Metody i stanowisko do wyznaczania statycznych charakterystyk sprzęgieł podatnych

ZESZY TY N A U K O W E POLITECH NIK I ŚLĄSKIEJ Seria: TR A N SPO R T z. 34

1998 Nr kol. 1396

M anfred CHM U RAW A*1

METODY I STANOWISKO DO WYZNACZANIA STATYCZNYCH CHARAKTERYSTYK SPRZĘGIEŁ PODATNYCH

Streszczenie. Stosow anie sprzęgieł podatnych w ym aga od użytkow nika znajomości charakterystyk statycznych, które opisują cechy sprężysto-tłum iące tych sprzęgieł. W referacie przedstaw iono oryginalne stanowisko i dośw iadczalną m etodykę badania charakterystyk statycznych sprzęgła skrętnie podatnego.

M ETHODS A N D ST A N D FOR DESCRIBING OF STATIC CHARAKTERISTICS OF FLEXIBLE COUPLINGS

Sum m ary. A pplication o f flexible couplings dem ands from user the know ledge o f static charakteristics. In the paper it is presented original stand and methodics o f research o f static charakteristies o f flexible couplings.

1. W STĘP

W układach napędow ych m aszyn transportow ych stosuje się najczęściej sprzęgła skrętnie podatne, które dzięki odpowiedniej sprężystości i korzystnemu tłum ieniu przyczyniają się do łagodzenia nierów nom ierności przenoszonego m om entu obrotowego [6(8, 10,14(16].

K orzystną ce c h ą sprzęgieł podatnych je st także m ożliwość kom pensacji niewielkich niedokładności położenia osi łączonych wałów.

Podstaw ow ą cechą użytkow ą sprzęgła podatnego je st jego charakterystyka statyczna.

W literaturze problem charakterystyk sprzęgieł je st problem em otw artym i mamy do czynienia zarówno z charakterystyką, w yznaczoną dla w zrastającego obciążenia bez późniejszego odciążania [6, 8], ja k i z pełną charakterystyką, określaną dla wzrastającego i m alejącego obciążenia, która wykazuje tzw. pętlę histerezy [5, 7, 9 -s- 16],

'Instytut Transportu Politechniki Śląskiej - Gliwice i OBRDiDT „Detrans” - Bytom.

Sprzęgła podatne należą do grupy m echanicznych sprzęgieł nierozłącznych o nieliniow ych charakterystykach, których przebieg zależy od ilości i postaci łączników (wkładek, sprężyn, elastom erów ), w ystępujących między czynnym i biernym członem sprzęgła [1+3, 5, 7, 9, 10, 12+13, 15+16].Każdy rodzaj sprzęgła (jedno- lub wielowkładkow c.

przeponowe, oporow e lub inne) charakteryzuje się określonym i cecham i sprężystym i i tłum iącym i, które m a ją decydujący w pływ na przebieg i stabilizację drgań skrętnych, tow arzyszących pracy układu napędowego. Cechy sprężysto-tłum iące sprzęgieł podatnych na ogół nie s ą znane użytkow nikow i. Zatem użytkow anie sprzęgieł, o nieznanej charakterystyce, szczególnie w ysokopodatnych, związane je st z m ożliw ością niepraw idłow ej pracy układu napędow ego. W tej sytuacji znajom ość rzeczywistej lub naw et hipotetycznej charakterystyki sprzęgła m oże się przyczynić do lepszej i bardziej niezawodnej pracy układów napędow ych.

Z łożona postać konstrukcyjna sprzęgieł i cechy fizykochem iczne łączników praktycznie uniem ożliw iają analityczne określenie statycznych charakterystyk.

Pozostaje zatem dośw iadczalne wyznaczanie tych charakterystyk na specjalnych stanow iskach badaw czych.

2. C H A R A K TER Y STY K A STA TY CZN A SPRZĘGŁA POD ATNEG O

C harakterystyka statyczna sprzęgła podatnego przedstaw ia zależność momentu obrotow ego od kąta w zględnego (wzajem nego) obrotu jego członów, pod w arunkiem że obie w ielkości w zrastają bardzo w olno:

M = f(<p) (1)

gdzie: M - stała w artość m om entu obrotow ego (lokalna), [Nm);

cp - w zględny kąt skręcenia członów [rad lub stopnie].

