CC BY
10УДК 69.057.4:625.089.11 ГРНТИ 55.51.01
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДЪЕМНЫХ МЕХАНИЗМОВ СРЕДСТВ НАЗЕМНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИХ ИЗНОСА
Г.И. ТРИФОНОВ
ВУНЦВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и ЮА. Гагарина» (г. Воронеж)
С.Ю. ЖАЧКИН, доктор технических наук, профессор
ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и ЮА. Гагарина» (г. Воронеж)
С.В. ЛАЗАРЕВ, кандидат технических наук, доцент
ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и ЮА. Гагарина» (г. Воронеж)
В статье проведен анализ существующих механических передач, используемых в подъемных механизмах средств наземного обслуживания. На основе проведенной аналитической работы смоделирована новая конструкция домкрата винтового телескопического. Кроме того, разработана система уравнений для прогнозирования износа у сложнопрофильных поверхностей деталей подъемных механизмов.
Ключевые слова: подъемный механизм, домкрат, передача, поверхность, износ, прогнозирование, оценка.
LIFTING MECHANISMS INVESTIGATION OF GROUND SERVICE EQUIPMENT FOR GENERAL USE AND FORECASTING THEIR WEAR
G.I. TRIFONOV
MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh) S.YU. ZHACHKIN, Doctor of Technical Sciences, Professor MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh) S.V. LAZAREV, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)
The article analyzes the existing mechanical transmissions used in the ground service equipment lifting mechanisms. On the basis of the analytical work, a new construction of a screw telescopic jack has been simulated. In addition, a system of equations has been developed for predicting wear in the composite surfaces of parts of lifting mechanisms.
Keywords: lifting mechanism, jack, transmission, surface, wear, forecasting, assessment.
Введение. В связи с интенсивным развитием авиационной техники, а также реконструкцией и строительством аэродромов происходит широкое использование наземного специального оборудования. В современных условиях особое значение приобретает повышение эффективности применения всего комплекса средств аэродромно-технического обеспечения полётов [1]. При этом важную роль играет надёжность и экономичность подъемных механизмов, а именно домкратов, в процессе эксплуатации наземной техники.
Домкраты нашли свое применение в различных областях технического обслуживания. В вооруженных силах Российской Федерации домкраты используются, например, в строительстве для передвижения и поднятия крупных блоков и отдельных деталей сооружения. Также они необходимы для осуществления ремонтных работ военной техники, которая обеспечивает полеты в авиационных соединениях и частях. Нивелировка вертолетов, запуск ракеты со специальной подвижной установки, технический осмотр военной техники, движение механизмов балок для
w и
сброса неуправляемых бомб - все эти направления военной деятельности невозможны без применения различных конструкций домкратов.
Актуальность. На сегодняшний день одной из актуальных задач по повышению надежности и эффективности использования подъемных механизмов является конструктивное усовершенствование механической части. Для осуществления данной задачи необходимо провести аналитический обзор существующих механических передач с выявлением их положительных характеристик и недостатков, и на основе полученных данных смоделировать усовершенствованную конструкцию подъемного механизма. При этом стоит учитывать степень износа рабочих механизмов в каждом из видом передач, поэтому также необходимо разработать расчетные уравнения по прогнозированию величины износа поверхности детали.
В статье рассмотрены существующие механические передачи, используемые в подъемных механизмах (домкратах). Проанализированы их положительные характеристики и существенные недостатки. На основе проведенного анализа разработана усовершенствованная конструкция домкрата винтового телескопического. Также смоделирована система уравнений по прогнозированию величины износа у сложнопрофильных поверхностей деталей.
Теоретическая часть и исследования.
Рассмотрим основные механические передачи, используемые в винтовых подъемных механизмах.
В винтовом домкрате используется шариковинтовая передача (рисунок 1).
Рисунок 1 - Шариковинтовая передача
Между гайкой и винтом установлены шарики, которые движутся по замкнутой траектории, возвращаясь при этом в исходное положение, и не выходят за пределы гайки [2]. Профиль канавки конструируется специальным модифицированным для реализации определенной цели. На рисунке 2(а) - полукруглый профиль, 2(б) -прямолинейный профиль, 2(в) - комбинированный профиль.
