Предохранительное устройство и способ монтажа предохранительного устройства

(5 ЗОБРЕТ ОПИСА АВТОРСКО ЛЕТЕЛ ЬСТ ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕДОМСТВО СССРОСПАТЕНТ СССР)(71) Всесоюзный научно-исследовательский и йроектно-конструкторский институт металлургического машиностроения им,А.И,Целикова (72). В,А.Булкин, С.Д,Гарцман, А,А.Жуков и :,А,А.Филатов(54) ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ МОНТАЖА ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА(57) Использование: в муфтах предельного момента и других предохранительных устройствах для защиты от перегрузок машин и механизмов, работающих в условиях не- стационарного нагружения. Сущность изобретения. предохранительное устройство содержит срезной палец 1 и расположенные на его концах ограничители перемещения относительно соединяемых деталей. Набор контактирующих своими торцами втулок 6 установлен на срезном пальце, По крайней мере один из фиксаторов втулок 11 и 12 расположен с .возможностью регулировочного перемещения вдоль оси срезного пальца, Соотношение жесткостей срезного пальца, втулок и фиксаторов устанавливается в зависимости от свойств материала пальца. При монтажепредохранительного элемента срезной палец растягивают, а втулки сжимают расчетными осевыми усилиями и фиксируютнабор втулок относительно пальца. Это позволяет уменьшить переменную составляющую напряжений в срезных пальцах при эксплуатации и повысить точность ограничения нагрузок предохранительным элементом. 2 с. и 3 з,п,ф-лы, 7 ил,1803629 Составитель А.Ж ков Уактор Техред М.Моргентал Корректор С,Пекарь и ГКНТ СССР ФУПроизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 каз 1043 ВНИИПИ Госуд Тираж Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям113035, Москва, Ж, Раущская наб., 4/5Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для защиты от перегрузок машин и механизмов,работающих в условиях нестационарногонагружения,5Цель изобретения - повышение точности срабатывания путем увеличения долговечности срезного пальца при номинальныхнагрузках за счет ограничения амплитудциклических напряжений среза. 10На фиг, 1 - 3 представлены варианты выполнения предохранительного устройства;на фиг, 4-6 - схемы нагружения срезногопальца и набора втулок внешними осевымиусилиями; на фиг. 7 - зависимость амплитуды напряжений среза от величины напряжения предварительного растяжениясрезного пальца,Предохранительное устройство (фиг,1)содержит срезной палец 1, предназначенный для установки в отверстия соединяемыхдеталей, и расположенные на его концахограничители перемещения 2 и 3 относительно соединяемых деталей 4 и 5, например фланцев полумуфт. Ограничители 25перемещения предохранительного устройства представляют собой гайки, имеющиевозможность смещения по резьбе на срезном пальце 1. На. срезном пальце расположен набор 6 из двух втулок 7 и 8, 30соприкасающихся своими обращеннымидруг к другу торцами 9 и 10. По обе сторонынабора втулок 6 находятся фиксаторы 11 и12 для создания натяга между втулками восевом направлении. Фиксатор 11 выполнен в виде нерегулируемого упора, а фиксатор 12 является регулируемым и можетперемещаться в направлении оси срезногопальца. Этот фиксатор состоит из шайбы 13и самотормозящегося клина 14, установлен- .40ного в прорези 15, имеющейся на срезномпальце 1. Регулирование положения шайбы13 относительно пальца 1 достигается перемещением клина в направлении, показанном стрелкой на фиг, 1, Предохранительное 45устройство смонтировано в двух соосныхотверстиях 16 и 17 соединяемых деталей,Отверстия 16 и 17 могут быть выполнены вспециальных втулках из материала повышенной твердости, которыми снабжены детали 4 и 5 для защиты от.