Seria: T R A N SPO R T z. 34 Nr kol. 1396
Sylwester M A RK U SIK
CHARAKTERYSTYKI SPRZĘGIEŁ PODATNYCH
Streszczenie. Prawidłowo dobrane sprzęgło do napędu maszyny roboczej powinno tłumić drgania skrętne, generowane w maszynie. Aby jednak uzyskać ten efekt, należy znać charakterystykę statyczną oraz dynam iczną sprzęgła. W artykule omówiono podstawowe zasady w yznaczania tych charakterystyk oraz przedstawiono przykładow e charakterystyki statyczne dla sprzęgieł oponowych.
CHARACTERISTICS OF FLEXIBLE COUPLINGS
S u m m a ry . R ight choosed coupling to drive o f work m achine should to dump torsion vibrations, created in the machine. I f to got these effect we shall know static and dynamic characteristic o f the coupling. In the article has discussed base rules for elaboration these characteristisc and showed examples o f the static and dynamic characteristic for tire couplings.
1. WSTĘP
Sprzęgła m echaniczne w ystępujące w m aszynach transportowych służą do połączenia dw óch obrotowo niezależnych elem entów (najczęściej dwóch wałów): czynnego (napędzającego) i biernego (napędzanego) w celu przeniesienia m om entu obrotowego.
Połączenie takie pow inno reagować na niewielkie błędy montażowe (np. obsunięcia fundam entów) i robocze ugięcia podstaw, dotyczące przesunięcia osi łączonych wałów w dowolnej płaszczyźnie.
Przenoszony m om ent obrotowy przez sprzęgło podczas normalnej eksploatacji jest stały lub zm ienny, tzn. że sprzęgło może być rów nież narażone na zm ienne obciążenia, co w ynika z nierównom iernej pracy m aszyny, spowodowanej zm iennym i obciążeniami pochodzącymi najczęściej od strony maszyny roboczej. Zm ienność tych obciążeń pochodzi od nierów nom iernego m om entu przenoszonego przez organ roboczy maszyny (np. uderzenie brył
przez zastosow anie odpow iednich am ortyzatorów , tłum ików lub stosowanie sprzęgieł o odpow iedniej podatności.
N ajczęstszym i elem entam i stosow anym i dla złagodzenia zm iennego momentu obrotow ego w układach napędow ych są sprzęgła podatne, które dzięki odpow iednim w łasnościom sprężystym i tłum iącym elem entu podatnego przyczyniają się do obniżenia lub w yelim inow ania nierów nom ierności przenoszonego przez nie m om entu obrotowego.
Sprzęgła podatne, aby praw idłow o spełniały sw oją funkcję, m uszą być poprawnie dobrane, tzn. konieczna je st znajom ość charakteru pracy m aszyny roboczej oraz własności sprężystych i tłum iących elem entów podatnych w ystępujących w tych sprzęgłach.
Podstaw ow e w łasności i cechy sprężyste oraz tłum iące sprzęgieł podatnych są znane z literatury technicznej, natom iast nie są znane liczbowe param etry sprężyste i tłumiące konkretnych sprzęgieł podatnych oferow anych przez różnych producentów. Dlatego też dla tego typu sprzęgieł należy przeprow adzać badania stanow iskow e celem w yznaczenia ich charakterystyk sprężystych w w arunkach statycznych i dynam icznych.
2. C H A R A K TER Y STY K I STA TY CZN E SPRZĘG IEŁ PODATNYCH
C harakterystyka statyczna sprzęgła podatnego je st funkcją zm iany kąta względnego skręcenia członów sprzęgła (p, w zależności od wielkości przenoszonego momentu obrotow ego M = f (cp). Sprzęgła podatne m ają charakterystykę statyczną M = f (tp) nieliniow ą (ry s.l), k tórą m ożna aproksym ow ać do funkcji typu:
M s = cc0 <ps p 0 cps3 (1)
gdzie:
Ms - stała w artość m om entu obrotow ego,
(p5 - kąt skręcenia członów sprzęgła przy obciążeniu,
a o> Po' w spółczynniki, zależne od liczby, postaci i rozm ieszczenia wkładek w sprzęgle.
