2.9 Система включения кривошипного пресса
2.9.1 Муфты включения
Современные конструкции кривошипных прессов снабжены муфтами включения, предназначенными для соединения привода пресса с главным ва- лом и передачи крутящего момента от ведущей части привода на главный кри- вошипно-шатунный механизм, а также для отключения главного вала от вра- щающихся маховых масс привода. Главные особенности муфт включения прессов:
1) Передача больших крутящих моментов, порядка нескольких тысяч, а в мощных прессах до миллиона ньютон-метров (МН·м).
2) Разгон больших масс в короткий промежуток времени, исчисляемый до- лями секунды.
3) Работа муфты в режиме частых включений при работе на одиночных ходах пресса.
Эти особенности обусловливают большие габариты деталей муфт и необ- ходимость принятия специальных мер по обеспечению их долговечности и из- носостойкости. Классификация муфт включения, применяемых в прессах, при- ведена на рисунке 2.37.
Рисунок 2.37 – Классификация муфт включения
В жестких муфтах ведомая и ведущая части сцепляются через жесткий элемент (кулачок, зуб, палец, шпонку). Выключение жестких муфт происходит при обратном ходе пресса. Такие муфты применяют в маломощных прессах с усилием до 1,5 МН, поскольку они рассчитаны на ограниченную величину пе- редаваемого крутящего момента. К их положительным качествам можно отне- сти компактность, простоту устройства, отсутствие нагрева частей. Основной недостаток – практически мгновенное ударное включение в работу и возмож- ность поломки сцепляющего элемента. Поэтому все жесткие муфты устанавли-
пользуют в основном муфты с поворотной шпонкой, которые нашли достаточ- но широкое применение для прессов малых усилий (до 160 кН) с достаточно большой частотой ходов. Пальцевые муфты, для которых характерно наличие скользящего пальца для соединения ведущей и ведомой частей, применяют редко и только в мелких прессах-автоматах, где они имеют малое число вклю- чений, – лишь при наладке и остановке. Кулачковые муфты, обладающие ма- лой надежностью, в современных прессах почти не применяют.
Муфта с поворотной шпонкой (рисунок 2.38) более надежна в эксплуата- ции, передает большие крутящие моменты и обеспечивает многоразовое вклю- чение в режиме одиночных ходов пресса.
а б
а – муфта выключена; б – муфта включена
Рисунок 2.38 – Схема муфты с поворотной шпонкой
Основным связующим элементом между ведущей и ведомой частью муф- ты является рабочая поворотная шпонка, уложенная в цилиндрический паз ва- ла. В средней части шпонки сделана лыска, так что шпонка, уложенная в паз, составляет как бы часть вала, полностью заполняя его. Задний и передний ци- линдрические концы поворотных шпонок находятся в соответствующих отвер- стиях. Для облегчения вращения шпонки в гнезде предусматривается ходовая посадка поворотных шпонок.
Ведущей частью муфты является маховик или зубчатое колесо с запрессо- ванной вдоль оси втулкой включения, имеющей три или четыре цилиндриче- ских паза диаметром, равным диаметру поворотной шпонки. Длина втулки включения на 2-4 мм меньше длины шпонки.
Расчет муфты производят из усилия смятия поверхности лыски, передаю- щей момент на коленчатый вал. Для проверки величины крутящего момента, передаваемого поворотной шпонкой, пользуются следующим эмпирическим соотношением Mм = 200dш3, где Mм – момент, передаваемый муфтой, Н·м; dш – диаметр шпонки, см.
Для обеспечения условий надежной работы диаметр шпонки dш принима- ют равным примерно 0,4 диаметра вала. Длина рабочей части шпонки lш = 3dш. Шпонки изготовляют из сталей марки 40ХН или 50ХН твердостью 50…55 HRС. Иногда применяют инструментальные стали марки У7 или У8.
Втулку включения изготовляют из стали марки 45 твердостью 40…45 HRC.
Недостатком всех жестких шпонок является кратковременность периода включения, вследствие чего динамические моменты могут превысить расчет- ные значения. Проверку на динамический момент следует производить лишь при окружных скоростях центра поворотной шпонки, превышающих значения 0,8 м/с.
Более совершенны фрикционные муфты. Фрикционные муфты обладают плавным процессом включения, возможностью включения и выключения при любом положении коленчатого вала, что обеспечивает работу в режиме толч- ковых ходов. Пределы величины передаваемого момента для фрикционных муфт практически неограниченны. Необходимо отметить, что габариты, масса этих муфт значительно больше, чем у жестких муфт, конструкция их сложнее, а стоимость выше.
Цилиндрические муфты большого распространения в прессах не получи- ли. Недостаток конструкции конусных муфт заключается в ограничении пере- даваемого момента, поэтому их применяют лишь в прессах небольшого усилия при малом числе ходов.
Наиболее распространены и универсальны многодисковые фрикционные муфты, которые применяются в мощных прессах почти всех типов. Фрикцион- ные дисковые муфты удобны тем, что они не ограничивают число оборотов, могут передавать практически любой по величине крутящий момент, обеспечи- вают плавное безударное включение и позволяют передавать крутящий момент на главный вал при любом угле поворота кривошипа. Работа фрикционной муфты основана на трении, возникающем между ведущими и ведомыми диска- ми с накладками или вставками из материала с высоким коэффициентом трения (фрикционного материала).
Наряду с перечисленными положительными качествами фрикционные муфты имеют ряд недостатков:
- конструктивную сложность и громоздкость;
- потребность в значительных силах сжатия дисков при включении;
- нагрев трущихся поверхностей в режиме частых включений.
Для отвода тепла предусмотрено увеличение поверхности кожуха сцепле- ния за счет ребер, а также специальные окна, через которые происходит охлаж- дение муфты.
