Сравнительный анализ конструкций испытательных стендов для испытания карданных шарниров

Введение. В стендах, применяемых для испытаний карданных передач машин, вращение карданного вала осуществляется аналогично принятой схеме транспортных и технологических машин, а регулирование осуществляется с помощью редукторов. Существует множество стендов для испытания карданных передач, основанных на схожих принципах, но имеющих значительные различия в конструкции, а также свои преимущества и недостатки.

Подшипниковые узлы являются важнейшими структурными элементами машин и составляют основную часть узлов трения. Отказ зачастую происходит из-за отказа подшипниковых узлов, которые ограничивают долговечность машин. Даже при достаточно качественном изготовлении деталей подшипниковых узлов, например, игольчатого подшипника качения, характеристики карданной передачи могут оказаться неудовлетворительными, и произойдет внезапный отказ. При этом под отказом следует понимать не обязательно разрушение трущихся (рабочих) поверхностей, а выход одной из характеристик подшипниковых узлов за допускаемые пределы.

Подшипниковые узлы сельскохозяйственной техники выходят из строя в основном из-за абразивного изнашивания, связанного с попаданием грязи и пыли. Наиболее распространенный критерий отказа подшипниковых узлов общего применения, работающих в автомобилях, тракторах, насосах, редукторах, станках, подъемно-транспортном оборудовании, – усталостное разрушение. В то же время для подшипниковых узлов специального применения важны и другие характеристики, такие как жесткость, уровень и спектр вибрации, момент сопротивления вращению, долговечность и др. [1].

Анализ работ [2–6] показывает, что на современном этапе развития науки и техники повышение качества и конкурентоспособности карданных шарниров на игольчатых подшипниках и карданных передач различных технологических и подъёмно-транспортных машин является одним из важнейших и современных условий, без которых не может быть достигнут научно-технический прогресс. Но до сих пор многие вопросы ещё не получили чёткого ответа ввиду неизу-ченности либо отсутствия нужного объёма исследований.

Постановка задачи исследования. Задачей исследований является создание новых конструкций испытательных стендов для испытаний карданных передач в широком диапазоне нагрузок, сравнительных испытаний шарниров различных типоразмеров, испытаний карданных передач с повышенной точностью настройки угла излома карданной передачи и удобством эксплуатации, испытаний карданных передач с исключением перегрева системы торможения, а также обеспечения плавности регулирования тормозного момента на основе проведенного анализа имеющихся конструкций испытательных стендов.

Анализ конструкций карданных шарниров. Проведенный патентный поиск и анализ конструкций выявил ряд устройств, направленных на решение поставленных задач, таких как испытание карданных передач в широком диапазоне нагрузок, сравнительные испытания шарниров различных типоразмеров, создание новой конструкции, отличающейся большим диапазоном параметров нагружения и легкостью настройки, создание конструкции систем, которая позволит проводить испытания карданных передач с повышенной точностью настройки угла излома карданной передачи и удобством эксплуатации, создание конструкции систем, которая позволит проводить испытания карданных передач с исключением перегрева системы торможения, а также обеспечить плавность регулирования тормозного момента.

Известен стенд для испытаний карданных подшипников [7]. Привод стенда осуществляется от электродвигателя через ременную передачу к замкнутому контуру, состоящему из двух зубчатых редукторов, торсионных и карданных валов, двух муфт. Нагрузка в замкнутом контуре создается закручиванием торсионных валов муфтой нагружения. Для испытаний карданных валов разной длины и создания перекосов в шарнирах редуктор может быть перемещен по пазам на плите в продольном и поперечном направлениях. Недостаток данного стенда – это применение в качестве нагружающего устройства торсионных валов, что снижает точность создания нагрузок в шарнирах карданной передачи.

Известен стенд, который содержит электродвигатель, нагрузочное устройство, ременную передачу, передаточный вал, установленный на опорах качения и через кривошип соединенный с валом в опорах, при этом нагрузочное устройство выполнено в виде вала, на котором по краям расположены опоры, а между ними – нагрузочный блок, на котором укреплен трос с грузом [8]. К недостаткам стенда можно отнести невозможность управления процессом нагружения карданной передачи во время испытаний карданной передачи.

