РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ШАССИ ПОЖАРНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ СРЕДНЕГО КЛАССА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 62-234

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ШАССИ ПОЖАРНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ СРЕДНЕГО КЛАССА

А. А. ПОКРОВСКИЙ, В. П. ЗАРУБИН, П. В. ПУЧКОВ

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: aapokrovsky@mail.ru, docent432@yandex.ru, palpuch@mail.ru

В статье представлена классификация и рассмотрены основные конструкции съемников, предназначенных для проведения технического обслуживания и ремонта ходовой части пожарных автомобилей среднего класса. На основе проведенных расчетов была предложена конструкция съемника отличающегося от существующих аналогов меньшими габаритами и массой при неизменной нагрузке в передаче винт-гайка. Разработка конструкции устройства основывалась на применении в паре трения материалов с более высокими прочностными характеристиками. Разработанная конструкция представлена трехмерной моделью, в которой показано, что конструкция устройства включает в себя дополнительные крепежные отверстия для изменения конфигурации захватов, а винт съемника оснащен двумя головками под торцевые ключи. Методом конечных элементов проведена оценка работоспособности разработанной конструкции съемника. Полученные на основе данного метода рабочие напряжения в захватах не превышают допустимых. Применение разработанного устройства позволит повысить эффективность проведения технического обслуживания ходовой части пожарных автомобилей на базе шасси среднего класса.

Ключевые слова: съемник, захват, винт, гайка, напряжение, резьба, ходовая часть, пожарный автомобиль, работоспособность.

DEVELOPMENT OF THE DESIGN OF THE DEVICE FOR CARRYING OUT MAINTENANCE OF THE CHASSIS OF FIRE VEHICLES MIDDLE CLASS

A. A. POKROVSKY, V. P. ZARUBIN, P. V. PUCHKOV

Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education

«Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,

Russian Federation, Ivanovo E-mail: aapokrovsky@mail.ru, docent432@yandex.ru, palpuch@mail.ru

The article presents a classification and considers the main designs of pullers designed for maintenance and repair of the chassis of middle class fire trucks. On the basis of the calculations, the design of the puller was proposed, which differs from the existing analogues in smaller dimensions and weight with a constant load in the screw-nut transmission. The development of the device design was based on the use of materials with higher strength characteristics in a friction pair. The developed design is represented by a three-dimensional model, which shows that the design of the device includes additional mounting holes for changing the configuration of the grippers, and the puller screw is equipped with two socket wrench heads. The efficiency of the developed design of the stripper was evaluated by the finite element method. The working stresses in the grips obtained on the basis of this method do not exceed the permissible ones. The use of the developed device will increase the efficiency of maintenance of the chassis of fire trucks based on a middle class chassis.

Key words: puller, gripper, screw, nut, tension, thread, chassis, fire truck, performance.

© Покровский А. А., Зарубин В. П., Пучков П. В., 2021

Пожарные автомобили представляют собой средства транспорта на базе автомобильных шасси, которые оснащены оборудованием, используемым при пожарно-спасательных работах. К среднему классу относятся пожарные автомобили с полной массой от 7500 до 14000 кг.

Шасси автомобиля представляет собой единую систему узлов трансмиссии, ходовой части и механизмов управления. К одним из элементов шасси пожарных автомобилей относится ходовая часть, которая состоит из рамы, передней оси, задней оси, подвески, амортизаторов, колес и шин. Ходовая часть автомобиля в первую очередь отвечает за его безопасную эксплуатацию как при движении по дорогам с качественным покрытием, так и в условиях бездорожья. В процессе эксплуатации элементы ходовой части пожарного автомобиля зачастую испытывают существенные нагрузки и требуют своевременного и качественного технического обслуживания. При проведении технических обслуживаний узлов ходовой части проверяют состояния и крепления передних и задних подвесок и амортизаторов, измеряют люфты в подшипниковых узлах колёс и поворотных цапфах, проводят оценку состояния рамы и балки передней оси. Также в соответствии с картой смазки смазывают шаровые опоры. При необходимости создают требуемое давление воздуха в колесах при проверке их состояния. Для проведения технического обслуживания элементов ходовой части автомобиля необходимо наличие специального оборудования. В настоящее время технологическое оборудование для технического обслуживания автомобилей очень разнообразно по типам, видам и сложности конструкции. К одному из таких видов оборудования относятся съемные устройства [1].

