Применение капролона в приводах сельскохозяйственных машин

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
Статья научная