Конструкция муфты определяется принятым механизмом управления и методом передачи энергии для создания усилия смыкания фрикционных по- верхностей.
Для удобства ремонта муфты устанавливаются на валу консольно. При этом вместе с тормозом они блокируются либо непосредственно, либо посред- ством системы управления. Большие передаваемые моменты и необходимость быстродействия обусловливают применение пневматических или гидравличе- ских силовых цилиндров для управления работой муфты или тормоза. Механи-
муфты с фрикционными вставками (рисунок 2.39).
Рисунок 2.39 – Схема однодисковой муфты с фрикционными вставками
Муфта с пневматическим управлением встроена в маховик, на котором за- креплены опорный диск и подводящая головка, через которую подается сжатый воздух в полость кольцевого пневмоцилиндра (на схеме не показан). Поршень пневмоцилиндра перемещает нажимной диск по внутренним шлицам маховика, воздействуя на него с силой Q. Фрикционные вставки, свободно посаженные в гнездах закрепленного на конце вала ведомого диска, зажимаются между опор- ным и нажимным дисками, благодаря чему возникает момент трения, переда- ваемый на вал. При выпуске воздуха пружины (на схеме не показаны) отодви- гают нажимной диск, нарушая контакт со вставками.
Работоспособность муфты во многом зависит от качества и конструкции фрикционных вставок (рисунок 2.40), которые могут быть разной конфигура- ции.
Рисунок 2.40 – Формы фрикционных вставок
Основное достоинство вставок – высокая износостойкость, сохранение фрикционных свойств при высокой температуре, легкая смена и монтаж. Форма вставок соответствует форме окон, сделанных в ведомом диске. Наиболее ши- рокое применение нашли вставки из гетинакса (твердые), а также вставки из более эластичных материалов на асбестокаучуковой или асбестосмоляной ос- нове (полумягкие и мягкие). В паре с поверхностями из стали марок Ст5, сталь 45 или из чугунов марок СЧ 20, СЧ 30 мягкие и полумягкие фрикционные материалы (например, ретинакс) обеспечивают стабильные условия сцепления, характеризующиеся высоким коэффициентом трения μ = 0,38-0,42. Однако не- смотря на довольно большие удельные усилия qм = 1,2…1,5 МПа и высокий ко- эффициент трения, в некоторых случаях не удается создать при использовании одного ведомого диска требуемый момент (например, на горячештамповочных прессах, где момент достигает 100 МН·м). В этом случае используются двух- и трехдисковые муфты с фрикционными накладками (рисунок 2.41).
Рисунок 2.41 – Схема многодисковой муфты с фрикционными накладками
Работа многодисковых муфт аналогична работе однодисковой. Чтобы из- бежать трения между расцепленными дисками при холостом вращении махови- ка, зазор между дисками устанавливают не менее 0,5-0,8 мм.
По условиям износа в более тяжелом положении находятся ведущие дис- ки, поэтому их изготовляют цельными из чугуна марки СЧ 35. Ведомые диски изготовляют из стали марки Ст5 и к ним приклепывают или приклеивают фрикционные накладки в виде сплошных, секторных или полосовых пластин из листового материала феродо.
Исходным для расчета является максимальный крутящий момент МК, дей- ствующий на валу муфты.
Расчетный момент муфты определяют из выражения:
ветственно передаточное число и КПД передач от вала муфты к коленчатому валу.
Момент, передаваемый муфтой со вставками из ретинакса, находят из выражения
Мм = 2μ·qм·nв·Fв·Rср,
где μ – коэффициент трения, принимаемый равным 0,35; qм – удельное усилие, составляющее 1,5-1,8 МПа; nв – число вставок; Fв – площадь рабочей поверхно- сти одной вставки; Rср – средний радиус вставки.
Для муфт с обкладками из феродо
Мм = (2/3)π·μ·qм·m·(R13-R23),
где μ – коэффициент трения, принимаемый равным 0,35; qм = 0,4-0,6 МПа при частоте вращения до 180 об/мин, qм = 0,3 МПа при частоте вращения более 180 об/мин; m – число поверхностей трения; R1 и R2 – наружный и внутренний радиусы рабочих поверхностей дисков трения.
Для обеспечения работоспособности муфты необходимо, чтобы Мм > Мм расч.
При включении муфты часть затраченной энергии превращается в тепло- вую энергию, что приводит к нагреву фрикционных вставок или накладок. На- грев до высоких температур ухудшает фрикционные свойства поверхностей, а, следовательно, повышается износ муфты и ускоряется ее преждевременный выход из строя. При большом числе включений необходимо проверять устой- чивость теплового баланса муфты и температуру ее нагрева. Температура на- грева наружных поверхностей муфты не должна превышать 60…70 °С, а тем- пература нагрева дисков – 150…200 °С.
В качестве косвенного теплового расчета муфт применяют расчет на рабо- тоспособность по показателю износа. Величину показателя износа определяют по формуле
,
где aм = 1,05-1,15; Jвм – момент инерции ведомой части, приведенный к валу муфты; ωм – угловая скорость ведущих дисков; F – площадь фрикционных по- верхностей; p – коэффициент использования числа ходов; nп – частота ходов ползуна.
Рассчитанные по этой формуле значения показателя износа не должны превышать для однодисковых муфт со вставками из ретинакса 0,7- 0,8 МДж/(м2·мин), для многодисковых муфт с накладками из феродо – 0,4- 0,5 МДж/(м2·мин).
После проверки показателя износа муфты уточняют удельные усилия на фрикционные элементы и определяют диаметр пневматического поршня, исхо- дя из того, что давление в пневмосети составляет 0,4-0,6 МПа.