смятия и износа.Разрушающееся сечение 18 пальца 1 находится в одной плоскости с контактирующими торцами 9 и 10 втулок 7 и 8.Срезной палец 1 предохранительного 55устройства. показанного на фиг. 2, имеетдва разрушающихся сечения 18 с ослабляющими проточками, Соответственно наборвтулок 6 состоит из трех втулок, охватывающих срезной палец 1. Оба фиксатора втулок 11 и 12 выполнены регулируемыми и могут перемещаться по резьбе, имеющейся на концах срезного пальца 1. Одна из двух соединяемых деталей 4 и 5 представляет собой серьгу 19, а другая - вилку 20. Предохранительное устройство установлено в отверстиях 21-23, первое из которых выполнено в серьге 19, а два других - в вилке 20, Перемещению предохранительного устройства относительно соединяемыхдеталей препятствуют ограничители 2 и 3,Предохранительное устройство, изображенное на фиг, 3, имеет срезной палец 1 с ослабляющей проточкой в разрушающемся сечении 18, ограничители перемещения 2 и 3 относительно соединяемых деталей 4 и 5, набор 6 из двух втулок, нерегулируемый фиксатор набора втулок 11 в виде упора и фиксатор 12 в виде гайки с возможностью регулировочного перемещения вдоль оси срезного пальца.Способ монтажа предохранительного устройства (фиг,1,2 или 3) осуществляется следующим образом.На срезном пальце 1 размещают набор втулок 6 таким образом, что их обращенные друг к другу торцы контактируют между собой. Затем палец растягивают внешним осевым усилием Р(Н), так как показано на схеме фиг.4, Растяжение осуществляют, например, с помощью гидроцилиндра, контролируя величину усилия по давлению, Удлинение пальца на участке между фиксаторами 11 и 12 составит при этомдп = Е/Сп, м;где Сл - жесткость участка срезного пальца, расположенного между фиксаторами набора втулок, Н/м.Поскольку втулки на фиг, 4 не нагружены, их деформация равна нулю и перемещение сечения пальца, соответствующего месту установки регулируемого фиксатора 12, относительно ближайшего к нему торца втулки равноа напряжение растяжения срезного пальцао= Е/А, Пагде А - наименьшая площадь. поперечного сечения пальца,мДалее при растянутом пальце 1 набор втулок 6 фиксируют относительно пальца путем перемещения регулируемого фиксатора 12 до соприкосновения с торцом втулки, например, путем вдвигания клина 14 в прорезь 15 на пальце (фиг.1), После фиксации внешнее усилие Е снимают и вследствие наличия податливости втулок и фиксаторов сила растяжения пальца снижается до величины Е(Н), а перемещение д уменьшается до величины д и становится равнымд = Е/Сп, мОдновременно справедливо выражениеlд = д - Е (1/Срф + 1/Сф + 1/Св)где Срф - жесткость регулируемого фиксатора, Н/м;Сф - жесткость второго фиксатора, Н/м; Св - жесткость набора втулок, Н/м.В том случае, если оба фиксатора выполнены регулируемыми, то в качестве Срф принимают жесткость любого из них, например большую по величине.Принимая во внимание три-последних формулы, имеемЕ= Х Е=Х" оАгде Х = (1+Спрф+Сп/Сф+Сп/Св)(2)Возможна другая последовательность монтажа, когда одновременно с растяжением срезного пальца внешним усилием Е втулки сжимают осевым усилием, в общем случае отличным по величине, например 0(Н) (фиг.5), Практически удобно принять О=Е, как показано на схеме фиг,б. При таком "приложении внешних усилий перемещение сечения пальца, соответствующего месту установки регулируемого фиксатора 12, относительно ближайшего к нему торца втулки составитд= Е/Спвагде Спв =(1/Сф+1/Сп+1/Св), Н/м. (3)После фикоации втулок относительно пальца и снятия внешних усилий, аналогично тому, как было сделано выше, можно записатьд = Е/Спв, а такжед= д- Е"/С,фСоответственно коэффициент пропорциональности в зависимости (1) для рассматриваемого случая будет.