Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Особенности конструкции и применения карданных шарниров в сельскохозяйственной технике и их эксплуатационная надежность 10
1.2 Характеристика основных мероприятий повышения долговечности карданных шарниров 15
1.2.1 Конструктивно-технологические способы 15
1.2.2 Способы технического обслуживания и ремонта в эксплуатации 20
1.2.3 Обоснование рационального способа ремонта и технического обслуживания карданного шарнира 24
1.3 Методы и средства оценки долговечности карданных шарниров 26
1.4 Выводы 32
1.5 Цель работы и задачи исследований 33
Глава 2 Разработка конструкции карданного шарнира и способа его технического обслуживания 34
2.1 Анализ недостатков существующих конструкций карданных шарниров и способов технического обслуживания 34
2.2 Карданный шарнир и способ его технического обслуживания 36
2.3 Обоснование конструктивных параметров карданного шарнира 39
2.4 Выводы 43
Глава 3 Теоретическое обоснование повышения долговечности карданных шарниров путем замены рабочих поверхностей подшипниковых узлов 44
3.1 Повышение долговечности способом замены рабочих поверхностей подшипниковых узлов 44
3.2 Обоснование конструктивно-технологических параметров соединения шип крестовины - втулка и определение силовых параметров 48
3.3 Определение угла поворота втулки и подшипника при техническом обслуживании в эксплуатации 51
3.4 Обоснование периодичности замены рабочих поверхностей подшипниковых узлов при техническом обслуживании 53
3.5 Выводы 55
4 Программа и методика экспериментальных исследований 56
4.1 Программа экспериментальных исследований 56
4.2 Методика статических исследований 56
4.2.1 Лабораторные статические исследования работоспособно сти соединения шип крестовины - втулка 57
4.2.1.1 Экспериментальное определение усилия, необходимого для напрессовки втулок 57
4.2.1.2 Экспериментальное определение момента поворота втул ок . 59
4.2.1.3 Исследование конструктивных параметров соединения шип крестовины - втулка 60
4.2.2 Лабораторные испытания конструкции карданного шарни ра на долговечность 61
4.2.2.1 Разработка стенда для испытаний 61
4.2.2.2 Выбор измерительных средств и определение методик измерения параметров 65
4.2.2.3 Методика ресурсных испытаний карданных шарниров 74
4.2.2.3.1 Выбор режимов нагружения 74
4.2.2.3.2 Определение продолжительности стендовых испытаний 76
4.2.3 Прогнозирование ресурса карданных шарниров при эксплуатационных режимах 78
4.2.4 Анализ износов элементов карданных шарниров 79
4.3 Выводы 81
Глава 5 Результаты экспериментальных исследований 82
5.1 Результаты статических исследований работоспособности соединения шип крестовины - втулка 82
5.1.1 Определение усилия напрессовки втулок 82
5.1.2 Определение момента поворота втулок 83
5.1.3 Обработка результатов статического эксперимента 84
5.2 Результаты исследования долговечности карданного шарнира и способа замены рабочих поверхностей его подшипниковых узлов 89
5.3 Результаты прогнозирования наработки на отказ карданных шарниров методом статистических испытаний в условиях эксплуатации 94
5.4 Результаты анализа износов элементов карданных шарниров 95
5.4.1 Анализ износа цилиндрических поверхностей шипов крестовин 96
5.4.2 Анализ износов игольчатых подшипников 97
5.4.3 Анализ износов иголок по уменьшению их массы 99
5.4.4 Анализ износов крестовин по торцам шипов 100
5.5 Выводы 103
Глава 6 Производственная проверка и технико-экономическая оценка разработок 104
6.1 Технологический процесс восстановления крестовин карданных шарниров и его внедрение 104
6.2 Технико-экономическая оценка эффективности опытного карданного шарнира и способа замены рабочих поверхностей подшипниковых узлов 109
6.3 Выводы Ill
Общие выводы и основные результаты работы 112
Библиографический список использованной литературы
- Особенности конструкции и применения карданных шарниров в сельскохозяйственной технике и их эксплуатационная надежность
- Анализ недостатков существующих конструкций карданных шарниров и способов технического обслуживания
- Повышение долговечности способом замены рабочих поверхностей подшипниковых узлов
- Программа экспериментальных исследований
Введение к работе
В развитии научно-технического прогресса в механизации сельского хозяйства огромную роль играет улучшение использования машинно-тракторного парка. Эффективное использование тракторов, автомобилей, комбайнов и других сельскохозяйственных машин путем повышения их надежности позволит увеличить их производительность [1].
