Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ исследований по повышению долговечности цепных передач 8
1.1 Анализ долговечности цепных передач 8
1.2 Факторы, влияющие на износ цепных передач 10
1.3 Анализ результатов аналитических исследований работы цепных передач 18
1.4 Влияние конструкции цепных передач на их долговечность 22
1.5 Способы смазывания сельскохозяйственных цепных передач и их техническое обслуживание 32
1.6 Выводы и задачи исследований 35
2. Аналитическое исследование цепной передачи с переменной точкой контакта трущихся поверхностей в шарнире 38
2.1 Обоснование конструктивной схемы цепной передачи 38
2.2 Обоснование конструктивных размеров цепи 46
2.3 Динамика пластинчатой цепи 52
2.3.1 Общие положения и принятые допущения 52
2.3.2 Вход в зацепление шарнира пластинчатой цепи 53
2.3.3 Выход из зацепления шарнира пластинчатой цепи 62
2.4 Кинематика пластинчатой цепи 70
2.5 Анализ износов деталей цепной передачи 71
2.6 Соотношение износов валиков роликовой и пластинчатой цепей 74
2.7 Выводы по главе 78
3. Программа и методы экспериментальных исследований 81
3.1 Задачи экспериментальных исследований 81
3.2 Определение повторностей и длительности экспериментальных исследований 82
3.2.1 Определение угла относительного скольжения поверхностей валика и проушин в шарнире цепи 82
3.2.2 Длительность лабораторных исследований цепей на долговечность 83
3.3 Общая методика экспериментальных исследований 84
3.4 Методика проведения сравнительных лабораторных испытаний цепей на долговечность 86
3.5 Методика контроля удлинения среднего шага цепей 90
3.6 Методика измерения углов относительного смещения поверхностей валиков и проушин 93
3.7 Методика определения времени бесперебойного поступления смазки, заложенной в звездочку со смазывающим контейнером 96
3.8 Методика обработки экспериментальных данных и оценка погрешности измерений 98
4. Результаты исследований и их анализ 102
4.1 Анализ изменения среднего шага цепей 102
4.2 Влияние конструкции цепи на угол поворота в шарнире 105
4.3 Износные характеристики цепей 106
4.4 Определение времени бесперебойного поступления смазки, заложенной в звездочку 113
4.5 Анализ изменения среднего шага цепей 114
4.6 Выводы по главе 118
5. Производственная проверка и экономическое обоснование цепной передачи пластинчатой цепи 119
5.1 Производственная проверка цепной передачи пластинчатой цепью с системой смазки 119
5.2 Технико-экономическая оценка передачи пластинчатой цепью с системой смазки 120
Общие выводы 125
Литература 126
Приложения 144
- Влияние конструкции цепных передач на их долговечность
- Выход из зацепления шарнира пластинчатой цепи
- Методика проведения сравнительных лабораторных испытаний цепей на долговечность
- Износные характеристики цепей
Влияние конструкции цепных передач на их долговечность
Известны следующие основные стандартизованные конструкции цепей по ГОСТ 13568-97 [27, 101, 102]: втулочные цепи -ПВ, втулочно-роликовые цепи - ПР, цепи с изогнутыми пластинами - ПРИ, а также длиннозвенные цепи - ПРД.
Втулочные цепи состоят из последовательного ряда шарнирно соединенных между собой внутренних и наружных звеньев рисунок 1.5.
В проушины пластин внутренних звеньев 5 запрессовываются втулки 2. В проушины пластин наружных звеньев 1 запрессовывают валики 3, концы которых после запрессовки расклепывают. Валик и втулка выполнены с зазором, что обеспечивает их взаимную подвижность. При таком образовании звеньев особое внимание должно обращаться на качество посадок запрессованных элементов цепи. В настоящее время промышленностью выпускаются втулочные цепи только одного шага 9,525 мм, предназначенные для привода газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания.
Втулочно-роликовые цепи отличаются от втулочных наличием ролика 4, который надевается на втулки и служит в основном для уменьшения износа втулок и зубьев звездочек.
В связи с отсутствием подвижного ролика, диаметр валика втулочной цепи несколько больше, чем у роликовой.
Втулочно-роликовые цепи делят на короткошаговые с геометрической характеристикой Л = — 2 и длиннозвенные Л = — 2 - цепи типа ПРД (рисунок 1.6).