Съемник — это приспособление для снятия деталей или узлов (шкивов, подшипников, втулок, шестерен) запрессованных с разным усилием на вале, оси с натягом.

На сегодняшний день существует два основных типа съемников: гидравлические и механические. Гидравлические съемники более просты и удобны в использовании, позволяют с большей скоростью выполнять требуемые операции и создавать очень большие усилия. Но конструкция гидравлических съемников достаточно сложная и их стоимость высокая.

Механические съемники подразделяются на рычажные и винтовые. По способу за-

крепления на демонтируемой детали съемники разделяются на следующие основные типы:

- закрепляемые резьбовыми соединениями со снимаемой деталью;

- навинчиваемые на снимаемую деталь;

- с захватом детали или упором в нее;

- с фрикционным зажимом детали, где ее снятие происходит за счет силы трения.

Рычажные съемники увеличивают силу тяги за счет отношения плеч рычага, который является одним из основных элементов конструкции. Достоинством рычажных съемников является простота конструкции и относительно низкая стоимость. Но при этом данные устройства не способны создавать больших тяговых усилий. Конструктивные особенности приводят к возникновению боковых сил, способствующих перекашиванию снимаемой детали. По данным причинам рычажные съемники имеют ограниченную область применения.

Большими достоинствами и разнообразием конструктивных исполнений обладают винтовые съемники. Основными деталями винтового съемника являются силовой винт 1 и траверса 2, соединенные между собой трапецеидальной или прямоугольной резьбой. Траверса при помощи захватов соединяется с демонтируемой деталью (рис. 1). Перемещение траверсы вместе с демонтируемой деталью осуществляется при вращении винта.

Рис. 1. Винтовой съемник: 1 - силовой винт, 2 - подвижная траверса

Из перечисленных конструктивных исполнений съемников наибольший интерес представляет съемник с Т - образной планкой (рис. 2).

Рис. 2. Съемник с Т - образной планкой: 1 - планка, 2 - передвижная лапка

Т-образные съемники могут оснащаться двумя или тремя лапками, которые могут перемещаться по Т-образной планке. Это позволяет производить демонтаж деталей различных габаритов. При этом лапки, устанавливаемые на съемник, могут быть различных размеров, что в свою очередь делает съемник достаточно универсальным изделием.

Для разъединения соединения деталей при техническом обслуживании или ремонте механических передач можно использовать съемники других конструкций. В каждом конкретном случае следует использовать устройства, обеспечивающие наиболее эффективное производство работ. Все разнообразие конструктивных исполнений съемников предусмотреть невозможно.

В качестве разрабатываемого устройства, предназначенного для ремонта ходовой части пожарных автомобилей нами выбран винтовой съемник. Это обусловлено тем, что в условиях проведения ремонта в пожарно-спасательных подразделениях данное устройство в наибольшей степени отвечает всему комплексу технических характеристик, таких как низкая материалоемкость и малые габариты при высокой нагрузочной способности, широкая область применения, определяемая размерами демонтируемых деталей за счет возможности изменения конфигурации захватов. В процессе расчета винтового съемника можно выделить следующие основные этапы: определение диаметра винта; выбор и обоснование параметров резьбы; расчет размеров рукоятки; проверочный расчет винта; проектирование гайки; определение коэффициента полезного действия съемника; проверка параметров резьбы на износостойкость.

При проектировании съемника задаемся материалом винта и гайки. Материал винта - сталь 40ХН; материал гайки бронза БрО10Ф1; грузоподъемность 500 кг или 5000 Н. Содержание в материале винта легирующего элемента хрома в количестве 1% позволит повысить прокаливаемость и способствует получению высокой и равномерной твердости стали, повышает коррозионную стойкость и порог хладноломкости. Никель придает высокую прочность, пластичность и коррозионную стойкость сталям. Хромоникелевые стали обладают наилучшим комплексом свойств. Для передачи принимаем трапецеидальную резьбу, конструкцию гайки выбираем цельную [1,2,3].

