Патент на изобретение №2256828

(54) МУФТА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ОГРАНИЧЕННОГО КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и предназначено для передачи ограниченного крутящего момента. Муфта состоит из двух взаимодействующих частей в форме цилиндрической обоймы и цилиндрического вала. Обойма находится в передающем крутящий момент фрикционном сцеплении с валом для передачи крутящего момента вплоть до предельной величины, соответствующей фрикционному сцеплению, при котором обойма начинает проворачиваться относительно вала. Имеется насос, который, при относительном вращении обоймы и вала, приводится в действие для нагнетания жидкости из резервуара в зазор между взаимодействующими поверхностями, где предусмотрены средства для отвода жидкости из зазора так, чтобы восстанавливать фрикционное сцепление после превышения предела передаваемого крутящего момента. Вал содержит основание, имеющее поверхностный слой, образующий его взаимодействующую поверхность и состоящий из материала, имеющего предел пластичности, который существенно ниже предела пластичности материала взаимодействующей поверхности обоймы. Техническим результатом является усовершенствование конструкции муфты, повышение ее надежности и улучшение ее характеристик. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение относится к муфте для передачи ограниченного крутящего момента.

Известна муфта для передачи ограниченного крутящего момента, содержащая две соосные, по существу, цилиндрические взаимодействующие поверхности двух взаимодействующих частей, выполненных в форме цилиндрической обоймы и цилиндрического вала, причем обойма находится в передающем крутящий момент фрикционном сцеплении с валом для передачи крутящего момента вплоть до предельной величины, соответствующей их фрикционному сцеплению, при котором обойма начинает проворачиваться относительно вала. Муфта также имеет, по меньшей мере, один насос, способный при относительном вращении обоймы и вала приводится в действие для нагнетания жидкости из резервуара в зазор между взаимодействующими поверхностями, и средство отвода жидкости из зазора для восстановления фрикционного сцепления обоймы и вала после превышения предела передаваемого крутящего момента (см. публикацию международной заявки WO 90/00231). Эта известная муфта обычно работает хорошо. Муфты такого типа часто используют в сталепрокатных станах между ведущим двигателем, например электродвигателем, и валком. Передаваемая мощность может составлять порядка 20000 кВт. Стоимость простоя такого прокатного стана может составлять порядка 100000 Шведских крон/ч.

В случае применения в областях, для которых предназначено настоящая муфта, ее переключают с относительно низкой частотой, например порядка от одного раза в пять лет до 300 раз в год. Типичная частота переключении составляет 20 раз/год.

Фрикционное сцепление между валом и обоймой можно настраивать на выбранный уровень с помощью некоторого подходящего технического средства. Например, обойма может содержать концентричную кольцевую камеру, в которой можно создавать давление. Как указано выше, муфта содержит один или несколько насосов, с помощью которых нагнетают жидкость из ресивера в зазор между взаимодействующими поверхностями так, чтобы жидкость образовывала гидростатический слой в сочетании с взаимодействующими поверхностями. Насосы выполнены так, чтобы они приводились в действие при вращательном перемещении вала и обоймы друг относительно друга. В результате нагнетания жидкости в зазор между взаимодействующими поверхностями, упомянутые поверхности могут проскальзывать друг относительно друга, как только будет превышено установочное значение крутящего момента. Это позволяет исключить повреждение муфты и двигателя или прокатного стана. Муфта для передачи ограниченного крутящего момента такого известного типа требует только просто одного оборота для того, чтобы создать гидростатический слой, при котором крутящий момент уменьшается до уровня, близкого к нулю.

Когда муфта запущена, необходимо полностью остановить привод. Насосы муфты затем перестают нагнетать жидкость (масло) в зазор между взаимодействующими поверхностями. Это позволяет жидкости слиться по каналам, после чего фрикционное взаимодействие между упомянутыми взаимодействующими поверхностями снова может восстановиться в течение приблизительно 1 минуты. Предел передаваемого крутящего момента может быть выбран в широком диапазоне и может быть установлен с высокой степенью точности, например ±10% от номинального требуемого значения. Муфта также компактна по габаритам.

