W ojciech PILLIC H ’>
JAKA CHARAKTERYSTYKA SPRZĘGŁA MASZYNY ROBOCZEJ?
Streszczenie. O ddziaływ anie drgań w yw ołanych działaniem m echanizm ów maszyn roboczych m oże być zm niejszone przez dobór odpowiedniej charakterystyki sprzęgła.
D otychczas stosowane w m aszynach sprzęgła podatne m ają charakterystyki elementów sprężystych m ało odbiegające od stałej podatności, co w niewielkim stopniu umożliwia zm niejszenie drgań zespołów m echanizm u. W pracy przedstawiono m odelową charakterystykę sprzęgła m ogącą zapewnić izolację drgań przed ich rozprzestrzenieniem się na m echanizm i otoczenie.
WHAT CHARACTERISTIC OF MACHINE COUPLING?
Sum m ary. Influence o f the vibrations caused by the activity o f the m echanism s o f the m achines may be the selection o f the proper coupling characteristic. Flexible coupling used in m achines up to the present have the flexible elem ents characteristics being a little stick to constant flexibility, w ith enable to reduce the m echanism ’s vibration to a small degree. There is a model characteristic o f the coupling witch may secure the isolation o f vibrations from the m echanism and environm ent.
1. W STĘP
W eksploatacji m aszyn dużą wagę przykłada się do problem u zm niejszenia oddziaływań drganiow ych na otoczenie. W ykonuje się układy wibroizolacji między m aszyną a podłożem oraz chroni się m iejsca pracy operatorów. N ajw łaściw sze i najskuteczniejsze byłoby jednak elim inow anie drgań ja k najbliżej m iejsc ich pow stawania, czyli w m echanizm ach m aszyn.
'* K a te d ra M e c h a n ik i R o b o tó w i M asz y n P o litec h n ik i Ś lą sk ie j - G liw ic e O B R D ź w ig n ic i U rz ą d z e ń T ra n s p o rto w y c h “ D e tra n s” - B ytom
140 W. Pillich
W ażne i znane zadania spełniają sprzęgła w napędach m aszyn. W m aszynach roboczych zadania te s ą rozszerzone na zm niejszenie im pulsów obciążeń przekazyw anych z organu roboczego na silnik napędow y oraz z silnika na organ roboczy. Funkcja ta je st ważna, zw łaszcza gdy w układzie napędow ym brak innego podatnego elem entu, na przykład w postaci w ałka skrętnego lub linow ego układu cięgnowego. Szereg konstrukcji podatnych sprzęgieł przedstaw iono w literaturze [3]. W ielość typów sprzęgieł stosow anych w maszynach roboczych m oże być w yrazem braku sprzęgła zadow alająco spełniającego wym agania projektantów . Sprzęgła te m o g ą w pew nym stopniu zm niejszyć obciążenia szczytowe i drgania, jed n ak nie są to konstrukcje optym alne ze względu na zm niejszenie drgań. Poprawę w tym w zględzie m ożna uzyskać przez zastosow anie w konstrukcji sprzęgieł osiągnięć techniki w ibroizolacji.
D obór elem entów m echanizm ów odbyw a się stosownie do w ystępujących w nim najw iększych obciążeń. Zm niejszenie obciążeń - w iększe niż um ożliw iają dotychczasowe konstrukcje sprzęgieł - pozw ala na zm niejszenie masy m echanizm ów. Zm niejszenie drgań przyczynia się do zw iększenia trwałości elem entów m echanizm ów oraz popraw ia warunki pracy.
2. CH A R A K TER Y STY K I STO SOW ANYCH SPRZĘG IEŁ
W m echanizm ach m aszyn roboczych, do pow szechnie stosow anych - m ających w pływ na drgania - należą podatne sprzęgła z wkładkam i palcow ym i, z w kładką gw iaździstą, rzadziej sprzęgła przeponow e i oponow e o stosunkowo korzystnej charakterystyce, lecz trudne do zastosow ania, gdy je s t potrzeba pełnienia przez sprzęgło funkcji bębna ham ulcow ego, oraz sprzęgła kabłąkow e. M ożliw ości zm niejszenia szczytow ych obciążeń zależą od charakterystyk zastosow anych elem entów podatnych. Statyczne charakterystyki stosowanych sprzęgieł s ą zbliżone do um ieszczonych na rysunku 1. Przedstaw iono przykładowe, uw zględniające histerezę, charakterystyki elem entów sprzęgieł wkładkow ego i oponowych.
