Оценка механизмов свободного хода как объектов сервиса

Одними из наиболее ответственных элементов приводов, во многом определяющих надежность различных машин и технологического оборудования, являются механизмы свободного хода (МСХ). В качестве примеров их использования можно назвать пищевое и полиграфическое оборудование, автотракторные стартеры, автоматические коробки передач, металлорежущие станки и др. [1–7].

Несмотря на большое разнообразие конструкций МСХ в технических системах в основном нашли применение механизмы с цилиндрическими и эксцентриковыми роликами [2].

В настоящее время на внутреннем Российском рынке преимущественно представлены МСХ зарубежных фирм – «GMN», «Ring-spann», «Stieber» (Германия), «Renold» (Великобритания), «Tsubaki» (Япония). Они предлагают МСХ различного конструктивного испол- нения с широким диапазоном нагрузочных и габаритных параметров. В табл. 1 приведены основные характеристики МСХ общемашиностроительного применения (величина передаваемого вращающего момента от 50 до 5000 Н·м) зарубежных производителей.

МСХ следует считать невосстанавливае-мыми изделиями. Известные попытки их ремонта путем наплавления изношенных рабочих поверхностей внутренней звездочки, замены заклинивающихся роликов и т.п. не приводили к полному восстановлению работоспособности.

Таким образом, при сервисном обслуживании или ремонте технологического оборудования, в случае потери МСХ работоспособности необходимо провести их замену. При этом возникает необходимость сравнительной оценки технического уровня МСХ как объектов сервиса, и выбрать наиболее приемлемую конструкцию механизма.

Таблица 1 – Характеристики механизмов свободного хода

Тип МСХ	Вращающий момент T , Н·м	Рабочий диаметр D , мм	Масса m , кг
Роликовые МСХ
Тип AE фирмы «Stieber» (Германия)	55…3500	37…125	0,3…6,8
Тип VGF фирмы «GMN» (Германия)	90…2350	50…125	0,6…8,9
Тип  REUSNU  фирмы «Renold» (Великобритания)	49…3275	36…140	0,2…5,8
МСХ с эксцентриковыми роликами
Тип RSCI фирмы «Stieber» (Германия)	212…4500	66…160	0,30…2,60
Тип   BREU   фирмы «Tsubaki» (Япония)	607…4739	75…140	2,70…17,2
Тип SF фирмы «Ringspann» (Германия)	200…5000	55…145	0,90…13,3

В настоящее время технический уровень различных машиностроительных изделий принято оценивать количественным параметром, показывающим отношение основных конструктивных характеристик или затраченных материальных средств к полученному результату.

Для МСХ основным полученным результатом является величина передаваемого механизмом вращающего момента – _T .

Основной конструктивной характеристи- кой МСХ принято считать его рабочий диаметр – D (рис. 1).

Рабочий диаметр МСХ можно использовать не только для сравнения их радиальных габаритов, но и при расчетах прочности, жесткости, нагрузочной способности и др. Этот диаметр обычно используют в качестве модуля при определении размеров различных конструктивных элементов МСХ. Например, для МСХ с тремя и пятью роликами по ОСТ 27-60721-84 «Муфты обгонные роликовые. Основные параметры и размеры» диаметр и длина заклинивающегося ролика изменяется в диапазоне d = (0,12 ... 0,13 )D и l = (0,20 ... 0,25 )D , а длина и толщины внешней обоймы – l = (0,35 ... 0,45 )D и h = ( 0,125 ...0,20)D .

При этом параметр D косвенно учитывает и массо-габаритные характеристики механизмов.

В этом случае, для оценки технического уровня можно использовать коэффициент относительного диаметра, определяемый по формуле

K_D = D/T . (1)

Коэффициент удобен еще и тем, что позволяет увязать возможность установки нового механизма с существующими габаритными

Рисунок 1 – Конструкция роликового МСХ:

• 1    – внешняя обойма; 2 – звездочка;

• 3 – заклинивающийся ролик

  Если строгие ограничения на габаритные размеры отсутствуют, тогда параметром, отражающим затраченные средства, является масса ^m , в которой интегрировано, пусть и косвенно, отражаются производственные затраты. Такой подход широко используется применительно к редукторам [8] и отражен в ГОСТ 31592–2012 «Редукторы общемашиностроительного применения. Общие технические условия».