R y s.l. Charakterystyki statyczne sprzęgieł w zależności od twardości łącznika Fig. 1. Static characteristics o f couplings dependimgs o f the connector hardness
W spółczynniki a 0, p0 są różne dla obciążeń dynam icznych oraz statycznych. Uzyskuje się przez to dla sprzęgieł podatnych charakterystykę statyczną i dynam iczną (rys.2). Za charakterystykę statyczną uw aża się pomiar, przy którym obciążenie sprzęgła narasta bardzo w olno [1]. Sposób odczytu kąta w zględnego skręcenia m a charakter umowny. Umowność ta dotyczy głów nie czasów odczytu kąta <p. Dla elem entów podatnych wykonanych z gumy (polim erów ) w łaściw ości sprężyste sprzęgieł zależą od am plitudy, prędkości odkształcenia i tem peratury. O dczyt pom iaru odbyw ać się powinien z częstotliw ością 30 s/20 Nm, a badania pow inny się odbyw ać w tem peraturze otoczenia 20 -r 25°C. Do w yznaczenia charakterystyki statycznej sprzęgła podatnego skonstruow ano specjalne stanowisko, które um ożliw ia zadanie m om entu skręcającego M s m ogącego spowodować w zględne skręcenie członów sprzęgła o kąt (p oraz prosty sposób odczytu zadanego m om entu [2].
m om entu M a obciążającego sprzęgło i am plitudą w zajem nego kątowego przem ieszczenia (skręcania) członów (pa przy danym średnim m om encie obciążającym Mz = const, gdy m om ent i w zajem ne przem ieszczenia członów zm ieniają się z du żą częstotliwością.
C harakterystyki te w yznacza się dla częstotliwości zm ian w zakresie f = 10 -s- 200 Hz.
C harakterystyka dynam iczna je st funkcją zm ian m om entu obrotow ego, którą można opisać za pom ocą następujących wielkości (rys.2):
- składow ej stałej m om entu M z * 0,
- składow ej zm iennej m om entu (am plitudy) M a > 0, - w spółczynnika zm ienności m om entu
M mjn M 2 - M a
r = -= (2)
M „ „ M 2 + M a - częstotliw ości zm ian m om entu obrotow ego
1 m
f = = ... (3)
t
2 n
gdzie:
T - okres drgań m om entu obciążającego M , [s],
<o - częstość kołow a drgań [s
O gólną postać charakterystyki dynam icznej sprzęgła przedstawia funkcja:
M = / (M j, M a, cp, f ) (4)
gdzie:
M , - składow a stałego m om entu [Nm], M a - składow a zm iennego m om entu [Nm], cpa - am plituda kąta skręcenia [°],
cp2 - kąt skręcenia statyczny [°],
W e w zorze (4) 9 = cp2 ± cpa - zm ienny w każdym cyklu zm ian m om entu kąt skręcenia członów sprzęgła (rys.2 ).
J przebiegwzględnegoskręceniaczToniw
stanow isku um ożliw iającym :
- zadanie składow ej stałej m om entu M 2,
- generow anie składow ej zm iennej (am plitudy) M a > 0, - pom iar m om entu obrotow ego w funkcji czasu M a = f (t),
- pom iar w zględnego kąta skręcenia członów sprzęgła w funkcji czasu <p = cp (t), przebiegają
cy rów nocześnie z pom iarem m om entu obrotowego.
W pierwszej kolejności w yznacza się charakterystykę statyczną przykładając do badanego sprzęgła kolejne bardzo wolno narastające wartości m om entu M 2, mierząc odpow iednie dla nich wartości kąta skręcenia <p2. O trzym ane wartości przy w spółrzędnych punktów 0 2 tworzą charakterystykę statyczną (linia przeryw ana na rys.2).
K ażdą z poprzednio ustalonych wartości m om entu M 2 m ożna w ykorzystać jako średnią w artość zm iennego m om entu obrotow ego i za pom ocą generatora m om entu dodać do niej am plitudę M a = const. O trzym ując w w yniku superpozycji zm ienny w czasie m oment M = f(t).
4. T Ł U M IE N IE SPR Z Ę G IEŁ PODA TNYCH
Poza sztyw nością lub sprężystością sprzęgło podatne z łącznikiem w ykonanym z gumy cechuje pochłanianie energii. O dkształceniu łącznika podatnego w sprzęgle tow arzyszą straty energii, które są w ynikiem tarcia w ew nętrznego elem entu podatnego.
