CC BY
9
УДК 30.15.15
С. С. Родионов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВОЙ ПЕРЕДАЧИ РУЧНОГО ПРИВОДА
ФГБОУ ВПО «КУРГАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ Т. С. МАЛЬЦЕВА»
S. S. Rodionov DEFINITION OF CHARACTERISTICS OF POWER TRANSMISSION IN THE MANUAL DRIVE FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER PROFESSIONAL EDUCATION «KURGAN STATE AGRICULTURAL ACADEMY BY T. S. MALTSEV»
Предложен рычажный механизм, позволяющий получить значительное передаточное отношение, необходимое для перемещения клина запорной арматуры в моменты, когда передача винт-гайка не позволяет это сделать. Выполнен расчет силового передаточного отношения с учетом потерь на преодоление сил трения во вращательных кинематических парах цапф. Показано, что выигрыш в силе превышает 1000 для представленных параметров механизма.
Ключевые слова: рычажный механизм, запорная арматура, ручной привод, передаточное отношение.
Сергей Сергеевич Родионов
Sergey Sergeyevich Rodionov кандидат технических наук, доцент
E-mail: rodses@rambler.ru
Введение. Запорная арматура водопроводов, нефтепроводов и газопроводов эксплуатируется в чрезвычайно тяжелых условиях. Сезонные и суточные изменения температуры, воздействие среды разной степени химической агрессивности как снаружи, так и изнутри изделия неизбежно приводят к накоплению на поверхностях изделия осадочных отложений, продуктов коррозии и пр. Кроме того, предъявляются высокие требования к герметичности разделяемых полостей, что требует создания значительных усилий для уплотнения.
В связи с этим стоит задача создания привода с двумя скоростями движения исполнительного звена. Быстрое перемещение клина выполняется при небольшой силе сопротивления. А если наблюдается значительное сопротивление движению штока с клином, то выполняется медленное перемещение с использованием другого механизма с большим передаточным числом. Быстрое перемещение обычно реализуется за счет передачи «винт-гайка» и проблемы не представляет. Усилия изобретателей направлены
The lever mechanism, allowing to receive the considerable transfer relation necessary for movement of shutoff valves wedge at the moments when screw- -nut transfer doesn't allow to make it is offered. Calculation of the power transfer relation taking into account losses on overcoming friction forces in rotary kinematic couples of pins is executed. It is shown that winning in force exceeds 1000 for the presented parameters of the mechanism.
Keywords: lever mechanism, shutoff valves, manual drive, transfer relation.
на создание достаточно простой и эффективной силовой, медленной, передачи.
Существует множество изобретений двухско-ростных приводов, которые чаще всего представляют собой планетарные редукторы. Для получения разных передаточных чисел в планетарном редукторе затормаживаются разные звенья (колёса или водило). Однако предлагаемые решения не находят применения на практике. Возможные причины этого следующие.
1) Низкий коэффициент полезного действия для некоторых схем планетарных редукторов.
2) Низкое значение передаточного отношения.
3) Высокое значение контактных напряжений, действующих на зубья колес, т. к. контакт в высшей кинематической паре происходит не по поверхности, а по линии.
4) Сложность устройства и сложность его изготовления и, как следствие, высокая стоимость.
Использование для этих целей рычажных механизмов, в которых имеются только низшие кинематические пары, передающие усилия через поверхности, позволит устранить такие недостатки, как высокие контактные напряжения и сложность изготовления. В свою очередь недостатками рычажных механизмов являются возвратность движений и непостоянство передаточного отношения.
Методика. В данной работе исследуется привод (рисунок 1), являющийся рычажным механизмом. На привод подана заявка на изобретение, чему предшествовало теоретическое исследование работы
Вестник Курганской ГСХА № 1, 2014
Инженерно-техническое обеспечение
сельского хозяйства
61
привода, определение его кинематического и силового передаточного отношения.
Для выполнения исследований составляли уравнения равновесия отдельных узлов механизма. Для всего механизма записывали общее уравнение динамики Даламбера-Лагранжа. Полученные зависимости преобразовывали с использованием приемов элементарной и высшей математики для установления функциональных зависимостей передаточных отношений от угла поворота рычага оператором.
