Применение капролона в приводах сельскохозяйственных машин

Однако область применения таких передач ограничивается относительно невысокой их несущей способностью, лимитируемой для большинства передач изгибной выносливостью зубьев. Изгибная выносливость зубьев червячных колёс с пластмассовыми колёсами имеет свои особенности. Они недостаточно изучены и не в полной мере учитываются в существующих методах расчёта и при проектировании передач. Это сдерживает широкое внедрение червячных передач с колёсами из пластмассы, в частности, из капролона, в машиностроение.

Цель работы. Разработка методики расчёта зубьев на выносливость при изгибе для червячных передач с колёсами из капролона.

Методы исследования. Математическое моделирование и программирование использовались при разработке исходных червяков, уточнённом расчёте минимальной суммарной длины контактных линий, получении формулы для проверочного расчёта, а также с целью прогнозирования долговечности полимерных зубьев и оценки несущей способности передачи.

В процессе экспериментальных исследований проверялись теоретические предпосылки с использованием электротензометрирования и поляризационно-оптического метода при оценке напряжённого состояния капролоновых зубьев. Проводились усталостные испытания червячных передач в лабораторных и производственных условиях, в частности, полевые испытания косилки КММ-1,0, привод хода, который содержал червячную передачу с капролоновым колесом.

Анализ исследований по усталостной прочности пластмасс показал, что почти все полимеры более чувствительны, нежели металлы, к усталостным явлениям. Коэффициент усталостной прочности большей части термопластов ( k = ст _Um / CT b ) равен 0,1; для капролона k = 0,2...0,28. Поэтому в качестве материала для червячных колёс, работающих в режиме многократного циклического нагружения, выбран капролон. Капролоновые червячные колёса обладают высокой износостойкостью и хорошей прирабатываемостью. Основные свойства капролона В как конструкционного материала приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. – Физико-механические и термические свойства капролона В конструкционного назначения

Показатель

Капролон В (ТУ 6-05-983-73)

Плотность ρ, кг/м3 Температура плавления Тпл, °С Теплостойкость по Мартенсу Тм, °С Теплостойкость по ВИКА Т в , °С Удельная теплоёмкость, Дж/(кг/°С) Предел прочности, МПа: при растяжении σр при сжатии σсж при изгибе σи Относительное удлинение при разрыве ε от , % Модуль упругости при растяжении Е р , ГПа Ударная вязкость, кДж/м: без надреза с надрезом Твёрдость по Бринеллю НВ, МПа Водопоглощение за 24 ч Вп24, % Водопоглощение максимальное Bпmax, %

1150...1160 220...225 75...76 (60...75*) 190...220 1,6 ∙ 103 90...95 100...110 120...150 6...20 2,060...2,З10 100...150 4...6 200...250 1,5. ..2,0 6...7

*Температура размягчения при изгибе

Колёса из капролона менее чувствительны к погрешностям изготовления и монтажа, лучше прирабатывается, наматывания материала на червяк не наблюдается. Однако область применения червячных передач с колёсами из капролона ограничивается относительно невысокой их несущей способностью (Т2=160...210Нм), лимитируемой изгибной выносливостью зубьев [1].

Сравнение капролона В и бронзы по основным физике – механическим свойствам приведено в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Сравнительные показатели физико – механических свойств капролона В и бронзы

№ п/п	Свойства	Капролон В	Бронза
1	Плотность, кг/м3	1150. ..1160	8580. ..8800
2	Теплостойкость по Вика, °С	190...220	–
3	Теплостойкость по Мартенсу, °С	75...76	–
4	Коэффициент линейного расширения, °С ∙ 10 – 5	10	1,7
5	Теплопроводность при 20...90 °С, Вт/м2 ∙ °С	1,2	93,6
6	Водопоглощение за 24 ч., %	1,5 ÷ 2	–
7	Усадка материала при литье, %	3	1,4. ..1,61
8	Водопоглощение max, %	6,5	–
9	Удельная ударная вязкость, кДж/м2: без надреза с надрезом	100...160 4...6	200. ..300 –
10	Предел прочности при статическом изгибе, МПа	120. ..150	–
11	Предел прочности при сжатии, МПа	100...110	150. ..280
12	Предел прочности при растяжении, МПа	90...95	150. ..280
13	Удлинение, %	20	3...8
14	Твёрдость по Бринеллю, МПа	200...250	750...1100
15	Предел прочности при срезе, МПа	–	250...300
16	Модуль упругости при растяжении, ГПа	2,060...2,31	90,0
17	Модуль упругости при сдвиге, ГПа	3,780...5,30	–
18	Коэффициент трения о сталь: без смазки со смазкой	0,1 0,04	0,17 0,06
19	Относительная износостойкость без смазки P a ∙ v, МПа ∙ м ∙ с–1	0,08	0,4

Допускаемое напряжение при расчёте на выносливость при изгибе рассчитывается по формуле:

^σ FP ⁼

К • о

^K FP ^σ F lim

SF у у у Y

YnYbYRYX

где σ F lim – условный предел выносливости зубьев при 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 КFP характеризует отношение условных пределов изгибной выносливости для проектируемой и исходной передач, т.е.

KFP

∗

σ F lim

σ F lim

При этом, если σ*F lim > σF lim ,то значение коэффициента КFP принимают равным 1.

Коэффициент безопасности s_F для полиамидных червячных колёс следует принимать при постоянной нагрузке равным 2...2,7, знакопеременной – 3...4.

Коэффициент долговечности y_N определяется по формуле:

YN

N

F lim b

N

FE где NFlimb – условное базовое число циклов перемен напряжений, для капролона NFlimb = 106;

n_FE – эквивалентное число циклов перемен напряжений. Так как большинство червячных передач работает при длительных нагрузках, близких к постоянным, то N_FE = 60 n₂t, где n₂ – частота вращения червячного колеса, мин^–1; t – время работы на данном режиме за период эксплуатации, ч.

Коэффициент Y b , учитывающий градиент напряжений и чувствительность материала к концентрации напряжений (опорный коэффициент), можно принимать для капролоновых колёс равным 1,3.

Учет шероховатости переходной поверхности (коэффициент Y R ) и размеров червячного колеса (коэффициент Y_X) производится следующим образом: при шероховатости поверхности R_Z 40 мкм Y_R = 1, a Y_x = 1,05 – 0,000125 d₂, где d₂ -делительный диаметр червячного колеса.

Результаты исследования и их обсуждение.

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 прирабатываемостью. 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 [2].

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 капролона 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% [3,2]. 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 [1] 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 699100 руб.

При расчёте приняты стоимости бронзы и капролона соответственно 283000 руб/т и 206000 руб/т. Экономический эффект составляет 68,7 тыс. руб. на 1 т заменённой бронзы по ценам на начало 2011 года.

Выводы. 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.

Литература. 1. Молчанов, В.И. Метод расчёта зубьев на выносливость при изгибе для червячных передач с колёсами из капролона. Автореф. диссертации кандидата технических наук / В.И. Молчанов. – М.: МГТУ, 1993г. – С. 15.

• 2.    Перин, Ю.Л. Применение капролона для изготовления червячных колёс редукторов / Ю.Л. Перин, Ф.В. Седыкин. – Вестник машиностроения, 1967г. – №3. – С.45 – 47

• 3.    Матвиенко, В.П. Исследования червячных передач с колёсами из капролона: Автореф. диссертация кандидата технических наук / В.П. Матвиенко. – Одесса: ОПИ, 1975. – С. 18.