягом посажена полумуфта 3; восемь резьбовых шпилек 4, закрепленных одним концом в вышеуказанных сквозных отверстиях планшайбы 1, а другим концом - в сквозных отверстиях фланца полумуфты 3 с помощью гаек 5. Устройство также содержит четыре стакана 6, приваренных к торцевой поверхности планшайбы 1. При этом в каждом стакане 6 размещен гидродомкрат 7 марки ДГ50П100, установленный враспор между планшайбой 1 и плоской цилиндрической пластиной 8, упирающейся в торцевую поверхность вала 2. Устройство содержит четыре трубки 9, присоединенные с одной стороны через быстроразъемное соединение 10 к гидродомкратам 7, а с другой стороны через масляный коллектор 14 марки А-66 с помощью трубки 15 - к масляному насосу 13 марки ULTIMA Enerpac Р-801, который соединен через адаптер 11 с манометром 12 и с системой подачи рабочей жидкости (на фиг. не показана), в качестве которой используется масло (Фиг. 1, 2, 3).

Способ испытания плотности посадки полумуфт без их снятия с вала осуществляется следующим образом.

Сначала по формуле P_N=f_тр⋅k_S⋅S⋅P_max определяется минимальное осевое усилие, при котором вал 2 остается неподвижным в полумуфте 3.

f_тр=0,5 - минимальный коэффициент трения при страгивании вала из полумуфты при натяге N_max=0,3 мм.

k_S=0,7 - минимальный коэффициент эффективной площади контакта полумуфты с валом «Посадка полумуфты производится после предварительной притирки по краске ее втулки к посадочному месту на валу; посадка может считаться удовлетворительной, когда 70-80% всей поверхности внутренней расточки полумуфты имеет контакт с соответствующей поверхностью вала.». (Ремонт паровых турбин. / В.А. Молочек // Энергия. Москва 1968, с. 139).

d=47,5 см - посадочный диаметр полумуфты, l=44 см - длина контактной поверхности полумуфты с валом.

S=π⋅d⋅l=3,14⋅47,5 см⋅44 см=6562 см² - расчетная контактная площадь поверхности полумуфты ротора низкого давления (РНД) турбины К-300-240 ЛМЗ.

P_max=(N_max-u)/(d⋅(C₁/E₁+C₂/E₂)) - расчетное контактное давление при натяге N_max=0,3 мм.

u=0,0025 мм - шероховатость сопрягаемых поверхностей полумуфты и вала, d=47,5 см - посадочный диаметр полумуфты.

E₁=2⋅10⁵ МПа - модуль упругости полумуфты из стали 30, Е₂=2,16⋅10⁵ МПа - модуль упругости для вала из стали Р2МА.

С₁, С₂ - коэффициенты Ляме.

C₁=(1+(d₁/d)²)/(1-(d₁/d)²)-μ₁;

C₂=(1+(d₂/d)²)/(1-(d₂/d)²)+μ₂.

d₁=0 - внутренний диаметр вала;

d₂=660 мм - наружный диаметр полумуфты.

μ₁=μ₂=0,3 - коэффициенты Пуассона для сталей.

C₁=(1+(0 мм/475 мм)²)/(1-(0 мм/475 мм)²)-0,3=0,7;

С₂=(1+(475 мм/660 мм)²)/(1-(475 мм/660 мм)²)+0,3=3,44;

P_max=(0,3 мм-0,0025 мм)/(475 мм⋅(0,7/(2⋅10⁵ МПа)+3,44/(2,16⋅10⁵ МПа))=3226681127 Па.

P_N=f_тр⋅k_S⋅S⋅P_max=0,5⋅0,7⋅0,6562 м²⋅3226681127 Па=185268 кН.

Из расчета получаем величину минимального осевого стягивающего усилия P_N=185268 кН.

Для испытания плотности посадки полумуфты 3 на валу 2 с помощью масляного насоса 13 осуществляется подача масла от системы подачи рабочей жидкости через трубку 15 в масляный коллектор 14, откуда масло поступает через четыре трубки 9 в четыре гидродомкрата 7, в которых создается давление, определяющее усилие, прилагаемое к валу 2 через плоскую пластину 8. При этом давление регистрируется по показаниям манометра 12.

