Совершенствование методики расчета угла закручивания карданной передачи с использованием теоретических и экспериментальных исследований

Введение. Исследования по работе карданных передач разделяются на два направления^ динамика и кинематика карданных передач. Основополагающими работами по кинематике и динамике карданных передач являются работы Е. А. Чудакова^1^ М. И. Лысова ^^3], Я. Э. Малаховского^4], И. С. Цитовича^5^6], С. А. Лапшина^7^^ С. Н. Иванова^10^3] и других авторов^14;^5]. Исследования кинематики карданных передач позволили установить, что в одношарнирной передаче при вращении ведущего вала с постоянной угловой скоростью ведомый вал будет вращаться неравномерно с переменной угловой скоростью, при этом коэффициент неравномерности вращения является функцией угла наклона трубы кардана. Трудами Е. А. Чудакова, И. С. Цито-вича и др. было показано, что карданные передачи требуют как кинематических, так и динамических расчетов.

Наиболее перспективными направлениями повышения надежности карданных передач транспортнотехнологических машин является совершенствование и модернизация элементов конструкции с целью повышения долговечности, безотказности и ремонтопригодности элементов, разработка прогрессивных технологий, основанных на рациональных способах технического обслуживания и ремонта, разработка технических средств и методик испытаний^16].

Постановка задачи. Задача исследований заключается в совершенствовании методики расчета угла закручивания карданной передачи с использованием теоретических и экспериментальных исследований, а для этого необходимо провести испытания карданных передач на четырех режимах работы, характеризуемых переменными значениями крутящего и тормозного моментов и изменением конструктивных параметров карданной передачи в каждом опыте, провести расчет погрешностей эксперимента.

Описание оборудования. Для испытания карданных передач был разработан и изготовлен испытательный стенд^17;^8] для испытаний карданных передач на игольчатых подшипниках^ рис.^^ включающий в себя электродвигатель 1, выходной вал которого соединен с входным валом механической коробкой переключения передач 2, соединенной выходным валом с входным валом испытываемой карданной передачи 3, установленными на раме 4 .

Выходной вал карданной передачи 3 соединен с входным валом раздаточного редуктора 5, установленного на дополнительной раме 6 вместе с устройством нагружения, которое выполнено гидравлическим и представляет собой гидравлический насос 7, вал которого присоединен к выходному валу раздаточного редуктора 5 . Входной канал гидравлического насоса 7 соединен с гидравлическим баком 8 с рабочей жидкостью, а его выходной канал присоединен к входному каналу дросселя 9, регулирующему нагрузку. Между дросселем и гидравлическим насосом установлен манометр 10, отградуированный в едини -цах тормозного момента, и предохранительный клапан И для выпуска избыточного давления в гидравлический бак 8 . Выходной канал дросселя подсоединен к гидравлическому баку через теплообменник 12. Предохранительный клапан 11 подключен электрически к электроконтактному манометру, который включен в электрическую сеть и представляет собой электромагнитный клапан постоянного тока.

Согласно поставленной задачи исследований была разработана система измерения^19;^0] контролируемых параметров, которая включает в себя настройку угла излома карданного вала и длину карданной пере-дачи^21], настройку и тарирование манометра гидравлического устройства нагружения^22] и измерительную систему цифрового типа с передачей данных измерений на ПК.

Щит электроуправления подключен к сети питания кабелем 15, система охлаждения подключена шлангами 76 к водопроводу и канализации, гидравлическая система подключена к гидронасосу рукавами высоко давления 17. Система автоматизированного управления стенда работает следующим образом^ (рис.^, 3) вращающий момент от электродвигателя передается на испытываемую карданную передачу, гидронасос при этом передает испытываемой карданной передаче тормозной момент, создаваемый дросселем с регулирующим элементом, соединенным с приводом управления положением регулирующего элемента дросселя. Если происходит нагрев рабочей жидкости, которая при этом расширяется, включается привод управления положением регулирующего элемента дросселя с помощью поступившего в элемент сравнения 14 электрического сигнала с датчика давления 17 и в автоматическом режиме регулирует дроссель, уравновешивая давление рабочей жидкости до заданного параметра. В случае перегрева рабочей жидкости включается привод управления положением регулирующего элемента термоклапана 19 с помощью электрического сигнала, поступающего в элемент сравнения 14 с датчика температуры 18, который на правляет поток рабочей жидкости через теплообменник. При избытке рабочего давления включается предохранительный клапан для предупреждения скачка заданного давления рабочей жидкости в гидравлической системе, который выпускает избыточное давление в гидравлический бак.

Рис.1. Стенд для испытания карданных шарниров на игольчатых подшипниках

Fig. L Standfortesting universaljoints on nccCIcbcarings

Рис. 2. Система автоматизированного управления гидравлического устройства

Fig.2. Hardirai^l^c device sutomstndconirolsystem

Рис.^. Схема автоматизированного управления стенда ^g.^.^cheme^f^utomaimated^ontrol of^he stand

Регулирование давления обеспечивается следующим образом^ с датчика давления 17 поступает электрический сигнал на элемент сравнения 14 , который сравнивает электрические сигналы с задатчика алгоритма функционирования 13 и датчика положения регулирующего элемента дросселя 20 , далее вырабатывается электрический сигнал рассогласования, поступающий на автоматическое управляющее устройство 15 , после которого электрический сигнал усиливается усилителем сигналов 16 и отправляется на исполнительный механизм дросселя^шаговый двигатель 22 и редуктор 24 , которые в зависимости от полярности сигнала рассогласования приводят в движение объект управления^ дроссель, связанный с датчиком положения регулирующего элемента дросселя 20 , сигнал с которого возвращается на элемент сравнения 14 . При достижении равенства сигналов с задатчика алгоритма функционирования 13 , датчика давления 17 и датчика положения регулирующего элемента дросселя 20 , исполнительный механизм дросселя^ шаговый двигатель 22 и редуктор 24 останавливаются.

