Розроблення методології проектування муфт з канатними елементами

Abstract

Дисертація містить вирішення актуальної науково-прикладної проблеми машинознавства - розроблення методології проектування постійних та запобіжних муфт з канатними несівними елементами, що базується на сумісному використанні системних методів синтезу структури цих пристроїв з обґрунтуванням їх конструктивних схем, параметрів, а також якісних характеристик та показників. Результати досліджень забезпечили підвищення ефективності проектування цих пристроїв за рахунок скорочення часу, необхідного для їх розрахунку та конструювання. Уточнено розроблену автором раніше класифікацію пружно- компенсуючих муфт з суцільнометалевими та канатними елементами, за рахунок чого синтезовано на рівні схем і конструкцій нові постійні та запобіжні муфти. Розроблено нову класифікацію способів організації змінної жорсткості пружних ланок машин, оснащених суцільнометалевими та канатними пружними елементами, за рахунок чого розроблено нові способи її забезпечення та алгоритм синтезу структури таких ланок. Розроблено аналітичне забезпечення проектування постійних та запобіжних муфт з канатними елементами. Розроблено математичні моделі компонування таких муфт з урахуванням геометричних та навантажувальних обмежень. Розв'язано оптимізаційну задачу забезпечення мінімальної навантаженості деталей муфт при проектуванні. Експериментально та теоретично досліджено роботу затискних механізмів для сталевих канатів і розроблено основи їх розрахунку та конструювання. За рахунок впровадження розроблених та досліджених конструкцій муфт у діючому обладнанні підтверджено їх працездатність і результативність запропонованої методології проектування. Диссертация содержит решение актуальной научно-прикладной проблемы машиноведения - разработку методологии проектирования постоянных и предохранительных муфт с канатными несущими элементами, которая базируется на совместном использовании системных методов синтеза структуры этих устройств с обоснованием их конструктивных схем, параметров, а также качественных характеристик и показателей. Результаты исследований обеспечили повышение эффективности проектирования этих устройств за счет сокращения времени, необходимого для их расчета и конструирования. Уточнена разработанная автором ранее классификация упруго- компенсирующих муфт с цельнометаллическими и канатными элементами, в результате чего синтезированы на уровне схем и конструкций новые постоянные и предохранительные муфты. Разработана новая классификация способов организации переменной жесткости упругих звеньев машин, оснащенных цельнометаллическими и канатными упругими элементами, за счет чего разработаны новые способы ее обеспечения и алгоритм синтеза структуры таких звеньев. Разработано аналитическое обеспечение проектирования постоянных и предохранительных муфт с канатными элементами. Предложены математические модели компоновки таких муфт с учетом геометрических и погрузочных ограничений. Решены оптимизационные задачи обеспечения минимальной нагруженности деталей муфт при проектировании. Экспериментально и теоретически исследована работа зажимных механизмов для стальных канатов и разработаны основы их расчета и конструирования. За счет внедрения разработанных и исследованных конструкций муфт в действующем оборудовании подтверждена их работоспособность и результативность предложенной методологии проектирования. In Chapter I we have carried out analysis of structures and failures of couplings with non-metal elastic elements and, thus, it has been shown that one of their characteristic failures is overheating of elastic elements during operation due to low thermal conductivity of materials. In addition, it has been shown that such couplings are characterized by low maintability, since they require disassembly of the semi-coupling and dismantling of their connected units for replacement. The analysis of the structures and failures of the couplings with metal elastic elements showed that they have low compensating ability, slight damping, high complexity and cost of elastic elements. Safety couplings are characterized by uneven wear of bearing elements owing to the uneven distribution of the load between them. The analysis of the structure showed that the mechanisms of such couplings contain redundant connections in all modes of their operation. It has been shown that rope elements are characterized by stable time and high mechanical stability. Chapter II explicates the classification of elastic couplings with metal and rope elastic elements due to the differentiation of the end installation of elastic elements into two possible variants of their arrangement in the end plane - the end device of the chord location and the end fitting of the tangential arrangement. Theoretical bases of morphological synthesis of the structure of elastic links of machines of variable rigidity with full-metal and rope elastic elements are developed. This became possible owing to the proposed compiled classification of methods for providing variable stiffness of elastic links of machines with solid metal and rope elements, and gave the opportunity to develop