Предохранительное устройство и способ монтажа предохранительного устройства Советский патент 1993 года по МПК F16D9/00 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для защиты от перегрузок машин и механизмов, работающих в условиях нестационарного нагружения.

Цель изобретения - повышение точности срабатывания путем увеличения долговечности срезного пальца при номинальных нагрузках за счет ограничения амплитуд циклических напряжений среза.

На фиг. 1-3 представлены варианты вы.- полнения предохранительного устройства; на фиг, 4-6 - схемы нагружения срезного пальца и набора втулок внешними осевыми усилиями; на фиг. 7 - зависимость амплиту- ды напряжений среза от величины напряже- ния предварительного растяжения срезного пальца.

Предохранительное устройство (фиг.1) содержит срезной палец 1, предназначен- ный для установки в отверстия соединяемых деталей, и расположенные на его концах ограничители перемещения 2 и 3 относительно соединяемых деталей 4 и 5, например фланцев полумуфт. Ограничители перемещения предохранительного устройства представляют собой гайки, имеющие возможность смещения по резьбе на срезном пальце 1. На. срезном пальце расположен набор 6 из двух втулок 7 и 8, соприкасающихся своими обращенными друг к другу торцами 9 и 10. По обе стороны набора втулок 6 находятся фиксаторы 11 и

12 для создания натяга между втулками в осевом направлении. Фиксатор 11 выпол- нен в виде нерегулируемого упора, а фиксатор 12 является регулируемым и мож-ет перемещаться в направлении оси срезного пальца. Этот фиксатор состоит из шайбы 13 и самотормозящегося клина 14, установлен- ного в прорези 15, имеющейся на срезном пальце 1. Регулирование положения шайбы

13 относительно пальца 1 достигается перемещением клина в направлении, показанном стрелкой на фиг. 1. Предохранительное устройство, смонтировано в двух соосных отверстиях 16 и 17 соединяемых деталей. Отверстия 16 и 17 могут быть выполнены в специальных втулках из материала повышенной твердости, которыми снабжены де- тали 4 и 5 для защиты от .смятия и износа. Разрушающееся сечение 18 пальца 1 находится в одной плоскости с контактирующими торцами 9 и 10 втулок 7 и 8.

Срезной палец 1 предохранительного устройства, показанного на фиг. 2, имеет два разрушающихся сечения 18 с ослабляющими проточками. Соответственно набор втулок 6 состоит из трех втулок, охватывающих срезной палец 1. Оба фиксатора втулок

11 и 12 выполнены регулируемыми и могут перемещаться по резьбе, имеющейся на

концах срезного пальца 1. Одна из двух соединяемых деталей 4 и 5 представляет собой серьгу 19, а другая - вилку 20. Предохранительное устройство установлено в отверстиях 21-23, первое из которых выполнено в серьге 19, а два других - в вилке 20. Перемещению предохранительного устройства относительно соединяемых деталей препятствуют ограничители 2 и 3.

Предохранительное устройство, изображенное на фиг. 3, имеет срезной палец 1 с ослабляющей проточкой в разрушающемся сечении 18, ограничители перемещения 2 и 3 относительно соединяемых деталей 4 и 5, набор 6 из двух втулок, нерегулируемый фиксатор набора втулок 11 в виде упора и фиксатор 12 в виде гайки с возможностью регулировочного перемещения вдоль оси срезного пальца.

Способ монтажа предохранительного устройства (фиг. 1,2 или 3) осуществляется следующим образом.

На срезном пальце 1 размещают набор втулок 6 таким образом, что их обращенные, друг к другу торцы контактируют между собой. Затем палец растягивают внешним осе-вым усилием F(H), так как показано на схеме фиг.4. Растяжение осуществляют, например, с помощью гидроцилиндра, контролируя величину усилия по давлению. Удлинение пальца на участке между фиксаторами 11 и 12 составит при этом

дп F/Cn, м;

где Сп жесткость участка срезного пальца, расположенного между фиксаторами набора втулок, Н/м.

