CC BY
13
УДК 621.855 (088.8)
ПЕРСПЕКТИВНАЯ ПЕРЕДАЧА ПЛАСТИНЧАТОЙ ЦЕПЬЮ © 2016 г. HAL Забродин, С.А. Коробской, Е.В. Усова, Л. С. Усов
На сегодняшний день в цепных передачах в качестве передающего органа чаще всего применяются роликовые цепи, несмотря на то. что их конструкции имеют ряд недостатков, которые существенно сокращают срок их службы. Некоторые конструкции шарниров для приводных цепей, позволяют решить данную проблему, однако при этом наблюдается повышенный износ проушин пластин по сравнению с валиками цепи. Для устранения данного недостатка сконструирована перспективная пластинчатая приводная цепь. Особенностями данной цепи являются отсутствие роликов, что снижает шумность при работе передачи, и повышенная долговечность, как проушин пластин, так и всей цепи в целом, при сохранении размерных, весовых и ценовых характеристик серийного аналога. Данный эффект достигается путем применения износостойких материалов при изготовлении втулок цепи. При этом удается добиться повышения долговечности более чем в 2 раза по сравнению со стандартным аналогом. Кроме того, расстояние между шарнирами данной цепи позволяет использовать при работе с ней звездочки с увеличенным размером зубьев. Дтя этого выведены зависимости, описывающие профиль новых звездочек для цепных передач. Данные формулы универсальны и позволяют проектировать профиль звездочки для работы с любыми цепями. Выполненный в качестве примера расчет возможности звездочки нового профиля по компенсации предельного удлинения цепи с шагом 25,4 мм и диаметром шарнира 12 мм показал, что данный параметр для звездочек, спроектированных новым способом в несколько раз выше оговоренных стандартом 3-5%, что позволяет повысить долговечность цепных передач путем увеличения сроков эксплуатации.
Ключевые слова: шарнир цепи, звездочка, профиль зубьев, долговечность, износостойкие материалы, предельное удлинение шага цепи, угол заострения, траектория движения шарниров.
Nowadays in chain transmissions as transferring unit roller chains are more often used, despite the fact that their design has a number of disadvantages that significantly reduce their serv ice life. Some designs of hinges for the transmission chain, can solve this problem but at the same time there appears increased wear of plate eyelets comparing with chain rollers. To eliminate this disadvantage there is constructed prospective lamellar transmission chain. Features of this с hi in are the absence of the rollers, which reduces noise during transmission operation and increased durability of plates eyelets, and the entire chain as a whole, saving size, weight and price characteristics of serial analog. This effect is achieved by applying a wear-resistant materials in the manufacture of the chain bushings. Thus it is possible to achieve improved durability in more than two times in comparison with the standard analog. Besides, the dislancc between the joints of the chain allow to use when working with it asterisks with the increased si/c of the iccth. To do this, there were derived dependences that describe the profile of the new asterisks
for chain gears. These formulas arc universal and allow to design an asterisk profile for working with any chains. Performed as an example calculation of new profile asterisk ability to compensate limit extension of chain with increments of 25.4 mm and pivot diameter of 12 nun showed that this option for the asterisks, designed in a new w ay is in several times higher than the one of 3-5% stipulated by standard, which improves the durability of the chain transmission by increasing the service life.
Keywords: cliain hinge, asterisk, teeth profile, durability, wear-resistant materials, ultimate elongation of chain step, sharpening angle, trajectory of hinges motion.
Введение. В сельскохозяйственном машиностроении в приводах рабочих органов широкое распространение получили цепные передачи [1]. В качестве передающего элемента цепных передач чаще всего используют роликовые цепи. Хотя они имеют наибольшее распространение, но им присущ ряд недостатков. Основным из них является относительно не высокая долговечность цепи. Это объясняется тем, что сельскохозяйственные цепи работают в условиях отсутствия или недостатка смазки, а также сильного абразивного загрязнения. Отсутствие смазки и наличие абразивных частиц приводит к интенсивному увеличению шага цепи. Увеличение шага цепи наблюдается в основном по наружным звеньям, что влечет за собой не только снижение долговечности, но и ухудшение кинематики передачи [2-5].