Средний диаметр резьбы ^ ,мм;

d2 >

F

л-Vd-у-[ p]

(1)

где - коэффициент, зависящий от формы гайки, для неразъемных гаек % =1,5...2. Примем = 2;

V - коэффициент, зависящий от вида резьбы (трапецеидальная резьба v = 0,5; метрическая резьба v = 0,541;) v = 0,5; [р] - допустимое давление в витках резьбы; сталь-бронза [р] = 10...12 МПа; сталь-чугун [ р]= 8...9 МПа.

d2 =

5000

3,14 • 2-0,5-10

=14,6

мм

Принимаем стандартные размеры резьбы наружный диаметр резьбы й =16 мм; внутренний диаметр резьбы Л= 14 мм; средний диаметр резьбы =15 мм; шаг резьбы р = 2 (рис. 3).

Рис. 3. Трапецеидальная резьба

Определим высоту гайки Н, мм:

Н = % - = 2-15 = 30мм.

Число витков в гайке:

Н 30 ^ г = — =— = 15.

Р 2 Наружный диаметр гайки:

D-

5-F

Ж'

CT

+d2

(2)

где - допустимое напряжение на рас-

тяжение или сжатие; _^] = 22 МПа.

D =

"V

5- 5000

+162 = 24,9

3,14- 22 Принимаем D = 25 мм.

мм.

Диаметр буртика Dб,

мм:

D

4-F

1 ж-

CT

+d2

(3)

V

4-5000

3,14- 22

+252 = 30,25

мм.

Принимаем Об = 32 мм.

Проверочный расчет из условия проч-

ности.

CT

n = —-

(4)

где с( - предел текучести. Для стали 45 предел текучести с = 600 МПа.

CT,

= 40"

+т2,

(5)

где с - нормальное напряжение, МПа, т - касательное напряжение, МПа.

4-F S ж-d

6)

где N - продольная сила, $ - площадь поперечного сечения.

4-5000 = 32,5 МПа.

3,14-14

T_

W

p

(7)

где Т - момент от сил трения на торце винта, Н м; Жр - полярный момент сопротивления

сечения, мм .

T = f - F - R,

(8)

где / - коэффициент трения; / = 0,16; Я -приведенный радиус, мм.

Я = 1 • Л = --14 = 4,7 мм. Т = 0,16-5000-4,7 = 3760Нм.

т

ж • d3 3 14- 143 W = E-dL = 3,14 14 = 538,5 p 16 16

3760

мм

T = -

= 7 0 МПа

n = -

600

538,5

сг^ =^132,52 + 72 = 33,2 МПа = 18,1-< 2,5 = [и] условие прочности

33,2 соблюдается.

Расчет винта на устойчивость. Определяем гибкость винта X:

Л =

_ л • l

L

(9)

A

где: ( - коэффициент приведения длины, ¡ = 2; I - длина выступающей, I = 100 мм; /т;„ - минимальный монет инерции сечения,

4

мм ;

т •

^ = "64" 3,14 444 10__ 4

1щп = ^ =1885 мм

А - площадь поперечного сечения, мм2

А = п • 4

3 14442 ,

А = 3,14 14 = 153,8 мм2

4

А^ = 57

[шТ

(10)

(11)

153,9

F

п

кр

F

46524

п =-= 9,3 > 2,5

' 5000

(12)

(устойчи-

вость достаточна)

На основе произведенных расчетов была разработана трехмерная модель винтового съемника для технического обслуживания пожарных автомобилей (рис. 4).

Рис. 4. Принципиальная схема винтового съемника 1 - гайка, 2 - винт силовой, 3 - направляющие штифты,4 - захваты, 5 - рукоятка, 6, 7 - головки под торцевые ключи («квадрат», «шестигранник»)

Гибкость винта А = 75 < 85 . Где 85 -критическая гибкость.

Расчет ведем по формуле Ясинского:

^ = (а - Ь А) А

где: FKp - критическая сила, Н; a - эмпириче-

ский коэффициент; а = 589 Ь - эмпирический коэффициент; Ь = 3,82 .

^ = (589 -3,82 •75)453,8 = 46524 H

Коэффициент устойчивости.

