CC BY
10
УДК 621
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ НАГРУЖЕНИЯ НА КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ВИНТОВЫХ ПАР
А. А. Каргин1, А. В. Гордюшкин2, А. Ю. Муйземнек3
1'2'3Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
1а1ехап^ка^т15@таП.ги 2Aleksandrgorduskin@gmail.com 3muyzemnek@yandex.ru
Аннотация. В приводах машин широкое применение находят передачи, предназначенные для преобразования одного вида движения в другое. В их число входят и винтовые передачи. Целью работы является выявление зависимостей, связывающих технические характеристики, конструктивные параметры и характеристики нагружения винтовых передач.
Ключевые слова: коэффициент полезного действия, прямоугольная резьба, метрическая резьба, системы управления, система измерения, методика испытаний
Для цитирования: Каргин А. А., Гордюшкин А. В., Муйземнек А. Ю. Исследование влияния режимов нагружения на коэффициент полезного действия винтовых пар // Вестник Пензенского государственного университета. 2022. № 4. С. 133-139.
Введение
Во многих приводах машин широко используются механические передачи. Классификации механических передач, их достоинствам и недостаткам, проектированию и применению посвящены следующие работы [1-4]. Особенности испытаний ряда механических передач в лабораторных условиях рассмотрены в работах [4,5]. Несмотря на это выявление зависимостей, связывающих технические характеристики, конструктивные параметры и характеристики нагружения винтовых передач, остается актуальной задачей. Из технических характеристик наибольший интерес представляет коэффициент полезного действия (КПД).
Для экспериментального определения КПД винтовых пар использована установка, описание которой приводится в работах [4-6]. Схема лабораторной установки показана на рис. 1.
Системы управления и измерения
Установка имеет механические и электронные измерительные устройства, с помощью которых можно определять мгновенный и средний КПД винтовой пары, а можно также исследовать возникающие при испытаниях нагрузки. Схема усовершенствованной системы измерения показана на рис. 2. Регистрация кривой реактивного момента осуществляется с помощью электронного запоминающего осциллографа иш-т иТБ2052СЕХ.
© Каргин А. А., Гордюшкин А. В., Муйземнек А. Ю., 2022
133
Рис. 1. Схема установки для экспериментального определения КПД винтовых пар: 1 - основание; 2 - пластинчатая пружина; 3 - индикатор часового типа; 4 - жесткий рычаг; 5 - электропривод; 6 - редуктор; 7 - приводной вал; 8 - винт; 9 - тяги; 10 - подпятник; 11 - зубчатое колесо; 12 - траверса; 13 - полочка для грузов; 14 - набор грузов; 15 - паз станины; 16 - ползун
Рис. 2. Схема усовершенствованной системы измерения
Внешний вид установки для экспериментального определения КПД винтовых пар с подключенной системой измерения показан на рис. 3.
Рис. 3. Внешний вид установки
Методика проведения исследования
Последовательность определения КПД винтовой пары следующая:
1. Собрать установку вместе с системой измерения, подготовить винтовую пару, КПД которой будет определяться.
2. Разместить в установке исследуемую винтовую пару. На полочку для грузов подвесить груз с требуемой массой (3 кг). Включить установку в сеть.
3. Произвести градуировку шкал индикатора и осциллографа по реактивному моменту с помощью градуировочного приспособления, входящего в состав лабораторной установки. Для этого подвесить на нить груз заданной массы, вычислить создаваемый грузом реактивный момент, записать соответствующие показания индикатора и осциллографа, вычислить соответствующие масштабные коэффициенты.
4. Включить двигатель, снять показания индикатора и осциллографа. По гра-дуировочному графику определить приложенные к винту моменты. Вычислить работу движущих сил и полезную работу за один оборот винта и рассчитать значения КПД.
Построить графики зависимостей реактивного момента от времени. Вычислить средние значения показаний индикатора и осциллографа при ходе гайки вверх и вниз, записать их в отчет. Испытания повторить три раза.