С целью устранения указанных недостатков возникает необходимость в разработке новых конструкций приводной цепи, имеющих большую долговечность по сравнению со стандартной роликовой цепью.
Предлагаемое компоновочное решение приводной цепи сельскохозяйственного назначения. Для повышения долговечности цепных передач нами была разработана разборная базовая конструкция шарнира приводной цепи [6, 7]. В разработанной конструкции цепи, шарниры вы-
полнены из пластин, свооодно установленных на валики.
Достоинством данной конструкции шарнира является то, что в процессе работы валики проворачиваются в пластинах. Вследствие поворота пластин относительно валиков происходит круговой износ рабочих поверхностей. Это позволяет увеличить долговечность цепи, за счет уменьшения темпов приращения шага от износа валиков. Кроме того, данная конструкция позволяет обеспечить равношаговость цепи в процессе её работы.
Однако в предложенных ранее решениях износ проушин пластин происходит радиально, в результате чего проушины получают большее приращение шага, чем валики, что и лимитирует долговечность цепи.
На рисунке 1 а изображена расчётная схема шарнира цепи при одностороннем износе рабочих поверхностей, характерной для износов шарниров стандартной цепной передачи. На рисунке 1 б показана расчетная схема при круговом износе рабочих поверхностей шарнира.
Рассмотрим влияние характера износа валиков на параметры цепи, считая, что в процессе работы массовые доли износов равны. Тогда площади сектора (рисунок 1 а) и кольца (рисунок 1 б) будут равны.
а - одностороннего; о - кругового Рисунок 1 - Схема износа поверхности пальца
31
На рисунке 1 площади изношенных быть представлена в виде сектора ABCOi с частей сечения валиков заштрихованы. дугой в п градусов:
Площадь сечения изношенного валика стандартной цепной передачи может
ni о
_ 7tR п 1~сек~ 360° '
Длина дуги п в градусах, соответствующая углу Д определится из треугольника AOiC по формуле
/7°=/? = 2(90-arcsin^).
R
Площадь треугольника AOiC равна:
Smp = 0,5aR cos(arcsin ).
Тогда площадь сегмента ABC, определится как:
Площадь поперечного сечения при одностороннем износе валика будет равна:
Я1гш=хЛ2-2Ясе,
В предложенной конструкции шарнира вследствие вращения валика износ рабочих поверхностей происходит равномерно. Тогда при прочих равных условиях,
площадь износа $т1!, равномерно распределится по всей поверхности валика и в поперечном сечении будет представлять собой кольцо (рисунок 1 б), площадью:
Приравнивая (1) и (2), и выполнив несложные преобразования, получим радиальный износ валика Ибач, равный:
Ит= 11-0,19*^. ■
Расчёты позволяют заключить, что при любых числовых значениях диаметров валиков, имеет место выражение
а II^ * 3.
Следовательно, при выбраковке цепи, лишь 25% удлинения шага будет происходить за счет износа валиков, и 75% из-за износа проушин.
Таким образом, для увеличения срока службы цепей необходимо разработать мероприятия по снижению темпов износа проушин.
Для уменьшения темпов приращения шага от износа проушин нами предлагается следующая конструкция приводной цепи (рисунок 2).
Предлагаемая цепь состоит из одинаковых внутренних и наружных пластин 1, разобщенных дистанционными втулками 5 и валиков 3 снабженных, неподвижно установленными на них фиксирующими шайбами 4. В пластины цепи неподвижно установлены втулки 2 из износостойкого материала, в которые свободно устанавливаются валики, проворачивающиеся в процессе работы.
Рисунок 2 - Предлагаемая конструкция приводной цепи
Материал, из которого изготовлены износостойкие втулки, должен обладать достаточной прочностью, для установки этих втулок с натягом в пластины цепи, и при этом быть относительно недорогим. Исследования по сравнению износостойко-
сти сталей различных марок [8, 9] показывают, что нержавеющая сталь марки 38Х2МЮА имеет износ в 1,5-2 раза меньше (рисунок 3) чем сталь 45, применяемая при изготовлении шарниров стандартных цепей.