Каждый сборочный узел сельскохозяйственных машин предназначен для выполнения определенных функций. Они определяются в строгом соответствии с заданной конструктором целью при создании этого узла и машины в целом. Нарушение в функционировании узла приводит к ухудшению работы рассматриваемого объекта. Результат функционирования объекта оценивается с помощью характеристики качества, называемой эффективностью. В качестве эффективности может служить мера, количественно оценивающая качество выполнения задач, то есть полезность функционирования системы при определенных условиях в ходе их выполнения. Эффективность - это степень соответствия (фактического) результата работы требуемому (ожидаемому), то есть степень достижения цели функционирования. Эффективность - это свойство действия давать результат [2].
Долговечность отечественных сельскохозяйственных машин (нередко до 7 — 10 ч на отказ) - основная проблема отечественного сельскохозяйственного машиностроения. Обеспечение работоспособности техники сводится, в основном, к замене старых деталей новыми, что приводит к повышенным издержкам на ремонт и снижению эффективности ее использования. Затраты на ремонт, сократившегося почти в 2 раза парка машин, остаются на уровне 37 ... 40 млрд. руб. и практически равны затратам на ремонт прежнего (1990 г) парка машин. Основой повышения работоспособности и надежности отремонтированной техники является повышение качества ремонта узлов и агрегатов машин на базе новых технологий и оборудования для ремонта, обеспечивающих по-
вышение ресурса отремонтированных узлов и агрегатов до 100 % уровня ресурса новых [3].
В трансмиссиях сельскохозяйственной техники широко применяются карданные передачи с шарнирами неравных угловых скоростей на подшипниках качения. Опыт эксплуатации сельскохозяйственной техники показал, что карданные шарниры являются узлами, лимитирующими надежность трансмиссии. Надежность карданных шарниров непрерывно увеличивалась и в настоящее время достигла достаточно высокого уровня. Основными методами повышения надежности остаются конструктивные и технологические. Основными недостатками существующих карданных шарниров остаются их неприспособленность к техническому обслуживанию и низкая ремонтопригодность из-за неполного использования ресурса, заложенного в подшипниковых узлах карданных шарниров.
Целью настоящей работы является повышение долговечности карданных шарниров сельскохозяйственной техники при ремонте и эксплуатации.
В работе использованы экспериментальные методы сопротивления материалов, методы ресурсных испытаний, теория планирования эксперимента, математическая статистика и регрессионный анализ. Расчеты выполнены с применением ЭВМ.
В результате выполнения работы получены следующие новые результаты:
Предложен способ повышения долговечности карданных шарниров, путем замены рабочих поверхностей подшипниковых узлов в 1,7 раза.
Разработаны конструкции карданных шарниров, позволяющие реализовать способ замены рабочих поверхностей подшипниковых узлов при техническом обслуживании (П. №№ 2232309, 2238446).
Разработана методика статических испытаний и оптимизации конструктивно-технологических параметров соединения шип крестовины - втулка карданных шарниров.
Проведен анализ износов карданных шарниров и выявлен теоретический закон распределения. А так же установлено количество шарниров нуждающихся в восстановлении.
Разработан технологический процесс ремонта крестовин карданных шарниров постановкой ремонтных втулок.
На защиту выносятся:
способ повышения долговечности карданных шарниров сельскохозяйственной техники путем замены рабочих поверхностей подшипниковых узлов при ремонте и техническом обслуживании;
теоретические и экспериментальные результаты исследования влияния диаметра соединения шип крестовины — втулка и натяга на работоспособность соединения;
результаты стендовых испытаний с учетом влияния мероприятий ремонта и технического обслуживания;
результаты производственной проверки и технико-экономической оценки способа повышения долговечности.