Известен стенд, содержащий технологическую карданную передачу, состоящую из полого вала, полых крестовин с внешними вилками и двух валов с элементами, служащими для присоединения к испытываемой карданной передаче [9]. В стенд входит также нагружатель, который содержит рычаги и резьбовые стяжки. К недостаткам стенда относится невозможность управления процессом нагружения карданной передачи во время испытания.

Известен стенд, который состоит из станины, привода, кинематически связанного с одним из валов испытываемой карданной передачи, устройства нагружения, последовательно включенного в силовой контур, технологического карданного шарнира с полой крестовиной, элементов для присоединения испытываемой карданной передачи [10]. При этом одна вилка технологического карданного шарнира жестко связана через присоединительные элементы с одной из внешних вилок испытываемой карданной передачи, а другая вилка технологического карданного шарнира выполнена полой и связана через устройство нагружения и присоединительные элементы с другой из внешних вилок испытываемой карданной передачи. К недостаткам стенда можно отнести невозможность управления процессом нагружения карданной передачи во время испытания и невозможность регулирования угла излома карданной передачи.

Известен стенд с замкнутым силовым контуром для испытания агрегатов трансмиссии транспортных средств [11], который имеет приводной двигатель, вспомогательные передачи и последовательно включенный в силовой контур нагружатель, имеющий регулируемый тормоз, выполненный в виде гидронасоса с регулируемым дросселем, установленным в его нагнетательной магистрали. Известен стенд для испытаний агрегатов трансмиссий транспортных средств, имеющий приводной двигатель, гидронасос, нагрузочную гидромашину, регулятор нагрузки в виде регулируемого дросселя, предохранительный клапан, гидравлический бак, сообщенный с входным каналом гидронасоса и выходным каналом приводной гидромашины, выходной канал нагрузочной гидромашины сообщен с выходным каналом гидронасоса и с входным каналом приводной гидромашины [12]. Основным недостатком стендов является быстрый перегрев системы торможения, который возникает из-за отсутствия системы охлаждения.

Результаты проведенного анализа. Поставленная задача создания новой конструкции, отличающейся большим диапазоном параметров нагружения и легкостью настройки, решается тем, что привод соединен с карданной передачей с помощью муфты через технологическую передачу, а устройство нагружения подключено через раздаточную коробку (рис. 1).

Стенд состоит из электродвигателя 1, механической коробки переключения передач 2, присоединенной к входному валу карданной передачи 3, и устройства нагружения 4, присоединенного к выходному валу карданной передачи посредством раздаточного редуктора 5.

За счет использования пониженной передачи раздаточной коробки (рис. 2) к муфте 1 подсоединяется карданная передача, а к полумуфте 2 подсоединяется устройство нагружения, за счёт этого можно получить удвоенные нагрузки при испытаниях или использовать нагрузочное устройство с меньшим тормозным моментом. Нагрузочное устройство выполнено таким образом, что позволяет моделировать вращающий момент на испытуемом шарнире, что приближает испытание к реальным условиям нагружения карданных шарниров в условиях эксплуатации.

Стенд работает следующим образом (рис. 1). Вращающий момент от электродвигателя 1 через механическую коробку переключения передач 2 передается на карданную передачу 3 . Коробка переключения передач 2 позволяет менять частоту вращения карданной передачи. Раздаточный редуктор 5 при этом передает карданной передаче тормозной момент, создаваемый устройством нагружения 4 , и карданная передача работает под нагрузкой. Раздаточный редуктор 5 позволяет либо отключать нагрузку для удобства монтажных операций, либо подключать нагрузку в режимах повышенных или пониженных передач, что позволяет дополнительно управлять нагружающим моментом и скоростью вращения испытываемых карданных передач.