т
О 0,05 0,1 0,15 0,2
Рисунок 3 - Износы сталей различных марок
На рисунке 3 кривая 1 соответствует стали 45 после улучшения, кривая 2 - стали 45 после карбонитрации, кривая 3 - стали 38Х2МЮА после улучшения.
Применение данных материалов позволит реализовать преимущества, заложенные в предлагаемую конструкцию це-
пи. Повышенная износостойкость проушин пластин позволит увеличить срок при равных весовых и размерных характеристиках серийным роликовым цепям. Кроме того данные материалы являются относительно недорогими, что позволяет получить положительный экономический эффект от уве-
личения долговечности. При этом сохраняется возможность их использования стандартных звездочек.
Обоснование размерных параметров профиля зубьев звездочек. Одной из особенностей конструкции, предлагаемой цепи является увеличенное пространство между двумя соседними шарнирами. Это достигается за счет исключения втулок и роликов в конструкции шарнира, и заменой их на распорные втулки. Очевидно, что высвободившееся пространство можно использовать для работы с зубьями, размеры которых превышают стандартные для звездочек данного шага, что позволит увеличить срок службы звездочек.
Данное обстоятельство создает возможности для разработки новой конструкции звездочек, для согласования их возможностей по компенсации предельного удлинения шага цепи от износа с возможным удлинением шага самой цепи [10].
При проектировании профиля зуба звездочки по ГОСТ 591-87 основополагающими являются: число зубьев звездочки Z, радиус шарнира г и шаг цепи /.
При этом необходимо учитывать, что зуб проектируется таким образом, чтобы его размеры не препятствовали монтажу цепи на звездочку.
Зависимость формы профиля зуба от шага цепи и радиуса шарнира представляется очевидной. Однако зависимость профиля зуба от числа Z зубьев звездочки является спорной. Из формул, которые предлагает ГОСТ 591-87 следует, что число зубьев Z звездочки влияет на высоту зуба,
угол заострения, и параметры нескольких кривых описывающих его профиль. На практике это означает, что для каждой звездочки необходимо иметь свой комплект зубонарезных инструментов, что влечет за собой серьезные экономические издержки. При этом отсутствуют какие-либо обоснования, для проектирования и изготовления зубьев данной конструкции. На практике, чаще всего, зубья звездочек изготавливают с одинаковым углом заострения.
Фактический зуб, профиль которого описан в соответствие с ГОСТ 591-87, имеет криволинейное очертание и должен иметь переменное значение угла заострения. Следует учитывать, что предложенные в ГОСТ 591-87 формулы по определению параметров звездочек являются эмпирическими, особенно формула для расчета угла заострения зуба.
Желательно чтобы для предложенной конструкции цепи профиль зуба имел аналитическое обоснование, при этом он должен быть максимально простым, то есть описываться наименьшим количеством кривых.
Из условий работы цепной передачи следует, что профиль зуба должен описываться траекториями движения шарниров при входе и выходе их из зацепления, с уменьшением радиусов этих траекторий для учета возможных погрешностей при изготовлении и работе передачи.
Параметры профиля можно установить на основании схемы, приведенной на рисунке 4.
Рисунок 4 - Схема к определению нового профиля зуба
На рисунке 4 окружности меньшего диаметра с центрами в точках А и С соответствуют диаметрам шарниров, соответственно 1 и 2, линия АС - шаг цепи. Траектории шарниров 1 и 2 (окружности боль-
шего диаметра) при входе и выходе из зацепления пересекаются в точке О, образуя кривые ОВ1 и ЭВ, которые описывают новый профиль зуба. Радиус траектории 11т, определится по формуле
где / - шаг цепи (отрезок АС);
г - радиус шарнира (отрезок СВ). Необходимо отметить, что в целях учета погрешностей при изготовлении цепной передачи, а также во время ее работы, требуется сместить центры траекторий
вниз, относительно главной хорды зуба, для уменьшения его размеров. Определение величины смещения является темой отдельных исследований, поэтому в данном случае мы ограничимся эмпирической формулой
И = 0,08/,
где Н - смещение.
Рисунок 5 - Схема к определению параметров нового зуба
На рисунке 5 показан профиль зуба, лим из прямоугольного треугольника, в ко-после смещения радиусов движения шар- тором гипотенуза равна 11пр. ниров. Практический радиус Япр опреде-
Далее получим окончательную формулу к определению практического радиуса профиля зуба:
Япр = л/(7 -г)2 +(0,08/)2.