Состав основных элементов включает тяговый орган (винт) и траверсу на которой установлены захваты, или тяги в виде болтов или шпилек, захватывающих деталь. На основе принципиальной схемы и проведенных расчетов была разработана трехмерная модель винтового съемника. В разработанной конструкции устройства подвижная траверса включает в себя дополнительные крепежные отверстия для изменения конфигурации захватов, а винт съемника оснащен двумя головками под торцевые ключи. Конструкция за счет передачи винт-гайка - позволяет преобразовывать вращательное движение силового винта в поступательное движение траверсы с захватами и демонтируемой деталью. Съемник

обеспечивают большое тяговое усилие с возможностью получения медленного движения, обладает простотой конструкции и изготовления. Данный винтовой съемник может быть использован при разборе соединений деталей с натягом. В качестве демонтируемых деталей могут быть подшипники качения, шкивы, звездочки, зубчатые и червячные колеса, диски и другие детали. Снятие деталей с избыточным натяжением осуществляется созданием статического тягового усилия за счет поступательного движения винта в гайке. Поступательное перемещение достигается вращением винта вручную. В чугунной литой опоре (корпусе) съемника запрессована бронзовая втулка с ленточной резьбой, в которой перемещается полый стальной винт. Внутрь полого винта входит на ленточной резьбе винт опорной пяты для груза.

При повороте рукоятки винт вращается вокруг вертикальной оси, вывинчивается при подъеме и завинчивается при его опускании. Винт снабжен свободно сидящим на нем оголовком, который остается неподвижным при вращении винта. Угол подъема винтовой линии резьбы винта делается меньше, чем угол трения, благодаря чему обеспечивается самоторможение съемника без дополнительных устройств [6,8,9].

На рис. 5 представлено распределение напряжений по сечению захвата. Методом конечных элементов было обнаружено, что максимальное напряжение было меньше, чем расчетное напряжение, полученное на этапе проектирования. Самые высокие значения напряжений получены для наиболее тонкой части захвата съемника [4,5,7].

Таким образом, на основе проделанной работы были получены следующие результаты:

1. Определены основные силовые и геометрические параметры винтового съемника;

2. Выполнена трехмерная модель устройства;

Список литературы

1. Решетов Д. Н. Детали машин. М.: Машиностроение, 1989. С. 348.

2. Анурьев В. И. Справочник конструктора машиностроителя. В 3-х томах. М.: Машиностроение, 2002.

3. Детали машин. Учебник для вузов / Л. А. Андриенко [и др.]. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. 544 с.

4. Дунаев П. Ф. Конструирование узлов и деталей машин. М.: Высшая школа, 2003. 352 с.

Рис. 5. Распределение напряжений по сечению захвата

3. Конструкция винта съемника предусматривает две головки («квадрат» и «шестигранник») под торцевые ключи;

4. Устройство оснащено дополнительными крепежными отверстиями для изменения конфигурации захватов и снабжено вращающейся центровочной опорой упорного винта;

5. Винтовой съемник обладает высокой нагрузочной способностью при минимальных габаритах и металлоемкости изделия, вследствие применения для его расчета и проектирования низколегированной стали с высокими прочностными характеристиками.

5. Чернилевский Д. В. Курсовое проектирование деталей машин и механизмов. М.: Высшая школа, 1980. 426 с.

6. Лахтин, Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: учебник. 3-е изд., перераб. и доп. Репринтное издание. М.: Альянс, 2013. 528 с.

7. Пучков П. В., Исраилов М. И. Разработка мобильного поста для технического обслуживания и ремонта пожарных рукавов // Надежность и долговечность машин и механизмов: сборник материалов XI Всероссийской научно-практической конференции, Иваново, 15 апреля 2021 г. Иваново: Ивановская пожар-

но-спасательная академия ГПС МЧС России, 2021. С. 44-46

8. Пучков П. В., Жашуев А. Ж. Разработка конструкции подкатного автослесарного лежака с регулируемой высотой подъема // Надежность и долговечность машин и механизмов: сборник материалов XI Всероссийской научно-практической конференции, Иваново, 15 апреля 2021 г. Иваново: Ивановская пожар-но-спасательная академия ГПС МЧС России, 2021. С. 36-41

9. Пучков П. В. Способ диагностики усталостного разрушения тяжелонагруженных деталей машин и конструкций // Аграрная наука в условиях модернизации и инновационного развития АПК России. Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием посвященная 90-летию ФГБОУ ВО «Ивановская государственная сельскохозяйственная академия имени Д. К. Беляева». Том II: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференций Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская ГСХА, 2020. С. 139-141

References

1. Reshetov D. N. Detali mashin [Machine parts]. M.: Mashinostroenie, 1989, 348 p.

2. Anuryev V. I. Spravochnik konstruktora mashinostroitelya. V 3-kh tomakh [Handbook of the designer of the machine builder. In 3 volumes]. M.: Mechanical Engineering, 2002.