Najczęściej je st to zależność nieliniowa; dla przykładu, dla sprzęgła z w kładkam i gumowo- stalow ym i charakterystyka przyjm uje postać [9, 10, 12, 13]:

M = a 0cp + B0(p3 (2)

gdzie: M, cp - w ielkości, ja k w yżej;

oc0, B0 - w spółczynniki zależne od postaci, liczby i rozm ieszczenia w kładek.

M etody i stanow isko do wyznaczania.. 23

R y s.l. Statyczne charakterystyki sprzęgieł skrętnie podatnych F ig .l. Static characteristics o f flexible couplings

C harakterystyka statyczna obrazuje cechy sprężyste i um ożliw ia wyznaczenie w spółczynnika sztyw ności skrętnej sprzęgła:

dcp

Nm Nm

rad

.

_

Przy nieliniowej charakterystyce c * const i wtedy możemy m ówić o różnych wartościach w spółczynnika sztyw ności (wstępnej, średniej, przy nom inalnym obciążeniu, przy m aksym alnym obciążeniu itp.). Rys. 1 przedstawia przykładowe charakterystyki sprzęgła w ielow kładkow ego i oponowego.

3. PEŁN A C H A R A K TER Y STY K A STATYCZNA SPRZĘGŁA PODATNEGO

Sprzęgła podatne, oprócz cech sprężystych, charakteryzują się także znaczącym tłum ieniem , czynnie łagodzącym przebieg rozruchu i powodującym proces zanikania drgań skrętnych. Tłum ienie przejaw ia się tzw. histerezowym i stratami energii podczas odkształcania

[1 ,6 + 1 0 , 12+16]. Straty i rozproszenie energii (dyssypacja) są następstw em pokonyw ania oporów tarcia w ew nętrznego w niem etalowym m ateriale łącznika.

D yssypacja energii daje się zauw ażyć podczas obciążenia sprzęgła, gdy zm iana m om entu obrotow ego M = fi (cp) nie przebiega w zdłuż zm ian M = f (<p), zaistniałych wcześniej przy jego obciążeniu. P ow staje pętla histerezy, której pow ierzchnia je st m iarą intensyw ności tłum ienia (rys. 1). Pow ierzchnię pętli histerezy m ożna w ykorzystać do wyznaczenia w spółczynnika tłum ienia [5, 7, 9, 10]:

gdzie: A r - praca tłum ienia podczas jednego cyklu obciążenia [Nm];

A s - praca odkształcenia sprężystego podczas jednego cyklu obciążenia [Nm],

W spółczynnik sztyw ności c, w spółczynnik tłum ienia ¥ oraz charakterystyka statyczna M = f ( ę ) u M = fi (cp) określają cechy użytkowe sprzęgła podatnego i m ogą być właściwymi miaram i do oceny jakości sprzęgieł, oferow anych na rynku przez różnych dostawców.

4. STA N O W ISK O I M ETO DY K A BADA Ń STATYCZN YCH CH A RA K TERY STY K S PR ZĘG IEŁ PO D A TNY C H

W Instytucie T ransportu Politechniki Śląskiej zaprojektowano i w ykonano specjalne stanow isko do badań różnych rodzajów sprzęgieł. W odróżnieniu od innych, dotychczas w ykonanych stanow isk [5, 7, 12, 13] w yróżnia się ono prostym sposobem pom iaru kąta skręcenia członów sprzęgła (rys. 2 + 4).

Rys. 3 przedstaw ia ogólny w idok stanow iska z założonym sprzęgłem . Stanowisko zam ontow ano na sztyw nej podstaw ie 1, do której przykręcono stałą podporę 2 i podporę obrotow ą 3. W podporze stałej 2, unieruchom ionej za pom ocą w sporników 8 i 9, osadzono za pom ocą w pustu w ym ienny czop 10, na którym m ożna zam ocować je d n ą z tarcz badanego sprzęgła 4. Tę tarczę uznano za nieruchom ą i na jej obw odzie przykręcono miniaturowe lusterko 14, odbijające prom ień padający z pierw szego laserowego źródła św iatła 16. W podporze obrotow ej 3 ułożyskow ano tocznie tuleję 6, w której znajduje się w ym ienny czop 10, na którym m ożna zam ocow ać drugą tarczę 5 badanego sprzęgła. Tarcza 5 m a swobodę obrotu i m oże być obciążona m om entem skręcającym M. Pod działaniem tego momentu tarcza 5 skręci się w zględem tarczy nieruchom ej o kąt ?. N a jej obw odzie na wysokości lusterka 14 przykręca się lusterko 15, odbijające prom ień padający z laserow ego źródła św iatła 17.

