CC BY
57
посева: Сб. научн. тр ,/ВИМ. - 2003. - Т.147. - С. 158166.
3. Биологизир ованная энер госбер егающая технология возделывания гречихи. Рекомендации (под общ. ред. В.И. Зотикова). - Орел. 2005. - 19 с.
4. С 1 2238628 ЯИ А 01 С7/20, 7/00. Механизм навески рабочих органов сеялки / Родимцев С.А., Макеев О.В. (Орловский государственный аграр ный универ -ситет.-№ 2003132 009/12; Заявл. 31.10.2003 // Изобретения (Заявки и патенты). - 2004. - № 30. С.234.
5. С 1 2233063 ЯИ А 01 С7/20. Сошник сеялки-
культиватора для широкополосного посева / Родимцев С.А., Пьяных В.П. (Всероссийский научно-
исследовательский институт зе нобобовых и к упяных культур .-№ 20022134 839/12; Заявл. 23.12.2002 // Изобретения (Заявки и патенты). - 2004. - № 21. С.271.
6. С 1 2233062 ЯИ А 01 С7/20. Сошник для ши-
рокополосного посева / Родимцев С.А., Пьяных В.П. (Всероссийский научно-исследовательский институт зернобобовых и крупяных культур .-№ 2002132
342/12; Заявл. 02.12.2002 // Изобретения (Заявки и патенты). - 2004. - № 21. С.271.
7. Отчет ЦЧ МИС № 14-20-2003 (4210102) от 29.11.2003г.
8. ГОСТ 23728-79 - ГОСТ 23730-79 “Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки”. - М.: Изд-во стандартов, 1979, 15 с.
УДК 631.3-236-035
Ресурсосбережение при замене бронзы на капролон в червячных передачах приводов сельхозмашин
В.И. Молчанов, к.т.н. (ФГОУВПО Орел ГАУ)
Важнейшей задачей машиностроения является создание машин и оборудования с высокими и качественными хар актеристиками, малой себестоимостью и металлоёмкостью. Решению этой задачи способствует шир окое пр именение в машинах деталей из пластмасс, в частности, червячных колёс. Как известно, в настоящее время, подавляющее большинство червячных передач изготавливается с колёсами, имеющими бронзовый венец (чаще всего, из бронзы Бр 010Ф1). Внедрение в промышленность червячных передач, у которых венец колеса изготовлен не из дорогостоящей оловянной бронзы, а из относительно дешевой пластмассы, является актуальной пр облемой.
Однако область применения таких передач огр а-ничивается относительно невысокой их несущей способностью, лимити уемой для большинства пе едач изгибной выносливостью зубьев. Изгибная выносливость зубьев червячных колёс с пластмассовыми колёсами имеет свои особенности. Они недостаточно изучены и не в полной ме е учитываются в существующих методах асчёта и п и п оекти овании пе е-дач. Это сдер живает широкое внедрение червячных пе едач с колёсами из пластмассы, в частности, из кап олона, в машиност оение.
Цель работы
Разр аботка методики р асчёта зубьев на выносливость п и изгибе для че вячных пе едач с колёсами из кап олона.
Методы исследования
При р азр аботке исходных червяков, уточнённом асчёте минимальной сумма ной длины контактных линий, получении формулы для проверочного р асчё-та, а также с целью п огнози ования долговечности полиме ных зубьев и оценки несущей способности пе едачи использовались математические модели о-вание и п ог амми ование.
В процессе экспериментальных исследований теоретические п едпосылки п ове ялись с использованием элект отензомет и ования и поля изационно-оптического метода п и оценке нап яжённого состояния кап олоновых зубьев. Проводились усталостные испытания червячных пе едач в лабо ато ных и п оизводственных условиях, в частности, полевые испытания косилки КММ-1,0, привод хода кото ой соде жал че вячную пе едачу с кап олоно-вым колесом.
1. Свойства капролона и определение допускаемых напряжений
Анализ исследований по усталостной прочности пластмасс показал, что почти все полимеры более чувствительны, нежели металлы, к усталостным явлениям. Коэффициент усталостной прочности большей части тер мопластов (к = 0\т/0ъ) равен 0,1; для капролона к = 0,2...0,28. Поэтому в качестве материала для червячных колёс, р аботающих в режиме мно-гокр атного циклического нагружения, выбр ан капролон. Зубья капролоновых червячных колёс обладают
высокой износостойкостью и хорошей прирабатывае-мостью.