Przy obciążeniu i odciążeniu sprzęgła w przeciw nych kierunkach, przy dużych częstotliw ościach zm ian obciążeń otrzym ujem y charakterystykę dynam iczną w postaci krzywej zam kniętej tzw. p ętlą histerezy (rys.3a).
a) b)
Rys.3. Histereza w sprzęgle podatnym Fig.3. Dumping in the flexible coupling
Pole zakreślone p ętlą histerezy Ar przedstawia energię m echaniczną zam ienioną na ciepło podczas jednego cyklu obciążenia. Wartość tłum ienia energii mechanicznej w sprzęgle podatnym określa w spółczynnik tłum ienia lP:
A r
5P = --- (5)
A s gdzie:
Ar - praca tłum ienia podczas jednego cyklu pracy, A, - praca odkształcenia sprężystego na jeden cykl pracy.
Pętla pow staje także, jeżeli obciążenie rośnie i maleje okresowo wokoło pewnej wartości średniej M ir (rys.3b).
Sposób w yznaczania w spółczynnika tłum ienia dla sprzęgła 007 ASO, produkcji PPU „PO L-B O Y S” Katowice, przedstawiono na rys.4.
Rys.4. Sposób w yznaczania w spółczynnika tłumienia 'F Fig.4. The way to elaboration dumping factor 'F
A r 1196 1196
vp = --- = ---= --- = 0, 53 A sl + A ^ 248 + 2009 2257
5. W NIOSKI
W artykule przedstaw iono jedynie wąski w ycinek badań nad wyznaczaniem charakterystyk sprzęgieł, jakie prow adzą Instytut Transportu Politechniki Śląskiej wspólnie z PPU „PO L-B O Y S” Katowice.
N a podstaw ie analizy m ateriału zaw artego w niniejszym artykule m ożna wysunąć następujące wnioski:
• Przy w yznaczaniu charakterystyki statycznej sprzęgieł podatnych należy brać pod uwagę fakt, że sprzęgło przenosi m om ent skręcający w obu kierunkach. C harakterystyka statyczna sprzęgła oponow ego m a inny kształt w układzie M s = f (<ps) po stronie momentu dodatniego oraz m om entu ujem nego.
• Zm ienny kształt charakterystyki po stronie momentu dodatniego i ujem nego może być związany z konstrukcją opony. Zmiany te m ogą być spowodowane dużymi przem ieszczeniam i cząstek i tarciem wew nętrznym w oponie. Tarcie i przemieszczenia wew nętrzne spow odowane są dużą podatnością skrętną sprzęgła oponowego typu 007 ASO, która przy M, = 3000 N m wynosi <p5 = 5°.
• W yniki badań statycznych pozwoliły ustalić kształt charakterystyki statycznej sprzęgła, która w yraźnie je st nieliniowa, dającą w spółczynnik tłum ienia 4* = 0,53, niezależny od wielkości m om entu obrotowego przenoszonego przez sprzęgło oponowe.
LITERATU RA
1. Praca zbiorowa. Podstawy konstrukcji m aszyn, t.III: WNT, W arszawa 1995; (1998 - w druku).
2. Chm uraw a M.: Stanow isko do badań charakterystyk statycznych sprzęgieł podatnych.
Z eszyty N aukow e Politechniki Śląskiej, seria: Transport, z.34, Gliwice 1998.
Recenzent: Dr hab.inż. Marek Sitarz Prof.Politechniki Śląskiej
A b stra c t
M echanical couplings that are using in the transportation machines connecting two rotation independing details ( m ost often tw o shafts):active and passive for trancient torque.That kind o f connection doesn’t reaction for small assamble mistakes ( e.g. dowering of groundwork) and w orks ( fundament bending), that are consider shifts o f connection shafts in optional level. Trancient torque in the coupling during regular exploitation is constant or change; the coupling can be endanger for change loads, that is result from unconstant work o f machine. That doing unprofit effects like vibration o f working units o f m achine.M ost often details that we using in drives o f machines for reduce that unprofit effectcs are couplings with
dynam ic characteristic o f coupling that we used in the drive.