Недостатки этой известной муфты заключаются в том, что вся жидкость (масло) или часть жидкости (масла), содержащейся в муфте, может вытечь до запуска муфты, свойства масла со временем могут изменяться, масло может быть загрязнено частицами, которые могут образовываться, например, в процессе запуска устройства, и частицы могут забивать клапаны, фильтры и нарушать или оказывать вредное воздействие на работу устройства и т.п.

Таким образом, существует определенный риск того, что известное устройство может не срабатывать при запуске. Нарушение функционирования муфты может приводить к тому, что взаимодействующие поверхности не будут отделены друг от друга в достаточной степени и что будет закачано недостаточное количество масла в зазор между взаимодействующими поверхностями. Нарушение функционирования может затем вызывать, помимо всего прочего, возникновение очень большого крутящего момента, передаваемого муфтой, что может привести к повреждению, например, двигателя и приводимого им оборудования, а также, конечно, к серьезному повреждению самой муфты. Из-за последствий нарушения функционирования муфты (сравните со стоимостью простоя оборудования) муфта такого типа, о котором идет речь, не нашла особенно широкого применения на практике, несмотря на способность муфты обеспечивать автоматическое и быстрое восстановление при нормальном ее запуске и, следовательно, быстрое восстановление работы стана после устранения причины выключения или ремонта.

Техническим результатом настоящего изобретения является дальнейшее усовершенствование муфты для ограничения влияния нарушений функционирования муфты и, таким образом, ограничения потерь из-за простоев в результате сокращения времени, требуемого для выполнения работ по восстановлению муфты после неполадок, произошедших в результате ее отключения, например, из-за недостаточного количества масла, закачанного в зазор между взаимодействующими поверхностями муфты.

Этот технический результат достигается тем, что муфта для передачи ограниченного крутящего момента, содержащая две соосные, по существу, цилиндрические взаимодействующие поверхности двух взаимодействующих частей, выполненных в форме цилиндрической обоймы и цилиндрического вала, причем обойма находится в передающем крутящий момент фрикционном сцеплении с валом для передачи крутящего момента вплоть до предельной величины, соответствующей их фрикционному сцеплению, при котором обойма начинает проворачиваться относительно вала, и имеющая, по меньшей мере, один насос, способный при относительном вращении обоймы и вала приводиться в действие для нагнетания жидкости из резервуара в зазор между взаимодействующими поверхностями, и средство отвода жидкости из зазора для восстановления фрикционного сцепления обоймы и вала после превышения предела передаваемого крутящего момента. Согласно изобретению вал содержит основание, имеющее поверхностный слой, образующий его взаимодействующую поверхность и состоящий из материала, имеющего предел пластичности, который существенно ниже предела пластичности материала взаимодействующей поверхности обоймы.

Поверхностный слой вала может содержать углубления, обеспечивающие при пластификации возможность перемещения поверхностного слоя от взаимодействующей поверхности обоймы.

Углубления могут состоять из канавок, расположенных по кругу на поверхностном слое вала.

Поверхностный слой вала может состоять из красной латуни, а взаимодействующая поверхность обоймы состоит из стали.

Вал и обойма могут быть посажены с взаимным натягом для создания фрикционного сцепления.

Поверхностный слой вала может содержать углубления, обеспечивающие толщину поверхностного слоя вала в радиальном направлении, меньшую, чем расстояние в радиальном направлении между поверхностью основания вала и взаимодействующей поверхностью обоймы после пластификации и/или расплавления поверхностного слоя вала и снятия радиальной нагрузки с вала и обоймы.

Поверхностный слой вала может состоять из материала, коэффициент теплового расширения которого больше коэффициента теплового расширения его основания.