Основные положения и результаты исследований рассмотрены и одобрены на: четырех научно-технических конференциях БелГСХА с 2003 по 2005 гг., докладах на заседаниях кафедры тракторов, автомобилей, эксплуатации и ремонта сельскохозяйственной техники, конференции в Воронежском государственном аграрном университете и Брянской государственной сельскохозяйственной академии. Материалы работы были представлены также на областном конкурсе научных молодежных работ «Молодость Белгородчины» (г. Белгород, 2003 г) и конкурсе научных молодежных работ Российской академии наук. Опытные образцы усовершенствованных карданных шарниров, а также испытательный стенд были представлены на выставке Белгородской Торгово-промышленной палаты «Белэкспоцентр».
Особенности конструкции и применения карданных шарниров в сельскохозяйственной технике и их эксплуатационная надежность
В сельскохозяйственном машиностроении карданные передачи широко применяются для передачи крутящего момента от одного вала к другому, расположенному в пространстве под углом 15-25 [4]. Карданная передача отличается компактностью, малыми габаритами, небольшой массой, высоким КПД, легкостью монтажа и демонтажа, простотой обслуживания и эксплуатации.
Если обратить внимание на особенности конструкций сельскохозяйственных машин, их назначение и выполняемые ими операции, станет видно, что карданные передачи применяются не только для привода движителей, но и для передачи крутящего момента различным узлам и агрегатам сельскохозяйственных машин. Карданные передачи находят применение в самых разнообразных механизмах: автомобилях, тракторах, комбайнах и сельскохозяйственным машинах.
Следует остановиться на конструкциях карданных передач. Карданная передача представляет собой систему валов с пересекающимися осями, соединенных посредством шарниров Гука; при этом углы между валами могут изменяться в процессе работы передачи [5]. В сельскохозяйственных машинах применяется так называемый жесткий шарнир (кардан), допускающий только угловое смещение валов при передаче крутящего момента без осевого перемещения их внутри шарнира. Возможность значительного осевого перемещения валов карданных передач сельскохозяйственных машин при передвижении по неровному полю и при поворотах обеспечивается телескопическим устройством.
Стандартные шарниры имеют крестовины, устанавливаемые на игольчатых подшипниках с уплотнением цапф и фиксации подшипников в отверстиях вилок стопорными кольцами или стопорными крышками (рисунок 1.1). Для передач малой мощности (до 5 л.с. при п=525 мин ) допускается применение шарниров с крестовинами на стальных подшипниках скольжения. Для предотвращения аварийных ситуаций карданные передачи снабжаются предохранительными муфтами и защитными кожухами. Применение карданных шарниров в сельскохозяйственных машинах представлено в таблице 1.1.
Анализ таблицы 1.1 показывает, что в сельскохозяйственных машинах применяются, в основном, пять основных типоразмеров карданных шарниров. Диапазон передаваемого шарнирами крутящего момента при частоте вращения 535 мин"1 составляет 50 ... 1000 Нм. В некоторых сельскохозяйственных машинах может использоваться до 16 карданных шарниров. Чаще всего в сельскохозяйственных машинах применяются карданные шарниры четвертого типоразмера (по ОСТ 37.001.068-76) или КШ 400, игольчатыми подшипниками 804704.
В карданной передаче узлом, ограничивающим ее надежность, является карданный шарнир. Надежность карданного шарнира, в свою очередь, ограничена надежностью его подшипниковых узлов. Как указывается в работе A.M. Сигаева [6], работа игольчатых подшипников карданного шарнира в сравнении с другими подшипниковыми узлами имеет ряд особенностей, существенно влияющих на их долговечность. К таковым следует отнести ра боту их в режиме качательного движения, отсутствие внутренней обоймы подшипника, роль которой выполняет шип крестовины, непроточность системы смазки и т.д.