Результаты. Привод, схема которого представлена на рисунке 1, содержит механизм перемещения исполнительного звена, шпинделя 1 с клином 2, состоящий из гайки 3, приводимой во вращение посредством штурвала 4. Вращающаяся вокруг вертикальной оси гайка 3 и обойма 5 образуют подшипниковый узел. Гайка 3 установлена в обойме 5 с зазором Ь. Обойма 5 вместе с гайкой 3 может перемещаться в корпусе 6 в вертикальном направлении. Рычаг 8 соединяется поводком 7 с парой распорных стержней 9 и 10, соединенных также между собой шарнирно.
При закрытии, т. е. при движении вниз шпинделя с клином, на большей части хода действует малое сопротивление движению. Поэтому выполняется быстрое перемещение исполнительных звеньев за счет вращения штурвала 4 с гайкой 3. В подшипниковом узле образуется зазор Ь ниже гайки. Звенья 9 и 10 занимают вертикальное положение. На окончательной стадии закрытия из-за контакта уплотнительных поверхностей клина и седла сила сопротивления движению значительно возрастает, что делает невозможным вращение штурвала оператором.
3 5 4 6 7 8
леваемая сила сопротивления больше силы, приложенной к ведущему звену (в точке В) рукой оператора. Величина и всегда меньше ииз-за наличия трения. Коэффициент полезного действия механизма п связывает эти характеристики между собой:
ис= ик ■ п. (1)
Схемы частей механизма приведены на рисунке 2,а и 2,б.
б)
\
I
р/
г sin Ч>
к / ТА
2 ysr
Рисунок 2 - Расчетные схемы шарнирно-рычажного механизма
Для части механизма, представленной на рисунке 2,а, получим выражение для кинематического передаточного отношения U Обозначим OB=R; OA=r; CD=CE=l. В качестве независимой переменной используем параметр ф, угол поворота рычага ОВ.
Учтем, что сила Q связана с Т, силой растяжения звеньев CD и CE, соотношением
Q = T • cosa. (2)
При этом а = arcsin
r r ■ sinty^ l
Из рассмотрения равновесия узла С получим:
2T ■ sin а = N. (3)
Тогда
" m ' (4)
T■cos а
U к, = Q =.
N 2 T ■ sin а
1
2 1 9 10
Рисунок 1 - Схема привода механизма в стадии закрытия
В этом случае оператор, поворачивая рычаг 8 по направлению дуговой стрелки, перемещает подшипниковый узел со шпинделем и клином вниз. При этом механизм, состоящий из звеньев 7, 8, 9 и 10, обеспечивает значительное усилие прижатия клина к седлу.
Кинематическое передаточное отношение механизма ик показывает во сколько раз перемещение точки В ведущего звена больше перемещения точки Б ведомого звена. Силовое передаточное отношение ис показывает выигрыш в силе: во сколько раз преодо-
2 ■ tga
Рассмотрим равновесие части механизма, изображенной на рисунке 2,б. Запишем уравнение моментов всех сил для схемы рисунка 2,б и из него получим зависимость кинематического передаточного числа UK1 от параметра ф, угла поворота рычага 1,
. (5)
r■cosф
Общее кинематическое передаточное отношение рычажного механизма UK = UK11 х UK2 График зависимости UK от угла ф представлен на рисунке 3 для значений R=300 мм, r =2 мм. Видно, что имеется некоторый интервал значений угла ф, (30" < ф < 60"), где наблюдается незначительное изменение величины UK, но в целом для интервала 0 < ф < 90° изменения величины Ur, велики.
U= N =
р к
ы к
I
40000
30000
20000
10000
И Ü3 ч
w &
w
с
30 60 90
Угол поворота рычага ф, град.
