Ресурсосбережение при замене бронзы на капролон в червячных передачах приводов сельхозмашин



посева: Сб. научн. тр./ВИМ. – 2003. – Т.147. – С. 158166.

• 3.    Биологизированная энергосберегающая технология возделывания гречихи. Рекомендации (под общ. ред. В.И. Зотикова). – Орел. 2005. – 19 с.

• 4.    С 1 2238628 RU А 01 С7/20, 7/00. Механизм навески рабочих органов сеялки / Родимцев С.А., Макеев О.В. (Орловский государственный аграрный универ-ситет.-№ 2003132 009/12; Заявл. 31.10.2003 // Изобретения (Заявки и патенты). – 2004. - № 30. С.234.

• 5.    С 1 2233063 RU А 01 С7/20. Сошник сеялки-культиватора для широкополосного посева / Родимцев С.А., Пьяных В.П. (Всероссийский научноисследовательский институт зернобобовых и крупяных культур.-№ 20022134 839/12; Заявл. 23.12.2002 // Изобретения (Заявки и патенты). – 2004. - № 21. С.271.

• 6.    С 1 2233062 RU А 01 С7/20. Сошник для широкополосного 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

Ресурсосбереж ение при зам ене

БРОНЗЫ НА КАПРОЛОН В ЧЕРВЯЧНЫ Х ПЕРЕДАЧАХ ПРИВОДОВ СЕЛЬХОЗМ АШ ИН

В . И . М олчанов , к . т . н . ( ФГОУ ВПО Орел ГАУ )

Важнейшей задачей машиностроения является создание машин и оборудования с высокими и качественными характеристиками, малой себестоимостью и металлоёмкостью. Решению этой задачи способствует широкое применение 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 проблемой.

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.

М етоды исследования

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 использовались математические моделирование и программирование.

В процессе экспериментальных исследований теоретические предпосылки проверялись 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 которой содержал червячную передачу с капролоно-вым колесом.

• 1.    Свойства капролона и определение допус каемых напряжений

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 = <гUm / <г6) равен 0,1; для капролона k = 0,2...0,28. Поэтому в качестве материала для червячных колёс, работающих в режиме многократного циклического нагружения, выбран капро-лон. 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 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 σ р при сжатии σ сж при изгибе σи Относительное удлинение при разрыве ε от , % Модуль упругости при растяжении Ер, ГПа Ударная вязкость, кДж/м: без надреза с надрезом Твёрдость по Бринеллю НВ, МПа Водопоглощение за 24 ч Вп 24 , % Водопоглощение максимальное Bп max , %

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 прираба- тываются, 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.

• 1.2    Сравнение капролона и бронзы

по стандартным механическим показателям

Сравнение капролона В и бронзы по основным физико-механическим свойствам приведено в таблице 1.2.

• 1.3    Определение допускаемых напряжений при расчёте на изгибную выносливость

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

° FP =

K FP ‘°F lim

SF

Y n Y b Y R Y X ,

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.

^' F lim K FP =------

^ F lim

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

Таблица 1.2 – Сравнительные показатели физикомеханических свойств капролона В и бронзы

Свойства	Капролон В	Бронза
Плотность , кг / м 3	1150. ..1160	8580. ..8800
Теплостойкость по Вика , ° С	190...220	–
Теплостойкость по Мартенсу , ° С	75...76	–
Коэффициент линейного рас ширения , ° С · 10– 5	10	1,7
Теплопроводность при 20...90 ° С , Вт / м 2 · ° 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 / м 2: без надреза с надрезом	100...160 4...6	200. ..300
Предел прочности при статиче ском изгибе , МПа	120. ..150	–
Предел прочности при сжатии , МПа	100...110	150. ..280
Предел прочности при растяже нии , 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 растяже нии , 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 sF для полиамидных червячных колёс следует принимать при постоянной нагрузке равным 2...2,7, знакопеременной – 3...4.

Коэффициент долговечности Y N определяется по формуле:

• Y N = 6 N FJmb.

• 2.    Пример расчета

NFE 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.

Таблица 2.1 – Исходные данные и результаты расчета червячной передачи на прочность

Исходный или определяемый параметр	Значение параметра передачи
Исходные данные
Материал пары	Сталь 40 Х – капролон В
Модуль зацепления m, мм	3,5
Число витков ( зубьев ):
Червяка Z 1	2
Колеса Z 2	28
Диаметры делительных окружностей , мм :
Червяка d1	35
Колеса d2	98
Межосевое расстояние α w, мм	66,5
Коэффициент смещения x	0
Длительный угол подъема γ , град .	11,3
Рабочая ширина венца b2, мм	30
Передаваемая мощность Р , кВт	0,55
Частота вращения n1 (n2), мин -1	909(65)
Температура окружающей среды , V α , оС	25
Условия смазки	Жидкая
Базовое число циклов перемен направлений NFlin	106
Расчет кинематических и нагрузочно - скоростных параметров
Передаточное число u	14
Вращающий момент Т 1 ( Т 2), Нм	5,78 (64,7)
Минимальная суммарная длина контактных линий , мм	54,9
Окружающая сила FFt2, Н	1320
Окружная скорость V окр , мс -1	1,66
Расчет температуры зубчатых колес
Коэффициент трения µ	0,04
Коэффициенты :
К ϕ , Мпа -1	1,5·10-5
С	0,72·108
Максимальная температура зуба V2max, оС	26,3
Расчет зубьев на выносливость при изгибе
Коэффициент разрушающей нагрузке С F , Мпа	6,73
Коэффициент формы зуба Y F2	1,77
Коэффициент концентрации напряжений :
Теоретический ασ	1,72
Эффективный Кσ	1,625
Модуль упругости , Мпа :
при растяжении Еро	2200
при сжатии Есжо	2350
« конструктивный » Еро	700
Коэффициенты :
K F α	0,5
K F β	1,35
K FV	1,1
K F τ	1,2
K F γ	0,905
Расчетные напряжения изгиба σ F, Мпа	10,8
Условный предел выносливости зубьев при изгибе соответствующий эквивалентному числу циклов перемен напряжений σ Flim, Мпа	44,7
Коэффициент безопасности SF	2
Ресурс передачи L h **, ч	∞ ( Не огра ничивается данным уровнем напряжений изгиба )

** Ограничивается старением капролона в эксплуатационных условиях.

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.

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.

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.