'.foment [kGmj
BO
60
4<0
20
— MUV. p
/ WE-2
A
^VE-3 \VE
L *7 / -0 W E -1 -/
\
I r s ' f / s /•
K<(t skręcenia [°]
R y s .l . C h a ra k te ry s ty k i g u m o w y c h e le m e n tó w sp rzęg ieł: M U W P - w k ła d k o w e g o p a lc o w e g o , W E - o p o n o w y c h [4]
F ig .l. C h a r a c te ris tic s o f ro b b e r e le m en ts o f co u p lin g s: M U W P - fle x ib le p in s , W E -to ru s fla n g e [4]
Postacie charakterystyk elemen
tów sprężystych stosowanych sprzęgieł są podobne, odbiegają mniej lub więcej od linii prostej.
Sztywność je st zbliżona do stałej lub początkowo m niejsza zwiększa się w miarę rosnącego obciążenia.
Różne je st tłum ienie elementów sprężystych.
Dla przedstawionych typów sprzęgieł w ystępuje sprzeczność w ich ewentualnej funkcji izolacji drganiowej dla zakresów drgań pod- i nadrezonansowych. Może ona tłum aczyć ich m ałą skuteczność w zmniejszaniu drgań m echanizm ów. M ianowicie, dla tłum ienia drgań o częstotliwościach m niejszych od rezonansow ych korzystny je st duży - bliski jedności - względny współczynnik tłumienia. Dla częstotliwości większych od rezonansow ych w zględny współczynnik tłum ienia powinien być jak najm niejszy (bliski zeru).
U zyskanie elem entu czy zespołu podatnego spełniającego takie w ym agania jest bardzo trudne. D la elastom erów stosowanych na wkładki sprzęgieł współczynnik tłum ienia nie zm ienia się lub rośnie ze zwiększeniem częstotliwości drgań, zależnie od malej lub dużej sztyw ności tw orzyw a [1],
Znane s ą układy w ibroizolacji spełniające przedstawione w ym agania, które stosowane są w pojazdach [1]. S ą to skom plikow ane konstrukcje pneumo- lub hydroelastom erow e z cieczą lepką. C harakterystyki statyczne są podobne do tych jak na rysunku 1, natom iast przykładow ą charakterystykę dynam iczną pokazano na rysunku 3. Spełnia ona w ym óg dotyczący zmiany w spółczynnika tłum ienia w zależności od częstotliwości. Jest to jeden z kierunków, w którym m ogą rozw inąć się badania konstrukcji sprzęgieł. Układy te - ja k dotąd - działają jednostronnie. Ich zastosow anie w sprzęgłach mechanizm ów obecnie trudno sobie wyobrazić.
142 W. Pillich
K ą t s tra t fcrd]
to
50 4 0
30
33 10 o
3 4 5 0 7 8
C zę sto tliw o ść [H z]
5 6 7 8
C zęsto tliw o ść [Hz]
S z ty w n o ść [N /m m ]
3 00 2 60 200
R y s.2 . S z ty w n o ś ć d y n a m ic z n a i k ą t stra t sp rę ż y n y p n e u m a ty c z n e j ty p u 8 8 1 M B [1]
F ig .2 . D y n a m ic s s tiffn e s s a n d th e b e re a v e m e n t an g le o f the p n e u m a tic s triv in g ty p e 881 M B [1 ]
U kłady takie są skuteczne w tłum ieniu drgań w yw ołanych pojedynczym i impulsam i obciążenia. N ieznacznie zm niejsza się pierw sza am plituda drgań, szybko następuje w ytłum ienie drgań, natom iast nie zm ienia się częstotliw ość drgań części m echanizm u, na któ rą przekazy w any je s t napęd za pośrednictw em sprzęgła.
3. PRO PO N O W A N A C H A R A K TER Y STY K A SPRZĘGŁA
Przebieg charakterystyki ja k na rysunku 1, dotyczący typow ych sprzęgieł, nie jest korzystny. Jego zaletą m oże być m ała sztyw ność w chw ili w łączania m echanizm u i przez to zm niejszanie obciążeń im pulsow ych. Jednak w miarę w zrostu obciążenia następuje usztyw nienie sprzęgła i drgania w ystępujące przy pełnym obciążeniu nie są dostatecznie tłum ione, przenosząc się na cały m echanizm i je g o otoczenie.