Коэффициент полезного действия ^ следует рассчитать по зависимости
Апс (1)
Адс 2пМ
где Апс - работа полезного сопротивления; Адс - работа движущей силы; Q - вес
поднимаемого груза; М - крутящий момент, приложенный к винту; 5 - шаг резьбы винта.
5. Повторить испытания, подвешивая грузы массой 5, 8 и 10 кг.
6. Заменить на установке винтовую пару, повторить испытания.
7. Начертить диаграмму изменения КПД в зависимости от осевой нагрузки.
8. Рассчитать значение теоретического КПД по зависимости
( и ^
р' = —— , (2)
^ соэР^
где р - половина угла при вершине.
Для прямоугольной резьбы теоретическое значение КПД определяется по зависимости [4]:
" = ГтЧ (3)
+ р)
где а - угол подъема винтовой линии; р = агс® и - угол трения пары винт - гайка; д - коэффициент трения пары винт - гайка.
Для остроугольной резьбой теоретическое значение КПД определяется с помощью выражения (3), в котором угол трения пары вычисляется по (2) [4].
Сопоставить полученные результаты расчетов с экспериментальными данными. 5. Составить отчет о проведенном исследовании.
Результаты экспериментальных исследований
Испытаниям подвергнуты винтовые пары, имеющие следующие резьбы:
- винтовая пара № 1 - прямоугольная резьба Прям. 42 (3x8). Наружный диаметр резьбы d = 42 мм, шаг резьбы Р = 8 мм, резьба трехзаходная п = 3, материал винта и гайки - сталь 40Х;
- винтовая пара № 2 - метрическая резьба М 42x4,5. Наружный диаметр резьбы d = 42 мм, шаг резьбы Р = 4,5 мм, резьба однозаходная п = 1, материал винта и гайки -сталь 40Х.
При коэффициенте трения в винтовой паре, равном 0,15, теоретический КПД первой винтовой пары равен 0,555, второй винтовой пары - 0,173.
Некоторые результаты экспериментальных исследований КПД винтовых пар представлены на рис. 4-5 и табл. 1.
Графики зависимостей реактивного момента от времени для исследуемых винтовых пар при всех значениях веса поднимаемого груза имеют схожий характер. В качестве примера на рис. 4 приведены графики зависимости реактивного момента от времени для винтовой пара № 1 при нагружении грузом, имеющим массу 3 кг.
2,50
2,00
1,50
^ 1,00 X
р 0,50 I
^ 0,00 о
^ -0,50 -1,00 -1,50 -2,00
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
Время, с
Рис. 4. Графики зависимостей реактивного момента от времени
Анализ зависимостей реактивного момента от времени позволил сделать следующие выводы:
- рабочий цикл состоит из двух основных этапов (хода гайки вверх и хода гайки вниз), продолжительность каждого этапа составляет около 12 с;
- на каждом этапе зависимость вращающего момента от времени имеет сложный характер. Начинается каждый этап с реализации переходного процесса, характеризующегося затухающими колебаниями высокой интенсивности. Длительность переходного процесса составляет около 1 с. Затем реализуется случайный колебательный процесс с изменяющимся средним значением. Зависимость среднего значения от времени на первом этапе нагружения имеет линейный характер (рис. 5). Амплитуда колебаний имеет постоянное значение;
- окончание второго этапа нагружения также сопровождается возникновением затухающего колебательного процесса высокой интенсивности.
2,50 2,00 1,50 ± 1,00 I 0,50 о 0,00 -0,50 -1,00 -1,50
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00
Время, с
Рис. 5. Графики зависимостей реактивного момента от времени на первом этапе нагружения
Результаты расчета КПД винтовой пары при разных нагрузках представлены в табл. 1. Экспериментально определенные значения реактивного момента приведены в столбце 3 табл. 1, текущие значения КПД - в столбце 4, средние значения КПД, вычисленные по результатам испытаний каждой винтовой пары при различных нагрузках, - в столбце 5. Графики зависимостей КПД от нагрузки для двух исследуемых винтовых пар показаны на рис. 6.