Рисунок 3 - Зависимость кинематического передаточного отношения рычажного механизма от угла поворота первого рычага
Для определения силового передаточного отношения механизма Uc составим уравнение Даламбера-Лагранжа [1]. Уравнение учитывает при определении элементарной работы dA, кроме сил растяжения стержней, силы трения в кинематических парах A, C, D, E:
Обозначим f' - коэффициент трения для цилиндрической поверхности [2]. При одинаковых значениях радиуса цапф в кинематических парах D, Е и С (rD = rE = rC = r) элементарная работа трения в этих четырех кинематических парах также оказывается одинакова, поэтому получим уравнение работ для части механизма, изображенной на рисунке 2,а,
N • dSC - 2 • T • cosa• dSD - 4 • T • r1 • /• da = 0 (6)
Учитывая, что
dSD = dSC • tga; SC = r • siny; dS= r • cosy dy;
r•cosф .
da =-—• dф
l•cos a
получим при подстановке их в (6) и после преобразований
/ í „л л
r ■ smfl
arcsin
l
v / /
/ Í „л л
r ■ smfl
arcsin
l
V v //
■ f'
l ■ cos
f r ■ sin ф
l
(7)
' > 1
и - N =
U С 2 - - -
R
P r ■ cos ф + 2 ■ r2 ■ f'
(9)
Силовое передаточное отношение ис = и * ис2 характеризует весь рычажный передаточный механизм ручного привода. Зависимость его от угла ф представлена на рисунке 4 для тех же значений величин Я=300 мм, г =2мм и значений г = 15мм; г2 = 5мм;/'=0,1.
3000
о о
й S « § 2 3
§ Ii
s ч а в IS
2000
1000
30 60
Угол поворота рычага ф, град.
90
Уравнение работ для части механизма, изображенной на рисунке 2,б, запишется в виде
P ■ dSB — N ■ cos р ■ dS A —
- No ■ ro ■ /'■ dp — Nb ■ га ■ /'■ dp = 0, (8)
где rcf rA - радиусы цапф поверхностей трения в кинематических вращательных парах С и A; dSB = Rdf; dSA = rdy.
Силы давления в цапфах А и С, NA и NO , при значениях величины (R/r) >100 различаются менее, чем на 1 %, поэтому считаем NO = NA = N. Примем rc= rA= r Учитывая это, получим после простых преобразований
Рисунок 4 - Зависимость силового передаточного отношения рычажного механизма от угла поворота первого рычага
Видно, что передаточное силовое число всего рычажного механизма ис изменяется менее значительно, чем кинематическое, оставаясь допустимым с практической точки зрения на протяжении всего хода рычага 1: от ф = 0 до ф = 90°. На представленном графике значение ис изменяется примерно в 2 раза. В любой момент выигрыш в силе превышает 1000 для выбранных параметров рычажного механизма.
В работе [3] показано, что при определенных значениях радиусов цапф и коэффициента трения изменение силового передаточного отношения ис может составлять не более 10 %.
Выводы. Предложен и исследован рычажный механизм ручного привода для закрытия и открытия задвижек трубопроводной арматуры. Значительное изменение кинематического передаточного отношения, являющееся неотъемлемым недостатком рычажных механизмов, в данном ручном приводе не оказывает негативного влияния на эксплуатационные свойства. Изменение силового передаточного отношения происходит в приемлемых пределах, что позволяет использовать привод на практике. Силовое передаточное отношение рассмотренного механизма для выбранных параметров превышает 1000.
Важно, что значительное усилие, которое прикладывается к клину задвижки, не сопровождается трением в резьбе штока, что неизбежно привело бы к ускоренному ее износу.
Список литературы
1 Прикладная механика: учебное пособие для вузов. Изд. 2-е. / под ред. В. М. Осецкого. - М.: «Машиностроение», 1977. - 488 с.
2 Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики: учеб. для втузов. - 10-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1986. - 416 с.
3 Родионов С. С., Родионова С. И. Силовой расчет шарнирно-рычажного механизма // Аграрные регионы: тенденции и механизмы развития: матер. междунар. научно-практической конференции 17-18 мая 2012 г. -Курган: Изд-во КГСХА, 2012. - С. 428-432.
0
cos
2
+