Рт = 1( ХП. А К, Н где Е - коэффициент трения между втулка ми;й - число разрушающихся сеченийсрезного пальца, равное уменьшенному на единицу числу втулок в наборе 6(для предохранительных устройств на фиг. 1 и 3 И=1, 30 на фиг, 2 - И=2). Если же на предохранительное устройство действуют рабочие усилия Р, большее чем Р, в разрушающихся сечениях пальца возникают напряжения среза 35 т= (Р-Рт)4 И), Па. Одному циклу работы машины соответствует изменвние напряжения от нуля до максимального значения и затем от макси мального значения до нуля. Амплитуда касательных. напряжений среза при этом равна а =(Р-Рт)/(2 А й), Па(6) 45 .В случае, если амплитуда та превышает предел выносливости на срез для пальца .т 1 величина которого учитывает концентрацию напряжения, происходит накопление усталости, Значение нагрузки, 50 Отвечающей началу накопления усталост-ных повреждений, составляет Р.10=2 т, А и+ Р Н. (7)Срабатывание предохранительного элемента происходит при усилииРпр =Г 1 о А й + Рт, Н, (8) где г 1 р - предельное йапряжение среза для пальца, зависящее от напряжения растяжения. Па Величина .Х,полученная из последнеговыражения, всегда больше, чем величина, 5 задаваемая выражением (2). То есть, приодновременном с растяжением пальца сжатии набора втулок, после снятия внешних усилйй Е велйчина Е усилия поджатия втулок в наборе друг к другу будет больше, В 10 результате осуществления монтажа согласно фиг.б за счет трения между втулками может быть передана большая часть рабочей .нагрузки, что делает этот вариант более предйочтительным. Поэтому в дальнейшем 15 будем использовать только зависимость (4)для коэффициента Х.За счет сил трения в контакте втулок,сжатых внутренним усилием Е, предохранительное устройство способно передавать 20 усилиеВ частном случае использования предложенного предохранительного устройства в муфте предельного момента все приведенные расчетные соотношения остаются в, силе с учетом связи между расчетными зна чениями усилия Р и расчетными значениями моментов М в виде Р =М/В, (9)10где В - расстояние от оси муфты до осипредохранительного элемента,м.Для предохранительного устройства сненапряженным срезным пальцем Рт=О ипри И=1 в соответствии с (7),(8) 15(10) Р.1 о=2 т., 4 Р Р = ть А,1 Ь Рпр = (1+3 Р ) Р,где Р - средняя величина, наибольшей за цикл работы машины нагрузки.45Например, в процессах прокатного производства, характеризующихся достаточно высоким рассеянием технологических нагрузок, значение коэффициента вариации не превышает и=0,15, Принимая эту вели чину в качестве расчетной получим Р = =РРгр, где Я 1+ЗР) 0,69. С учетом этого и выражения (5) зависимость (6) прес 1 бразуется к виду55а=(фРпр 1 ОА М)l(2 А М) . (11) ф Учтем также, что согласно известнымэкспериментальным исследованиям, при где ть - предельное напряжение среза пальца при отсутствии растяжения последнего, 20Па,Муфта, в которой применяется такое устройство, согласно известным экспериментальным данным, имеет соотношениемомента начала накопления усталостных 25повреждений Мо и момента срабаты ванияМр, равное Мо/Мпр = 0,5. Отсюда, используя (9), (10), получим, чтот 1 о -- а ть причема= 0,25.Усилие срабатывания Рр выбирается. таким образом, чтобы оно, с одной стороны,обеспечивало наибольшую чувствительность и было возможно меньшим по величине," а, с дрУгой стороны, превышалонаибольшее значение номинальной нагрузки. Тогда, полагая, что распределение рабочих нагрузок в рамках каждого из типовыхрежимов работы машины подчинено. нормальному закону с коэффициентом вариации Р можно запИсать40 растягивающих напряжениях, близких к и редел у текучести о, (Па), ть =7 . ть гдето= 0,8 Тогда формулу (11) можно записать следующим образом, заменяя Рпр его представлением (8),(12)Графики выражения (12), отнесенного квеличине т - 1 о при различных значенияхкоэффициента у представлены на фиг, 7,Устройству с ненапряженным пальцем соот- .