При вычислении КПД винтовой пары были учтены КПД элементов, входящих в состав лабораторной установки, - двух цилиндрических зубчатых передач, четырех пар подшипников скольжения, пары подшипников скольжения.
Таблица 1
Результаты расчета КПД винтовой пары при разных нагрузках
Номер винтовой пары Масса груза, кг Реактивный момент М, Н-см Коэффициент полезного действия ^
Текущее значение Среднее значение
3 12,78 0,305
1 5 15,62 0,417 0,4513
8 19,73 0,528
10 23,43 0,554
3 6,9 0,096
2 5 8,43 0,13 0,141
8 10,65 0,165
10 12,65 0,176
Рис. 6. Графики зависимостей КПД от нагрузки: 1 - первая винтовая пара; 2 - вторая винтовая пара
Анализ результатов вычисления КПД винтовых пар позволил сделать следующие выводы:
- КПД подвергнутых исследованию винтовых пар зависят от прилагаемых нагрузок. В исследованном диапазоне нагрузок с увеличением прилагаемой нагрузки КПД винтовой пары увеличивается;
- при всех нагрузках экспериментально определенные КПД винтовых пар имели значения меньше теоретических;
- зависимости КПД от нагрузки нелинейны. Наименьшие значения КПД соответствуют наименьшим нагрузкам. С увеличением нагрузок увеличивается и КПД винтовых пар, приближаясь к теоретическим значениям.
Заключение
Винтовые пары широко используются в изделиях машиностроения. Важнейшей характеристикой винтовой пары является КПД. Экспериментальное определение КПД винтовых пар является актуальной задачей. Для решения этой задачи требуется создание лабораторной установки и методики исследования. Результатом работы явилось усовершенствование испытательной установки, включая системы управления и измерения, а также методики определения КПД винтовых пар.
В результате экспериментальных исследований установлены зависимости КПД от нагрузки для двух винтовых пар. Анализ зависимостей свидетельствует о том, что во всем диапазоне изменения параметров нагружения КПД винтовой пары, имеющей прямоугольную резьбу, превышает КПД винтовой пары с метрической резьбой. С увеличением нагрузки КПД обеих пар увеличивается.
Значения КПД, полученные при максимальной нагрузке, удовлетворительно согласуются с теоретическими значениями КПД соответствующих винтовых пар.
Список литературы
1. Иванов М. Н. Детали машин : учеб. для студентов втузов / под ред. В. А. Финогенова. 6-е изд., перераб. М. : Высш. шк., 2000. 383 с.
2. Дунаев П. Ф., Леликов О. П. Конструирование узлов и деталей машин : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. 12-е изд., стер. М. : Академия, 2009. 496 с.
3. Решетов Д. Н. Детали машин : учебник. 4-е изд. перераб. И доп. М. : Машиностроение, 1989. 496 с.
4. Муйземнек А. Ю., Шорин В. А. Детали машин и основы конструирования : учеб. пособие. Пенза : Изд-во ПГУ, 2019. 195 с.
5. Муйземнек А. Ю., Шорин В. А. Теория механизмов и машин: лаб. Практикум : учеб. пособие. Пенза : Изд-во ПГУ, 2017. 88 с.
6. Муйземнек А. Ю., Шорин В. А. Прикладная механика: лаб. Практикум : учеб. пособие. Пенза : Изд-во ПГУ, 2021. 76 с.
Информация об авторах Каргин Александр Алексеевич, студент, Пензенский государственный университет.
Гордюшкин Александр Витальевич, студент, Пензенский государственный университет.
Муйземнек Александр Юрьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теоретическая и прикладная механика и графика», Пензенский государственный университет.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
