Этапы разработки прецессионного редуцирующего механизма для электропривода сельскохозяйственной лебедки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.833

ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ ПРЕЦЕССИОННОГО РЕДУЦИРУЮЩЕГО МЕХАНИЗМА ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ЛЕБЕДКИ

Доктора техн. наук, профессора СКОЙБЕДА А. Т.1, ГРОМЫКО П. Н.2, инж. ГОНЧАРОВ П. С.2

1 Белорусский национальный технический университет, 2Белорусско-Российский университет

2

Одной из основных задач, позволяющих решить проблему насыщения продовольственного рынка продукцией, является механизация сельскохозяйственных работ. Особенно остро стоит вопрос использования техники в приусадебном и дачном хозяйстве. Это вспашка и боронование почвы, окучивание растений на участках небольших размеров, где невозможно использование тракторов, как по причине их значительных габаритных размеров, так и в связи с необходимостью наличия специально подготовленного обслуживающего персонала. В этом случае предпочтение отдается сельскохозяйственной лебедке с электрическим приводом. В настоящее время повышенный спрос наблюдается на сельскохозяйственную лебедку, серийно выпускаемую РУП завод «Могилевлифтмаш». Невысокая отпускная цена, отсутствие требований к специальной подготовке обслуживающего персонала являются несомненными преимуществами ука-

Рис. 1. Общий вид лебедки сельскохозяйственной ЛС-100А

со снятой крышкой: 1 - корпус; 2 - электродвигатель; 3 - клиновой ремень; 4 - шкив

занной электрической лебедки. Однако значительные габаритные размеры и масса ограничивают число потенциальных потребителей лебедки, т. е. сужают рынки ее использования.

Лебедка сельскохозяйственная ЛС-100А, разработанная и серийно выпускаемая РУП завод «Могилевлифтмаш» [1], изображена на рис. 1, на рис. 2 показано осевое сечение барабана лебедки со встроенной в его конструкцию двухступенчатой зубчатой передачей. Лебедка предназначена для перемещения грузов в горизонтальной плоскости, а также выполнения вспашки почвы и окучивания растений на дачных участках и огородах.

Лебедка работает следующим образом. При включении электродвигателя через клиноре-менную передачу посредством шкива вращение передается входному звену с зубчатым венцом и далее через зубчатое колесо 6 - на вторую ступень редуктора, т. е. на вал-шестерню.

10

12

6 13 7

Рис. 2. Осевое сечение барабана лебедки со встроенной в его конструкцию двухступенчатой зубчатой передачей: 5 - входное звено с зубчатым венцом; 6 - зубчатое колесо;

7 - вал-шестерня; 8 - зубчатое колесо; 9 - муфта; 10 - барабан; 11 - желоб; 12 - опорный вал; 13 - кронштейн

Наука итехника, № 1, 2013

4

8

Зубчатый венец вала-шестерни взаимодействует с зубчатым колесом 8, которое в свою очередь через муфту вращает барабан, в желобе последнего размещается трос лебедки. Размотка троса осуществляется путем разъединения муфты. При этом зубчатое колесо 8 может свободно вращаться на ступице барабана до тех пор, пока пальцы муфты вытянуты из зацепления с колесом 8. Возврат муфты в замкнутое положение осуществляется посредством пружин, расположенных в отверстиях муфты.

Первым этапом разработки редуцирующего механизма для привода сельскохозяйственной лебедки являлся анализ описанной выше конструкции двухступенчатой зубчатой передачи (рис. 2). В результате анализа было установлено, что консольное расположение барабана на валу, сложность компоновки из-за наличия на опорном валу кронштейна, а также четырех зубчатых колес 5, 6, 7 и 8 делают конструкцию привода сложной в изготовлении и сборке.

Второй этап разработки заключался в выборе оптимальной структурной схемы редуцирующего механизма. С целью упрощения конструкции сельскохозяйственной лебедки было предложено применить в ее приводе прецессионный редуцирующий механизм [2, 3], структурная схема которого показана на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема предложенного прецессионного редуцирующего механизма: 1 - неподвижный основной вал; 2 - входное звено; 3 - сателлитное колесо; 4 - подвижное центральное зубчатое колесо; 5 - неподвижное центральное зубчатое колесо; 6 - ролики; 7 - барабан

Следующим этапом являлась разработка конструкции прецессионного редуцирующего

Наука итехника, № 1, 2013

механизма на основе структурной схемы, изображенной на рис. 3, применительно к приводу сельскохозяйственной лебедки. Общий вид барабана лебедки с прецессионным редуцирующим механизмом представлен на рис. 4.