Тогда как взаимодействующие поверхности обычной муфты состоят из слегка легированной углеродистой стали, подвергнутой нитроцементации на глубину около 0,3 мм и обладающей твердостью около 700 единиц твердости по Виккерсу, предлагается согласно изобретению выполнять одну из упомянутых частей так, чтобы она имела поверхностный слой, который определяет одну из взаимодействующих поверхностей и который состоит из материала, обладающего существенно более низким пределом пластичности, чем взаимодействующая поверхность другой части. Поверхностный слой может иметь толщину, составляющую несколько миллиметров, например 5 мм, и может, например, содержать медно-оловянистый сплав типа красной латуни (томпака), т.е., например, 90% Сu, 10% Sn, 1% Pb. Такой сплав обладает пределом упругости около 100 Н/м². Поверхностный слой может также включать углубления в форме канавок на его свободной поверхности. Эти канавки могут образовывать каналы для распределения жидкости для выполнения функций опоры. В альтернативном варианте исполнения углубления в наружном слое могут содержать другие выемки или полости. Назначение этих углублений в поверхностном слое состоит в том, чтобы обеспечивать условия, при которых материал поверхностного слоя, например, при расплавлении имел бы объем меньше пространства между обоймой и валом, первоначально занимаемого поверхностным слоем. Так как пластичность предполагает исключение передачи силы от вала к обойме и наоборот, углублениям в поверхностном слое предпочтительно придавать такие размеры, чтобы при этом учитывался тот факт, что внутренний диаметр обоймы уменьшается, когда снимают нагрузку, а наружный диаметр вала увеличивается, когда снимают нагрузку на вал, так что пространство, доступное для поверхностного слоя, уменьшается. Материал слоя, таким образом, должен предпочтительно иметь чистый объем, который меньше объема пространства между обоймой и валом после снятия радиальной нагрузки между ними, а также, с учетом температурных условий, при пластифицировании или расплавлении поверхностного слоя (т.е. при соответствующих колебаниях объема поверхностного слоя, обоймы и вала), чтобы обойма могла в принципе вращаться свободно без контакта с пластифицированным поверхностным слоем после вращения обоймы относительно вала. Это снижает риск того, что материалу поверхностного слоя будет сообщаться такое количество энергии, что вызовет плавление материала в результате относительного вращения двух основных частей муфты.

Пластификация поверхностного слоя вызывает последующее уменьшение предела текучести или условного предела текучести материала поверхностного слоя. Такой поверхностный слой позволяет обеспечивать ограничение крутящего момента, который передается, когда гидростатические несущие функции не могут быть поддержаны. Передачей мощности между ведущим валом муфты и ее ведомым валом можно управлять и прерывать ее с помощью внешних средств, например, путем определения возможной разницы скоростей ведущей и ведомой частей устройства, для ограничения относительного вращения между упомянутыми частями.

Изобретение эффективно при предупреждении повреждения приводимого оборудования, а также приводящего оборудования, а также в ограничении повреждения муфты для передачи ограниченного крутящего момента.

Муфта может быть легко восстановлена после пластификации (расплавления поверхностного слоя) путем нагрева упомянутого слоя и вала, имеющего поверхностный слой. Так как поверхностный слой содержит материал (красную латунь), обладающий высоким коэффициентом теплового расширения, то слой отделяется от основания вала, и его можно легко снять с вала. Сменный поверхностный слой в форме втулки из красной латуни может быть просто вставлен во взаимодействующую часть, где это необходимо, или натянут на нее и прикреплен к ней, например, с помощью клеевого соединения, причем это соединение может быть разрушено под действием тепла, сообщенного во время проведения восстановительной операции, или в сочетании с пластифицированием поверхностного слоя.

Изобретение далее описано на примере со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором схематически показано поперечное сечение муфты для передачи ограниченного крутящего момента согласно изобретению.

Устройство, представленное на чертеже, принципиально сходно с устройством, описанным в международной публикации WO 90/00231, сущность которого включена в настоящую заявку.

Муфта в основном содержит цилиндрическую цапфу 10 и обойму 20, охватывающую цапфу/вал 10, причем вал 10 и обойма 20 имеют соответствующие присоединительные фланцы 11 и 21 для соединения их с системой привода, например электродвигателем, и с валком сталепрокатного стана. Обойма 20 имеет внутреннюю поверхность 22, сопряженную с наружной поверхностью 12 вала 10. В стенке обоймы 20 размещена масляная камера А, в которой можно создавать давление путем нагнетания масла под давлением, например, в пределах 0-50 мПа для создания фрикционного сопряжения в межповерхностном сочленении В между взаимодействующими поверхностями 12, 22. Фрикционное сцепление и максимальный крутящий момент, который может быть передан, определяются давлением масла в камере А. После нагнетания масла в камеру А по подающему каналу клапан (не показан) в канале (не показан) закрывается.

