В.О. Проценко

Херсонський національний технічний університет

Напрямки дослідження властивостей сталевих канатів для оцінки характеристик пружно-компенсуючих канатних муфт

 

Відомо, що пружні елементи із спресованих дротів, та гнучкі вали, що являють собою багатошарові пружини кручення, характеризуються високим конструкційним демпфуванням [1, 2] за рахунок наявності великої кількості контактів, в яких розвивається тертя, що призводить до розсіювання енергії.

Сталеві канати суміщають в собі властивості вказаних елементів [3, 4], що робить перспективним їх використання в муфтах. Загалом, застосування канатів в муфтах надає їм наступних переваг:

1)    Висока навантажувальна здатність та довговічність, за рахунок високої міцності канатів.

2)    Висока компенсуюча здатність, за рахунок високої гнучкості канатів.

3)    Висока демпфуюча здатність за рахунок тертя дротів у сталках і сталок між собою при згині та крученні канатів.

4)    Технологічність пружного елементу, оскільки виробництво сталевих канатів централізовано налагоджене багатьма підприємствами.

5)    Зменшення періодичності та спрощення нагляду і мащення, оскільки мастилом просочене осердя каната.

6)    Канатні пружні елементи можуть бути виготовлені з неліквідів канатних заводів та утилізовані за рахунок застосування в муфтах після відбракування з вантажопідйомних машин, що сприятиме зниженню вартості муфт.

Основними характеристиками рухомих пружно-компенсуючих муфт [5, 6] є жорсткість, демпфуюча компенсуюча здатність та енергомісткість. Кожну з вказаних характеристик муфти визначають властивості пружних елементів, які застосовані в муфті. Для розширення сфери застосування канатних муфт потрібне визначення властивостей канатів в умовах подібних до умов їх роботи в муфтах. Аналіз умов роботи канатів в муфтах та встановлення необхідних напрямків їх дослідження являють собою мету даної роботи.

Принципова схема муфти з осьовою паралельною установкою канатів прямолінійної форми показана на рис. 1. Муфта складається з двох напівмуфт 1 та 2 із фланцями 3 і 4,  в отвори 5 яких встановлені сталеві канати 6, які жорстко закріплені в отворах 5, наприклад зварюванням, вальцюванням, склеюванням або іншим способом і мають можливість деформації.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Принципова схема муфти
 
 

 


Для оцінки жорсткості муфти складаємо розрахункову схему  роботи муфти (рис. 2.). При її складанні приймаємо наступні припущення:

1. Канати в напівмуфтах закріплені абсолютно жорстко.

2. Відстань між напівмуфтами і діаметр каната величини одного порядку.

3. Навантаження між канатами розподіляється рівномірно.

При навантаженні муфти обертальним моментом ведуча напівмуфта отримає зміщення f, виміряне по колу діаметра D розташування канатів та поворот на кут φ.

З трикутника OFG:

,                                                            (1)

оскільки FG = f, OG = D/2, то

,                                                        (2)

оскільки для малих кутів sinφ=φ, то

.                                                           (3)

Розглянемо початковий етап роботи муфти - при згині канатів (рис. 3).

Визначимо відносне зміщення напівмуфт виміряне по колу розташування канатів в припущенні що замість канатів встановлені суцільні стрижні:

,                               (4)

звідки                                                ,                                           (5)

оскільки  колова сила, що згинає один канат:

,                                                       (6)

то кут повороту напівмуфт:

.                                                   (7)

Тоді жорсткість муфти:

.                                                (8)

Добуток EJ у вказаних формулах, характеризує згинальну жорсткість суцільного стрижня. Для канатів цей добуток застосовувати не можна, що пояснюється наступним [4]:

1) Канат є квазіпружним тілом: його жорсткість обумовлена пружними силами, внутрішнім тертям та опором пластичним деформаціям в точках контакту дротів.

2) Момент інерції J поперечного перетину каната невизначений через рухомість частини дротів.

 

 

 

 

Рис. 3.2. Розрахункова схема роботи каната
 
 


Рисунок 2 - Розрахункова схема роботи пружної муфти
 

Рисунок 3 - Розрахункова схема роботи каната
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


До теперішнього часу не існує єдиної методики визначення згинальної жорсткості канатів.