morphological matrices for the synthesis of methods for providing variable stiffness. The disclosure of these matrices has shown that there are identified 14 ways to provide variable rigidity of elastic parts equipped with solid metal elastic elements and 26 ways to provide variable rigidity of units equipped with rope elastic elements. Chapter III substantiates the parameters of the coupling with the end installation of straight ropes of various variants of the arrangement. In this case, theoretical dependencies were obtained for determining the main geometric and power parameters of the coupling with the end-installation of the ropes of the tangential arrangement and their mutual influence. This gave the opportunity to obtain expressions for determining the rational structural parameters of the coupling - the angle of the displacement of the semi-coupling ^F and the coefficient of diameters that provide the minimum load of the parts. The conditions of the geometric existence of the coupling with the end installation of the tangential arrangement of ropes and the expressions for testing are ascertained: the possibilities of tightening of the clamping mechanisms, possibilities of «neighborhood» of the sleeves of the internal coupling, possibilities of relative rotation of half-mounts, absence of interference of the outer and inner semi-coupling housings, absence of interference of ropes and adjacent inner half sleeves. The mathematical models of clutter layout are developed, which take into account geometric and power constraints, and allow us to make a visual assessment of possible variants of the structural parameters of the muffs due to the graphical interpretation of these constraints. In Chapter IV rope-roller couplings of high compensating power are investigated. Here, the basic geometric and power parameters are substantiated and expressions for calculating the tension of the rope and loading of its parts are obtained. The mutual influence of structural parameters of the muffle with the combination of its coil shafts is investigated. As a result, it is shown that the coupling is insensitive to the precision of fabrication and assembly. Nomograms have been constructed, which allow to determine the geometric parameters that provide the minimum load of the couplings. The process of operation of the rope-roller coupling in conditions of non-uniformity is investigated. It is shown that the coupling is characterized by low radial stiffness (7...35 times lower than the coupling, equipped with an elastic star) and, accordingly, high compensating power. In Chapter V the parameters and operational characteristics of safety clutches with rope elements are established. Dependencies are obtained for the estimation of the kinematic parameters of the work of the clutches with ropes of the chord and tangential arrangement, in particular the expressions for calculating the time of the clutch operation and the critical rotational frequencies in which the clutches are capable of performing their precautionary functions. It has been shown that the characteristics of the safety clutches with tangentially spaced ropes differ in that, which of the semi-coupling (external or internal) is conductive. Expressions are obtained for calculating the load of parts and the moment of friction that can develop friction clutches with cylindrical and tapered friction surfaces and rope elements. It is shown that the accuracy of the operation of friction couplings with rope ties is 1.3.. .1.5 times bigger for clutches with cylindrical friction surfaces and 1.4...2.3 times bigger for couplings with conical friction surfaces. It is shown that the profile safety centrifugal coupling is characterized by high precision load limitation, since the theoretical coefficient of accuracy of its operation is about 1.1. It was also shown that the coupling was sensitive to the change in the coefficient of friction in the joints of its elements - its increase by 4 times leads to an increase in the moment of operation of the coupling only 7%, and when the clamping rollers, the operating time increases by only 2.4%, which shows the low sensitivity of the investigated coupling also to the quality of maintenance. Chapter VI provides the basis for rational design and calculation of clamping mechanisms for fixing steel ropes in couplings. There are 18 schemes of clamping mechanisms for fixing ropes containing two main parts - a finger and a sleeve, one of which moves while clamping the rope, and the other stays motionless. There is shown the possibility to perform calculation of fingers solely on stretching using simplified expressions. The expressions and graphs were obtained to determine the stress reduction coefficients depending on the diameter of the finger relative to the diameter of the rope. It is elicited that in the conjugation of the «finger-sleeve» it is necessary to ensure the presence of the guaranteed clearance to relieve the fingers from the additional bending of the contact rotation of the sleeves under the action of the bending moment by the force of the rope tension and also the choice of seat is justified.