Как отмечается в работах [7, 8, 9, 10, 11, 12] основными причинами выхода из строя игольчатых подшипников является одностороннее восприятие нагрузки поверхностями шипов и стаканов, а также небольшим количеством иголок. Нерабочие поверхности подшипниковых узлов практически не изнашиваются. Во время работы ролики перекатываются по небольшой (3...70) дуге окружности шипа при значительных радиальных нагрузках. В результате такого перекатывания ролик выдавливает смазку из зоны контакта, что приводит к образованию канавки и увеличению скорости износа. Такой процесс износа типичен для автомобильных шарниров и носит название бринеллирование. Характерный вид изнашивания карданных шарниров тракторов — усталостное выкрашивание (рисунок 1.2). Вследствие отсутствия сепаратора в игольчатом подшипнике и наличия радиального зазора происходит перекос шипа в стакане и наклон иголок (до 6 к образующей шипа), возникает трение между торцом шипа и дном стакана, что ухудшает работу подшипника и увеличивает скорость износа. После нарушения геометрии соединения «шип - подшипник» по вышеуказанным причинам, происходит нарушение нормальной работы уплотнений и возникает возможность попадания в подшипник абразивных частиц. Непроточность системы смазки шарнира приводит к закоксовыванию смазочных каналов.
Карданная передача, широко применяющаяся в конструкциях машин, имеет, как правило, недостаточный ресурс и лимитирует ресурс всей трансмиссии, при чем отказ передачи возникает в результате разрушения деталей шарнира [7]. Как считает Ф.Н. Тавлыбаев, срок службы карданных валов автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин и оборудования, в основном, (80...90% случаев) ограничивается нарушением работоспособности шарниров.
Анализ недостатков существующих конструкций карданных шарниров и способов технического обслуживания
Известен карданный шарнир, который выполнен с разборными проушинами вилок, полости которых имеют форму многогранников с четным числом граней, и расположены так, что съемная часть имеет на две грани меньше, чем оставшаяся, наружная поверхность игольчатого подшипника сопряжена с полостями проушин [18]. Наличие разборных проушин дает возможность проворачивать игольчатый подшипник относительно оси шипа, тем самым обеспечивать введение в рабочую зону двух (корпус подшипника, игольчатые ролики) из трех неизношенных элементов.
Недостатком данной конструкции является невозможность введения в рабочую зону неизношенной поверхности шипа крестовины карданного шарнира.
Существует карданный шарнир, содержащий наружную и внутреннюю обоймы, игольчатый подшипник качения, и конический шип крестовины [21]. При этом наружная обойма подшипника выполнена в виде массивного стакана, а внутренняя обойма - в виде втулки с цилиндрической наружной поверхностью, образующей беговую дорожку подшипника, и с коническим отверстием, которым она сопряжена с шипом на неподвижной посадке. Для восприятия осевых усилий торцами внутренней и днищем наружной обойм, внутренняя обойма выполнена удлиненной, а для улучшения герметизации рабочей полости подшипника наружная обойма снабжена уплотнением.
Существенным недостатком этого шарнира является неравномерный износ поверхностей качения, связанный с ограниченной зоной изнашивания в подшипниковом узле карданного шарнира.
Известен карданный шарнир [22], содержащий крестовину, состоящую из двух взаимозаменяемых полукрестовин, каждая из которых выполнена с двумя противонаправленными шипами, с размещенным на ее основании П - образным пазом, ось которого перпендикулярна оси шипов. Его днище расположено в плоскости, проходящей через ось шипов, и смазочными канавками, причем для повышения долговечности путем повышения жесткости соединения полукрестовины выполнены со скосами, расположенными в плоскостях, линия пересечения которых совпадает с осью, перпендикулярной плоскости осей шипов, и лысками, расположенными в двух параллельных между собой плоскостях, перпендикулярных днищу паза и параллельных оси шипов, а ширина П - образного паза меньше диаметра основания. К тому же ось смазочной канавки перпендикулярна оси шипов и расположена в середине паза.
Недостатком данной конструкции является невозможность замены изношенных поверхностей шипов без разборки шарнира, а также невозможность замены только одного шипа.
Известен карданный шарнир [23], крестовина которого содержит четыре пальца, каждый из которых выполнен в виде шипа, причем внутренние концы пальцев непосредственно соединены друг с другом замковыми соединениями типа ласточкина хвоста и зафиксированы посредством прямоугольной распорной вставки, установленной с возможностью сопряжения с опорным торцом каждого из внутренних концов. Известен карданный шарнир [20], состоящий из двух вилок, подшипников и крестовины, причем крестовина выполнена разборной. Крестовина данного шарнира состоит из двух чашек, между которыми с помощью болта зажаты четыре шипа. Одна половина шипа гладкая и расположена в подшипнике, а другая - рифленая и жестко зафиксирована чашками и болтом. Данное соединение можно демонтировать удалением болта, в этом случае изношенные подшипники и шипы могут быть заменены.