Рисунок 2 - Профили винта и гайки шариковинтовой передачи
Достоинства шариковинтовой передачи следующие: малые потери при трении, высокое быстродействие, плавный ход и т.д. К главным недостаткам можно отнести: сложность конструкции гайки, высокую стоимость, низкая ремонтоспособность.
ы
и
Также в винтовых домкратах используется роликовинтовая передача. На рисунке 3 показана конструкция планетарного роликовинтового механизма.
Рисунок 3 - Роликовинтовая передача
Составляющие данного механизма: винт, гайка, ролики, сепараторы, зубчатые колеса, втулки. При вращении винта гайка поступательно перемещается вдоль его оси, а ролики совершают планетарное движение. Все ролики вместе с сепараторами вращаются вокруг оси винта. При этом в некоторых конструкциях ведущим звеном является вращающаяся гайка, а винт, зафиксированный от вращения, совершает поступательное движение [3].
Достоинства роликовинтовой передачи высокая грузоподъемность, долгий срок службы, надежность, высокая повторяемость позиционирования и т.д. К главным недостаткам можно отнести: сложность конструкции, низкая ремонтоспособность, износ зубчатых передач без возможности восстановления.
И, наконец, рассмотрим классическую передачу винт-гайка (рисунок 4).
Рисунок 4 - Передача винт-гайка
Главными преимуществами этой передачи, по сравнению с другими механизмами, является простота конструкции, высокая кинематическая точность, высокая ремонтопригодность [4]. Основным недостатком винтового домкрата является изнашивание сопряжения винта с гайкой, что может привести к его заеданию и в некоторых случаях к падению удерживаемого груза, что влечет за собой материальные убытки, а зачастую и производственные травмы.
Как видно из анализа недостатков и преимуществ механических передач, винт-гайка обладает неоспоримым преимуществом.
Поэтому был сделан вывод, что при решении главного недостатка, который присущ данной механической передаче, возможна разработка новой конструкции домкрата, которая по своим эксплуатационным характеристикам будет превосходить аналоги. Также в ходе конструирования нового домкрата стоит просчитать износ винтовой поверхности, поскольку нагрузки будут распределяться по обновленной динамической схеме.
м и
■
Результаты исследований.
В результате проведения исследований по моделированию усовершенствованной конструкции домкрата, на базе домкрата с передачей винт-гайка был разработан новый домкрат винтовой телескопический (рисунок 5).
Рисунок 5 - Домкрат винтовой телескопический
Техническим результатом данной разработки является исключение заклинивания винтовой пары в момент работы устройства, уменьшение степени износа при заклинивании и расклинивании винтовой пары, предотвращение необходимости в приложении ручного усилия для работы домкрата винтового телескопического, а также повышение ремонтопригодности [5].
Преимущества домкрата винтового телескопического перед существующими аналогами следующие: замена ручной тяги на электромеханическую при помощи установки пульта управления, и изменение конструкции механизма привода, в виде редуктора и электродвигателя, что приводит к упрощению процесса эксплуатации. Также исключение заклинивания винтовой пары в момент затяжки при помощи установленной муфты (рисунок 6), вследствие чего уменьшается степень износа и повышается надежность конструкции.
Рисунок 6 - Муфта передачи винт-гайка
Предлагаемый домкрат промышленно применим, так как для его реализации могут быть использованы стандартное оборудование, приспособления, применяемые области наземного обслуживания транспортных средств, ремонта и технического осмотра.
Для решения прогнозирования износа винтовой поверхности домкрата были разработаны уравнения по оценке величины абразивного износа детали, поскольку при эксплуатации зачастую абразивные частицы внедряются в рабочую среду подъемных механизмов.
Следует отметить, что износ обычно составляет доли миллиметров. При этом винт уже не может обеспечить нормальное протекание технологического процесса и должен быть заменен [6].