ветствует начальная точка 24 графиков, длякоторой (д/о) =О. Предложенное устройство характеризуется прямыми 25 и 26,первая из которых отвечает меньшему значению параметра у =у 1 а вторая большему 7 =р К 1 Из чертежа видно, что независимое соотношения жесткостей отдельныхдеталей и частей предохранительного элемента и независимо от величины усилияпредварительного растяжения срезногопальца перед его фиксацией относительновтулок предложенное, изобретение позволяет уменьшить амплитуду напряжений среза и увеличить долговечность срезногопальца, а, следовательно, повысить точность срабатывания предохранительногоустройства.Одна из возможностей более эффективного использования изобретения состоит врастяжении срезного пальца наибольшимвозможным из условия прочности усилием,соответствующим напряжению предела текучести (ст/о 1 ) = 1Как следует из чертежа фиг,7, при таком монтажепредохранительного устройства достигается максимальное снижение ампЛитудыта переменной составляющей касательныхнапряжений. Для некоторых предохранительных элементов т, может даже оказаться меньше расчетного значения пределавыносливости, что создает запас усталостной прочности срезного пальца и гарантирует отсутствие условий для развитияусталостных трещин, .Другая возмокность заключается в задании определенного соотношения жесткостей частей предохранительногоустройства,Потребуем при о=о выполнения следующего неравенствата гочто с учетом (12) и связи между т - 1 о иприводит к выражению1803629 10 Жесткость Срф регулируемого фиксэто.ра 12 зависит от жесткости резьбы Срф 1(Н/м) и сдвиговой жесткости гайки-фиксатора Срф 2:5 где Оср - средний диаметр резьбы, равный 10 в рассматриваемом случаеОср = 9,03 мм =209,03 10Срф 1 Срф 2 = 0 1 :8,00 10 Н/м,2 10 " 0,006. 9 30Общая жесткость регулируемого фикса- тора С = --(01-02 ) Е,К, 2 2 1 ь 4 с учетом заданных геометрических размеров35 Г 8 018= 8,00410 н/м. Д 3 - 2 а ть 1Х -- ) % Принимая во внимание представление(4) для у получим Спв/Срф5,83(0/ ть - 1,0 (13) Предохранительные устройства, конструкция которых удовлетворяет условию (13), позволяют при правильном монтаже полностью исключить накопление усталостных повреждений. Геометрически на фиг. 7 последнему неравенству соответствует область, которая лежит ниже прямой 25,П р и м е р 1. Предохранительное устройство, показанное на фиг. 3, имеет следующие размеры: 01 = 20 мм; 02 = 14 мм; Оз = =8 мм; 04=10 мм; Оп=13 мм; Ь.=1 мм; Нрф= Нф =. 6 мм; Ь = 50 мм; 1 в = 55 мм; шаг резьбы Р = 1,5 мм. Втулки, палец и фиксаторы выполнены из стали с модулем упругости Е = 2 10 Па. Коэффициент трения междуНвтулками 1 = 0,25. Проведенные испытания срезных пальцев дали следующие значения механических характеристик материала: п = 360 МПа; ть = 460 МПа.Суммарная жесткость на сжатие набора втулок равна: Св . 0055 4 (0,020-0,014 ) =5,83 х1,х 10 Н/м,Жесткость участка срезного пальца,расположенного между фиксаторами набора втулок, равна С = --(02 - оз) Е Л, 2 2 1 п 4 1011или Сп= 0054х 0,0142 - 0 008 ) = 4 15 10 Н /м Жесткость нерегулируемого фиксатора11 определим по зависимости Е Нф 2 10 0,006СфС 841= - 8 - (1,449,28 Р/О 4)0,49 Подстановка значения в последние две=2,19 10 Н/м ср 91 СфСрф 1 + Срф 22,19 10 8,00 10 1,72 109 Н/м 2,19 10 + 8,00 10 Согласно (3)Слв=(1/(8,00910 )+ 1/(4,15 10 )+ 1/(5.834 в 10= 2,35 10 Н/м,а отношение жесткостей Спв/Срф равно