Лабораторная работа № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ФРИКЦИОННОЙ МУФТЫ СЦЕПЛЕНИЯ

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ФРИКЦИОННОЙ МУФТЫСЦЕПЛЕНИЯ

Цель работы: Изучение принципов работы электромагнитных фрикци­онных муфт. Исследование работы многодисковой электромагнитной фрикционной муфты управления.

Общие указания

Электромагнитные муфты управления используются для соединения и разъединения ведущего и ведомого валов, регулирования частоты вра­щения и момента, а также для зашиты приводов от перегрузок в слу­чае поломки оборудования.

На предприятиях автомобильного транспорта электромагнитные муф­ты управления находят широкое применение в технологическом обору­довании. В диагностических стендах с беговыми барабанами электро­магнитные муфты используются для подключения инерционных масс, в электрических гайковертах для регулирования момента затяжки резьбовых соединений, в электрических подъемниках, тельферах, кранах и конвейерах - для уменьшения времени выбега, в обкаточных стен­дах - для подключения ДВС к нагрузке и т.д.

На автомобилях электромагнитные муфты используют в качестве механизма сцепления, а также для подключения вспомогательного обо­рудования к силовой установке.

Простейшая конструкция электромагнитной фрикционной муфты пред­ставлена на рис. I. Постоянное напряжение U подводится к щеткам, скользящим по контактным кольцам 1, соединенным с выводами обмот­ки 2. Обмотка имеет цилиндрическую форму и окружена магнитопровод дом ведущей части 3 муфты. Направляющая втулка 7 имеет выступ 6, который входит в лаз 8 ведомой полумуфты 5, которая может переме­щаться вдоль оси, оставаясь соединенной с валом 10.

В обесточенном состоянии пружина 9 упирается в направляющую втулку 7, жестко закрепленную на валу 10, и отодвигает подвижную часть полумуфты 5 в право. При этом поверхности трения (диски 4) не соприкасаются, и ведомый вал 10 разобщен с ведущим валом 11.

При подаче на обмотку управляющего напряжения возникает магнит­ный поток Ф. На полумуфты 3 и 5 выполненные из магнитомягкого материала, начинает действовать электромагнитная сила, притягива­ющая их друг к другу. Таким образом, полумуфты и обмотка представ­ляют собой электромагнит. Между дисками 4, жестко соединенными с полумуфтами 3 и 5, возникает сила нажатия, обеспечивающая необхо­димую силу трения и их надежное сцепление.

Элементарный момент трения dMTP=KTPPудπR2dR,

где Pуд - давление на поверхности трения, Па;Ктр - коэффициент трения; R - текущий радиус поверхности трения, м. Результирующий момент, развиваемый муфтой,

где

R_вш, R_BT внешний и внутренний радиусы трущихся поверхностей дисков 4, обычно β= 0,3 - 0,8.

В процессе пуска момент, который должен быть передан муфтой, возрастает, так как кроме статического, момента нагрузки Мн необ­ходимо передать динамический момент Мдин. При этом проскальзыва­ние поверхностей трения должно быть небольшим, иначе они могут выйти из строя из-за нагрева до высокой температуры. В режиме пуска

где I - момент инерции подвижных частей, кг*м²; ω – угловая частота вращения, 1/с; К₃ – коэффициент запаса, учитывающий возрастание момента муфты при пуске. Значение К₃ для различных видов нагрузок приведено ниже:

Вид нагрузки К₃

Металлорежущие станки……………………1,25 - 2,5

Краны, подъемники…………………………3-5

Центробежные насосы……………...............2-3
Воздуходувки………………………………..1,25-2

Рис.1. Электромагнитная фрикционная муфта:

I- контактные кольца: 2 - обмотка; 3 - магнитопровод ведущей части муфты; 4 - диски сцепления; 5 - подвиж­- ный магнитопровод ведомой части муфты; 6 - выступ на- правляющеи части втулки: 7 - направляющая втулка; 8 - паз ведомой полумуфты; 9 - пружина; 10 - ведомый вал; II- ведущий вал

При большом передаваемом моменте для уменьшения габаритных размеров муфты применяется многодисковая система (рис. 2). Диски 4 связаны с ведущей частью полумуфты 3 и могут свободно переме­щаться вдоль направляющих 5. Диски 6, связанные с электромагни­том ведомой части, также могут перемещаться по направляющим 2. В данной конструкции магнитный поток, создаваемый обмоткой 7 не проходит через диски, в замыкается через ведомую полумуфту-магнитопровод 8 и якорь 1, что позволяет уменьшить зазор электромагнита.

Момент, развиваемый такой муфтой

M_TP=M_д(n-1),

где М_д – момент трения одной пары дисков; n – общее число дисков.