Для оценки целесообразности разработки уравнений по оценке величины износа проводятся расчеты напряжений, которым подвергается поверхность, в частности напряжение смятия осм, расчет на прочность с учетом устойчивости осж, приведенное напряжение спр [7]:
ы
и
<
\°см ]
^ =< ¥1 \&см ]
пр
=<к ]
(1)
где - коэффициент уменьшения допускаемых напряжений для сжатых стержней, который выбирают в зависимости от гибкости X из таблицы 1, полученной из расчета сжатого стержня на устойчивость по известной формуле Эйлера [7].
Таблица 1 - Зависимость коэффициента уменьшения допускаемых напряжений от гибкости
X 30 50 60 80 100 120 140 160
V1 0,91 0,86 0,82 0,70 0,51 0,37 0,29 0,24
0,91 0,83 0,79 0,65 0,43 0,30 0,23 0,19
и = 1и х Ь х10
-6
В общем виде величина износа определяется к , где Ь - путь трения (мм),
1н - интенсивность износа Есть несколько предположений, что с увеличением скорости скольжения интенсивность изнашивания быстро уменьшается, износ зависит не от скорости скольжения, а лишь от пути трения.
Путь трения можно определить по формуле [6]:
Ь = Ь х Nц
(2)
Ь
7Г(10
где Ь1 - путь трения за один оборот винта (мм), при этом с°8 ¥ ; Ыц - число циклов за
время работы.
Угол подъема у определим по схеме, приведенной на рисунке 7.
Рисунок 7 - Развертка винтовой линии Число цикло за время работы определяется по формуле [6]:
N..
60 х п х х КЕ
(3)
где п - частота вращения винта (об/мин); 4 - время работы (мин); КЕ - коэффициент эквивалентности.
В итоге, учитывая интенсивности износа при упругом и пластическом контакте абразивных частиц с поверхностью, а также износа при микрорезании [8], смоделируем систему уравнений по расчета величин износа, получаем:
U
2 1
120nx h х d2 х (R ~~)na x n x th x KE
mxaxn x
p
■ xyj (r2 + h,2 + h2 /n
r + yj(r2 + h,2
h
-x10-
xcosy
U
60n x h x & x na x d2 x n x th x KE
(4)
n
ryjr2 + h,2 + h,2 /n
r +
yr2^ h
x10
-6
x m x cos y
где - величина износа рабочей поверхности винта, которая основана на усталостной природе разрушения поверхности трения (мм); - величина износа при микрорезании (мм), к - глубина внедрения абразивных частицы (мкм); Я - усредненный объемный радиус частиц (мкм); па -число частиц, находящихся в зоне трения, а - радиус пятна контакта (мкм); пр - число циклов вращения, к7 - шаг винтовой линии, т- количество витков винта, к - ширина царапания (мм), г - внешний радиус винтовой поверхности (мм).
Выводы.
1) Проведен аналитический обзор по существующим механическим передачам подъемных механизмов. Выявлены их достоинства и недостатки.
2) Разработана новая конструкция домкрата винтового телескопического, которая по своим эксплуатационным характеристикам превосходит существующие аналоги.
3) Опираясь на уравнения из теории механизмов и машин, в частности на уравнения по расчету винтовых передач, сложнопрофильной поверхности, а также на существующие расчетные схемы для определения величины абразивного износа детали, были смоделированы уравнения по прогнозированию износа рабочей поверхности передачи винт-гайка.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трифонов Г.И., Жачкин С.Ю., Лазарев С.В. Определение физико-механических свойств деталей летательных аппаратов в авиационной промышленности после комбинированной плазменной // Воздушно-космические силы. Теория и практика. Выпуск №2. 2017. С. 18-25.
2. Павлов Б.И. Шарико-винтовые механизмы в приборостроении // Ленинград-Москва, Машиностроение. 1968. 134 с.
3. Блинов Д.С. Планетарные роликовинтовые механизмы. Конструкции, методы расчетов. //Под ред. О.А. Ряховского. М.: МГТУ, 2006. 222 с.
4. Тихонов А.С., Щёголев С.Г. Использование современных винтовых механизмов в домкратах // Ежемесячный научный журнал «Молодой ученый». №3 (50). 2013. С. 105-108 .
