Повышение работоспособности цепных передач конструкторскими и технологическими методами

Цепные передачи широко применяются в сельскохозяйственных, горнодобывающих, транспортных и других машинах. Исследованию цепных передач посвящено большое количество работ. В научных трудах Н. В. Воробьева [8], А. А. Готовцева [19], И. П. Глущенко [9 — 18], А. А. Петрика [51 — 56], И. И. Ивашкова [31 — 35], Т. К. Рябова [63 — 65], П. Н. Учаева [79 — 82], С. А. Метилькова [42 — 46], зарубежных автров [85 — 88] рассмотрены вопросы теории зацепления, кинематики и динамики цепных передач, расчета статической и усталостной прочности цепи и её деталей, в том числе на основе методов конечных элементов, изнашивания приводных цепей и звездочек, применения натяжных устройств. Исследованию напряженного состояния втулок посвящен ряд работ [1, 4, 5, 6, 21, 30, 32, 52]. Наиболее глубокие исследования в этом направлении выполнены И. И. Ивашковым, в частности в работе [32] рекомендовано учитывать три типа деформации втулки: от поперечного изгиба, сплющивания и местного изгиба. Однако автор не учитывает фактор наличия и ориентации стыка втулки. В работе [52] предложены расчетные схемы стыка втулки, учитывающие податливость стыка, что позволило уточнить и дать более полную оценку напряженно-деформированного состояния втулки. В этой работе не учитывается технологический аспект формирования стыка втулки и вид стыка с корректировкой поверхности стыка.

Втулки втулочных и роликовых цепей согласно [20] изготавливают по свертной технологии. Поскольку свертная втулка обладает повышенной податливостью, по сравнению с цельноштампованной, напряженно-деформированное состояние такой втулки будет существенно зависеть от взаимной ориентации стыка и прилагаемой нагрузки. При сборке серийных цепей по существующей технологии на заводах по производству роликовых цепей не учитывается фактор ориентации стыка. В работах [24, 39, 40] рассмотрены макрогеометрические параметры стыка, приведены результаты испытаний двухрядных цепей работающих в автомобильных двигателях при непрерывной смазке с втулками имеющими направленную ориентацию стыка. Установлено, что износ цепи зависит от направления ориентации стыка втулок. В работах [28, 29] приводятся сведения о повышении износостойкости цепей в случае расположения втулок стыком внутрь звена. Авторы объясняют это тем, что в случае сборки с произвольным положением стыка, его острые кромки часто попадают в зону контакта с валиком и это увеличивает интенсивность износа трущихся поверхностей. В этих работах не освещено влияние на работоспособность цепи отверстий, расположенных по стыку втулки и являющихся технологической базой для ориентации втулок.

Из опыта эксплуатации цепных передач известно влияние настройки цепной передачи на её работоспособность. Так согласно данным Таганрогского ГКБ, отказы цепных передач, вызванные настройкой, составляют не менее 64% от общего количества отказов цепных передач [18, 83]. В процессе эксплуатации роликовой цепной передачи, в связи с износом цепи, натяжение холостой ветви постоянно уменьшается. Из работ [15, 16, 17, 18, 50] выполненных на кафедре технической механики Кубанского государственного технологического университета под руководством И. П. Глущенко и А. А. Петрика установлено, что для каждой цепной передачи существует свое минимальное значение натяжения холостой ветви, по достижении которого передачу приходится подстраивать — увеличивать одним из возможных методов натяжение холостой ветви. Практика эксплуатации цепных передач показывает [19], что замена жестких натяжных устройств натяжными устройствами с винтовыми пружинами позволяет увеличить срок службы цепи в 1,2 — 1,5 раза. Применение натяжных устройств такой конструкции рекомендуется для цепных передач при скорости движения цепи v > 2 м/с. Среди многочисленных конструкций натяжных устройств отсутствуют такие, которые обеспечивали бы помимо компенсации удлинения цепи, вследствие износа, поддержание постоянного усилия натяжения ведомой ветви.

Анализ работ посвященных совершенствованию цепных передач показал, что остается нерешенным ряд вопросов, связанных с совершенствованием конструкций деталей цепей, исследованием напряженно-деформированного состояния свертной втулки, разработкой технологических методов повышения работоспособности и совершенствования технологии изготовления деталей цепей. Установлена недостаточная эффективность существующих конструкций натяжных устройств и отсутствие методик расчета позволяющих обеспечить постоянный уровень натяжения ведомой ветви цепной передачи. Решение этих основных вопросов совершенствования цепной передачи является необходимым для дальнейшего повышения работоспособности цепных передач.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Повышение работоспособности машин, их приводов, в том числе механических передач, является центральной проблемой научно-технического прогресса. Цепные передачи широко применяются в сельскохозяйственных и других машинах. Работоспособность передачи лимитирует приводная роликовая цепь. Эффективным направлением повышения работоспособности цепных передач является увеличение прочности и износостойкости деталей роликовых цепей, а также применение автоматического регулирования натяжения ведомой ветви.