Поскольку втулки на фиг. 4 не нагружены, их деформация равна нулю и перемещение сечения пальца, соответствующего месту установки регулируемого фиксатора 12, относительно ближайшего к нему торца .втулки равно

д 5n F/Cn, м,

а напряжение растяжения срезного пальца 0 F/A, Па

где А - наименьшая площадь., поперечного сечения па-льца, м

Далее при растянутом пальце 1 набор втулок 6 фиксируют относительно пальца путем перемещения регулируемого фиксатора 12 до соприкосновения с торцом втулки, например, путем вдвигания клина 14 в прорезь 15 на пальце (фиг.1). После фиксации внешнее усилие F снимают и вследствие наличия податливости втулок и фиксаторов, сила растяжения пальца снижается до величины F (Н), а перемещение 5 уменьшается до величины б и становится равным

д , м.

Одновременно справедливо выражение

i (5 д - F (1 /Срф + 1 /Сф + 1 /Св)

где Срф- жесткость регулируемого фиксатора, Н/м;

Сф-жесткость второго фиксатора, Н/м;

Св- жесткость набора втулок, Н/м.

В том случае, если оба фиксатора выполнены регулируемыми, то в качестве Срф принимают жесткость любого из них, например большую по величине.

Принимая во внимание трй-последних формулы, имеем

.-A

(D

где х (1+СпЈРф+Сп/Сф+Сп/Св)(2)

Возможна другая последовательность монтажа, когда одновременное растяжением срезного пальца внешним усилием F втулки сжимают осевым усилием, в общем случае отличным по величине, например Q(H) (фиг.5). Практически-удобно принять , как показано на схеме фйг.6. При таком приложении внешних усилий перемещение сечения п альца, соответствующего месту установки регулируемого фиксатора 12, относительно ближайшего к нему торца втулки составит.

б Р/Спв.

.-

где Спв (1 /Сф + 1 /Сп + 1 /Св) :, Н/м. (3)

После фиксации втулок относительно пальца и снятия внешних усилий, аналогично тому, как было сделано выше, можно записать

: # д . а также

д 5- F /Срф.

Соответственно коэффициент .пропорциональности в зависимости (1) для рассматриваемого случая будет

#(1+Спв/Срф)

-1.

(4)

Величина .полученная из последнего выражения, всегда больше, чем величина, задаваемая выражением (2). То есть, при одновременном с растяжением пальца сжатии набора втулок, п осле снятия внешних усилий F величина F усилия поджатия втулок в наборе друг к другу будет больше, В результате осуществления монтажа согласно фиг.6 за счет трения между втулками может быть передана большая часть рабочей нагрузки, что делает этот вариант более предпочтительным. Поэтому в дальнейшем будем использовать только зависимость (4) для коэффициента %.

За счет сил трения в контакте втулок, сжатых внутренним усилием F , предохранительное устройство способно передавать усилие

:РТ К х -a.AN. н

(5)

где k - коэффициент трения между втулками;

N - число разрушающихся сечений срезного пальца, равное уменьшенному на единицу числу втулок в наборе 6 (для предохранительных устройств на фиг. 1 и 3 ,

на фиг. 2 - ). Если же на предохранительное устройство действуют рабочие усилия Р, большее чем Рг, в разрушающихся сечениях пальца возникают напряжения среза

-г (Р-Рт)/ N), Па.

Одному циклу работы машины соответствует изменение напряжения от нуля до максимального значения и затем от макси- мального значения до нуля. Амплитуда касательных, напряжений среза при этом равна

Та (Р-Рт)/(2 A N), Па.

(6)

.в случае, если амплитуда та превышает предел выносливости на срез для пальца Тю,величина которого учитывает концентрацию напряжения, происходит накопление усталости-. Значение нагрузки.

отвечающей началу накопления усталост- ных повреждений, составляет

.1D AN+Рт, Н. -(7) Срабатывание предохранительного элемента происходит при усилии

AN + Рт. Н;(8) где т о - предельное напряжение среза для пальца, зависящее от напряжения растяжения. Па. -.-

В частном случае использования предложенного предохранительного устройства в муфте предельного момента все приведенные расчетные соотношения остаются в. силе с учетом связи между расчетными значениями усилия Р и расчетными значениями моментов М в виде

,

где R - расстояние от оси муфты до оси предохранительного элемента, м.

Для предохранительного устройства с ненапряженным срезным пальцем и при в соответствии с (7),(8)

гь

А,

гдегь- предельное напряжение среза пальца при отсутствии растяжения последнего, Па...

Муфта, в которой применяется такое ус-; тройство, согласно известным экспериментальным данным, имеет соотношение момента начала накопления усталостных повреждений М-ю и момента срабатывания Мпр равное М-ю/МПр 0,5. Отсюда, используя (9), (Ю), получим, что Т - 1 rj а Ть причем « . 0,25.