Цилиндрическая обойма 20 включает втулку 30, способную вращаться соосно с обоймой 20. На наружной стороне втулки 30 установлен подшипник 5, эксцентрично расположенный относительно оси втулки 30. Несколько маслонасосов 3 расположено радиально между подшипником 5 и внутренней поверхностью обоймы 20. Насосы снабжены соединительными каналами 4, по которым масло нагнетают в межповерхностное пространство В, например в его центральную область по отношению к продольному размеру. Масло растекается вдоль межповерхностного пространства и может, например, собираться по каналу 41, являющемуся средством отвода жидкости, с одного торца межповерхностного пространства В и возвращаться к насосам. Определенное количество масла может быть заключено в пространстве насосов так, чтобы его засасывали соответствующие насосы и сразу же нагнетали в межповерхностное пространство В при относительном вращении вала 10 и обоймы 20. Насосы 3 вводятся в действие в результате такого относительного вращения благодаря эксцентриситету наружной поверхности втулки 30 (эксцентричное положение подшипника 5 относительно вала 10 и обоймы 20). Часть вала 10, которая взаимодействует с обоймой 20, имеет поверхностный слой 50 из красной латуни (90% Сu, 10% Sn, 1% Pb). Слой 50 содержит канавки 51 в его свободной главной поверхности. Канавки 51 можно также использовать как каналы для распределения масла, подаваемого насосами 3. Масло нагнетают насосом 3 в центральную в продольном отношении область межповерхностного пространства В по каналу 40, и оно растекается отсюда в осевом направлении к обоим торцам межповерхностного пространства В, как показано стрелками на фиг.1. Поток масла передается прямо в насосную камеру, и масло собирается по каналу 41, направленному назад в камеру масляных насосов.

Между валом 10 и обоймой 20 расположено пространство, полностью заполненное слоем 50, за исключением канавок 51 в упомянутом слое. Канавки 51 также служат для приема частей слоя 50, которые пластифицируются в результате относительного вращения вала 10 и обоймы 20. Взаимодействующая поверхность 22 обоймы 20 состоит из стали и взаимодействует с поверхностью слоя 50 из красной латуни. Слой 50 из красной латуни может передавать крутящий момент при нормальном по величине крутящем моменте. Однако, когда величина крутящего момента превышает предварительно заданное значение, стальная поверхность 22 начинает проскальзывать относительно слоя 50 из красной латуни. Тепло, выделяющееся в результате трения и/или относительного движения, вызывает скорую деформацию слоя 50, происходящую в результате пластификации или расплавления. Канавки 51 позволяют материалу с поверхности слоя 50 перемещаться быстро в радиальном направлении от поверхности 22. Чистый объем слоя должен быть соответствующим образом заполнен в пространстве между обоймой 20 и валом 10 после того, как будет снята нагрузка в радиальном направлении между обоймой и валом и приведены к норме состояние и температура деформированного поверхностного слоя 50. Это приводит к уменьшению риска того, что материал слоя 50 получит так много энергии, что это вызовет его расплавление. Пластификация приводит к последовательному уменьшению предела текучести материала. Обычно материал слоя 50 не переходит в фазу расплава. В результате пластификации материала слоя 50 и смещения этого материала передача мощности между валом 10 и обоймой 20 будет ограничена, если насосы 3 не смогут нагнетать масло в межповерхностное пространство В.