Тогда технический уровень МСХ можно оценить коэффициентом относительной массы

K_m = m/ T .         (2)

Некоторые авторы для сравнения технического уровня МСХ предлагают использовать показатель обратный K _{m ,} который можно назвать относительным моментом K =1/ K_m .

Например, усредненные значения коэффициента относительного момента МСХ для стартеров составляют: K_T =26,6 Н·м/кг (роликовые); K =39,1 Н·м/кг (с эксцентриковыми роликами); K =24,3 Н·м/кг (фрикционные);

размерами.

K =21,7 Н·м/кг (пружинные); K =59,9 Н·м/кг (храповые) [9].

Формулы (1) и (2) удобно использовать на практике, т.к. входящие в них параметры приводятся в справочниках, каталогах, статьях и др. При этом следует учитывать, что долговечность сравниваемых МСХ должна быть примерно одинакова.

На рис. 2 и 3 представлены графики, характеризующие зависимость относительных габаритов от передаваемой нагрузки для МСХ иностранных производителей (табл. 1).

Рисунок 2 – Зависимость коэффициента относительного диаметра от вращающего момента для роликовых МСХ фирм: ■ – «Stieber»; • – «GMN»; ▲ – «Renold»

Рисунок 3 – Зависимость коэффициента относительного диаметра от вращающего момента для МСХ с эксцентриковыми роликами фирм: ■ –

«Stieber»; • – «Tsubaki»; ▲ – «Ringspann»

Анализ полученных результатов показывает, что практически для всех типоразмеров МСХ с цилиндрическими и эксцентриковыми заклинивающимися телами коэффициент K характеризуется качественным и количественным совпадением. На основании использования регрессионного анализа установлено, что аналитически коэффициент относительного диаметра можно описать степенной зависимостью типа [10]

K _D = 10 T - ^{0 , 68}   .         (3)

Тогда, решая совместно выражения (1) и (3), можно получить зависимость для ориентировочной оценки необходимых габаритных размеров МСХ

D = 10 T ^0,32 .              ⁽⁴⁾

Такое совпадение коэффициентов K для МСХ с различным типом заклинивающихся тел можно объяснить единым критерием их работоспособности – величиной допускаемых контактных напряжений [ g _н ] в местах соприкосновения заклинивающихся тел с внутренней или внешней обоймами [1–3, 11].

Контактные напряжения возникают под действием нормальных сил, которые можно рассчитать по формулам источников [3] и [12] соответственно:

4 т

F N = -------.

zDtg а

F

N

Г              ²

^v I       D ^[ Ст H ^]

— 0,349 Е ^ v d J

где а - угол заклинивания;

z – число заклинивающихся роликов;

V z = l/d - коэффициент длины закли нивающего ролика, v z =1—4;

V,, = D / d - коэффициент диаметра заклинивающего ролика,

V d =5—9; е - приведенный модуль упругости материала механизма;

[ g н ]   - допускаемое контактное напряжение.

Совместное решение выражений (4) и (5) позволяет получить ориентировочную зависимость величины рабочего диаметра внешней обоймы от передаваемой нагрузки в виде

1,39 ТЕ v _d

D = з --------- d—

\ zV i [ ст н ]2 tg а или D = TCC , (6)

где C – эмпирический коэффициент, зависящий от конкретного типа механизма.

Как видно из формулы (6) для выполнения условия постоянства контактных напряжений [ g _н ] при увеличении нагрузки т рабочий диаметр D должен изменяться по степенной зависимости близкой к показанной на рис. 2 и 3.

На рис. 4 и 5 представлены графики, характеризующие зависимость коэффициента относительной массы от передаваемой нагрузки для МСХ (табл. 1). Анализ полученных результатов показывает, что наблюдается значительный разброс величины коэффициента K как в зависимости от конструктивных схем МСХ различных производителей, так и от типа тел заклинивания.

Рисунок 4 – Зависимость коэффициента относительной массы от вращающего момента для роликовых МСХ фирм : ■ – «Stieber»; • – «GMN»; ▲ – «Renold»

Рисунок 5 – Зависимость коэффициента относительной массы от вращающего момента для МСХ с эксцентриковыми роликами фирм :

■ – «Stieber»; • – «Tsubaki»; ▲ – «Ringspann»

Таким образом, коэффициент относительной массы целесообразно использовать преимущественно при технико-экономических расчетах.

Полученные зависимости позволяют предварительно оценить технический уровень различных типов МСХ иностранных производителей и дать рекомендации по подбору наиболее рационального типа механизма для конкретного технологического оборудования.