Регулирование температуры рабочей жидкости обеспечивается следующим образом^ с датчика температуры 18 поступает электрический сигнал на элемент сравнения 14, который сравнивает электрические сигналы с задатчика алгоритма функционирования 13 и датчика положения регулирующего элемента термоклапана 21, далее вырабатывается электрический сигнал рассогласования, поступающий на автоматическое управляющее устройство 15, после которого электрический сигнал усиливается усилителем сигналов 16 и отправляется на исполнительный механизм термоклапана 19^ шаговый двигатель 23 и редуктор 25, которые в зависимости от полярности сигнала рассогласования приводят в движение объект управ-ления^ термоклапан 19, связанный с датчиком поло- жения регулирующего элемента термоклапана 21, сигнал с которого возвращается на элемент сравнения 14. При достижении равенства сигналов с задатчика алгоритма функционирования 13, датчика температуры 18 и датчика положения регулирующего элемента термоклапана 21, исполнительный механизм термоклапана 19^ шаговый двигатель 23 и редуктор 25 ос-танавливаются^22^7].

Основная часть. При постановке экспери-мента^28] использовался план факторного эксперимента N ^ 44^{5^} , факторами которого являются длина карданной передачи^( L , мм), угол излома карданной передачи^ (γ, град), мощность электродвигателя ( N , Вт), частота вращения двигателя^ n , мин^{^} ), усилие торможения от давления гидравлической жидкости ( Р , Нм). В качестве параметра оптимизации Y выбираем величину закручивания карданного вала^ Y , Нм).

Под действием тормозного момента в карданной передаче возникает упругая деформация кручения, способствующая возникновению и росту деформации кручения, выраженной суммарным углом закручивания карданной передачи Y . На вычисления и измерение данного угла влияют погрешности изготовления отдельных деталей конструкции карданной передачи, температура, различная жесткость отдельных элементов конструкции карданной передачи, а также люфты и зазоры в соединениях.

Испытания карданных передач выполняли на четырех режимах работы, характеризуемых переменными значениями крутящего и тормозного моментов и изменением конструктивных параметров карданной передачи в каждом опыте. Обработку полученных экспериментальных данных производили с помощью программного продукта для ЭВМ^^^E^29]. [29]. Для обработки результатов испытаний применена методика статистической обработки результатов испытаний с применением правила^«трёх сигм». Правило^«трёх сигм», или эмпирическое правило, утверждает, что для нормального распределения есть вероятность того, что о принимает значения, отличающиеся от математического ожидания не более чем на три среднеквадратических отклонения.

Результаты исследования. В результате проведения эксперимента получим уравнение линейной математической модели:

у = - 4,1548 - 0,1151 х 1 + 0,0018 х ₂ +

+ 0,9862 х ₃ - 0,0003 х ₄ + 2,3444 х ₅. (1)

Для обработки полученных значений необходимо выполнить расчет нагрузок. Определим крутящий момент электродвигателя (Нм) по формуле [30; 31]

т = 9550 : ^

Тдв „      "

n

где N - мощность двигателя, кВт; n - частота вращения двигателя, мин ¹.

Угловую скорость карданной передачи определим по формуле (сек 1)

2 -л- n

ю =----

Определим вращающий момент, передаваемый карданной передаче (Нм):

Т = Т дв - ^                        (4)

где i - передаточное число.

Угол закручивания карданного вала определим для каждого участка карданного вала по формуле е = Т-Li-V80 ■ kd JP-G-к

где L i - длина карданного вала, мм; k_d - поправочный коэффициент, равен 0,66 по результатам эксплуатации; J p - полярный момент инерции карданного ^к 4

вала, мм ; G - модуль упругости при кручении, равный 8,5-10⁴ МПа.

Получаем график значений углов закручивания карданного вала (рис. 4).

При всех значениях величины закручивания карданного вала, для которых проводилось измерение параметров, проводим статистическую обработку по оценке средних значений параметров m_q ( D j ) и их среднеквадратических отклонений о _q ( D j ). Результаты статистической обработки результатов испытаний представлены на рис. 5.

Рис.4. График значений углов закручивания карданного вала

Fig.4. Graph afthevalues oftheanglesof shaft tightening

Ф Расчетный угол закручивания 6, [град]

• •♦•• Угол закручивания, полученный экспериментальным путем, Y [град]

- •- Граница нижнего доверительного интервала дн(О)

- •■ - Граница верхнего доверительного интервала qs(D)

Рис.^. График результатов статистической обработки параметра углов закручивания карданного вала

Fig.^.^raph^f the^esults^f^tatic^rocessing^f the^arameters^f^he^ngles^f^piral^haft al shaft

Заключение. Приведены результаты испытания карданных передач на четырех режимах работы, характеризуемых переменными значениями крутящего и тормозного моментов и изменением конструктивных параметров карданной передачи в каждом опыте. Получено уравнение линейной регрессионной зависимости угла закручивания карданного вала от следующих факторов^ длина карданной передачи; угол излома карданной передачи; мощность электродвигателя; частота вращения двигателя; усилие торможения от давления гидравлической жидкости. В результате выполненных расчетов и проведенных исследований усовершенствована методика расчета карданных передач на игольчатых подшипниках, введен поправочный коэффициент в расчет угла закручивания карданного вала, значение которого получено по результатам экспериментальных исследований.^

Достоверность и адекватность полученных теоретических результатов^32‒36] подтверждается экспериментальными исследованиями, проведенными на стенде при аналогичных данных теоретических исследований.