Создание ручной машины с волновой передачей и исследование ее работоспособности Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Выводы

1. Установлено, что прогиб вала и дисбаланс системы ротор - АБУ зависят от отношения массы жидкости к суммарной массе ротора, характеризующего жидкостное автобалансирующее устройство.

2. При внезапном переходе угловой скорости через критическую рассмотренное АБУ увеличивает

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Епишев Л.В. О динамической неустойчивости вращающегося ротора при неполном наливе жидкости // Научные доклады высшей школы. Машиностроение и приборостроение. - 1959.

- № 2. - С. 66-74.

2. Дерендяев Н.В., Сандалов В.М. Об устойчивости стационарного вращения цилиндра, частично заполненного вязкой несжимаемой жидкостью // Прикладная механика и математика.

- 1982. - Т 46, вып. 4. - С. 578-586.

3. Диментберг Ф.М. Изгибные колебания вращающихся валов. -М.: Изд-во АН СССР, 1959. - 246 с.

вибрацию ротора, а при изменении частоты вращения в закритической области - уменьшает, что подтверждается опытом эксплуатации АБУ.

3. Приведенные формулы позволяют вычислить предельное значение дисбаланса системы и минимизировать его при конструировании АБУ для роторов.

4. Рубановский В.Н., Самсонов В.А. Устойчивость стационарных движений в примерах и задачах. - М.: Наука, 1988. - 304 с.

5. Нестеренко В.П. Автоматическая балансировка роторов приборов и машин со многими степенями свободы. - Томск: Изд-во Томского ун-та, 1985. - 85 с.

6. Гусаров А.А. Автобалансирующие устройства прямого действия. - М.: Наука, 2002. - 119 с.

7. Андрейченко К.П. Динамика поплавковых гироскопов и акселерометров. - М.: Машиностроение, 1987. - 128 с.

8. Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высшая школа, 1967. - 599 с.

УДК 621.833

СОЗДАНИЕ РУЧНОЙ МАШИНЫ С ВОЛНОВОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

В.С. Коротков

Томский политехнический университет E-mail: kvs@tpu.ru

Дано описание двух вариантов конструкции и техническая характеристика ручного электробура, в приводе которого использован коллекторный электродвигатель с волновой передачей. Представлен метод автоматизированного выбора мощности двигателя. Приводятся результаты испытаний.

На современном этапе рыночная реформа требует обеспечить широкую гамму высокопроизводительного механизированного инструмента с высокими потребительскими свойствами. Интенсификация рабочих процессов сопровождается повышенными требованиями, предъявляемыми к новой технике. В данных условиях развития экономики отечественные разработки должны быть конкурентоспособными на мировом рынке и не уступать по своим техническим характеристикам зарубежным аналогам. В ручных машинах различных типов необходимо получить экономию энергии, снизить материалоемкость, повысить качество выполняемых работ и улучшить условия труда оператора. Исследования, направленные на создание ручной машины статического действия с высоким крутящим моментом на рабочем органе и на улучшение эксплуатационных характеристик ручных машин такого класса, являются актуальными для строительства и сельского хозяйства.

В настоящее время в классификации ручных машин по назначению и области применения, соответствующей действующему стандарту, нет ручной машины предназначенной для бурения грунтов (рис. 1) [1].

В строительстве и сельском хозяйстве существуют такие виды работ, которые требуют достаточно высокого крутящего момента на рабочем органе. Например, бурение ям под столбы ограждения, фундамент для мелких построек и эстакад, бурение шпуров для взрывных работ и проведения инженерных изысканий и т.п.

Поэтому с целью расширения номенклатуры выпускаемых ручных машин (РМ) разработана конструкция ручной машины электробур с волновой зубчатой передачей (ВЗП), предназначенной для бурения грунтов Г-ГУ категории по классификации Госстроя (рис. 2) [2]. Совокупность существенных признаков устройства не известна из уровня техники [3].

Преимущественное распространение в приводах РМ (до 70 %) получили однофазные коллекторные двигатели с двойной изоляцией мощностью

60...2000 Вт, с частотой вращения якоря 200...300 с-1. Эти двигатели характеризуются высокой удельной мощностью на единицу массы, способностью выдерживать кратковременные перегрузки, нечувствительностью к колебаниям напряжения в питающей электросети, невысоким уровнем пускового тока (не бо-

РУЧНЫЕ МАШИНЫ

Общего Для обработки Для обработки Для обработки Для сборочных

применения металла дерева камня и грунта работ

- сверлильные - ножницы - рубанки - молотки

- шлифовальные - развальцовочные - пилы - перфораторы

1- фрезерные - развертывающие ^долбежники -ломы

-зенковальные 1-трамбовки

- шаберы

рубильные молотки

резьбонарезные

- резьбозавертывающие

- клепальные молотки

- скобозабивные

- гвоздезабивные

Рис. 1. Классификация ручных машин по назначению и области применения

лее четырехкратного номинального значения). Они безопасны в эксплуатации, могут работать от сети переменного и постоянного тока, для их питания не требуется громоздких трансформаторов или преобразователей частоты [4].