Усилие срабатывания РПр выбирается таким образом, чтобы оно, с одной стороны, обеспечивало наибольшую чувствительность и было возможно меньшим по величи- не, а, с другой стороны, превышало наибольшее значение номинальной нагрузки. Тогда, полагая, что распределение рабочих нагрузок в рамках каждого из типовых режимов работы -машины подчинено, нор- мальному закону с коэффициентом вариации v можно записать

Рпр (1+3 v )Р,

где Р - средняя величина, наибольшей за цикл работы машины нагрузки.

Например, в процессах прокатного производства, характеризующихся достаточно высоким рассеянием технологических нагрузок, значение коэффициента вариации не превышает v 0,15. Принимая эту величину в качестве расчетной получим Р / Рпр. где /3(1+3 v) k,69. С учетом этого и выражения (5) зависимость (6) преобразуется к виду

Га(/ЗРпр- )/(2AN) .(11)

Учтем также, что согласно известным экспериментальным исследованиям, при

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

растягивающих напряжениях, близких к пределутекучести r/t (Па),

Ть -у ТЪгдеу- 0,8 Тогда формулу (11) можно записать следующим образом, заменяя РПр его представлением (8),

,5(/ -ут-10/а-(1 -/)-к -х-о}

(12)

Графики выражения (12), отнесенного к величине т- 1 о при различных значениях коэффициента % представлены на фиг. 7. Устройству с ненапряженным пальцем соот- . ветствует начальная точка 24 графиков, для которой (o/Ot ) 0 . Предложенное устройство характеризуется прямыми 25 и 26, первая из которых отвечает меньшему значению параметра % -ft a вторая большему- % %2 Из чертежа видно, что незави- симо-Ot соотношения жесткостей отдельных деталей и частей предохранительного элемента и независимо от величины усилия предварительного растяжения срезного пальца перед его фиксацией относительно втулок предложенное .изобретение позволяет уменьшить амплитуду напряжений среза и увеличить долговечность срезного пальца, а, следовательно, повысить точность срабатывания предохранительного устройства.

Одна из возможностей более эффективного использования изобретения состоит в растяжении срезного пальца наибольшим возможным из условия прочности усилием, соответствующим напряжению предел а текучести ( о/о )--1: . Как следует из чертежа фиг.7, при таком монтаже предохранительного устройства достигается максимальное снижение амплитуды Та переменной составляющей касательных напряжений. Для некоторых предохранительных элементов га может даже оказаться меньше расчетного значения предела выносливости, что создает запас усталост- ной прочности срезного пальца и гарантирует отсутствие условий для развития усталостных трещин. .. .

Другая возможность заключается в задании определенного соотношения жесткостей частей предохранительного устройства.

Потребуем при (7 671 выполнения следующего неравенства

что с учетом (12) и связи между т- 1 о и приводит к выражению

(Р у 2 а) го (1 -/0 k или

v-Л/ -У-2; а) (1-Л

гь

Ot

Принимая во внимание представление (4) для Ј получим

Спв/Срф 5,.ть -1.0. (13)

Предохранительные устройства, конструкция которых удовлетворяет условию (13), позволяют при правильном монтаже полностью исключить накопление усталостных повреждений. Геометрически на фиг. 7 последнему неравенству соответствует область, которая лежит ниже прямой 25.

Пример 1. Предохранительное устройство, показанное на фиг. 3, имеет следующие размеры: DI 20 мм; D2 14 мм; Оз 8 мм; D4 10мм; Dn 13мм; Л)- 1 мм; Нрф- Нф 6 мм; п 50 мм; 55 мм; шаг резьбы Р 1,5 мм. Втулки, палец и фиксаторы выполнены из стали с модулем упругости Е Па. Коэффициент трения между втулками k 0,25. Проведенные испытания срезных пальцев дали следующие значения механических характеристик материала: at 360 МПа; Ть 460 МПа.