M etody i stanow isko do wyznaczania.. 25

Rys.2.Układypomiarowe i budowastanowiska badawczego Fig.2. Measuresystems and constructionofresearchstand

R ys.3. Ogólny w idok stanowiska do badań sprzęgieł podatnych Fig.3. General view o f stand for research o f flexible couplings

O pisane stanow isko w yposażono w dwa układy (rys. 2):

1) U kład zadaw ania m om entu skręcającego M [Nm], sztywno połączony z tuleją 6 podpory obrotowej 3. U kład składa się z praktycznie nieodkształcalnej dźwigni 11 z wieszakiem 12, który um ożliw ia obciążenie dźwigni za pom ocą dokładnych w zorców masy 13.

2) U kład pom iaru w zględnego kąta skręcenia tarcz tp, w ykorzystujący zasadę równości kąta padania i kąta odbicia prom ienia światła, odbitego od idealnie gładkiej powierzchni (lustra). U kład składa się z laserow ych źródeł św iatła 16 i 17, w spom nianych lusterek 14 i 15 i odpow iednio w ykreślonej skali 18 kąta skręcenia tp usytuow anej w odległości L=3000 mm od osi badanego sprzęgła.

4.1. U kład zadaw ania m om entu skręcającego (obrotowego)

W artość m om entu obrotow ego, obciążającego badane sprzęgło, wynosi odpowiednio:

M = m • g • L • coscp (5)

gdzie: m - m asa ciężarków 13 na szalce w ieszaka 12 w [kg];

M etody i stanow isko do wyznaczania.. 27

g - przyspieszenie ziem skie w [m/s2], g = 9,81 m /s2

<p - w zględny kąt skręcenia tarcz sprzęgła [rad lub °];

L - długość ram ienia dźwigni 11 w [m], L = 0,8 m.

W pływ kąta skręcenia dźwigni na wartość m om entu przy m ałych wartościach cp = 0 * 6"

je st niewielki. Dla przykładu błąd zadawanego m om entu z pom inięciem w pływ u kąta dla (p = 6° wynosi +0,5% . W tej sytuacji z dostateczną dokładnością wartość momentu obciążającego badane sprzęgło m ożna w yznaczyć ze wzoru:

M = m -g • L (6)

gdzie: m, L, g - wielkości ja k wyżej.

D okładność zadaw ania m om entu w ynika z najm niejszego ciężaru (rnmin = 1 kg) i wynosi:

±0,5%.

4.2. Układ pom iaru w zględnego kąta skręcania tarcz

Zasadę pom iaru w zględnego kąta skręcenia tarcz obrazuje rys. 4. Założono, że kąt cp jest w ielkością m ałą i dopuszczalne są pew ne uproszczenia, w ynikające z pom inięcia lub wpływu zm ian wielkości geom etrycznych, tow arzyszących procesowi odbicia światła. Jeżeli ze źródła św iatła laserow ego 17 w ypływ a silnie skoncentrowany prom ień i pada na lusterko 15 znajdujące się na obw odzie tarczy ruchomej sprzęgła 5, to odpowiednio:

- dla kąta padania przed obciążeniem sprzęgła:

DN DN

t 9 a i = Ń o = -

- dla kąta odbicia przed obciążeniem:

tg “ i = tg a .

- dla kąta padania po obciążeniu sprzęgła i przyjęciu pow yższych uproszczeń:

- dla kąta odbicia po obciążeniu sprzęgła:

t g o2 = t g a2

Wtedy poszukiw any kąt cp z przedziału od 1° do 6° m ożna przyjąć, że:

cp = a 1- a 2 (7)

D la bardzo m ałych kątów cp z przedziału od 1° do 6° m ożna przyjąć, że:

t g o ^ s a , i tg a 2 = a 2

w ięc także:

DN 0-|N-| D N - D A

«P- i — i (8)

gdzie: DN - D |N i - odcinek na skali 18 w [mm], proporcjonalny do m ierzonego kąta cp;

1 = 3000 m m - obliczeniow a odległość lusterek od obrazu odbitej plam ki na skali 18.