Прецессионный редуцирующий механизм работает следующим образом (рис. 4). Входное звено 3 приводится во вращение от шкива 8. Благодаря наличию наклонной эксцентричной цилиндрической поверхности входного звена 3 и размещенному на указанной поверхности посредством подшипников кольцу 4 правые консольные конические концы 5 роликов 10, расположенные равномерно по периметру в осевых отверстиях кольца 4, взаимодействуют с наружным центральным зубчатым колесом 7, жестко закрепленным с неподвижным основным валом 2. В результате указанного взаимодействия кольцо 4 наряду с колебательным движением получает также вращение относительно своей оси. Левые конические концы 9 роликов 10, совершающие указанные выше колебательные и вращательные движения, вступают во взаимодействие с зубьями наружного центрального зубчатого колеса 6, жестко связанного с барабаном 1. Результатом такого взаимодействия является вращение наружного центрального зубчатого колеса 6 вместе с барабаном 1 с угловой скоростью, которая определяется соотношением числа роликов 10 и чисел зубьев наружных центральных зубчатых колес 6 и 7.

Передаточное отношение прецессионного редуцирующего механизма определяли по формуле

1

U = -

где г3 - число зубьев неподвижного колеса; г4 - то же ведомого колеса.

Для обеспечения минимальных значений механических потерь необходимо располагать зубчатые венцы неподвижного колеса 5 и подвижного колеса 4, связанного с барабаном 7, на определенном расстоянии Ь от точки прецессии, т. е. точки пересечения оси барабана с осью наклонного сателлита 3, до ближайших их торцевых сечений. Для определения этих расстояний (рис. 3) используем формулы:

z

4

А

гБ

А-А

А

Б

Рис. 4. Общий вид барабана лебедки, разработанной на основе прецессионного редуцирующего механизма

Як1 cos 0

sin0

2 zQ

Rc2

+ COS0

8Ш 0

r2z3-z2 Л

где Як1 и Як2 - делительные радиусы неподвижного 5 и подвижного 4 центральных колес; Ь1 и Ь2 - расстояние от точки прецессии до ближайших торцевых сечений неподвижного 5 и подвижного 4 центральных колес; 0 - угол прецессии (угол наклона оси сателлита 3 к оси барабана 7); z2 - число роликовых тел качения; z3, z4 -число зубьев неподвижного и подвижного колес.

Для определения положения роликов на наклонном сателлите необходимо рассчитать радиус расположения их центров (Кц) (рис. 3):

= cose

и второй ступеней, они имеют общий радиус их расположения, который может быть определен по формуле:

2 '

К

В прецессионном редуцирующем механизме зубья подвижного и неподвижного колес представляют собой профили зубьев звездочки цепной передачи. Учитывая это, их делительные радиусы Як1 и Як2 определяются согласно выражениям [4]:

2зш(т/гАУ

где t - шаг зубьев звездочки.

2sin(180/z3) t

2 z.

- Rk2

-z,

+ COS 0

cos 0 + -

2z. - z0

V У

Так как число роликовых тел качения на наклонном сателлите одинаково для первой

10

Рис. 5. Компьютерная модель прецессионного редуцирующего механизма с наложенными на звенья условными взаимосвязями

Следующим этапом разработки являлось создание компьютерной модели прецессионного редуцирующего механизма и проведение ее исследований в приложении CosmosMotion системы трехмерного твердотельного моделирования SolidWorks. Трехмерная модель прецессионного редуцирующего механизма с наложенными на ее звенья взаимосвязями представлена на рис. 5. Подробно с методикой проведения компьютерных исследований можно ознакомиться в [5].

Результатом компьютерных исследований являются графические зависимости, показанные на рис. 6.

Наука итехника, № 1, 2013

2

z

4 3

3

Z

z3 - z

4

Z

3 2

4

80

70

60

50

Шм

ША

35,4

ф, мин

35,0

34,8

40 45 50 55 60 Г. 10~3 • с 65 Рис. 6. Графики КПД (а) и кинематической погрешности

Как видно из графиков рис. 6, среднее значение КПД прецессионного редуцирующего механизма составило 90 %, а кинематическая погрешность не привышала значения 0,4 угл. мин.

Последний этап разработки - это изготовление экспериментального образца сельскохозяйственной лебедки с приводным механизмом, разработанным на основе прецессионного редуцирующего механизма, и проведение его испытаний. Общий вид сельскохозяйственной лебедки с приводным механизмом, разработанным на основе прецессионного редуцирующего механизма, показан на рис. 7.