Вопросам повышения работоспособности втулок роликовых цепей путем совершенствования их конструкции, технологичности, совершенствования конструкций автоматических натяжных устройств, обеспечивающих благоприятные условия работы цепной передачи, уделяется недостаточно внимания. Не решены вопросы:

— влияния ориентации стыка свертной втулки и наличия технологических отверстий в модифицированных втулках на их напряженно-деформированное состояние и работоспособность;

— влияния технологических факторов на формирование стыка свертной втулки, податливость втулки роликовой цепи при запрессовке в пластину;

— совершенствования технологических методов повышения работоспособности свертных втулок;

— совершенствования конструкций и расчета автоматических натяжных устройств, обеспечивающих постоянное натяжение ведомой ветви цепной передачи.

Исследование этих вопросов и внедрение в производство научно обоснованных технических решений позволит повысить работоспособность передач с роликовыми цепями, в связи с чем настоящее исследование является актуальным.

Работа выполнялась в соответствии с госбюджетной темой кафедры технической механики Кубанского государственного технологического университета по плану на 2001;2005г.г. № 01.11.1 «Исследование, расчет и проектирование механизмов, приводов и систем с гибкими связями».

Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование эффективности конструкторских и технологических методов повышения работоспособности цепных передач. Повышение работоспособности роликовых цепей достигается путем совершенствования конструкции и технологии изготовления втулок, а также совершенствования устройств автоматического натяжения ведомой ветви цепной передачи. В соответствии с поставленной целью определены следующие основные задачи настоящей работы:

1) исследовать напряженно-деформированное состояние серийных и модифицированных втулок с целью выявления рационального расположения стыка втулки;

2) повысить технологичность свертных втулок роликовых цепей путем совершенствования проектирования технологического процесса и оснастки;

3) исследовать эффективность различных методов поверхностно-отделочной обработки с целью повышения работоспособности втулок роликовой цепи;

4) на основании кинематического, силового, динамического анализа автоматического натяжного устройства цепной передачи разработать расчет натяжного устройства, обеспечивающего постоянное усилие натяжения ведомой ветви в процессе эксплуатации;

5) исследовать экспериментально влияние ориентации стыка и модификации втулок на работоспособность роликовой цепи.

Общие методы исследования. Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния втулок роликовых цепей базируются на использовании метода конечных элементов. При обработке результатов исследований и разработке методик расчета использовались пакеты прикладных программ Analysis-EXCEL, MathCAD, Mechanical Desktop. Обработка экспериментальных результатов выполнена с применением методов теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна. Получены математические модели напряженно-деформированного состояния, статической прочности и усталостного износа свертных втулок в зависимости от взаимной ориентации стыка и прилагаемой нагрузки, позволившие выявить рациональное расположение стыка свертной втулки.

Разработан расчет автоматического натяжного устройства цепной передачи, обеспечивающий постоянное натяжение ведомой ветви в процессе эксплуатации. Разработана динамическая модель натяжного устройства в приводе, позволившая получить функцию собственной частоты колебаний и использовать её для «отстройки» системы привода от резонансных состояний.

Получены эмпирические зависимости и номограммы для выбора основных формообразующих элементов технологической оснастки для изготовления свертных втулок.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

— научно-обоснованная модификация и ориентация свертных втулок по стыку позволила повысить работоспособность роликовых цепей до 25%;

— разработанная классификация видов и причин возникновения брака в производстве свертных втулок на заготовительных операциях позволила эффективно проводить мероприятия по его устранению;

— предложенный способ контроля втулок роликовой цепи позволил дать оценку износа цементированного слоя втулки;

— использование номограмм для выбора основных формообразующих элементов технологической оснастки для изготовления свертных втулок позволяет повысить эффективность принятия технологических и конструкторских решений;

— предложенные устройства и технологические решения являются основой для модернизации существующего технологического процесса и использования его для производства роликовых цепей с модифицированными втулками;

— предложенная технология отделочной обработки втулок роликовой цепи, обеспечивает эффективное снижение исходной шероховатости, поверхностное упрочнение, увеличение блеска и белизны поверхности;

— предложенное автоматическое натяжное устройство цепной передачи и его расчет позволяет сократить количество необходимых подстроек по сравнению с натяжными или оттяжными звездочками.