Спв/Срф = 2,35 10 /(1,72 ф 10 ) = 0,14,При необходимости это значение пол= ученное расчетным путем, проверяют экспериментально. Для этого срезной палец растягивают, а втулки сжимают равными внешними осевыми усилиями, величина которых составляет(0,31,0) % А, после чего фиксируют втулки относительно пальца и снимают внешние усилия. После нагружения замеряют удлинение пальца и рассчитывают его относительную деформацию етакже замеряют удлийение и определяют деформацию пальца е после снятия внешних усилий. Исходя из полученных знэчений я=0,810 и к=0,710 рассчитыва-з, -з,ют отношение:Спв/Срф = Е/Е - 1,0=0,8 10 /(0,710 )-- 1,0 = 0,14,Совпадение экспериментального и расчетного значений Спв/Срф свидетельствует о возможности применения теоретических зависимостей для оценки жесткостей деталей предохранительного устройства,Величина правой части неравенства (13) составляет65,8 1 с 7/ть,0 = 5,8 0,25 360 1 д/(460 х х 106) - 1,0 = 0,14;т,е. данное устройство удовлетворяет соотношению (13),Монтаж этого предохранительного устройства осуществляют так, как было описано выше, Наибольший эффект достигается при величине усилий растяжения пальца и сжатия втулок Г = о 1 А. Площадь срезного пальца.в зоне ослабляющей проточки равнаIА=д(0,013 - 0,008 ) = 8,2510 м .Тогда Р =360 108,2510 =3,010 Н. Растяжение рассмотренного в примере срезного пальца усилием 3,010 Н при одновременном сжатии набора втулок таким же усилием позволит избежать накопления усталости в процессе работы.П р и м е р 2, Для предохранительного устройства фиг,3 с размерами 01= 18 мм; 02 =12 мм; Оз=б мм; 04=10 мм; Оп=11 мм; Ьп= 1 мм; Нрф = Нф = бмм;имм;в = 55 мм; Р = 1,5 мм порядок расчета жесткостей, аналогичный вышеприведенному дает Св = 5,14 10 Н/м; Сп = 3.0910, Н/м; Сф = 8,00 10 Н/м; Срф = 1,72 10 Н/м; Спв = 1,88 10 Н/м, ТогдаСпв/Срф = 1,88 10 /(1,72 10 ) = 0.110,14 и для этого предохранительного устройства неравенство (13) также выполняется.П р и м е р 3. Предохранительное устройство с размерами 01= 20 мм; 0214 мм; Оз = 8 мм; 04 = 10 мм; Оп = 13 мм; Лп= 1 мм; Нрф=-Нф=бмм; Ь=40 мм; в=40 мм; Р= =1,5 мм имеет жесткости Св =- 8 0110 Н/м; Сп = 5,18 10 Н/м; Сф = 8,00 10 Н/м; Срф = =1,72 10" Н/м; Спф = 3,03 10 Н/м. Подстановка двух последних значений в левую часть неравенства (13) даетСпв/Срф = 3,03 10 /(1,72 10) = 0,180,14;510 15 т.е. соотношение жесткостей не попадает в рекомендуемый интервал и срезной палец в предложенном устройстве может накапливать усталость, хотя по сравнению с ненапряженным пальцем его долговечность все равно будет выше,Предохранительное устройство (фиг,1,2 или 3) работает следующим образом.При функционировании машины в ее узлах формируются изменяющиеся во времени усилия, которые передаются и на предохранительное устройство. Если усилие Р меньше величины Р задаваемой выражением (5), то оно полностью воспринимается за счет сил трения в контакте втулок, входящих в набор б. При нагрузке, большей чем Р, в разрушающихся сечениях пальца 1, соответствующих плоскостям стыка втулок, возникают напряже ния среза, изменяющиеся с амплитудой (6),Однако, несмотря на то, что нагружение носит нестационарный характер. накопления усталости срезным пальцем не происходит, поскольку силы трения между втулками по 25 зволяют уменьшить колебания касательныхнапряжений в срезнам пальце и повысить за счет этого его долговечность, Если в процессе нарастания нагрузки на предохранительное устройство ее величина превысит 30 значение Р,р, рассчитываемое по формуле(8), палец 1 срезается, предотвращая дальнейшее нарастание усилий в деталях и узлахмашины, После разрушения срезного пальца предохранительное устройство также те ряет свою целостность и втулки из набора 6получают возможность свободного взаимного перемещения. В результате передачи усилия между деталями 4 и 5 уже не происходит, например, полумуфты муфты пре дельного . момента начинаютпроворачиваться друг относительно друга, предотвращая поломку элементов привода.