W łaściw e byłoby dostosow anie charakterystyki sprzęgła do poziom u obciążeń.
W m aszynach roboczych poziom ten je st zmienny i stanowi to trudność w takim dostosowaniu. Pozostaje uw zględnienie obciążeń największych z m ożliw ością dostrojenia charakterystyki sprzęgła. Potrzeba taka m oże dotyczyć części m aszyn roboczych, gdyż w niektórych z nich zm iany obciążeń są stosunkowo niewielkie, na przykład w części m echanizm ów jazdy dźw ignic, niektórych przenośnikach.
Dla m echanizm u przenoszącego obciążenia, schem atycznie przedstaw ione na rysunku 3a, proponuje się dobór sprzęgła o statycznej charakterystyce ja k na rysunku 3b. Charakterystykę cechuje zm ienność sztyw ności, duża sztywność na początku i końcu zakresu użytkowego, bardzo m ała (m ożliw a zerowa) w zakresie nom inalnych obciążeń roboczych. D la obciążeń
m niejszych działanie odbyw a się przy sztyw niejszym sprzęgle. Przeciążenie powoduje usztyw nienie sprzęgła. Z m iana sztywności następuje ja k na rysunku 3c.
O b ciążen ie Obciążenie
Sztyw ność
\ /
\ /
,
\ \ ///
\ y
P rz e m ie s z c z e n ie
a) b)
R y s.3 . P o sta ć s ta ty c z n e j c h a r a k te r y sty k i sp rz ęg ła , o b c ią ż e n ie i s z ty w n o ś ć sp rz ęg ła : a) o b c ią ż e n ie , b ) c h a ra k te r y s ty k a sp rz ęg ła , c ) s z ty w n o ś ć sp rz ęg ła
F ig .3 . P ro p o se d sta tic c h a ra c te ris tic o f th e co u p lin g , load, a n d stiffn e ss o f th e co u p lin g : a ) lo ad , b ) c h a ra c te ris tic o f th e c o u p l i n g ,)/ stiffn e ss o f th e co u p lin g
c)
S kutkiem działania takiego układu, oprócz zmniejszenia am plitudy drgań, je st także zm niejszenie częstotliw ości drgań, czyli „rozstrojenie” układu. D rgania o częstotliwości w ym uszeń nie są przenoszone na połączoną sprzęgłem część mechanizmu. Jest to działanie szczególnie korzystne, gdyż oprócz zm niejszenia największych obciążeń zm niejsza się ich liczba. M ożliw ość ta je st atrakcyjna, jeżeli zostanie uzyskana prostym i środkami technicznym i. S ą dw a sposoby realizacji tego zadania: m etodą „pasyw ną” lub „aktyw ną” . Ta druga w ym aga dostarczenia energii (np. pompą) do układu w ykonaw czego i sterującego, więc w konstrukcji sprzęgieł je st m ało przydatna. Jest ona stosowana w eliminacji drgań pojazdów oraz siedzisk kierowców.
Z aprojektow anie i w ykonanie zespołu elastycznego, działającego zgodnie z metodą
„pasyw ną”, je s t prostsze. M ożna zastosować zespoły o specjalnej konstrukcji, tzw. układ o
ąuasi-zerow ej sztyw ności [5]. Przedstawicielem może być układ o modelu jak na rysunku 4.
Pew nym utrudnieniem w działaniu tych układów są opory tarcia w przegubach będące przyczyną w ystępow ania histerezy układu [2, 5]. Ponadto układy takie są wrażliwe na właściwy stosunek sztyw ności sprężyny głównej (o sztywności K,) i kom pensacyjnych (o sztyw ności K 2) [6]. N iew łaściw ie dobrane sztywności m ogą spowodować zwiększenie am plitud drgań, lecz ich częstotliwość pozostanie zmniejszona. M niejsze wtedy będą
144 W. Pillich
przyspieszenia części układu napędow ego, co m a podstaw owe znaczenie dla jego oddziaływ ania na otoczenie.
Skuteczność układu quasi-zerowej sztywności, m ożna ocenić na przykładzie wyników sym ulacji drgań suw nicy (rys. 5), w której do wibroizolacji kabiny zastosow ano quasi- zerowej sztyw ności układ o konstrukcji w edług patentu [7], z w ibroizolatoram i o m odelu jak na rysunku 4. N a rysunku 5 w iększe am plitudy drgań dotyczą dźw igara suw nicy, mniejsze izolowanej kabiny, podwieszonej w środku rozpiętości dźwigara. Swobodne drgania zostały w zbudzone im pulsow o.