К недостаткам этих шарниров относится невозможность смены рабочих поверхностей шипов без разборки шарнира, недостаточная жесткость крестовины и высокая трудоемкость технического обслуживания.
Известен способ технического обслуживания карданных шарниров [6], заключающийся в их разборке, восстановлении технического ресурса путем разворота крестовины вокруг ее центральной оси на угол, соответствующий углу между соседними шипами, и поворотом карданных подшипников на 180 вокруг их центральной оси, а также в том, что производят разворот крестовины вокруг ее центральной оси на угол 90, и последующей сборке.
Существенными недостатками способа являются: нарушение технического состояния подшипникового узла (шип - игольчатые ролики - стакан), одновременное воздействие на все подшипниковые узлы и высокая трудоемкость работ по техническому обслуживанию.
Повышение долговечности способом замены рабочих поверхностей подшипниковых узлов
Существует достаточно много различных зависимостей, описывающих долговечность карданных шарниров. Так, например, для расчета карданных шарниров в автомобильной промышленности применяется зависимость, описанная в [78]: Lh0 = А ( C-(H-Lw))m Ткш (3.1) где: Lw - расчетная долговечность, ч;А- коэффициент приведения размерностей; С — динамическая грузоподъемность, Н; Н - высота крестовины по шипам, м; / - рабочая длина игл подшипника, см; /? - угол излома карданного шарнира, град; п - частота вращения, мин"1; Ткш - крутящий момент, Н-м.
В приведенной зависимости не учитывается влияние начального радиального зазора в подшипниковом узле, так как при повышенном начальном зазоре происходит более интенсивное изнашивание [11]. Далее, в формуле (3.1) не учитывается динамическое изменение угла излома. Показатель степени 3,33 характеризует тип контакта тел качения (в случае роликового подшипника - линейный), однако, в работах [10, 12] отмечается, что в подшипниковом узле происходит перекос шипа и роликов, вследствие чего контакт между шипом и роликом - нелинейный.
Известна формула [79], учитывающая вышеприведенные замечания: 4Г498 (3.2) . 2Д-106 (C\H-LW)Y65 _o, /20= n rr кш J n-p- Kg где: Kp - коэффициент, учитывающий динамику изменения угла излома в карданном шарнире; Ан - начальный радиальный зазор в подшипниковом узле шарнира, мкм.
В уравнении (3.2) показатель степени 3,165 занимает промежуточное положение между 3,0 и 3,33 для точечного и линейного контакта дорожек и тел качения, что свидетельствует о перекосе игольчатых роликов в подшипнике.
Для оценки долговечности карданных шарниров в сельскохозяйственных машинах используется формула [80]: /,5-/ (C-(H-LW))3 Lh0 — — — а]-сі2-аз (3.3) где: Kd - коэффициент динамичности; а\ - коэффициент надежности, учитывающий заданный уровень (степень) надежности; ( - коэффициент материала деталей подшипников, учитывающий его структуру, чистоту, в отношении неметаллических включений и твердость; аз — коэффициент, учитывающий условия эксплуатации. Коэффициент динамичности: If max ер rf= V (3-4) где: Mmax Cp — средняя величина максимальных значений крутящего момента, Нм; Мср - средний длительно действующий момент, Нм.
При отсутствии данных нагруженности Kj выбирают из справочных таблиц, приведенных в [62]. Коэффициент надежности при уровне надежности S = 0,91...0,99: a,= П8 s k (3.5) {lg 0,9) где: к - параметр формы кривой распределения Вейбулла, для линейного контакта к = 1,5.
Коэффициент материала деталей подшипников, учитывающий его структуру, чистоту и твердость принимают равным для стали ШХ-15 - 1, для стали 20Х - 0,8.
Что касается коэффициента, учитывающего условия эксплуатации, то для сельскохозяйственных машин принимают аз = 0,33. Из этого можно сделать вывод, что условия эксплуатации сельскохозяйственных машин оказывают значительное влияние на долговечность карданных передач.