W zorcow anie skali 18 przeprow adzono w Instytucie Transportu Politechniki Śląskiej. Dla przykładu w zględny kąt skręcenia tarcz cp = 1° odpow iada odcinkowi DN - DiN) = 52,5 mm na skali 18, a kąt (p — 6° odcinkowi 317 mm. Dokładność odczytyw ania kąta skręcenia uw arunkow ana je s t w artością działki elem entarnej na skali i wynosi ±1 m inuta kątowa.

M etody i stanow isko do wyznaczania.. 29

Rys.4. Zasada pomiaruwzględnegokątaskręceniatarcz sprzęgła Fig.4. Principleofmeasureofrelative angle ofcoupling

4.3. M etodyka badania charakterystyki statycznej sprzęgła

Po zm ontow aniu badanego sprzęgła na stanow isku i w ypoziom ow aniu dźwigni 11 (rys. 2) należy w łączyć zasilanie laserow ych źródeł św iatła 16 i 17 i za pom ocą odpowiednich pokręteł ustaw ić plam ki odbitych powierzchni na ekranie 18 na jednym poziom ie. N astępnie obciążam y sprzęgło odpow iednim i ciężarkam i 13. Po każdorazow ym obciążeniu obserw ujem y przez okres około 30 -s- 60 sekund ruch plamki i po jej ustaleniu się odczytujem y na skali 18 w zględny kąt skręcenia q>„ odpow iadający zadanem u momentowi obciążenia M :. Sprzęgło obciążam y m onotonicznie w zrastającym m om entem do wartości m om entu nom inalnego M n lub m om entu m aksym alnego M max. N astępnie obciążamy sprzęgło, odczytując przy każdej wartości obciążenia odpowiedni kąt skręcenia. Po osiągnięciu zerowej w artości obciążenia pow tarzam y cały seans pom iarow y ja k wyżej przy przeciw nych w artościach zadaw anego m om entu obrotowego. D la uśrednienia otrzym anych w yników zaleca się przeprow adzić co najmniej trzy serie pom iarów. W yniki um ieszczam y w odpow iednich kartach pom iarow ych i w ykreślam y poszukiw aną charakterystykę statyczną M - f(cp) u M = fi(cp) z p ętlą histerezy (rys. 1), która um ożliw ia w yznaczenie w spółczynnika sztyw ności i w spółczynnika tłum ienia badanego sprzęgła.

5. R O D ZA JE BA D A N Y C H SPRZĘG IEŁ I ZAKRES POM IA RÓ W R EA LIZO W A N Y CH N A STA N O W ISK U DO BA D A Ń SPRZĘG IEŁ PODATNYCH

N a przedstaw ionym stanow isku m ożna badać cechy sprężysto-tłum iące następujących rodzajów sprzęgieł podatnych:

* sprzęgła je d n o w kładow e typu A SN , ASR,

* sprzęgła w ielow kładow e z w kładkam i gum ow ym i lub gum ow o-stalow ym i typu ASP,

* sprzęgła oponow e typu ASO,

* sprzęgła przeponow e typow e A SM , w ysokopodatne AUP i w ysokopodatne górnicze GAUM ,

* sprzęgła kabłąkow e AUK,

* inne z łącznikam i m etalow ym i lub elastomeram i.

B adane sprzęgła m ożna obciążać do w artości M max = 3000 Nm, a m aksym alny względny kąt skręcenia członów m oże osiągać w artość <pmax= 22°. N ajw iększa średnica zewnętrzna sprzęgła D max = 500 mm. Stanow isko um ożliw ia obserwację lub rejestrację procesu

M etody i stanow isko do wyznaczania. 31

odkształcania zarów no łączników , ja k i całego sprzęgła. O bserw acja jest szczególnie ważna przy osiąganiu nominalnej lub maksym alnej wartości momentu, obciążającego badane sprzęgła.

6. W N IOSKI

6.1. Pełna charakterystyka statyczna (z pętlą histerezy) obrazuje cechy sprężysto-tłumiące sprzęgła podatnego i m oże być w ykorzystyw ana do oceny jakości tych sam ych sprzęgieł, oferow anych przez różnych dostawców.