P rz e m ie s z c z e n ie |m . |
-K
i
R y s.4 . M o d el w ib ro iz o la to ra q u a si-z e ro w e j s z ty w n o ś c i
F ig .4 . M o d e l o f q u a s iz e ro stiffn e ss v ib ro iso la tio n
C z a s [s]
R y s.5 . P rze b ie g d rg a ń d ź w ig a ra s u w n ic y o ra z iz o lo w a n ej k a b in y [5]
F ig .5 . V ib ra tio n th e b rid g e o f c ra n e and v ib ro iso la te d cab in [5]
4. WNIOSKI
W budow ie elastycznych sprzęgieł dla m aszyn roboczych proponuje się opracowanie nowej konstrukcji sprzęgieł m ających elementy podatne działające na zasadzie wibroizolacji qusi-zerowej sztyw ności.
Przez zastosow anie takich zespołów byłoby m ożliwe pełnienie przez sprzęgła dodatkowej funkcji - izolatora drgań w m echanizm ie, umieszczonego blisko źródła drgań. Zm niejszyłoby to drgania m echanizm u, napędzanej m aszyny i jej otoczenia.
D la realizacji przedstaw ionego zadania niezbędne je st podjęcie prac badawczych i projektow ych w zakresie m inim alizacji postaci geom etrycznej, doboru m ateriałów i wyboru typu zespołu podatnego.
LITERATU RA
1. Izolacja drgań w m aszynach i pojazdach. Red. J. Grajnert. N avigator 8. Oficyna W ydaw nicza Politechniki Wrocławskiej. W rocław 1997.
2. Kaliński W., N ow ak A., Pillich W., W ojnarowski J.: W pływ tarcia na charakterystykę w ibroizolatora kwazizerowej sztywności. Górnictwo O dkrywkowe nr 2, 1994, s. 79-83.
3. M arkusik S.: Sprzęgła mechaniczne. WNT, W arszawa 1979.
4. Rasczoty kranow ych m echanizm ów i ich dietalej. Izd. M aszinostrojenije, M oskw a 1971.
5. W ojnarowski J., Kaliński W., Nowak A., Pillich W.: Opracowanie układów wibroizolacji kabin operatorów m aszyn roboczych ciężkich. Prace Naukow e Centralnego Programu Badań Podstaw ow ych 02.05. Wyd. Politechniki W arszawskiej, W arszawa 1990, s. 111.
6. W ojnarowski J., Kaliński W., Now ak A., Pillich W.: Dobór optym alnych parametrów układu wibroizolacji kwazizerowej sztywności. VI Sympozjum “ W pływ wibracji na otoczenie” . Referaty. Kraków - Janowice, wrzesień 1992. W ydaw nictwa Politechniki Krakow skiej, Kraków 1992, s .183-188.
7. W ojnarowski J., Pillich W., Kaliński W., Now ak A.: U kład wibroizolacji kabin sterowniczych. Patent nr 160674. Urząd Patentowy RP. Warszawa 1993.
Recenzent: Dr hab.inż. Sylwester Markusik Prof.Politechniki Śląskiej
Abstract
Stiffness o f the couplings that are used now is approxim ated constant or initially smaller, increase together w ith increasing load. For these couplings discrepancy occurs in their possible function o f vibroisolation for underresonant and superresonant range o f vibrations.
W ith means that for absorption vibrations o f frequency lower than resonance, high relative coefficient o f absorption is better. For frequency higher than resonance relative coefficient o f absorption should be as low as possible. For elastomers used as a coupling pins, coefficient o f absorption doesn’t change or increases together w ith increasing vibration frequency.
146 W. Pillich
For coupling, the static characteristic is proposed, w hich has variable stiffness. High stiffness at the beginning and the end o f working range. Very low stiffness in the range o f nom inal w orking loads. The result o f this coupling’s activity, apart from reducing am plitudes, is also reducing o f vibration frequency w hich m eans detuning o f the system. Frequency o f the extorted vibrations are not transm itted to a part o f the m echanism connected by the coupling.
T his activity is especially advantageous because apart o f reducing the highest loads, also the num ber o f them is reduced. U sing the elastic com plexes o f proposed characteristics would enable the coupling to have another function - the isolator o f vibration in the mechanism.