Для всех шагов цепей существуют многорядные цепи типов 2ПР, ЗПР и 4ПР. Конструктивно они представляют собой параллельное соединение нескольких однорядных роликовых цепей типа ПР (рисунок 1.7).
Их составляют из двух, трех или четырех рядов, используя детали цепей соответствующего типа. В поперечном направлении ряды соединяют с помощью удлиненных валиков.
Многорядные цепи применяют в широком диапазоне скоростей и мощностей. Они работают при тех же частотах вращения, что и однорядные цепи аналогичного типоразмера, и позволяют уменьшить габаритные размеры передачи и снизить уровень шума, благодаря меньшему шагу. Однако при выборе цепи, рекомендуется, по возможности, применять цепь, с меньшим числом рядов. Такая рекомендация обусловлена необходимостью обеспечения высочайшей точности при монтаже передачи. При ее нарушении преимущества многорядной цепи исчезают.
Недостатками втулочных и втулочно-роликовых цепей является неравномерность увеличения шага по внутренним и наружным звеньям при износе в шарнирах, повышающая неравномерность хода передачи [127]. Цепи ПРИ с изогнутыми пластинами являются разновидностью втулочно-роликовых цепей, рисунок 1.8.
Они не имеют внутренних и наружных звеньев и состоят из подобных друг другу однотипных звеньев. Эти цепи, благодаря изогнутым пластинам, более упруги, и поэтому применяются в передачах с ударным характером работы.
Достоинством данной цепи является также равномерное увеличение ее шага по звеньям, что позволяет избежать разношаговости изношенной цепи.
Недостатком данной цепи является тот факт, что направление движения оказывает существенное влияние на ее износ.
Приводные зубчатые цепи по ГОСТ 13552-81 [7] рисунок 1.8 обеспечивают более плавную работу с меньшим шумом, чем роликовые цепи.
Они обеспечивают также высокую кинематическую точность передачи благодаря равномерному увеличению шага в процессе работы и обладают повышенной надежностью вследствие отсутствия роликов и втулок, а также благодаря тому, что разрыв одной пластины не приводит к разрыву всего звена. Зубчатая цепь с одним и тем же шагом может быть использована для передачи мощности в большом диапазоне, благодаря возможности изменения ширины цепи в больших пределах.
Зацепление цепи со звездочкой осуществляется зубьями пластин, набор которых образует две опорные поверхности. Угол наклона рабочих граней пластин цепи по ГОСТ 13552-68 принят равным 60, что определяет малую кинетическую энергию удара набора пластин цепи о зуб звездочки в момент вхождения их в зацепление.
Зубчатая цепь с шарнирами качения состоит из рабочих и направляющих пластин, соединенных между собой призмами. В рабочей пластине выполнено два фасонных отверстия для сегментных призм. Направляющая пластина не имеет среднего выреза и служит для предохранения цепи от соскальзывания со звездочки. Неподвижный и подвижный вкладыши имеют криволинейные поверхности одинакового радиуса. Для предотвращения демонтажа цепи на концы вкладышей напрессованы шайбы.
Зубчатые приводные цепи целесообразно применять в цепных передачах, с высокой кинематической точностью, повышенной плавностью и бесшумностью работы, а также в высокоскоростных передачах, при скоростях v 5 м/с и больших значениях передаваемой мощности. Использование таких цепей в сельскохозяйственном машиностроении нецелесообразно из-за высокой стоимости.
В связи с преобладающим влиянием абразивного загрязнения по сравнению с другими факторами, для уменьшения его влияния разрабатывались следующие конструкции цепей.
Втулочно-роликовая цепь была модифицирована простановкой полимерной пластмассовой втулки между парой трения в шарнире. При повороте звеньев трение происходит между полимером и сталью.
Преимущества таких цепных передач особенно проявляется при их работе в условиях повышенной влажности, например под водой, или на рисоуборочных комбайнах, т.к. полимерный материал втулки не подвержен коррозии. Работа данных цепей в условиях абразивного загрязнения при низкой влажности приводит к насыщению пластиковой втулки абразивными частицами (шаржированию), что влечет за собой быстрый износ поверхностей втулки и валика. При понижении температуры эксплуатации цепной передачи до отрицательных температур, поверхность полимерной втулки начинает интенсивно изнашиваться.