Стенд представляет собой систему узлов, последовательно установленных на раме. Привод 1 присоединен к технологической передаче. Технологическая передача выполнена в виде механической коробки переключения передач 2 , присоединена к входному концу карданной передачи 3 и позволяет менять частоту вращения. Устройство нагружения 4 , присоединенное к противоположному концу карданной передачи 3 с помощью раздаточной коробки 5 , позволяет моделировать различные по величине нагрузки, как статические, так и динамические.

Поставленная задача создания конструкции систем, которая позволит проводить испытания карданных передач с повышенной точностью настройки угла излома карданной передачи и удобством эксплуатации, решается тем, что в известном стенде для испытания карданных передач [13] содержатся установленные на основной раме электродвигатель, технологическая передача, выполненная в виде механической коробки переключения передач, присоединенной к входному валу испытываемой карданной передачи, при этом выходной вал карданной передачи соединен с устройством нагружения через раздаточный редуктор, а раздаточный редуктор установлен на дополнительной раме, имеющей возможность перемещения по прорезям основной рамы с фиксацией положения раздаточного редуктора в горизонтальной плоскости по нониусу, отградуированному в единицах угла излома карданной передачи (рис. 3).

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

• Fig. 1.    Testing bench for probation of the cardan joint on the needle bearer

  

  Рис. 2. Схема подключения раздаточной коробки передач

  
  

• Fig. 2.    Connection diagram of the distribution box

  

  Рис. 3. Стенд для испытания карданных шарниров на игольчатых подшипниках

  
  

• Fig. 3.    Testing bench for probation of the cardan joint on the needle bearer

Стенд состоит из установленных на основной раме 1 электродвигателя 2 , механической коробки переключения передач 3 , присоединенной к входному валу карданной передачи 4 , и устройства нагружения 5 , присоединенного к выходному валу карданной передачи посредством раздаточного редуктора 6 . Раздаточный редуктор 6 с устройством нагружения 5 установлен на дополнительной раме 7 с возможностью перемещения по прорезям основной рамы 1 и фиксацией положения раздаточного редуктора в горизонтальной плоскости по нониусу 8 , отградуированному в единицах угла излома карданной передачи.

Стенд работает следующим образом: вращающий момент от электродвигателя 2 через механическую коробку переключения передач 3 передается на карданную передачу 4 . Механическая коробка переключения передач 3 позволяет менять частоту вращения испытываемой карданной передачи. Раздаточный редуктор 6 при этом передает карданной передаче тормозной момент, создаваемый устройством нагружения 5 , и карданная передача работает под нагрузкой. Раздаточный редуктор 6 позволяет либо отключать нагрузку для удобства монтажных операций, либо подключать нагрузку в режимах повышенных или пониженных передач, что расширяет пределы изменения нагружающего момента и скорости вращения испытываемых карданных передач. Настройка угла излома карданной передачи 4 осуществляется с помощью нониуса 8 путем перемещения дополнительной рамы 7 по прорезям основной рамы 1 и фиксацией положения дополнительной рамы 7 в горизонтальной плоскости по нониусу 8 , отградуированному в единицах угла излома карданной передачи.

Поставленная задача создания конструкции систем, которая позволит проводить испытания карданных передач с исключением перегрева системы торможения, а также обеспечить плавность регулирова- ния тормозного момента, решается тем, что в известном стенде для исследования карданных передач [14] содержатся установленные на основной раме электродвигатель, технологическая передача в виде механической коробки переключения передач, присоединенной к входному валу испытываемой карданной передачи, выходной вал которой присоединен к устройству нагружения через раздаточный редуктор, установленный на дополнительной раме. Согласно предлагаемому нами техническому решению [15], устройство нагружения выполнено в виде гидронасоса, вал которого присоединен к выходному валу раздаточного редуктора, входной канал гидронасоса соединен с гидравлическим баком, а выходной канал соединен со входом регулируемого дросселя, выход которого через теплообменник соединен с гидравлическим баком, причем между выходным каналом гидронасоса и входом дросселя установлены предохранительный клапан и манометр, отградуированный в единицах тормозного момента.