Рассмотрим теоретические аспекты повышения долговечности методом замены рабочих поверхностей подшипниковых узлов. Обозначим через Lhz суммарный ресурс карданного шарнира. Определим суммарный ресурс для трех случаев: 1) серийного шарнира; 2) способа поворота крестовины, подшипников и замены смазки; 3) ремонтопригодного шарнира с поворотными втулками. Для серийного карданного шарнира суммарный ресурс будет равен: Lhi;=LhO, (3.6)
Применительно для способа увеличения долговечности при ремонте путем восстановления крестовины и техническом обслуживании за счет замены рабочих поверхностей подшипниковых узлов и смены смазки, суммарную долговечность можно представить в виде: 1Е=Ьт-(\ + кХ), (3.7) где к] - коэффициент увеличения долговечности за счет ремонта (восстановления) или технического обслуживания (поворота крестовины).
Программа экспериментальных исследований
Программа экспериментальных исследований долговечности карданных шарниров включает изучение следующих вопросов: 1. Оптимизация конструктивно-технологических параметров разработанного карданного шарнира. 2. Разработка и испытание стендового оборудования для оценки ресурса карданных шарниров. 3. Экспериментальная оценка ресурса разработанного карданного шарнира посредством стендовых испытаний. 4. Прогнозирование ресурса карданных шарниров при эксплуатационных режимах. 5. Анализ износов элементов карданных шарниров в эксплуатации.
Для создания опытных образцов карданных шарниров было проведено аналитическое обоснование основных конструктивных параметров, обеспечивающее их работоспособность. Результаты обоснования приведены в приложении Б. В качестве базовой конструкции принят шарнир КШ 400 с подшипниками № 804704. Крестовина и втулки, показаны на рисунке 4.1.
Методика экспериментальных исследований включает статические исследования карданного шарнира, испытания на долговечность, прогнозирование ресурса карданных шарниров при эксплуатационных режимах и анализ износов элементов карданных шарниров в эксплуатации.
Методика статических исследований предлагаемого карданного шарнира включает экспериментальное определение усилия напрессовки, необходимого для сборки и экспериментальное определение момента, необходимого для поворота втулок на шипах.
Для экспериментального определения усилия, необходимого для напрессовки втулок на шипы, а также зависимости этого усилия от диаметра соединения была использована машина Р - 5 по ГОСТ 7855-84.
Механический привод машины позволяет напрессовывать втулки на шипы, при чем имеется возможность регулирования скорости хода. Стрелочный измеритель показывает фактическое усилие, возникающее в процессе
Эксперимент проводился следующим образом. С помощью маятникового нагружателя устанавливали необходимый диапазон измерения усилия (2 ... 10 кН). В упорные поверхности машины помещали подготовленные крестовину и втулку. Далее, отсчетное устройство сбрасывается на ""0" и сообщается перемещение активному захвату машины. В процессе напрессовки контролируются показания силоизмерителя, отсчетного устройства и диаграммного аппарата. Окончание напрессовки фиксируется по показаниям отсчетного устройства и резкому возрастанию усилия на диаграммном аппарате. Аналогичным образом производится напрессовка остальных втулок. Собранные крестовины показаны на рисунке 4.3. Рисунок 4.3 - Крестовина с напрессованными втулками 4.2.1.2 Экспериментальное определение момента поворота втулок
Для экспериментального определения момента поворота использовалась машина КМ - 50 - 1, предназначенная для испытания образцов из металла на кручение.
Для того, что бы использовать машину для измерения момента поворота, ее снабдили дополнительными приспособлениями. В нижний захват машины установили приспособление, позволяющее жестко зафиксировать крестовину в вертикальном положении, а в верхний захват установили шестигранный ключ, который можно совмещать с отверстием во втулке.
Привод машины позволяет поворачивать нижний захват вокруг вертикальной оси. Крутящий момент фиксируется по показаниям стрелочного мо-ментоизмерителя. Угол закручивания контролируется с помощью угломера. Диаграммный аппарат позволяет получать зависимость между моментом поворота и углом закручивания (рисунок 4.4).