Выход из зацепления шарнира пластинчатой цепи
Схема выхода шарнира из зацепления с зубом ведомой звездочки показана на рисунке 2.14.
При выходе из зацепления с зубом ведущей звездочки, шарниры, прилегающие к холостой ветви цепи, располагаются на нерабочих задних поверхностях её зубьев. Цепь находится под натяжением холостой ветви Sx 63 При выходе шарнира из зацепления, его валик упирается в нерабочую заднюю поверхность зуба звездочки, в результате чего возникают реакции на действие силы Sx - сила N, перпендикулярная боковой поверхности зуба и сила S -направленная вдоль звена «В» (геометрическая сумма сил А и S равна силе Sx). В начале выхода из зацепления, проушины звена «А» и «5» контактируют с валиком в точках 2 и 2 соответственно (см. рисунок 2.16).
Валик цепи прижимается к проушинам звена «А» полным усилием натяжения рабочей ветви Sx и удерживается им до конца выхода из зацепления.
Ввиду наличия силы трения Sf, действующей в шарнире 1 и силы трения в зацеплении Nf, появляются моменты сил трения Мт и МТ].
Момент Мш является поворачивающим в шарнире 1, а момент Мп -тормозящим. Под действием этих моментов начинается поворот в шарнире. Причем скольжение происходит между валиком шарнира и проушинами звена «Б» (рисунок 2.15).
В результате, точка приложения силы S изменяет свое положение и перемещается из положения 2 в положение 3 (рисунок 2.15).
От начала и до конца входа в зацепление угол поворота звена «Б» постепенно увеличивается, а так как направление соседнего звена «С» остается неизменным, ввиду наличия силы трения Sxf, возникает момент силы трения МП2.
Под действием момента Мщ происходит поворот звена «А» относительно оси шарнира 2. В результате, сила Sx изменяет точку приложения, создавая уравновешивающий момент МТг на некотором переменном плече h.
Под действием моментов МП2 и Mj2 происходит поворот на незначительный угол в шарнире 2.
Запишем уравнения равновесия звена «В» цепи относительно координатных осей х и у, а также суммы моментов относительно точки А и из них определим неизвестные силы N, 5" и переменное плечо h.
На рисунке 2.16 показаны зависимости изменения усилий S и N, действующих на шарнир при выходе из зацепления. Зависимости построены для звездочки с количеством зубьев z = 14, углом заострения зуба р = 15, коэффициентом трения/ = 0,05, d = 8 мм, dj = 12 мм.
Анализ зависимостей, представленных на рисунке 2.16 показывает, что усилие 5" от максимального в начале зацепления 0,95 пропорционально уменьшается и достигает минимального равного 0,25Sx в конце зацепления. Усилие N от минимального в начале зацепления увеличивается до максимального, равного 0,635 в конце зацепления. Зависимости 5"и N имеют точку пересечения, соответствующую 7,5, то есть усилие S опережает N по углу от 25 до 7,5.
Сравнивая зависимости, представленные на рисунках 2.14 и 2.16, получим: усилие S при входе в зацепление превышает аналогичное усилие на выходе на 25 %; усилие N на выходе из зацепления превышает усилие на входе на 11 %. Из этого следует, что с точки зрения износа зубьев звездочки, более благоприятным является вход шарнира в зацепление, а с точки зрения износа в шарнирах, - выход.
На рисунке 2.17 представлены зависимости изменения моментов трения, действующих на шарнир 1 при выходе из зацепления.
Анализ зависимостей, представленных на рисунке 2.16, 2.17, показывает, показывает, что равенство Мш и МТ1 достигается при равенствеS и N.
То есть, при выходе из зацепления поворачивающий момент Мш опережает тормозящий MTt по углу от 25 до 7,5. В шарнире происходит скольжение трущихся поверхностей валика и проушин звена «В», и, как следствие, смещение точки их контакта из положения 2 в положение, 3 на 17,5 от первоначального положения (рисунок 2.18).
При достижении значения 7,5 величины S H N, МЩ И MTI становятся равны, и в дальнейшем, до конца входа в зацепление, величина S превышает N. В результате перераспределения сил, валик прижимается к проушинам звена «В», а скольжение под действием момента Мщ превышающего Мть происходит между валиком и проушинами звена «А». В результате, к окончанию входа в зацепление, точка контакта валика и звена «А» сместится из положения 2 в положение 5" на 7,5, по отношению к первоначальному положению (см. рисунок 2.18). Общий угол смещения трущихся поверхностей в шарнире соответствует углу между зубьями звездочки а — 25.