ни. Редукторы с волновой передачей с промежуточными звеньями выдерживают многократные кратковременные перегрузки практически без упругих деформаций, имеют небольшие габариты и массу, высокий КПД в сравнении с зубчатыми редукторами других типов. За счет большой жесткости кинематических звеньев редукторов, общий угловой зазор составляет до 0,5° при нормальной точности изготовления [6].

На рис. 3 представлена конструкция привода РМ электробур. Вращательное движение якоря двигателя - 1 через соединительное устройство передается на вал дискового генератора - 2. Диски - 3, совершая плоскопараллельное движение относительно друг друга, приводят к эффекту обкатывания гибкого колеса - 5 по жесткому колесу - 4. Причем направление вращения якоря двигателя и гибкого колеса волновой передачи становится противоположно. Зубчатая муфта - 6 передает крутящий момент на шпиндель - 7.

Рис. 2. Электробур: 1) коллекторный двигатель; 2) рукоятки; 3) волновой редуктор; 4) муфта; 5) шнековый рабочий орган

Одним из путей повышения надежности, уменьшения габаритных размеров и массы машин, а также снижения расходов на ее эксплуатацию является использование прогрессивных типов механических передач энергии от двигателя к исполнительному устройству. К таким типам передач относится, в частности, волновая зубчатая передача и волновая передача с промежуточными звеньями (ВППЗ).

ВЗП в диапазоне передаточных отношений

80...400 выполняется одноступенчатой и может конкурировать в отношении массы, габаритных размеров, простоты конструкции и КПД с лучшими образцами планетарных передач [5].

Основными достоинствами ВППЗ являются высокое передаточное отношение 6...60 в одной ступе-

^ 1

! 4ТП ^ Т

; ^ 1 Ш У / \1

Рис. 3. Конструкция привода РМ с ВЗП: 1) коллекторный двигатель; 2) вал генератора волн; 3) диски генератора волн; 4) жесткое колесо; 5) гибкое колесо; 6) зубчатая муфта; 7) шпиндель

Передаточное отношение волновой передачи данного типа определяется по зависимости [7]:

и = --^,

где 1\ - число зубьев жесткого колеса; - число зубьев гибкого колеса.

Благодаря многопарности зацепления (нагрузку могут передавать до 50 % всех пар зубьев) нагрузочная способность волновой передачи выше, чем планетарной.

Критериями работоспособности волновой зубчатой передачи являются: прочность гибкого колеса, прочность подшипников генератора, жесткость генератора и жесткого колеса, износ зубьев и тепловой режим [8].

Проверочные расчеты прочности гибкого колеса показали, что для обеспечения равнопрочности гибкого колеса ВЗП и коллекторного двигателя, ресурс которого составляет 500 ч, необходимо диаметр гибкого колеса определять по зависимости:

d =

мм

Привод U пр,о, мин-1 Тро.г 1+М Н, м Масса, кг

с ВЗП 80 187 22 3 7,0

с ВППЗ 60 250 17 2 6,7

где: к, - коэффициент, учитывающий скорость изменения волны деформации; с - коэффициент, учитывающий влияние распределения нагрузки по зонам зацепления; Тр - рабочий момент на гибком колесе, Н.мм; [т] - допускаемые напряжения при кручении, МПа; \у- отношение диаметра к толщине гибкого колеса.

Коэффициент к, для волновой передачи электробура при диаметре гибкого колеса 80 мм имеет линейную зависимость в диапазоне частоты вращения волнообразователя 12000.18000 мин-1.

Конструкция ВЗП для коллекторного двигателя отличается новизной и имеет изобретательский уровень [9].

Для создания электробура с оптимальной частотой вращения рабочего органа 250. 350 мин-1, позволяющего эффективно осуществлять рабочий процесс в грунтах с включениями гальки и гравия при небольшой массе и размерах машины, спроектирована конструкция привода с волновой передачей с промежуточными звеньями. В сравнении с ручной машиной электробур с ВЗП данное устройство имеет меньший габаритный размер в осевом направлении, за счет этого несколько снижена и общая масса РМ.

Техническая характеристика ручной машины электробур с ВЗП и ВППЗ представлена в табл. 1.