Суммарная жесткость на сжатие набора втулок равна:

JE

Lb

п

(D12-D22)

Жесткость Срф регулируемого фиксатора 12 зависит от жесткости резьбы Срфт(Н/м) и сдвиговой жесткости гайки-фиксатора Срф2:

Срф1

0,49

(1,44 + 9,28p/D4)1/2

где DCp - средний диаметр резьбы, равный в рассматриваемом случае DCp 9,03 мм -- 9,03 10 3 м;

Р - шаг резьбы, м;

г Е Нрф ирф2 0,15

Подстановка значения в последние две .формулы дает

Срф1

9,03 10

-3-2-10

11

0,49

1.5 10

.1,44 +9,28 . 10 2,19 109Н/м

2 1011 0,006

-3 -1/2

Срф2

0,15

;8,00-109 Н/м.

Общая жесткость регулируемого фиксатора

Использование: в муфтах предельного момента и других предохранительных устройствах для защиты от перегрузок машин и механизмов, работающих в условиях нестационарного нагружения. Сущность изобретения: предохранительное устройство содержит срезной палец 1 и расположенные на его концах ограничители перемещения относительно соединяемых деталей. Набор контактирующих своими торцами втулок 6 установлен на срезном пальце. По крайней мере один из фиксаторов втулок 11 и 12 расположен с возможностью регулировочного перемещения вдоль оси срезного пальца. Соотношение жесткостей срезного пальца, втулок и фиксаторов устанавливается в зависимости от свойств материала пальца. При монтаже предохранительного элемента срезной палец растягивают, а втулки сжимают расчетными осевыми усилиями и фиксируют набор втулок относительно пальца. Это позволяет уменьшить переменную составляющую напряжений в срезных пальцах при эксплуатации и повысить точность о раничения нагрузок предохранительным элементом. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 7 ил. (Л С

с учетом заданных геометрических размеров

Св2 10

11

л

Ј

2

( 0,.014 ) 5,83х

в 0.055 хЮ8Н/м.

Жесткость участка срезного пальца, расположенного между фиксаторами набора втулок, равна

(D22-D23)-: .

2 10

11

5Х- 4х

. Сп -бЖ

х 0,0142-0.0082) 4,15 10е Н/м.

Жесткость нерегулируемого фиксатора 11. определим по зависимости

Сф:

11

Е Нф 2 10П 0,006

0,15

8,00«109Н/м.

с . Срф1 Срф2 Ф Срф1 + Срф2

2,19 109 -.8,00

1°г1,72 10° Н/м.

2,19 -10м 8.00 Юу Согласно (3)

Спв (1/(8,)+ 1/(4,15«108)+ 1/(5.834 108)) 2,35.,108Н/м, а отношение жесткостей Спв/Срф равно

Спв/Срф 2,35-108/(1.72 10s) 0.14.

При необходимости это значение пол- ученное расчетным путем, проверяют экспериментально. Для этого срезной палец растягивают, а втулки сжимают равными внешними осевыми усилиями, величина которых составляет (0,3...1,0)Ot А, после чего фиксируют втулки относительно пальца и снимают внешние усилия. После нагруже- ния замеряют удлинение пальца и рассчитывают его относительную деформацию етакже замеряют удлинение и определяют деформацию пальца е после снятия внешних усилий. Исходя из полученных знаЕ 0, и V; 0,7. рассчитыва- )шение:

Спв/Срф е/к-- 1,0 0,8-103/(0,7ИО 3)чений

ют отношение:

-1.0 0,14.

Совпадение экспериментального и расчетного значений Спв/Срф свидетельствует о возможности применения теоретических зависимостей для оценки жесткостей дета- лей предохранительного устройства.

Величина правой части неравенства (13) составляет

5,8k Ot/тъ- 1,0 5,8-0,25 360-ld:/(460x хЮ6)-1,0 0,14;

т.е данное устройство удовлетворяет соот ношению (13).

Монтаж этого предохранительного устройства осуществляют так, как было описа- но выше. Наибольший эффект достигается при величине усилий растяжения пальца и сжатия втулок F о А. Площадь срезного пальца в зоне ослабляющей проточки равна

А J (0,0132-0,0082) 8, м2.

Тогда F 360-10°. 8,25-10 ° 3,0-КГ Н. Растяжение рассмотренного в примере срезного пальца усилием 3,040 Н при одновременном сжатии набора втулок таким же усилием позволит избежать накопления усталости в процессе работы.