Положение точек контакта валика и звеньев цепи после схода со звездочки, (для звездочки с количеством зубьев z — 14, углом заострения зуба р = 15, коэффициентом трения/ = 0,05, d = 8 мм, d} = 12 мм) показано на рисунке 2.19.
При следующем входе в зацепление проушины будут контактировать с валиком цепи в точках 3 и 3 . При повторном взаимодействии цепи со звездочкой точки контакта будут смещаться на указанный угол в направлении вращения цепи. В результате износ валиков цепи будет носить круговой характер [96].
Методика проведения сравнительных лабораторных испытаний цепей на долговечность
Весь комплекс экспериментов проводился в лаборатории кафедры Надежности и ремонта машин ФГОУ ВПО АЧГАА.
Для сравнительных испытаний на долговечность двух цепей нами была спроектирована и построена лабораторная установка. В соответствии с рекомендациями авторов [11, 21, 34, 100, 115, 124] нами была принята схема лабораторной установки, работающая по принципу замкнутого силового потока, как наиболее экономичная. Установка предназначена для одновременного испытания двух, трех или четырех цепных передач, включенных в замкнутый силовой контур. Её кинематическая схема представлена на рисунке 3.2.
Установка состоит из: электродвигателя, клиноременной передачи, быстроходного и тихоходного валов. Указанные узлы смонтированы на двухуровневой станине. На верхней плите станины находятся тихоходный и быстроходный валы, вращающиеся в опорах самоустанавливающихся радиальных подшипников (Рисунок 3.3).
Опоры тихоходного вала закреплены неподвижно, а опоры быстроходного вала могут совершать перемещения в направляющих верхней плиты. Наличие направляющих позволяет испытывать цепные передачи с различным межосевым расстоянием, а также добиваться параллельности валов при монтаже передач.
На краях валов располагаются четыре звездочки. На левых краях валов расположены однорядные звездочки, а на правых - двухрядные. Такое конструктивное решение позволяет монтировать на двухвенцовых звездочках две однорядные цепи, либо одну двухрядную цепь или же одну пластинчатую экспериментальную цепь.
Для обеспечения требуемого натяжения ветвей в цепных передачах, на тихоходном валу находится нагружающее устройство. Для этого вал выполнен разъемным. Он состоит из двух половин, оканчивающихся полумуфтами. Правая часть вала жестко связана с полумуфтой, а на левой его части полумуфта закреплена подвижно и может совершать радиальный поворот. Она связана с валом через нагружающую пружину. Для соединения полумуфт в любом положении, после создания требуемого натяжения ведущей ветви, они имеют разное число отверстий. В левой полумуфте выполнено 12, а в правой 14 отверстий диаметром 10 мм. После создания требуемого натяжения полумуфты соединяются двумя болтами. Таким способом всегда достигается совпадение двух отверстий при любом угле закручивания пружины.
Привод установки осуществляется трехфазным асинхронным электродвигателем мощностью 1,1 КВт с частотой вращения я-1000 мин"1. На валу электродвигателя и быстроходном валу установки расположены трехручьевые шкивы клиноременнои передачи, позволяющие ступенчато изменять частоту вращения в пределах от 350 мин"1 до 850 мин"1 и выбирать наиболее распространенные величины частот вращения валов. Электродвигатель приводится в работу магнитным пускателем с тепловой защитой на три фазы. Станина установки подсоединена к нулевому проводу электрической трехфазной сети.
Для обеспечения безопасности при проведении испытаний цепные передачи закрыты кожухами.
Для проведения сравнительных испытаний нами был изготовлен образец макетной цепи шага 19,05 мм, состоящий из 40 звеньев. В качестве пластин были использованы пластины из внутренних звеньев стандартной втулочно-роликовой цепи рисунок 3.4.
Сборка цепи (см. рисунок 3.4) производилась следующим образом. На концы валиков 2, имеющих ступенчатую форму, поочередно нанизывались по шесть пластин /, относящиеся к разным звеньям. На концы валиков, имеющими меньший диаметр, нанизывались втулки 3. Для фиксации пластин и предотвращения самопроизвольного демонтажа, концы валиков расклепывались.