С практической точки зрения также зуясь схемой, приведенной на рисунке 4, представляет интерес определение высоты высота зуба Н определится по формуле зуба и радиуса окружностей вершин. Поль-
Н =
Для определения диаметра окружности вершин введем дополнительную величину т, (рисунок 5), равную:
т = гы-г4-С05( 0,5/),
где радиус делительной окружности; Тогда диаметр окружности вершин
у - угол заострения. зуба будет равен:
(1с=с1а + 2'{Н - т).
Из анализа формул (3-8) следует, что в них отсутствует число зубьев звездочки Ъ. Это указывает на то, что профиль зуба не зависит от числа зубьев и одинаков для всех звездочек.
Предельный шаг цепи может быть определен как расстояние между вершина-
Г = 2 • (— 2
ми соседних зубьев. При достижении такой длины, точки касания шарниров с зубьями будут находиться ниже вершин зубьев, на достаточном расстоянии, для компенсации биения цепи и звездочек во время работы передачи. Таким образом, предельный шаг определяется по формуле
8т(0,5;к)).
Пользуясь формулами (3-9), можно определить предельный процент удлинения шага цепи, для звездочек с различным числом зубьев. Для примера был произве-
ден расчет для цепи с шагом 25,4 мм и диаметром шарнира 12 мм. Результаты этих расчетов представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Предельное удлинение шага для звездочек с различным числом зубьев, %
Число зубьев, шт. 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60
Предельный процент удлинения, % 22,6 17,7 14,5 12,3 10,6 9,4 8,4 7,6 6,9 6,4 5,9 5,5 5,1
Из таблицы следует, что предельное удлинение шага цепи для новой звездочки в несколько раз выше оговоренных стандартом 3-5%, что позволяет увеличить их долговечность, путем повышения сроков эксплуатации.
Выводы. В статье предложена конструкция пластинчатой приводной цепи, отличающаяся равномерным износом проушин пластин и валиков, повышенной в 2 раза по сравнению с серийным аналогом долговечности, при сохранении размерных, весовых и ценовых характеристик серийного аналога, а также пониженой шумно-стью, вследствие отсутствия роликов. Предложены новые зависимости, описывающие параметры звездочек для цепных передач, которые отличаются, простотой профиля зубьев и универсальностью, позволяющей проектировать звездочки не
только для серийных цепей, но и для цепей с любым диаметром шарнира. Звездочки, спроектированные по новым зависимостям, позволяют компенсировать предельное удлинение шага цепи в значительно больших пределах, чем это оговорено стандартом.
Литература
1. Воробьёв, Н.В. Цепные передачи / Н.В. Воробьёв. - 4 изд. - Москва: Машиностроение, 1968.-251 с.
2. Анурьев, В.И. Справочник конструктора-машиностроителя / В.И. Анурьев. - Т.2. - Москва: Машиностроение, 1982.- 584 с.
3. Баранчик, В.А. Исследование влияния нагрузки на износ втулочно-роли-
ковых цепей / В.А. Баранчик // Известия ВУЗов. - 1958. -№ 1.
4. Бережной, С Б. К вопросу обеспечения работоспособности цепной передачи / С.Б. Бережной // Вестник Донского государственного технического ун-та. - 2012. -Т. 4-№2(20).
5. Воробьёв, Н.В. Повышение качества цепных передач / Н.В. Воробьёв. -Москва // Вестник машиностроения, 1963. -№5.
6. Патент РФ № 2354869 от 10.05.2009. Разборная пластинчатая цепь / A.A. Серегин, М.Н. Семенцов, В В. Усов, ЕВ Усова.
7. Патент РФ. Пластинчатая цепь / A.C. Усов, В В. Сахарчук, Е.В. Усова; № 2529751 от 27.09.2014.
8. Сравнение износостойкости и нанотвердости сталей после поверхностного упрочнения разными способами / ДБ. Глушкова, В.П. Тарабанова, Г.Н. Толмачева, Ю.В. Рыжков // Вестник ХНАДУ. -2010. -№51.