3. Detali mashin. Uchebnik dlya vuzov [Machine parts. Studies for universities] / L. A. Andrienko [et al.]. M.: Publishing House of Bauman Moscow State Technical University, 2002. 544 p.

4. Dunaev P. F. Konstruirovaniye uzlov i detaley mashin [Designing of components and machine parts]. M.: Higher School, 2003. 352 p.

5. Chernilevsky D. V. Kursovoye proyek-tirovaniye detaley mashin i mekhanizmov [Course

design of machine parts and mechanisms]. M.: Higher School, 1980. 426 p.

6. Lakhtin, Yu. M., Leontieva V. P. Materi-alovedeniye: uchebnik. 3-ye izd., pererab. i dop. Reprintnoye izdaniye [Materials Science: textbook 3rd ed., reprint. and add. Reprint edition]. M.: Alliance, 2013. 528 p.

7. Puchkov P. V., Israilov M. I. Razrabotka mobil'nogo posta dlya tekhnicheskogo obslu-zhivaniya i remonta pozharnykh rukavov [Development of a mobile post for maintenance and repair of fire hoses]. Nadezhnost' i dolgovechnost' mashin i mekhanizmov: sbornik materialov XI Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konfer-entsii, Ivanovo, 15 aprelya 2021 g. Ivanovo: Ivanovskaya pozharno-spasatel'naya akademiya GPS MCHS Rossii, 2021, pp. 44-46

8. Puchkov P. V., Zhashuev A. Zh. Razrabotka konstruktsii podkatnogo avtoslesarnogo lezhaka s reguliruyemoy vysotoy pod"yema [Development of the design of a rolling car mechanic lounger with adjustable lifting height]. Nadezhnost' i dolgovechnost' mashin i mekhanizmov: sbornik materialov XI Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, Ivanovo, 15 aprelya 2021 g. Ivanovo: Ivanovskaya pozharno-spasatel'naya akademiya GPS MCHS Rossii Ivanovo: Ivanovo Fire and Rescue Academy of the Ministry of Emergency Situations of Russia, 2021, pp. 36-41

9. Puchkov P. V. Sposob diagnostiki us-talostnogo razrusheniya tyazhelonagruzhennykh detaley mashin i konstruktsiy [A method for diagnosing fatigue failure of heavily loaded machine parts and structures]. Agrarnaya nauka v uslovi-yakh modernizatsii i innovatsionnogo razvitiya APK Rossii. Vserossiyskaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya s mezhdunarodnym uchastiyem posvyashchennaya 90-letiyu FGBOU VO «Ivanovskaya gosudarstvennaya sel'skokho-zyaystvennaya akademiya imeni D. K. Belya-yeva». Tom II: sbornik materialov Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsiy Ivanovo: FGBOU VO Ivanovskaya GSKHA2020. pp. 139141

Покровский Аркадий Алексеевич

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,

Российская Федерация, г. Иваново

кандидат технических наук, доцент

E-mail: aapokrovsky@mail.ru

Pokrovsky Arkady Alekseevich

Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of

State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination

of Consequences of Natural Disasters»,

Russian Federation, Ivanovo

candidate of tech. sciences, senior lecturer

E-mail: aapokrovsky@mail.ru

Зарубин Василий Павлович

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,

Российская Федерация, г. Иваново

кандидат технических наук, старший преподаватель

E-mail: docent432@yandex.ru

Zarubin Vasily Pavlovich

Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of

State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination

of Consequences of Natural Disasters»,

Russian Federation, Ivanovo

candidate of tech. sciences, senior lecturer

E-mail: docent432@yandex.ru

Пучков Павел Владимирович

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,

Российская Федерация, г. Иваново

кандидат технических наук, старший преподаватель

E-mail: palpuch@mail.ru

Puchkov Pavel Vladimirovich

Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of

State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination

of Consequences of Natural Disasters»,

Russian Federation, Ivanovo

candidate of tech. sciences, senior lecturer

E-mail: palpuch@mail.ru