1.1 Физико-механические и термические
свойства капролона В конструкционного назначения
Основные свойства капролона В как конструкционного матер иала пр иведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 - Физико-механические и тер мические свойства капр олона В конструкционного назначения
KFp -
Показатель Капролон В (ТУ 6-05-983-73)
3 Плотность р, кг/м 5 О 6 о
Темпер атур а плавления Тпл, °С 220...225
Т еплостойкость по Мартенсу Тм,
°С 75...76 (60...75*)
Теплостойкость по ВИКА Тв, °С 190...220
Удельная теплоёмкость, Дж/(кг. 1,6 • 103
°С)
Пр едел пр очности, МПа:
пр и р астяжении <р 90...95
пр и сжатии осж 100...110
пр и изгибе <и 120...150
Относительное удлинение при разрыве
=от % 6...20
Модуль упругости при растяжении Ер,
ГПа 0 СО .2, о 6 ,0 2,
Удар ная вязкость, кДж/м:
без надреза 100...150
с надр езом 4...6
Твёрдость по Бр инеллю НВ, МПа 200...250
Водопоглощение за 24 ч Вп24, % ,0 .2, ,5.
Водопоглощение максимальное Вптах,
% 6...7
* Температура размягчения при изгибе
Колёса из капролона менее чувствительны к погрешностям изготовления и монтажа, лучше прир аба-тываются, наматывания материала на червяк не наблюдается. Однако область применения червячных пе едач с колёсами из кап олона ог аничивается относительно невысокой их несущей способностью (Т2=160...210Нм), лимитируемой изгибной выносливостью зубьев.
1.2 Сравнение капролона и бронзы по ст андартны1м механическим показателям Сравнение капролона В и бронзы по основным физико-механическим свойствам приведено в таблице 1.2.
1.3 Определение допускаемым напряжений при расчёт е на изгибную вышосливост ь Допускаемое напряжение при р асчёте на выносливость при изгибе р ассчитывается по формуле:
KFp ■ Op lim
°FP
Sf
~YnYbYRYx.
где: цт - условный пр едел выносливости зубьев пр и
изгибе, соответствующий эквивалентному числу циклов перемен напряжений для исходной передачи, МПа. Его значения, определённые экспериментально, следует принимать: 44,7 и 45,4 МПа соответственно для передач с исходным червяком по ГОСТ 19036 - 81 (зуб колеса нормальной толщины) и утоненным витком червяка (зуб колеса утолщенный).
Коэффициент Крр хар актер изует отношение условных пределов изгибной выносливости для проектируемой и исходной пер едач, т.е.
OF lim
Пр и этом, если o*F lim > oF цт,то значение коэффициента KFP пр инимают р авным 1.
Т аблица 1.2 - Ср авнительные показатели физикомеханических свойств капр олона В и бр онзы
Свойства Капролон В Бронза
Плотность, кг/м3 1150. ..1160 8580. ..8800
Теплостойкость по Вика, °С 190...220 -
Теплостойкость по Мартенсу, °С 6 5. -
Коэффициент линейного расширения, °С ■10-5 10 1,7
Теплопроводность при 20...90 °С, Вт/М2 ■ °С 1,2 93,6
Водопоглощение за 24 ч., % 1,5 - 2 -
Усадка материала при литье, % 3 1,4. ..1,61
Водопоглощение max, % 6,5 -
Удельная ударная вязкость, кДж/м2: без надреза с надрезом 0 6 .1.6 О ^ 0 200. ..300
Предел прочности при статическом изгибе, МПа 120. ..150
Предел прочности при сжатии, МПа 100...110 150. ..280
Предел прочности при растяжении, МПа 90...95 150. ..280
Удлинение, % 20 3...8
Твёрдость по Бринеллю, МПа 200...250 750...1100
Предел прочности при срезе, МПа - 250...300
Модуль упругости при растяжении, ГПа 2,060...2,31 90,0
Модуль упругости при сдвиге, ГПа 3,780...5,30 -
Коэффициент трения о сталь: без смазки со смазкой 0,1 0,04 0,17 0,06
Относительная износостойкость без смазки Pa ■ v, МПа ■ м ■ с-1 0,08 0,4
Коэффициент безопасности 8Б для полиамидных чер -вячных колёс следует принимать при постоянной нагрузке равным 2...2,7, знакопеременной - 3...4.
Коэффициент долговечности Ук определяется по фор муле:
Yn - 6,
N
F lim b
N
FE
где: Крцщь - условное базовое число циклов перемен напряжений, для капр олона Крцть = 106; КРЕ - эквивалентное число циклов пер емен напряжений. Так как большинство червячных передач р аботает при длительных нагрузках, близких к постоянным, то КрЕ = 60 п^, где п2 - частота вр ащения червячного колеса, мин-1; Ї - вр емя р аботы на данном р ежиме за пер иод
эксплуатации, ч.
Коэффициент Уь, учитывающий гр адиент напряжений и чувствительность материала к концентр ации напряжений (опорный коэффициент), можно принимать для капр олоновых колёс р авным 1,3.