6.2. C harakterystykę statyczną sprzęgła podatnego można określać wyłącznie metodą dośw iadczalną, poniew aż m echanika stosowana nie dysponuje analityczną metodą w yznaczania tej charakterystyki.

6.3. W yznaczenie charakterystyk sprzęgieł m etodą dośw iadczalną w ym aga posiadania akredytow anych stanow isk badawczych, które powinny się znajdow ać w jednostkach badaw czych, niezależnych od producenta lub dostawcy.

LITER A TU R A

1. C hm uraw a M.: Charakterystyki sprzęgła podatnego typu ASP dla różnych rodzajów elastom erów w e w kładkach. Praca bad. (niepublikow ana), Instytut Transportu Pol. Śl„

K atow ice 1997.

2. C hm uraw a M.: Badania charakterystyk statycznych i dynam icznych oraz trwałości sprzęgieł podatnych nierozłącznych. Praca bad., Instytut Transportu Pol. Śl., Katowice 1996.

3. C hm uraw a M ., M arkusik S., Pypno Cz.: Badanie charakterystyk statycznych opon do sprzęgieł podatnych. Praca bad. o symb. NB-173/RM 10/98 (niepublikow ana), Instytut Transportu Pol. Śl., K atowice 1998.

4. C hm uraw a M ., B inkowski W.: Podstawy niezawodności i eksploatacji m aszyn roboczych.

Skrypt Politechniki Śląskiej nr 936, Gliwice 1980.

5. Darski A ., K ochanow ski M., K ulig J.: Podatność skrętna, w łasności tłum ienia i trwałość sprzęgieł z gum ow ym i w kładkam i tulęjow ym i. B iuletyn Inf. O BR DiU T "Detrans" nr 6.

Bytom 1976.

6. Kacperski T., K rukow ski A., M arkusik S., Ozim owski W.: Podstawy konstrukcji maszyn.

Tom 3, W N T, W arszaw a 1997.

7. K oprow ski T.: W łasności dynam iczne i trw ałość sprzęgieł podatnych stosow anych w napędach m aszyn ciężkich. Instytut Podstaw Konstrukcji M aszyn Pol. Śl. Rozprawa doktorska, G liw ice 1979.

8. K orew a W ., Z ygm unt K.: Podstaw y konstrukcji m aszyn. Część II, W NT, W arszawa 1969.

9. M arkusik S.: C harakterystyki sprzęgieł podatnych. Zeszyty N aukow e Pol. Śl., Seria:

Transport, z. 33, G liw ice 1998.

10. M arkusik S.: S przęgła m echaniczne. W NT, W arszawa 1979.

11. M arkusik S., Z ioła A.: B adania charakterystyk dynam icznych sprzęgieł podatnych przy pom ocy kom puterow o sym ulowanych w arunków pracy. Praca bad. o symb. BK-34/RM

10/94, Instytut T ransportu Pol. Śl., Katow ice 1994.

12. M aciakow ski R., K ochanow ski M., Darski A.: W yznaczanie charakterystyk sprzęgieł w kładkow ych podatnych skrętnie z typoszeregu ASp. Pol. G dańska, Instytut M echaniki i Podstaw K onstrukcji M aszyn , G dańsk 1972, 1973 i 1974.

13. M aciakow ski R., K ochanowski M.: Badania charakterystyk statycznych i dynam icznych sprzęgieł podatnych skrętnie typu ASp. Pol. Gdańska, Instytut M echaniki i Podstaw K onstrukcji M aszyn, G dańsk 1972 i 1973.

14. K aliński W ., N ow ak A., W ojnarow ski J.: W ibroizolacja m aszyn roboczych. W yd. Pol. Ś L G liw ice 1996.

15. O siński Z.: D obór charakterystyki sprzęgła podatnego. Przegląd M echaniczny nr 11/1970.

16. O siński Z.: Sprzęgła i ham ulce. WNT, W arszawa 1985.

Recenzent: Dr hab.inż. M arek Sitarz Prof.Politechniki Śląskiej

M etody i stanow isko do wyznaczania. 33

Abstract

Application o f flexible couplings dem ands from user the knowledge o f static charakteristics w chich describe spring-dum ping features o f that couplings. It was presented original stand and m ethodics o f research o f static charakteristics o f flexible couplings. At m easurem ent o f tw isting angle o f coupling's discs it was applied laser beam w hich makes the m easure easier and very precise.