9. Повышение износостойкости трущихся поверхностей пар трения / А.Н. Ко-вальчук, Д Б. Глушкова, В.П. Тарабанова, Ю.В. Рыжков // Вестник ХНАДУ. - 2009. -№46.
10. Цепи могут служить дольше / Е.В. Усова, A.C. Усов // Сельский механизатор. - 2013. - № 2.
References
1. Vorob'jov N.V. Cepnye peredachi [Chain transmission], 4 izd, Moscow, Mashi-nostroenie, 1968, 251 p.
2. Anur'ev V.l. Spravochnik kon-struktora-mashinostroitelja [Handbook of machine engineer constructor], Vol., Moscow, Mashinostroenie, 1982, 584 p.
3. Baranchik V. A. Issledovanie vlijanija nagruzki na iznos vtulochno-rolikovyh cepej [Research of the load effect on deterioration of bush roller chai], Izvestija VUZov, 1958, No.l.
4. Berezhnoj S B. K voprosu obespech-enija rabotosposobnosti cepnoj peredachi [On the issue of ensuring chain transmission efficiency], Veslnik Donskogo gos. iehn. un-la, 2012, Vol. 4, No. 2(20).
5. Vorob'jov N.V. Povyshenie kachestva cepnyh peredach [Improving the quality of ch ai n tran sm i s si on s], Veslnik mashinostroeni-ja, Moscow, 1963, No. 5.
6. Seregin A.A., Semencov M.N., Usov V.V., Usova E.V. Razbornaja plastinchataja cep' [Collapsible lamellar chain], Patent na izobretenie RF No.2354869 ot 10.05.2009, available at: www.freepatent.ru/patents /2354869.
7. Usov A.S., Saharchuk V.V., Usova E.V. Plastinchataja cep' [Lamellar chain], Patent na izobretenie RF No.2529751 ot 27.09.2014, available at: www.freepatent.ru /patents/2529751.
8. Glushkova D.B., Tarabanova V.P., Tolmacheva G.N., Ryzhkov Ju.V. Sravnenie iznosostojkosti i nanotverdosti stalej posle poverhnostnogo uprochnenija raznymi sposo-bami [Comparison of wear resistance and na-nohardness of steels after surface hardening in different ways], Veslnik HNADV, 2010, No. 51.
9. Koval'chuk A.N., Glushkova D.B., Tarabanova VP., Ryzhkov Ju.V. Povyshenie iznosostojkosti trushhihsja poverhnostej par trenija [Increasing wear resistance of rubbing surfaces of friction pairs], Veslnik HNADU, 2009, No. 46.
10. Usova E.V., Usov A S. Cepi mogut sluzhit' dol'she [Chains may serve longer], Se/'skij mehanizalor, 2013, No. 2.
Сведения об авторах
Забродин Виктор Петрович - доктор технических наук, заведующий кафедрой «Теоретическая и прикладная механика», Азово-Черноморский инженерный институт -филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8-928-120-08-21.
Коробской Сергей Анатольевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Технический сервис в АПК», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8-928-185-51-50. E-mail: ksa2975@rambler.ru.
Усова Елена Владимировна — кандидат технических наук, доцент кафедры «Технический сервис в АПК», Азово-Черноморский инженерный институт — филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8-928-755-22-65.
Усов Артём Станиславович - аспирант кафедры «Технологии и средства механизации агропромышленного комплекса», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8-988-999-67-00. E-mail: artem-usov77@yandex.ru.
Information about authors
Zabrodin Viktor Petrovich - Doctor of Technical Sciences, head of the Theoretical and applied mechanics department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8-928-120-08-21.
Korobskoy Sergey Anatolyevich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Technical service in agro-industrial complex department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBET HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8-928-185-51-50. E-mail: ksa2975@rambler.ru.
Usova Elena Vladimirovna - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Technical service in agro-industrial complex department, Azov-Black Sea Engineering Institute-branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8-928-755-22-65.
Usov Artem Stanislavovich - postgraduate student of the Technologies and means of mechanization of agro-industrial complex department, Azov-Black Sea Engineering Institute -branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8-988-999-67-00. E-mail: artem-usov77@yandex.ru.