Таблица 2.1 - Исходные данные и р езультаты р асчета чер вячной пер едачи на пр очность
Исходный или определяемый параметр Значение параметра передачи
Исходные данные
Материал пары Сталь 40Х -капролон В
Модуль зацепления т, мм 3,5
Число витков (зубьев):
Червяка Z1 2
Колеса Z2 28
Диаметры делительных окружностей, мм:
Червяка ф 35
Колеса ^ 98
Межосевое расстояние а№, мм 66,5
Коэффициент смещения X 0
Длительный угол подъема у, град. 11,3
Рабочая ширина венца Ь2, мм 30
Передаваемая мощность Р, кВт 0,55
Частота вращения п (п2), мин-1 909(65)
Температура окружающей среды, Уа,оС 25
Условия смазки Жидкая
Базовое число циклов перемен направлений N0^ 106
Расчет кинематических и нагрузочно-скоростных параметров
Передаточное число и 14
Вращающий момент Т1 (Т2), Нм 5,78 (64,7)
Минимальная суммарная длина контактных линий, мм 54,9
Окружающая сила РИ2, Н 1320
Окружная скорость Уокр, мс-1 1,66
Расчет температуры зубчатых колес
Коэффициент трения ц 0,04
Коэффициенты:
Кю, Мпа-1 1,5 10-5
С 0,72-108
Максимальная температура зуба У2тах оС 26,3
Расчет зубьев на выносливость при изгибе
Коэффициент разрушающей нагрузке СР, Мпа 6,73
Коэффициент формы зуба УР2 1,77
Коэффициент концентрации напряжений:
Теоретический а„ 1,72
Эффективный Ка 1,625
Модуль упругости, Мпа:
при растяжении Е„° 2200
при сжатии Есжо 2350
«конструктивный» Е„° 700
Коэффициенты:
КРа 0,5
КРВ 1,35
КРУ 1,1
Крв 1,2
КР7 0,905
Расчетные напряжения изгиба <гР, Мпа 10,8
Условный предел выносливости зубьев при изгибе соответствующий эквивалентному числу циклов перемен напряжений <гРцт, Мпа 44,7
Коэффициент безопасности 8Р 2
Ресурс передачи Ц**, ч с (Не ограничивается данным уровнем напряжений изгиба)
** Ограничивается старением капролона в эксплуатационных условиях.
Учет шероховатости переходной поверхности (коэффициент Уй) и размеров червячного колеса (коэффициент Ух) производится следующим образом: при шероховатости поверхности 40 мкм Ук = 1, а
Ух = 1,05 - 0,000125 ё2, где ё2 - делительный диаметр
2. Пример расчета
Исходные данные, основные характеристики и результаты расчета на прочность нестандартной червячной передачи редуктора хода моторизованной малогабаритной косилки ККМ-1,0 приведены в таблице 2.1.
Примечание: степень точности изготовления металлополимерной червячной передачи назначается по ГОСТ 1643-81 в зависимости от режима работы с учетом технологических возможностей ее изготовления, а величина гарантированного бокового зазора (ГОСТ 1643-72) - по виду сопряжения и межосевому расстоянию.
Результаты исследования
Применение капролоновых червячных передач целесообразно и эффективно в основном в условиях крупносерийного и массового производства при замене цветных металлов литыми (или прессованными) колёсами из капролона крупнотоннажного производства с минимальной последующей механической обработкой. Капролоновые червячные колёса обладают высокой износостойкостью и хорошей прирабатывае-мостью. Червячные редукторы с капролоновыми колёсами рекомендуются для приводов мощностью от 2 до
4 кВт, работающих при температуре смазки до 90...100 °С и скорости скольжения до 3.. .4 м-с"1.
Испытания червячных и глобоидальных передач с колёсами из капролона при скорости скольжения 6 м/с показали, что вращающий момент на валу колеса для глобоидной и червячной пар с колёсами из капро-лона был выше, чем с колёсами из бронзы БрА9Ж4 соответственно в 3 и 1,3 раза, а к.п.д. редуктора -соответственно на 4.6 и 18.20%. Капролоновые колёса в опытном червячном редукторе питателя пыли после четырёх лет эксплуатации (20 тыс.ч) находились в удовлетворительном состоянии. Их долговечность оказалась в 3 раза выше, чем бронзовых. Применение капролоновых червячных колёс позволяет значительно снизить массу редуктора, а также получить экономию средств и дорогостоящей бронзы.
При замене бронзы БрА9Ж4 на капролон В в редукторе ходовой части моторизованной малогабаритной косилки КММ - 1,0 масса венца червячного колеса уменьшилась с 0,75 до 0,1 кг, а экономия в год за счёт меньшей объёмной цены капролона при выпуске косилок 6000 шт/год составляет 233100 руб. При расчёте приняты стоимости бронзы и капролона соответственно 83000 руб/т и 234000 руб/т. Экономический эффект составляет 51,8 тыс. руб. на 1 т заменённой бронзы.
Выводы1
Перспективным видится применение капролона в глобоидных передачах и с червяками ZT, имеющих по сравнению с червяками ZA преимущества как по нагрузочной способности, так и по коэффициенту полезного действия.
червячного колеса.