Таблица 1. Краткая техническая характеристика ручной машины электробур с волновой передачей: Ыт=0,75 кВт; пх=15000 мин-

Рис. 4. Конструкция привода РМ с ВППЗ: 1) коллекторный двигатель; 2) диск генератора волн; 3) профильный венец; 4) промежуточные тела качения; 5) сепаратор; 6) корпус; 7) выходной вал; 8) гайка

С целью повышения производительности расчетов при создании новой техники и для прогнозирования расхода мощности двигателя на стадии эксплуатации создан метод автоматизированного выбора мощности двигателя ручной машины электробур в зависимости от известных или предполагаемых физико-механических свойств грунтов и вида рабочего органа (р.о.) [10].

Уравнения рабочего процесса при стремлении получить максимальную глубину бурения в случае, когда Ndi=const можно записать в виде:

Nae = f (Tl, T2,п, и); Nae = 2п n 7 + T2);

[ f (H) ^ max;

If (п) ^max.

где: Nde - мощность двигателя; Н - глубина бурения; T1 - момент, необходимый для разрушения грунта в забое; T2 - момент, необходимый для подъема грунта на поверхность; n - частота вращения рабочего органа; п - КПД волнового редуктора.

Тогда:

ГH = f (T2, D, в, ц2) ^ max;

H =-

0,125nK1D(D2 -d2)ypg(tge+^2):

П =

N

где: N - мощность, затрачиваемая на процесс бурения; Б - диаметр шнека; в - угол подъема винтовой линии шнека; /л2 - коэффициент трения

Таблица 2. Рекомендуемые эксплуатационные характеристики ручной машины электробур на базе коллекторного двигателя с полезной мощностью Ыдв=750 Вт в зависимости от типа разрабатываемого грунта

Тип грунта Частота вращения р.о., мин-' Плотность грунта, кг/м3 Диаметр шнека, мм Толщина стружки, мм Глубина бурения, м К-ттрения грунта по стали К-т внеш. трения грунта по грунту Осевое усилие, Н Момент разрушения грунта, Н.м Момент подъема грунта, Н.м Произво- дитель- ность, м/ч

187 1200 200 4 0,35 323 19,19 3,79 0,75

I - почва 187 1400 160 5 1 0,45...0,5 0,6.0,75 323 16,64 6,24 0,93

супесь 187 1400 120 10 1 485 18,32 3,20 1,87

250 1400 100 12 1 485 15,60 1,58 2,25

187 1400 120 6 2 459 16,84 6,05 1,12

II - сугли- 187 1600 100 8 3 0,5...0,6 0,75.0,85 500 16,34 6,30 1,50

нок 250 1600 100 6 3 383 11,27 6,01 1,50

250 1600 100 7 2 446 14,37 2,68 1,75

III - креп- 187 1600 120 4 2 408 15,42 7,24 0,75

кий сугли- 187 1900 100 6 3 0,6. 0,65 0,85.0,9 500 16,73 6,03 1,12

нок глина 250 1900 100 4 3 383 11,15 6,00 1,12

187 2200 100 4,5 3 478 14,98 7,34 0,84

IV - креп- 250 2200 100 3 3 0,65.0,7 0,9.0,95 319 9,94 7,10 0,75

кая глина 187 2500 76 6 5 485 16,44 6,18 1,12

250 2500 76 6 5 485 11,70 5,87 1,50

П=0,6 - КПД волновой передачи при пдв=15000 мин 1; Р=15 - угол подъема винтовой линии шнека

грунта по грунту; Кр - коэффициент разрыхления грунта; К1 - коэффициент трения шнека о стенки скважины; у - коэффициент заполнения шнека; й - диаметр штанги; р - плотность грунта.

Момент разрушения грунта в забое Т1 и момент подъема грунта на поверхность Т2 выражаются аналитическими зависимостями [2]:

ГТ1 = 62,5 Б2 оП Нс гл (1 + л1 КЗ);

[Т2 = 0,125^К1 Б(Б2 - а2)Ну рК-g + л2);

где: л1 - трения грунта о сталь; Нс - толщина стружки; 1Я - число кромок резания; оП - приведенная прочность грунта; КЗ - коэффициент затупления инструмента.

При А^=сош1; п=нопт, 71+72=сош1.

Тогда для достижения цели необходимо иметь: ГТ 2 ^ тах;

T2

T1

Максимальную глубину бурения получаем в случае, когда следующие величины стремятся принять минимально возможные значения:

(hc ,> D,°n > М1, кз ) ^ min;

(р,ß, ^2,Kp,K1,y) ^min.

На основе представленных зависимостей разработан алгоритм решения задачи по определению мощности двигателя РМ электробур и написана программа расчета в среде программирования Delphi 4. По результатам расчета построены зависимости, характеризующие влияние различных факторов на рабочий процесс механизма. Некоторые из них представлены на рис. 5. Рекомендуемые эксплуатационные характеристики РМ сведены в табл. 2.