Рис. 7. Общий вид сельскохозяйственной лебедки, разработанной на основе прецессионного редуцирующего механизма: 1 - корпус лебедки;

2 - барабан с прецессионным редуктором; 3 - шкив; 4 - электродвигатель

Испытания сельскохозяйственной лебедки с прецессионным редуцирующим механизмом по определению максимального тягового усилия, создаваемого на канате лебедки, были проведены на специально оборудованном стенде РУП завод «Могилевлифтмаш». Установлено, что указанное тяговое усилие превышало зна-

Наука итехника, № 1, 2013

34.6

40 45 50 55 60 Г. Ю-3 • с 65 (б) прецессионного редуцирующего механизма

чение 2700 Н. Следует отметить, что максимально достигаемое тяговое усилие серийно выпускаемой РУП завод «Могилевлифтмаш» лебедкой не превышает 2000 Н.

Были также проведены испытания сельскохозяйственной лебедки с прецессионным редуцирующим механизмом в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным. Сельскохозяйственной лебедкой произведена вспашка на экспериментальном участке земли РУП завод «Могилевлифтмаш». В процессе испытаний установлено, что намотка каната на барабан лебедки при рабочем режиме осуществлялась равномерно (без рывков). Вспашка производилась с максимально возможной шириной дерна. При этом остановки привода лебедки по причине его перегрузки не наблюдалось. После проведения испытаний была произведена ее разборка с целью визуального осмотра состояния деталей прецессионного редуцирующего механизма (рис. 8). На поверхности контактирующих деталей обнаружены едва заметные следы контакта взаимодействующих звеньев.

1

2

3

4

Рис. 8. Вид основных деталей прецессионного редуцирующего механизма лебедки после проведения эксплуатационных испытаний: 1 - сепаратор с роликами; 2 - звездочка подвижная; 3 - кривошип; 4 - звездочка неподвижная с основным валом

б

а

3

С целью оценки перспективности освоения производства сельскохозяйственной лебедки с прецессионным редуцирующим механизмом осуществлен ее сравнительный технико-экономический анализ с лебедкой, серийно выпускаемой РУП завод «Могилевлифтмаш». Результаты анализа сведены в табл. 1.

Таблица 1

Технико-экономический анализ сравниваемых лебедок

Габаритные размеры, а также масса сельскохозяйственной лебедки с планетарным редуцирующим механизмом, приведенные в табл. 1, определены на основе создания ее компьютерной модели.

В Ы В О Д Ы

Сельскохозяйственная лебедка, разработанная на основе прецессионного редуцирующего механизма, малогабаритна, имеет меньшую массу, а также более высокую канатоемкость по сравнению с лебедкой, серийно выпускаемой РУП завод «Могилевлифтмаш» (табл. 1). Себестоимость изготовления деталей редуцирующих механизмов сравниваемых лебедок

находится практически на одном уровне. Однако расчет себестоимости прецессионного редуцирующего механизма осуществлялся с учетом условий экспериментального производства. Это говорит о возможности значительного снижения себестоимости изготовления механизма в случае налаживания серийного производства лебедки.

Таким образом, достижение положительного эффекта от использования лебедки с прецессионным редуцирующим механизмом ожидается за счет снижения массы лебедки на 16 кг, а также увеличения канатоемкости барабана. Это позволит облегчить условия эксплуатации лебедки, расширить функциональные возможности, улучшить эргономические показатели, что положительно скажется на ее потребительских свойствах.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Лебедка: пат. 2132BY / Н. В. Сас, М. А. Цимбаре-вич; заявитель и патентообладатель Могилев. лифтостро-ительный з-д. - № 2642; заявл. 28.12.1994; опубл. 30.06.1998.

2. Планетарная прецессионная передача: пат. 14938 BY, МПК F 16 Н 1/32 / П. Н. Громыко, И. В. Трусов, П. С. Гончаров; заявитель и патентообладатель Белор.-Рос. ун-т. -№ а20091553; заявл. 11.02.2009; опубл. 30.06.2011.

3. Скойбеда, А. Т. Коническо-цилиндрические прецессионные редукторы / А. Т. Скойбеда, П. Н. Громыко. -Минск: БГПА, 2001. - 187 с.

4. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3 т. -Т. 2. - 9-е изд., перераб. и доп. / под ред. И. Н. Жестко-вой. - М.: Машиностроение, 2006. - 960 с.

5. Компьютерное моделирование планетарных прецессионных передач / П. Н. Громыко [и др.]; под общ. ред. П. Н. Громыко. - Могилев: Белор.-Рос. ун-т, 2007. - 271 с.

Поступила 12.11.2012

Показатель Лебедка, серийно выпускаемая РУП завод «Моги-левлифтмаш» Лебедка, разработанная на основе планетарной прецессионной передачи

Масса 58 ± 3 кг 42 ± 2 кг

Габариты 600х418х384 мм 536x418x345 мм

Длина троса 40 м 80 м

Тяговое усилие 2000 Н 2700 Н

Себестоимость изготовления редуцирующего механизма 260 тыс. руб. 340 тыс. руб.

Наука итехника, № 1, 2013