Відомі теоретичні та експериментальні дослідження носять фрагментарний, а часто і суперечливий характер.

1) Д.т.н., професор Глушко М.Ф. [7] отримав рівняння для визначення жорсткості В канатів основних конструкцій при згині, розглядаючи канат як щільно звиту пружину:

,                                   (9)

де δ – діаметр проволоки;

a1,2,3 – розрахункові коефіцієнти, що залежать від конструкції канатів.

2) Д.т.н., професор Ковальський Б.С. з учнями [8] досліджував згинальну жорсткість канатів подвійної звивки експериментально. Канати досліджувались в умовах малого згину: розтягувалися між двома опорами, відстань між якими набагато перевищувала діаметр каната, і навантажувались посередині зосередженою силою від вантажа, замірялися прогини. Вплив внутрішнього тертя виключався за рахунок постукування по вантажу. Після обробки результатів одержана формула:

,                                               (10)

де d – діаметр каната;

Fн – сила натяжіння каната;

 - коефіцієнт;

 - відносний параметр;

EJ – жорсткість суцільного  стрижня такого ж діаметру, що і канат.

4) Д.т.н. В.А. Малиновським [4] встановлено, що канат окрім пружної жорсткості В характеризується трибожорсткістю b від внутрішнього тертя в канаті. Сума пружної жорсткості В та трибожорсткості b дає зведену жорсткість G.

.                                             (11)

Наведені дослідження виконувались застосовно до натягнутих канатів (в формули входить  σр), та при відстанях між опорами каната на декілька порядків більших від його діаметрів, або при згині каната на блоках, що не відповідає умовам роботи каната в муфті.

При роботів каната в муфті, їх натяжіння, в початковий момент пуску привода відсутнє, і, поступово наростаючи зі збільшенням кута закручування напівмуфт, воно досягає максимуму, доки їх умовна пружна лінія не стане прямою – матиме місце їх згин і розтягнення. При цьому, початкове закручування напівмуфт буде обумовлене лише згином канатів, а кінцеве, в верхній частині характеристики – сумарною дією розтягнення та згину. Крім цього, відстань між опорами каната в муфтах має один порядок з діаметром каната, таким чином, має місце малий вільний згин канату, що не дозволяє застосовувати дані відомих досліджень канатів для оцінки характеристик муфт.

Вказані обставини дозволяють рекомендувати наступні напрямки дослідження сталевих канатів:

1)     Жорсткісні характеристики канатів в умовах малих вільних вигинів;

2)     Втрати на внутрішнє тертя в канатах в умовах малих вільних вигинів;

3)     Руйнування канатів в умовах малих вільних вигинів.

Дослідження за вказаними напрямками необхідно виконувати в залежності від впливу компоновки, монтажних, експлуатаційних та технологічних факторів.

 

Література:

1. Фомин М.В. Рассеяние энергии в упругих элементах из спресованной проволоки // Известия вузов. Машиностроение. – 1976. - №7. – с. 15-18.

2. Глозман В.М., Зборовская И.А. Демпфирующие свойства гибкого проволочного вала при поперечних колебаниях // Детали машин. – 1978. - Вып. 26. – с. 65-69.

3. Жиряков А.И. Рассеяние энергии при поперечних колебаниях растянутого каната // Подъемно-транспортное оборудование. – 1980. - Вып. 11. – с. 49-52.

4. Малиновский В.А. Стальные канаты. Часть 1: Некоторые вопросы технологии, расчета и проектирования. – Одесса: Астропринт, 2001. – 188 с.

5. Малащенко В.О. Муфти приводів. Конструкції та приклади розрахунків – Львів: Видавництво національного університету «Львівська політехніка», 2009. – 208 с.

6. Мархель И.И. Детали машин. – М.: Форум, 2009. – 336 с.

7. Глушко М.Ф. Стальные подъемные канаты. – К.: Техніка, 1966. – 327 с.

8. Расчеты деталей машин и элементов сооружений / Под ред. Б.С. Ковальского. – Харьков: ХВИКУ, 1971. – 135 с.