Износные характеристики цепей
После проведения сравнительных износных испытаний пластинчатая и серийная цепи были разобраны на детали. Для этого на абразивном круге срезались расклепанные края валиков и затем валики выбивались из шарниров цепей выколотками соответствующего диаметра.
Изношенные валики пластинчатой цепи показаны на рисунке 4.4.
Из рисунка 4.3 видно, что валики цепи имеют износ на внешней цилиндрической поверхности. Данная поверхность валика, находящаяся в шарнире, за счет постоянного смещения поверхностей валика и проушин отполирована до зеркального блеска. Местами, на внешней цилиндрической поверхности валика, наблюдаются задиры. Их появление можно объяснить низким классом шероховатости поверхностей проушин. Для сборки цепи применялись пластины внутренних звеньев роликовой цепи шага 19,05 мм. Поверхность проушин данных пластин могла получить повреждения при демонтаже запрессованных втулок. Однако, задиры не оказывают влияния на увеличение удлинения цепи At, поскольку их распределение носит местный характер.
Доказательством относительного скольжения поверхностей валика и проушин в шарнирах цепи может служить круговой износ внешней цилиндрической части валика. Для доказательства кругового износа валиков нами были проведены замеры диаметров всех валиков в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. На рисунке 4.4 представлен график, выражающий изменения диаметров валиков пластинчатой цепи, при проведении измерений в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях.
Для анализа характера полученных износов нами была взята разница между величинами диаметров в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, для каждого валика
На рисунке 4.5 представлен график разности измерений диаметров валиков пластинчатой цепи, в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях.
Полученная разница между измерениями диаметров составляет 0,012 мм, что по отношению к среднему диаметру валиков пластинчатой цепи dcp= 8,403 мм, составляет 0,06%, в связи с чем, износ валиков пластинчатой цепи можно считать круговым.
Данные измерений диаметров валиков в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях были усреднены. Затем по формуле (2.18) были вычислены износы валиков.
На рисунке 4.6 представлен график износов валиков пластинчатой цепи.
Данные износов валиков пластинчатой цепи обрабатывались по методике, представленной в главе 3.
На рисунке 4.7 представлена гистограмма распределения износов валиков пластинчатой цепи.
Получены следующие результаты: среднее значение износа ИСр — 0,0765 мм; среднее квадратичное отклонение а = 0,012 мм; коэффициент вариации У= 0,40.
На рисунке 4.8 показаны изношенные валики втулочно-роликовой цепи.
Из рисунка видно, что износ валиков 7 и 2 носит односторонний характер. Причем большинство валиков роликовой цепи изнашиваются неравномерно по длине. На рисунке 4.8 показан валик 2, у которого износ смещен в сторону одной из образующих звено пластин. Это негативное явление при увеличении шага цепи всего на 1-2 % от номинального, может привести к протиранию слоя поверхностной цементации валика и дальнейшему его катастрофическому износу. Данное явление можно объяснить неточностью монтажа звездочек передачи, а также конструктивными особенностями самой втулочно-роликовой цепи, в которой может наблюдаться перекос валиков относительно втулок при поперечных колебаниях ветви, в малой степени зависящих от точности монтажа элементов цепного контура передачи. На рисунке 4.9 представлены измерения диаметров валиков роликовой цепи.
Данные износов валиков роликовой цепи обрабатывались по методике, представленной в главе 3.
На рисунке 4.11 представлена гистограмма распределения износов валиков роликовой цепи.
Получены следующие результаты: среднее значение износа ИСр — 0,1725 мм; среднее квадратичное отклонение а = 0,027 мм; коэффициент вариации Г=0,37.
На рисунке 4.12 представлены износы валиков пластинчатой и роликовой цепей.
Износы валиков роликовой цепи превышают износы валиков пластинчатой цепи в 4,5 раза.
В главе 2 нами было получено теоретическое соотношение износов валиков 6,28 (см. формулу (2.30)). Отклонение опытной величины от теоретической составляет 28 %. Полученное отклонение можно объяснить тем, что при работе цепных передач в контуре в первые 50 часов, происходит приработка трущихся поверхностей валиков и проушин. В результате этого процесса, в шарнирах появляется металлическая пыль, которая выступает в роли абразива. Наличие абразива изменяет коэффициенты трения и картину силового взаимодействия.
Абразив из шарниров пластинчатой цепи может быть удален при использовании разработанной системы смазки (см. главу 2).