В первой главе содержится анализ работ посвященных теме исследования. Рассмотрены различные методы расчета втулки, для теоретических исследований напряженно-деформированного состояния втулки метод конечных элементов определен как наиболее подходящий. Выполнен анализ исследований, посвященных вопросу применения технологических методов повышения работоспособности свертных втулок. Анализ методов регулирования натяжения ведомой ветви в цепных передачах показал необходимость совершенствования конструкций и расчета автоматических натяжных устройств обеспечивающих постоянное натяжение. На основании проведенного анализа определены основные цели и задачи исследования, решение которых направлено на повышение работоспособности цепных передач.

Во второй главе рассмотрены особенности технологии производства втулок роликовых цепей, связанные с модификацией втулок, определены и обоснованы направления совершенствования технологического процесса. Предложены математические модели и разработаны номограммы выбора формообразующих параметров технологической оснастки, исходя из конструктивных параметров втулок. Уточнена расчетная схема стыка свертной втулки, учитывающая технологическую наследственность и технологическую корректировку стыка.

В третьей главе приведены результаты расчета конечно-элементных моделей втулки по сформированным схемам и анализ напряженно-деформированного состояния свертной втулки. На основании анализа результатов получены модели напряженно-деформированного состояния модифицированных и серийных втулок в зависимости от взаимной ориентации стыка и прилагаемой нагрузки. Дана оценка влияния типа стыка на напряженно-деформированное состояние втулки.

В четвертой главе анализируются результаты сравнительных стендовых испытаний втулок и цепей содержащих модифицированные и серийные втулки. Предложены зависимости для оценки влияния ориентации стыка и модификации свертной втулки на работоспособность втулки и цепи. Работоспособность оценивалась по критериям: удлинения отрезка цепи вследствие износа шарниров, усталостного износа втулки при ударе, статической прочности и контактных напряжений вследствие отклонения от круглости нормального сечения втулки. Предложен способ контроля работоспособного состояния втулки по критерию износа цементированного слоя.

Пятая глава посвящена кинематическому, силовому, динамическому анализу автоматического натяжного устройства цепного привода с целью совершенствования конструкции, расчета устройства и проверки системы привода на резонанс.

Основные результаты работы:

1. На основе проведенных теоретических (методом конечных элементов) и экспериментальных исследований предложены конструктивные мероприятия, позволяющие за счет ориентации стыка втулки повысить работоспособность роликовых цепей с модифицированными втулками до 25% по сравнению с серийными.

2. Установлено влияние и дана количественная оценка ориентации стыка свертной втулки на напряженно-деформированное состояние, статическую прочность, усталостный износ втулки при ударе. Снижение значений эквивалентных напряжений при оптимальном ориентировании втулки составляет — 70%, уменьшение абсолютных деформаций — 90%.

3. Своевременный контроль роликовых цепей по критерию износа цементированного слоя с помощью предельного калибра позволяет избежать отказов цепной передачи при потере прочности втулок вследствие износа.

4. Предложенное автоматическое натяжное устройство и разработанный расчет обеспечивают постоянное усилие натяжения в ведомой ветви при удлинении цепи вследствие износа шарниров. Полученная в результате аналитического исследования функция собственной частоты колебаний натяжного устройства в приводе, может быть использована для «отстройки» системы цепного привода от резонансных состояний.

5. Разработанные математические модели и номограммы для выбора основных формообразующих элементов технологической оснастки для изготовления свертных втулок позволяют повысить эффективность принятия технологических и конструкторских решений.

6. Разработанная классификация видов и причин возникновения брака при производстве свертных втулок на заготовительных операциях позволила эффективно проводить мероприятия по его устранению.

7. Определена наиболее эффективная технология отделочной обработки втулок роликовой цепи, обеспечивающая снижение исходной шероховатости на 30%, поверхностное упрочнение на 20−30%, увеличение блеска и белизны поверхности.

8. Расчетная оценка эффективности применения автоматического натяжного устройства «ромбического» типа показала, что экономический эффект от внедрения составляет 224 тыс. рублей при использовании в приводах рабочих органов комбайнов семейства «Нива», «Дон», «Вектор» при программе выпуска 5000 шт./год. Применение модифицированных приводных роликовых цепей вместо серийных даст экономию до 7,9 тыс. рублей на каждую тысячу метров цепи. Экономический годовой эффект от внедрения разработанной технологической оснастки составляет 72 тыс. рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе исследований технологии изготовления, анализа напряженно-деформированного состояния, работоспособности втулок роликовых цепей и эффективности натяжных устройств разработаны научно обоснованные методы повышения работоспособности передач с роликовыми цепями.