Рис. 5. Зависимость мощности двигателя от диаметра шнека при глубине бурения Н=1 м (толщина стружки К=5 мм)

На базе коллекторного двигателя с полезной мощностью 0,75 кВт изготовлен экспериментальный образец привода с волновой зубчатой передачей с передаточным отношением Ц=80, который прошел стендовые испытания.

В ходе испытаний привод подтвердил свою работоспособность. Шумовая и вибрационная характеристики соответствуют существующим стандартам и приводятся в табл. 3.

Таблица 3. Уровни звукового давления и виброскорости РМ на среднегеометрических частотах октавных полос

Уровень, дБ Частота, Гц

31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000

Допустимый уровень звукового давления по ГОСТ 12.2.030-83 - 107 100 94 91 92 92 94

Фактический - 70 68 75 90 89 92 94

Допустимый уровень виброскорости по СН 3041-84 117 114 111 109 105 102 - -

Фактический 97 85 98 109 98 89 - -

Рис. 6. Динамика изменения температуры материала корпуса привода

Тепловая характеристика привода исследована на стенде при номинальной нагрузке. После наступления теплового баланса, привод отключался от сети переменного тока, и фиксировалась динамика охлаждения механизма, рис. 6.

В качестве смазывающего материала рекомендуется использовать жидкое моторное масло М-5, М-8, М-10 с противоизносными присадками или пластичную термостойкую (-50.180 °С) комплексную кальциевую смазку ВНИИНП-207, ЦИАТИМ-221 (-60.150 °С) и т.п.

Результаты, полученные при стендовых испытаниях, подтверждают работоспособность привода для ручной машины электробур на базе коллекторного двигателя с волновой зубчатой передачей.

Привод РМ с волновой передачей имеет небольшую массу (табл. 1) и по этому показателю может конкурировать с почвенным мотобуром ВТ-106 немецкой фирмы 8ТГЫЬ Экономический эффект при производстве небольших по объему строительных работ в сравнении с отечественным мотобуром М-10 составляет 10 тыс. р. за срок службы [11]. Электросверло горное переносное ЭР14Д-2М, выпускаемое Томским электромеханическим заводом, создано на базе двигателя мощностью 1 кВт и имеет массу 16,5 кг при частоте вращения шпинделя 14,3 с-1 [12]. Такая частота вращения рабочего органа не является оптимальной при прохождении грунтов Г-ГУ категории шнековым способом бурения. Масса горного сверла данного типа превышает массу привода электробура с волновым редуктором более чем в 2 раза. Поэтому для проведения небольших объемов работ в пожаробезопасной среде рекомендуется использовать РМ с волновой передачей. В классификации ручных строительных машин по назначению и области применения, соответствующей ГОСТ 16436-70, такую машину можно отнести к машинам для обработки камня и грунта, дополнив классификацию новым видом ручной строительной машины - бур.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 16436-70. Машины ручные пневматические и электрические. Термины и определения. - М., 1971.

2. Машины для земляных работ / Д. П. Волков, В.Я. Крикун, П.Е. Тотолин и др. - М.: Машиностроение, 1992. - 448 с.

3. СПМ 4995 Россия. МПК7 Е21В 3/02. Электробур с волновым редуктором / В.С. Коротков. - № 95122179/20; Заявлено 05.12.95; Публ. 16.09.97, Бюл. № 9.

4. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. / Под ред. Б.К. Клокова, И.П. Копылова. - М.: Энергоатомиздат, 1988. -Т. 2. - 1989. - 688 с.

5. Волков Д.П., Крайнев А.Ф. и др. Волновые зубчатые передачи.

- Киев: Техника, 1976. - 222 с.

6. Панкратов Э.Н. Проектирование механических систем автоматизированных комплексов для механообрабатывающего производства: Практикум лидера-проектировщика. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1998. - 295 с.

7. Крайнев А.Ф. Детали машин. Словарь-справочник. - М.: Машиностроение, 1992. - 480 с.

8. Иванов М.Н., Финогенов В.А. Волновые передачи (рекомендации по инженерным расчетам). - М.: НИИмаш, 1982. - 80 с.

9. Пат. 2134827 Россия. МПК7 Б'16Ы 1/00. Волновая передача для коллекторного двигателя / В.С. Коротков. - № 97120085/28; Заявлено 28.11.97; Публ. 20.08.99, Бюл. № 23.

10. Коротков В.С., Мартынов А.К., Панкратов Э.Н. Автоматизированный метод расчета мощности двигателя ручной машины электробур // Аппаратно-программные средства автоматизации технологических процессов. - Томск: ТГУ, 2002. - Вып. 4.

- С. 127-135.

11. Коротков В.С. Создание и исследование работоспособности ручной машины с волновой передачей: Дис. ... канд. техн. наук: 05.05.04. - Томск, 2003. - 133 с.

12. www.icentr.com;www.temz.tomsk.ru.