Исполнительные элементы систем автоматики классификация и общие характеристики исполнительных элементов классификация исполнительных элементов

.2. Фрикционные муфты
Фрикционные муфты (ФМ) предназначены в основном для жесткого сцепления валов. Гибкое соединение с их помощью возможно только путем импульсного управления, при котором частота вращения вала представляет собой функцию скважности импульсов напряжения, подаваемых на зажимы обмотки. Фрикционные муфты, или электромеханические муфты сухого трения, с механической связью (рис.10) характеризуются большим разнообразием конструкций и схем управления.
На рис.10, а показана однодисковая нереверсивная ФМ, состоящая из двух цилиндрических полумуфт. На ведущем валу 7 жестко посажена полумуфта 4, являющаяся сердечником и ярмом электромагнита. Его якорем служит полумуфта 2, которая соединена с ведомым валом 1 скользящей посадкой и, следовательно, может перемещаться в осевом направлении. С помощью колец 6 и щеток на обмотку 5 подается управляющее напряжение. Возникающее тяговое усилие вызывает притяжение якоря (полумуфты 2) к сердечнику (полумуфте 4) и плотное сцепление фрикционных дисков 3 из материалов с высоким коэффициентом трения (сталь — сталь, чугун - чугун, бронза - бронза, чугун - бронза, сталь - ферродо и др.), благодаря чему обеспечивается сцепление валов.



Рис. 10. Конструктивные схемы фрикционных муфт-
а - однодисковой; б - многодисковой; 1, 14 - ведомый вал; 2,4- полумуфты; 3, 11, 12 - фрикционные диски;
5, 10 - обмотка; 6 - кольца; 7,8 - ведущий вал; 9 — сердечник; 13 — нажимная шайба

При обесточенной обмотке якорь оттягивается от сердечника пружиной (на рисунке не показана).

Основное достоинство однодисковой ФМ — простота, однако с ростом передаваемого вращающего момента значительно увеличиваются ее размеры.
Действительно, передаваемый муфтой момент, создаваемый силами трения фрикционных дисков, определяется по формуле

где m — число дисков;

k_тр — коэффициент трения;
σ_доп — допустимое удельное давление (k_тр и σ_доп для каждой пары материалов имеют свои значения);
k_R = Rв/Rн;
Rн, Rв — соответственно наружный и внутренний радиусы дисков;
D_н — наружный диаметр диска ФМ.
Следовательно, больший передаваемый момент связан с необходимостью увеличивать наружный диаметр диска D_н. Если же в ФМ предусмотреть несколько фрикционных дисков (m > 2), то при прочих равных условиях D_н существенно уменьшается с ростом m

Одна из конструкций многодисковых ФМ показана на рис.10, б, где фрикционные диски 11 соединены шлицами внутренней окружности с ведущим валом 8, а диски 12 с помощью шлицев на наружной окружности — с ведомым валом 14. При отключенной обмотке 10 чередующиеся диски 11 я 12 проскальзывают друг относительно друга. Подача управляющего напряжения обеспечивает прижимание дисков друг к другу вследствие притяжения к сердечнику 9 нажимной шайбы 13, являющейся якорем электромагнита. В результате возникает сцепление между дисками, необходимое для передачи заданного момента М.

При заданном наружном диаметре D_н фрикционной муфты можно найти число фрикционных дисков m для передачи требуемого вращающего момента М ведомому валу. Их немного (m = 6... 10), а значит, надежное и быстрое включение ФМ достигается при достаточно высоких значениях удельного давления на фрикционных поверхностях — 7,8...9,8 Па.
Из рис.10, б, где штрихами условно показана средняя силовая линия верхней половины ФМ, видно, что по отношению к нажимной шайбе 14 фрикционные диски представляют собой магнитные шунты, по которым замыкаются потоки рассеяния, ослабляющие силу притяжения. Чтобы магнитное сопротивление в радиальном направлении стало значительно больше, чем в осевом, в дисках сделаны вырезы, приводящие к образованию узких легко насыщающихся перемычек. Таким приемом удается ограничить поток рассеяния через каждый диск в среднем до 2...4 %.
Обмотку ФМ обычно подключают к постоянному напряжению (или переменному через встроенный выпрямитель), чтобы использовать преимущества электромагнитов постоянного тока.
Тяговое усилие, которое должен развивать электромагнит, можно найти из выражения

Для его создания в рабочем зазоре необходима магнитная индукция B_δ, значение которой можно определить из формулы Максвелла:

где S_δ — площадь поперечного сечения рабочего зазора.

Чтобы провести рабочий поток через рабочий зазор, в соответствии со вторым законом Кирхгофа для магнитных цепей требуется МДС

где δр — половина длины рабочего зазора.

Для учета магнитного сопротивления магнитопровода и нерабочих зазоров найденное значение МДС увеличивают на 20... 30 %:


F=Iw=(1,2...1,3)F_δ.

Площадь окна S_OK для размещения обмотки электромагнита находят из соотношения

где k₃ — коэффициент заполнения окна медью;,
j — допустимая плотность тока в обмотке.
Окно выполняют прямоугольной формы с соотношением размеров в осевом и радиальном направлениях h/b = 2,5.
После такого ориентировочного расчета уточняют размеры магнитопровода, параметры электромагнита и данные обмотки.
Установившийся режим в приводах с электромагнитными муфтами наступает после окончания переходных процессов не только в муфте, но и в двигателе, и приводимом механизме. Поэтому переходные процессы рассматривают не собственно в муфте, а в системе двигатель—муфта—приводимый механизм.
При анализе переходных процессов во время пуска привода с ФМ можно выделить три временных интервала.
Бремя t_в.л выборки люфта δ_{Δ =}δ _–δ_к, где δ₀, δ_К — длина воздушного зазора соответственно в оттянутом состоянии якоря при I = 0 и притянутом состоянии, когда якорь переместился до начала соприкосновения фрикционных поверхностей. Другими словами, этот период охватывает время t_тр + t_дв1, где t_тр — время трогания якоря от подачи напряжения U на зажимы катушки до начала осевого движения якоря; t_дв1 — время осевого движения якоря до соприкосновения фрикционных поверхностей. Время t_в.л определяется только параметрами ФМ. В этот период ведомый вал неподвижен, так как сцепления полумуфт еще нет.
Время сцепления t_cц = t_дв2 — от момента соприкосновения до момента полного сцеплении поверхностей трения. В это время диски проскальзывают друг относительно друга, пока еще не закончилось осевое движение якоря, а магнитный поток и электромагнитный момент продолжают расти. После начала вращения ведомого вала при М > М_с (М_с — момент сопротивления, создаваемый нагрузкой) частота вращения двигателя уменьшается, а частота вращения приводимого механизма увеличивается. Они становятся одинаковыми, когда наступает полное сцепление. Время t_сц определяется параметрами не только ФМ, но и двигателя и приводимого механизма.
Время жесткого разгона t_ж.р — от момента установления полного сцепления полумуфт до момента достижения установившегося значения частоты вращения. На этом этапе процесс протекает так же, как и при жестком соединении валов, и время t_ж.р определяется только параметрами двигателя и приводимого механизма.
t