Если при достижении минимального предельного усилия P_N=185268 кН не происходит перемещения вала 2, которое фиксируется с помощью часового индикатора перемещения (на фиг. не показан), то плотность посадки полумуфты 3 на валу 2 считается достаточной, и натяг полумуфты 2 удовлетворяет нормативным требованиям. Если при достижении минимального предельного усилия P_N=185268 кН фиксируется перемещение вала 2 в полумуфте 3, то в дальнейшем полумуфту 3 необходимо снять с вала 2 и с целью обеспечения необходимого нормативного натяга осуществить восстановление посадочного размера полумуфты 3 или ее замену.

Таким образом, за счет наличия в патентуемом устройстве планшайбы 1, соединенной с помощью восьми шпилек 4 с фланцем полумуфты 3, посаженной на вал 2 с натягом, и четырех стаканов 6 с размещенными внутри них гидродомкратами 7, установленными враспор между планшайбой 1 и плоской пластиной 8, упирающейся в торцевую поверхность вала 2, обеспечивается возможность осуществления испытания плотности посадки полумуфты 3 без ее предварительного снятия с вала 2.

При этом возможность осуществления испытания плотности посадки полумуфты 3 без ее снятия с вала 2 обеспечивается за счет постепенного увеличения осевого усилия, воздействующего на плоскую пластину 8, упирающуюся в торцевую поверхность вала 2, с помощью четырех гидродомкратов 7 до тех пор, пока не начнется осевое перемещение вала 2 или пока вышеуказанное усилие, регистрируемое по показаниям манометра 12, не станет равным расчетному предельному усилию P_N, при котором вал 2 должен оставаться неподвижным, рассчитанному по вышеуказанной формуле.

Промышленная применимость

Патентуемая группа изобретений отвечает условию «промышленная применимость». Сущность технического решения раскрыта в формуле, описании и чертежах достаточно ясно для понимания и промышленной реализации соответствующими специалистами, а используемые средства просты и доступны для промышленной реализации в области производства и эксплуатации паровых и газовых турбин.

Изобретение относится к устройству для испытания плотности посадки полумуфт без их снятия с вала. Устройство содержит трубку, планшайбу, имеющую сквозные отверстия, симметрично расположенные относительно ее продольной оси симметрии, шпильки и стакан, прикрепленный к торцевой поверхности планшайбы, с размещенным внутри него гидродомкратом. Шпильки закреплены с одного конца в вышеуказанных сквозных отверстиях планшайбы, а с другого конца – в сквозных отверстиях фланца полумуфты. Гидродомкрат установлен враспор между планшайбой и плоской пластиной, упирающейся в торцевую поверхность вала. Трубка присоединена с одной стороны к упомянутому гидродомкрату, а с другой стороны – к насосу, который соединен с манометром и системой подачи рабочей жидкости. В результате обеспечивается возможность проведения испытания плотности посадки полумуфты на валу без ее предварительного снятия с вала. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 1 пр.

1. Устройство для испытания плотности посадки полумуфт без их снятия с вала, содержащее планшайбу, имеющую сквозные отверстия, симметрично расположенные относительно ее продольной оси симметрии, шпильки, закрепленные с одного конца в вышеуказанных сквозных отверстиях планшайбы, а с другого конца – в сквозных отверстиях фланца полумуфты, по меньшей мере один стакан, прикрепленный к торцевой поверхности планшайбы, с размещенным внутри него гидродомкратом, установленным враспор между планшайбой и плоской пластиной, упирающейся в торцевую поверхность вала, на который с натягом посажена полумуфта, по меньшей мере одну трубку, присоединенную с одной стороны к упомянутому гидродомкрату, а с другой стороны – к насосу, который соединен с манометром и системой подачи рабочей жидкости.

2. Способ испытания плотности посадки полумуфт без их снятия с вала, характеризующийся тем, что используют устройство по п. 1, при этом осуществляют постепенное увеличение осевого усилия, воздействующего на плоскую пластину, упирающуюся в торцевую поверхность вала, с помощью по меньшей мере одного гидродомкрата до тех пор, пока не начнется осевое перемещение вала или пока вышеуказанное выталкивающее усилие, регистрируемое по показаниям манометра, не станет равным расчетному минимальному предельному усилию, при котором вал остается неподвижным, при этом P_N=f_тр⋅k_S⋅S⋅P_max, где: P_N - расчетное предельное усилие, при котором вал остается неподвижным; f_тр - минимальный коэффициент трения при страгивании вала; k_S - коэффициент эффективной площади контакта полумуфты с валом; S - расчетная контактная площадь поверхности полумуфты; P_max - контактное давление.