Поскольку конструкция предохранительного устройства позволяет исключить накопление усталостных повреждений при 45 нормальной работе машины - повышаетсяточность ограничения нагрузок и удается избежать случаев срабатывания в отсутствие перегрузок. Стабильное ограничение нагрузок дает возможность максимально 50 повысить чувствительность предохранительного элемента за счет выбора усилия среза близким к наибольшей величине из спектра номинальных нагрузок и снизить вероятность выхода машины из строя в ава рийных ситуациях.Использование изобретения обеспечитточное ограничение нагрузок предохранительными устройствами, применяющимися в различных машинах и механизмах, и позволит избежать простоев последних, этакже предотвратить поломки их элементовпри перегрузках,Формула изобретения1, Предохранительное устройство, содержащее среэной палец, устанавливаемыйв отверстиях сопрягаемых деталей, и расположенные на его концах ограничители перемещения относительно сопрягаемыхдеталей, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с 10целью повышения точности срабатыванияпутем увеличения долговечности срезногопальца при номинальных нагрузках за счетограничения амплитуд циклических напряжений среза, он снабжен набором, по меньшей мере, из двух соприкасающихся своимиторцами втулок, охватывающих срезной па- .лец, и расположенными по обе стороны набора втулок фиксаторами для созданиянатяга между втулками в осевом направлении, причем по крайней мере один из фиксаторов расположен с возможностьюрегулировочного перемещения вдоль осисрезного пальца,2. устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что жесткости срезного пальца,вгулки и фиксаторов связаны сьотношением .Спв/Срф5,8 К %/Ть - 1,0;где Срф- жесткость регулируемого фиксатора, Н/м;Спв - суммарная жесткость срезногопальца, набора втулок и второго фиксаторав осевом направлении, равнаяСпв = (1/Сф+ 1/Сп + 1/Св)-Н/м, 35Сф - жесткость второго фиксатора, Н/м;Сп - жесткость участка срезного пальца,расположенного между фиксаторами набора втулок, Н/м; Св - жесткость набора втулок, Н/м;К - коэффициент трения между втулками;01 - предел текучести на растяжениематериала пальца, Па;гь - предельное напряжение среза дляматериала пальца, Па.3. Способ монтажа и редох ран ител ьногоустройства, включающий установку срезного пальца в соосные отверстия сопрягаемыхдеталей, растяжение пальца внешним осевым усилием и фиксацию его положения относительно сопрягаемых деталей, о т л и ч аю щ ий с я тем, что, с целью повышенияточности срабатывания путем увеличениядолговечности срезного пальца при номинальных нагрузках за счет ограничения амплитуд циклических напряжений среза,перед растяжением срезного пальца на немразмещают набор соприкасающихся своими торцами втулок, а после растяжения фиксируют набор втулок относительно срезногопальца, находящегося в растянутом состоянии, и снимают внешнее осевое усилие.Ф4. Способ по п.3, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что перед фиксацией набор втулок сжимают осевым усилием,5. Способ по пп,3 и 4, отл и ч а ю щ ий с я тем, что срезной палец растягивают,а набор. втулок сжимают осевыми усилиями,величину которых устанавливают в соответствии с выражениемЕ/%А) = 1,0;где Е - величина осевого усилия, Н;. с - предел текучести на растяжениематериала пальца, Па;А - наименьшая площадь поперечногосечения пальца, м,;