Пример 2. Для предохранительного устройства фиг.З с разм ерами D1 18 мм; Da 12 мм; Оз 6 мм; D4 10 мм; Dn 11 мм; Дп 1 мм; Нрф Нф 6мм; Ln-55 мм; L в 55 мм; Р 1,5 мм порядок расчета жесткостей, аналогичный вышеприведенному дает Се 5,14-Ю8 Н/м; Сп 3.09 Ю,8 Н/м; Сф 8,00109 Н/м; Срф 1,72-Ю9 Н/м; Спв 1. Н/м. Тогда

Спв/Срф 1,88.108/(1,72-109) 0,1 К 0,14 и для этого предохранительного устройства неравенство (13) также выполняется.

Пример 3. Предохранительное устройство с размерами DI 20 мм; D2 14 мм; Оз 8 мм; DA - 10 мм; Dn 13 мм; Дп 1 мм; Нрф Нф 6 мм; Ln 40 мм; LB 40 мм; Р 1,5 мм имеет жесткости Св 8,01108 Н/м; Сп 5,18108 Н/м; Сф 8,00 Ю9 Н/м; Срф

-1,72-Ю9 Н/м; СПф - 3,03 Ю8 Н/м. Подстановка двух последних значений в левую часть неравенства (13) дает

Спв/Срф 3,03 Ю8/(1,72-109) 0,18 70.14;

т.е. соотношение жесткостей не попадает в рекомендуемый интервал и срезной палец в предложенном устройстве может накапливать усталость, хотя по сравнению с ненапряженным пальцем его долговечность все равно будет выше.

Предохранительное устройство (фиг.1,2 или 3) работает следующим образом.

При функционировании машины в ее узлах формируются изменяющиеся во времени усилия, которые передаются и на предохранительное устройство. Если усилие Р меньше величины Рт задаваемой выражением (5), то оно полностью воспринимается за счет сил трения в контакте втулок, входящих в набор 6. При нагрузке, большей чем Рт, в разрушающихся сечениях пальца 1, соответствующих плоскостям стыка втулок, возникают напряжения среза, изменяющиеся с амплитудой (6). Однако, несмотря на то, что нагружение носит нестационарный характер, накопления усталости срезным пальцем не происходит, поскольку силы трения между втулками позволяют уменьшить колебания касательных напряжений в срезном пальце и повысить за счет этого его долговечность. Если в процессе нарастания нагрузки на предохранительное устройство ее величина превысит значение Рпр, рассчитываемое по формуле (8), палец 1 срезается, предотвращая дальнейшее нарастание усилий в деталях и узлах машины. После разрушения срезного пальца предохранительное устройство также теряет свою целостность и втулки из набора 6 получают возможность свободного взаимного перемещения. В результате передачи усилия между деталями 4 и 5 уже не происходит, например, полумуфты муфты предельного . моментаначинают проворачиваться друг относительно друга, предотвращая поломку элементов привода.

Поскольку конструкция предохранительного устройства позволяет исключить накопление усталостных повреждений при нормальной работе машины - повышается точность ограничения нагрузок и удается избежать случаев срабатывания в отсутствие перегрузок. Стабильное ограничение нагрузок дает возможность максимально повысить чувствительность предохранительного элемента за счет выбора усилия среза близким к наибольшей величине из спектра номинальных нагрузок и снизить вероятность выхода машины из строя в аварийных ситуациях.

Ис.пользование изобретения обеспечит точное ограничение нагрузок предохранительными устройствами, применяющимися в различных машинах и механизмах, и позволит избежать простоев последних, а также предотвратить поломки их элементов при перегрузках, «.Формула изобретения

Спе/Срф : 5,8 К Ot/rb- 1.0; где Срф - жесткость регулируемого фиксатора, Н/м;

Спв - суммарная жесткость срезного пальца, набора втулок и второго фиксатора в обевом направлении, равная

Спв (1/СФ + 1/Сп + 1/Св)-1 Н/м,

Сф-жесткость второго фиксатора, Н/м;

Сп-жесткость участка срезного пальца, расположенного между фиксаторами набора втулок, Н/м;

Св - жесткость набора втулок, Н/м; К-коэффициент трения между втулками;

Ot - предел текучести на растяжение материала пальца, Па;

гь - предельное напряжение среза для материала пальца, Па.

F/Ot-A)1,0;

где F - величина осевого усилия, Н; - Ot предел текучести на растяжение материала пальца, Па;

А - наименьшая площадь поперечного сечения пальца, м.;,

/f

/

12

ФиГо4

Фиг. 5

Фиг. 6

ФИГ 7