Рис.2. Многодисковая электромагнитная фрикционная муфта; 1 - якорь; 2 - направляющие ведомой муфты; 3 - ведущая полумуфта; 4 - ведущие диски; 5 - направляющие ведущей полумуфты; 6 - ведомые диски; 7 - обмотка; 8 - ведомая полумуфта-магнитопровод; 9 - ведомый вал; 10 - ведущий вал

Видоизменением электромагнитной муфты является электромагнит­ный тормоз. В обесточенном состоянии пружина создает необходимое давление на диски трения, и вал надежно заторможен. Для освобож­дения вала необходимо подать напряжение на электромагнит, преодо­левающий силу пружины. При остановке вращающегося вала вся кине­тическая энергия превращается в тепло.

где I – момент инерции подвижных частей; ω₀ – начальная угловая скорость; М_тр – момент трения; α_тр – угол поворота вала, при ко­тором происходит торможение; С – удельная теплоемкость материала дисков; m – масса диска; n – число дисков; θ_доп – допустимая тем­пература материала диска; θ₀ – температура окружающей среды. Та­ким образом, можно рассчитать параметры электромагнитного тормоза с точки зрения нагрева.

При включении фрикционной электромагнитной муфты различают три этапа. Первый этап - с момента подачи напряжения до момента сопри­косновения дисков. Длительность этого этапа определяется только параметрами самой муфты.

Второй этап – с момента соприкосновения дисков до окончания их проскальзывания относительно друг друга. Для определения длитель­ности второго этапа рассмотрим уравнения движения ведущих и ведо­мых частей

где I₁ и I₂ - моменты инерции ведущей и ведомой частей; ω - уг­ловая скорость ведущей части передачи; ω₂ - угловая скорость ве­домой части передачи; М_д - момент, развиваемый электродвигателем; М_тр - момент трения в муфте; М_н - момент нагрузки на ведомой части муфты.

Введем скорость скольжения ω_c ведущей части относительно ве­домой ω_c = ω₁ - ω₂.

Тогда уравнение движения системы примет вид

где I – момент инерции всех движущихся частей; m₂ - момент дви­гателя; М_Н - момент сопротивления.

На третьем этапе (разгон) ведущая и ведомая части муфты жестко связаны. Время разгона определяется уравнением

Временем включения муфты называется промежуток времени от мо-мента подачи напряжения на электромагнит до достижения вращающим моментом 0,9 установившегося значения.

Время включения возрастает с увеличением габаритов муфты, по­стоянной времени электромагнита хода якоря, числа дисков и обыч­но находится в пределах от 0,07 до 0,3 с.

Время отключения представляет собой промежуток времени от обесточивания электромагнита до спада вращающего момента до 0,05 номинального значения. Это время увеличивается с ростом габарит­ных размеров муфты, магнитного потока и колеблется от 0,1 до 0,4 с.

При отключении муфты на контактах коммутирующего аппарата воз­никает дуга, которая замедляет процесс отключения и вызывает силь­ную эрозию контактов. При быстром обрыве дуги возможно возникнове­ние перенапряжения и пробой обмотки. Для облегчения процесса от­ключения обмотка имитируется разрядным резистором.

Описание лабораторной установки

Общий вид лабораторной установки представлен на ряс. 3. Уста­новка состоит из легкого основания 1, на котором укреплен асинх­ронный электродвигатель 2. Крутящий момент от электродвигателя на электрический генератор 7 передается через упругую муфту 3, элек­тромагнитную фрикционную муфту 4 и электромагнитный фрикционный тормоз 6. Генератор 7 укреплен на опорах 5 балансирно. Реактивный момент генератора уравновешивается с помощью цилиндрических пру­жин 8.

Принципиальная электрическая схема лабораторной установки пока­зана на рис. 4. Генератор переменного тока G через диодный вы­прямительный мост VD1-VD6 отдает мощность в нагрузку, состоящую

из ламп накаливания EL1-EL20, которые поочередно подключается выключателями SA1-SA10. Мощность в нагрузке P=IU определя­ется с помощью амперметра PA и вольтметра PU. Возбуждение генератора осуществляется кнопкой SB через резистор R от внеш­него источника питания. Стабилизация напряжения генератора в цепи нагрузки выполняется полупроводниковым регулятором напряжения.

Рис.3. Общий вид лабораторной установки: 1 - основание; 2- асинхронный электродвигатель; 3 - упругая муфта; 4 - элек­тромагнитная муфта; 5 - опора, 6 - электромагнитный тормоз; 7 - генератор переменного тока; 8 - цилиндрическая пружина

Рис.4. Принципиальная электрическая схема лабораторной установки

Генератор G к приводному электродвигателю подключается фрикци­онной электромагнитной муфтой YC, а тормозится фрикционным элект­ромагнитным тормозом YB с помощью переключателя SA12. Питание к фрикционной электромагнитной муфте УС и фрикционному электромагнитному тормозу YB подается от внешнего источника тока напряжени­ем 24 В выключателем SA11.