Конструкция предлагаемого стенда для испытаний карданных передач позволяет исключить перегрев системы торможения из-за охлаждения рабочей жидкости, улучшить условия эксплуатации за счет исключения нестабильности тормозного момента с помощью плавного регулирования тормозного момента.

Стенд для испытаний карданных передач (рис. 4, 5) состоит из электродвигателя 1 , выходной конец которого соединен с технологической передачей 2 , соединенной с испытываемой карданной передачей 3 , установленными на основной раме 4 . Выходной вал карданной передачи 3 соединен с входным валом раздаточного редуктора 5 , установленного на дополнительной раме 6 . Устройство нагружения выполнено гидравлическим и представляет собой гидронасос 7 , вал которого присоединен к выходному валу раздаточного редуктора 5 . Входной канал гидронасоса 7

соединен с гидравлическим баком 8 с рабочей жидкостью, а его выходной канал присоединен к входному каналу дросселя 9 , регулирующему нагрузку. Между дросселем и гидронасосом установлен манометр 10 , отградуированный в единицах тормозного момента, и предохранительный клапан 11 для выпуска избыточного давления в гидравлический бак 8 . Выходной канал дросселя подсоединен к гидравлическому баку через теплообменник 12 .

Стенд работает следующим образом: вращающий момент от электродвигателя 1 передается на испытываемую карданную передачу 3 через технологическую передачу 2, гидронасос 7 при этом передает испытываемой карданной передаче тормозной момент, создаваемый и регулируемый дросселем 9, значение тормозного момента определяется с помощью манометра 10, отградуированного в единицах тормозного момента. При избытке рабочего давления срабатывает предохранительный клапан 11 для предупреждения скачка заданного давления рабочей жидкости в гидравлической системе, который выпускает избыточное давление в гидравлический бак 8. Теплообменник 12 охлаждает рабочую жидкость.

Рис. 4. Стенд для испытания карданных передач (шланги гидравлической системы не показаны)

• Fig. 4.    Testing bench for probation of the cardan drive (hosepipes of hydraulic system are not shown)

  

  Рис. 5. Гидравлическая схема устройства нагружения

  
  

• Fig. 5.    Hydraulic system of lading facility

Заключение. Таким образом, на основе проведенного анализа известных стендов для испытания карданных передач были решены три задачи: испытания карданных передач в широком диапазоне нагрузок, сравнительные испытания шарниров различных типоразмеров; испытания карданных передач с повышенной точностью настройки угла излома карданной передачи и удобством эксплуатации; испытания карданных передач с исключением перегрева системы торможения, а также обеспечения плавности регулирования тормозного момента.

Предложены три варианта конструкций испытательных стендов. Конструкция первого предложенного стенда позволяет испытывать карданные передачи разных типоразмеров в широком диапазоне нагружающих моментов и скоростей вращения карданных передач [16]. Стенд [14] отличается простотой конструкции, большим диапазоном параметров нагружения и легкостью настройки благодаря наличию рычагов переключения передач на коробке переключения передач и раздаточном редукторе. Конструкция втрого предложенного стенда позволяет испытывать карданные передачи разных типоразмеров в широком диапазоне нагружающих моментов, скоростей вращения и высокой точности настройки угла излома карданной передачи [17]. Стенд [13] отличается простотой конструкции, большим диапазоном параметров нагружения и легкостью настройки благодаря подвижной раме и нониусу, отградуированному в единицах угла излома карданной передачи. Конструкция третьего предложенного стенда позволяет проводить испытания карданных передач, исключая перегрев системы торможения благодаря охлаждению рабочей жидкости, а также повысить качество эксплуатации за счет обеспечения плавности регулирования тормозного момента [18]. Стенд [15] отличается простотой конструкции и системой настройки тормозного момента с помощью регулируемого дросселя и манометра давления рабочей жидкости, отградуированного в единицах тормозного момента.