Применение капролона в приводах сельскохозяйственных машин
Автор: Молчанов В.И.
Журнал: Вестник аграрной науки @vestnikogau
Рубрика: Инженерно-техническое обеспечение развития в АПК
Статья в выпуске: 4 (31), 2011 года.
Бесплатный доступ
Рассмотрены вопросы создания, исследования и применения червячных передач с колесами из капролона. Приводятся сведения о физико-механических свойствах капролона, работоспособности металлополимерных червячных передач и новых типах исходных червяков.
Капролон, червячные колёса, ресурсосбережение
Короткий адрес: https://sciup.org/147123735
IDR: 147123735
Текст научной статьи 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 sF для полиамидных червячных колёс следует принимать при постоянной нагрузке равным 2...2,7, знакопеременной – 3...4.
Коэффициент долговечности yN определяется по формуле:
YN
N
F lim b
N
FE где NFlimb – условное базовое число циклов перемен напряжений, для капролона NFlimb = 106;
nFE – эквивалентное число циклов перемен напряжений. Так как большинство червячных передач работает при длительных нагрузках, близких к постоянным, то NFE = 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 YX) производится следующим образом: при шероховатости поверхности RZ 40 мкм YR = 1, a Yx = 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.
Список литературы Применение капролона в приводах сельскохозяйственных машин
- 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
- Перин, Ю.Л. Применение капролона для изготовления червячных колёс редукторов/Ю.Л. Перин, Ф.В. Седыкин. -Вестник машиностроения, 1967г. -№3. -С.45 -47
- Матвиенко, В.П. Исследования червячных передач с колёсами из капролона: Автореф. диссертация кандидата технических наук/В.П. Матвиенко. -Одесса: ОПИ, 1975. -С. 18