5. Пат. 2652364 Российская Федерация, МПК B66F 3/10. Домкрат винтовой телескопический / Трифонов Г.И., Бакуменко А.В., Лазарев С.В., Ткаченко Ю.С., Дрозд А.В. // заявитель и патентообладатель ВУНЦ ВВС «ВВА» имени Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина; заявл. 26.10.16; опубл. 25.04.18, Бюл. № 12. 4 с.
6. Метелкин И.В., Шамшурин А.Д. Теория механизмов и детали машин. Расчет винтовых передач // Учебное пособие по дипломному и курсовому проектированию. ВВИА имени профессора Н.Е. Жуковского, 2007 г. 19 с.
7. Икрамов У.А. Расчетные методы оценки абразивного износа // М.: Машиностроение. 1987 г. 288 с.
6
ы g
и
8. Трифонов Г.И., Жачкин С.Ю. Расчетные методы оценки абразивного износа плазменного покрытия винтовой поверхности детали // Приложение к журналу. Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2018. Т. 23, №122. С. 294-298.
REFERENCES
1. Trifonov G.I., ZHachkin S.YU., Lazarev S.V. Opredelenie fiziko-mekhanicheskih svoystv detaley letatel'nyh apparatov v aviatsionnoy promyshlennosti posle kombinirovannoy plazmennoy // Vozdushno-kosmicheskie sily. Teoriya i praktika. Vypusk №2. 2017. P. 18-25. (in Russian).
2. Pavlov B.I. SHariko-vintovye mekhanizmy v priborostroenii // Leningrad-Moskva, Mashinostroenie. 1968. 134 p. (in Russian).
3. Blinov D.S. Planetarnye rolikovintovye mekhanizmy. Konstruktsii, metody raschetov. // Pod red. O.A. Ryahovskogo. M.: MGTU, 2006. 222 p. (in Russian).
4. Tihonov A.S., SHHyogolev S.G. Ispol'zovanie sovremennyh vintovyh mekhanizmov v domkratah // Ezhemesyachnyy nauchnyy zhurnal «Molodoy uchenyy». №3 (50). 2013. P. 105-108. (in Russian).
5. Pat. 2652364 Rossiyskaya Federatsiya, MPK B66F 3/10. Domkrat vintovoy teleskopicheskiy / Trifonov G.I., Bakumenko A.V., Lazarev S.V., Tkachenko YU.S., Drozd A.V. // zayavitel' i patentoobladatel' VUNTS VVS «VVA» imeni N.E. ZHukovskogo i YU.A. Gagarina; zayavl. 26.10.16; opubl. 25.04.18, Byul. № 12. 4 p. (in Russian).
6. Metelkin I.V., SHamshurin A.D. Teoriya mekhanizmov i detali mashin. Raschet vintovyh peredach // Uchebnoe posobie po diplomnomu i kursovomu proektirovaniyu. VVIA imeni professora N.E. ZHukovskogo, 2007 g. 19 p. (in Russian).
7. Ikramov U.A. Raschetnye metody otsenki abrazivnogo iznosa // M.: Mashinostroenie. 1987 g. 288 p. (in Russian).
8. Trifonov G.I., ZHachkin S.YU. Raschetnye metody otsenki abrazivnogo iznosa plazmennogo pokrytiya vintovoy poverhnosti detali // Prilozhenie k zhurnalu. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki. Tambov, 2018. T. 23, №122. P. 294-298. (in Russian).
© Трифонов Г.И., Жачкин С.Ю., Лазарев С.В., 2018
Трифонов Григорий Игоревич, младший научный сотрудник 12 отдела научно-исследовательского 1 управления научно-исследовательского НИЦ (проблем применения, обеспечения и управления авиацией Военно-воздушных сил), Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А.
Жачкин Сергей Юрьевич, доктор технических наук, профессор, старший преподаватель кафедры защитных сооружений, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А.
Лазарев Сергей Викторович, кандидат технических наук, доцент, заместитель начальника кафедры эксплуатации и ремонта САТОП, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А.