Фрикционное сопряжение между валом 10 и обоймой 20 может быть, конечно, восстановлено посредством других средств, отличных от создания давления в гидравлической камере А, как это осуществлено в проиллюстрированном примере исполнения. Например, обойма 20 и вал 10 могут быть выполнены коническими, и их могут поджимать в осевом направлении друг к другу так, чтобы создавать выбранную величину фрикционного сцепления, т.е. обеспечивать выбранный верхний предел передаваемого крутящего момента. Когда обойма и вал имеют предварительно выбранные размеры для достижения заданного фрикционного сцепления, сцепление может быть достигнуто путем так называемой “тепловой усадки” или путем прессовой посадки обоймы на вал. Когда фрикционное сцепление ликвидируется, т.е. когда снимают радиальную нагрузку между валом и обоймой, наружный диаметр вала увеличивается, а внутренний диаметр обоймы уменьшается. Наружный слой должен, следовательно, быть выполнен с такими размерами, чтобы его чистый объем мог быть размещен, в заданных пределах, в пространстве между обоймой и валом, когда фрикционное соединение ликвидировано, т.е. когда снята нагрузка на обойму и вал в радиальном направлении. Таким образом, путем формирования наружного слоя 50 из материала, который имеет относительно низкий предел текучести, можно запускать начальное вращение между валом 10 и обоймой 20 при отсутствии масляной пленки между ними, при относительно низком пределе крутящего момента, который, тем не менее, превышает предел крутящего момента, созданного под действием фрикционного сцепления между валом 10 и обоймой как результат первоначальной пластификации поверхностного слоя материала. Материал 50, можно сказать, формирует смазку в межповерхностном пространстве между валом и обоймой. Когда обеспечивают условия, при которых поверхностный слой может быть размещен в получающемся зазоре между обоймой и валом после съема той же нагрузки в радиальном направлении, передача энергии материалу слоя 50 минимизируется, как и передача энергии между валом и обоймой.

Для того чтобы поверхностный слой мог с самого начала передавать энергию между валом и обоймой, с одной стороны, и коллапсировать и переходить в состояние, при котором он будет иметь значительно меньшую толщину в радиальном направлении, с другой стороны, поверхностный слой может также содержать другие углубления или полости дополнительно к функциональным канавкам на его свободной поверхности, например поры и т.п., в его исходном состоянии.

Формула изобретения

1. Муфта для передачи ограниченного крутящего момента, содержащая две соосные, по существу, цилиндрические взаимодействующие поверхности двух взаимодействующих частей, выполненных в форме цилиндрической обоймы и цилиндрического вала, причем обойма находится в передающем крутящий момент фрикционном сцеплении с валом для передачи крутящего момента вплоть до предельной величины, соответствующей их фрикционному сцеплению, при котором обойма начинает проворачиваться относительно вала, и имеющая по меньшей мере один насос, способный при относительном вращении обоймы и вала приводится в действие для нагнетания жидкости из резервуара в зазор между взаимодействующими поверхностями, и средство отвода жидкости из зазора для восстановления фрикционного сцепления обоймы и вала после превышения предела передаваемого крутящего момента, отличающаяся тем, что вал содержит основание, имеющее поверхностный слой, образующий его взаимодействующую поверхность и состоящий из материала, имеющего предел пластичности, который существенно ниже предела пластичности материала взаимодействующей поверхности обоймы.

2. Муфта по п.1, отличающаяся тем, что поверхностный слой вала содержит углубления, обеспечивающие при пластификации возможность перемещения поверхностного слоя от взаимодействующей поверхности обоймы.

3. Муфта по п.2, отличающаяся тем, что углубления состоят из канавок, расположенных по кругу на поверхностном слое вала.

4. Муфта по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что поверхностный слой вала состоит из красной латуни, а взаимодействующая поверхность обоймы состоит из стали.

5. Муфта по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что вал и обойма посажены с взаимным натягом для создания фрикционного сцепления.

6. Муфта по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что поверхностный слой вала содержит углубления, обеспечивающие толщину поверхностного слоя вала в радиальном направлении, меньшую, чем расстояние в радиальном направлении между поверхностью основания вала и взаимодействующей поверхностью обоймы после пластификации и/или расплавления поверхностного слоя вала и снятия радиальной нагрузки с вала и обоймы.

7. Муфта по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что поверхностный слой вала состоит из материала, коэффициент теплового расширения которого больше коэффициента теплового расширения его основания.

РИСУНКИ