CC BY
48УДК 621.879
МОДЕРНИЗАЦИЯ КАРДАННОГО ВАЛА, КАК СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
РАБОТОСПОСОБНОСТИ
Иовлев Григорий Александрович, к.э.н., доцент, заведующий кафедрой сервиса транспортных и технологических машин и оборудования АПК, ФГБОУ ВО «Уральский ГАУ», (620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. 8-922-20-87-846, Е-mail :[email protected] )
Голдина Ирина Игоревна- старший преподаватель кафедры сервиса транспортных и технологических машин и оборудования АПК, ФГБОУ ВО «Уральский ГАУ», (620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. 8-904-98-50-364, Е-mail :[email protected] )
Рецензент: Л. А. Новопашин кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-3363, Е-mail: novopashi n-leoni d@ya. ru)
Ключевые слова: карданный вал, вилка, крестовины, карданная передача, нагрузочный режим, технологический процесс.
Аннотация: В статье затронут вопрос истории изобретения и усовершенствования карданного вала, его сегодняшняя конструкция. Отмечено, что современная технология ремонта предусматривает замену ключевых компонентов карданной передачи. Существующий рынок комплектующих позволяет не только восстановить, но и изготовить любой вариант карданного вала на заказ по предоставленному чертежу. Далее в работе рассмотрены вопросы восстановления карданной передачи на привод жатки зерноуборочного комбайна Acros 530. Приведена технологическая карта на диагностирование технического состояния штатной карданной передачи, прочностные расчеты и технология сборки карданного вала из комплектующих фирмы WALTERSCHEID с равными эксплуатационными свойствами. Технологический процесс восстановления карданного вала также представлен в виде технологической карты, где определены все технологические операции восстановления (модернизации) карданного вала.Произведены прочностные расчёты. Расчёты предельных нагрузочных режимов работы карданных валов, без разрушений, производятся на: напряжения кручения; напряжения изгиба; напряжения кручения, вызванные неравномерностью вращения; расчёт крестовины карданного шарнира (на сопротивление изгибу, на срез); расчёт вилки карданного шарнира (на изгиб и на кручение); расчёт профильного (трубного) соединения (на напряжения кручения, на смятие
профиля, на износ. Сделан вывод, что на сегодняшний день карданный вал представляет собой сложное техническое изделие и требует к себе соответствующего отношения, т.е. своевременного проведения обслуживания. Несоблюдение наиболее простых правил грозит простоями техники и существенными денежными потерями для организации. Кроме того, в масштабах всего сельхозмашиностроения можно кардинально снизить металлоемкость не только данной карданной передачи, но и любых карданных передач, что на сегодня является актуальнейшим направлением материало- и ресурсосбережения.
MODERNIZATION OF THE PROPELLER SHAFT, AS A WAY TO RECOVER
G.A. Iovlev, associate professor, head of the department of transport and technological machinery and equipment service of the agro-industrial complex, Ural State Agrarian University. (620075 Sverdlovsk Region, Yekaterinburg, Karl Libknekhta St., 42 Tel. 8-922-20-87 -846, E-mail: gri-iovl [email protected])
I.I. Goldina - senior lecturer of the department of service of transport and technological machines and equipment of the agro-industrial complex, Ural State Agrarian University.
(620075 Sverdlovsk Region, Yekaterinburg, Karl Libknekhta St., 42 Tel. 8-904-98-50- 364, Email: [email protected])
Reviewer: L.A Novopashin candidate of technical Sciences, associate Professor, Ural state agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Ekaterinburg, Karl Liebknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33 - 63, E-mail: [email protected])
Keywords: cardan shaft, plug, cross joints, cardan transmission, a load mode process.
Abstract: The article touches upon the history of the invention and improvement of the propeller shaft, its current design. It is noted that the modern repair technology provides for the replacement of key components of the cardan transmission. The existing market of accessories allows not only to restore, but also to make any option of a driveshaft to order according to the provided drawing. Next, the paper considers the questions of restoration driveline to the drive harvester combine harvester Acros 530. The technological map for diagnosing the technical condition of the standard gimbal, strength calculations and the technology of assembling the gimbal from Walterscheid components with equal operational properties is presented. The technological process of recovery of the propeller shaft is also represented in the form of a task list, which identifies all the processes of reconstruction (modernization) of the propeller shaft. Strength calculations are made. Calculations of the limit load modes of operation of drive shafts, no damage, made in: tension torsion; bending stresses; tension torsion caused by the non-uniformity of
rotation; the calculation of the joint crosses (resistance to bending, shear); the calculation of the yoke hinge (bending and torsion); calculation of the profile (tube) connections (voltage torsion, crushing profile for wear. It is concluded that today the cardan shaft is a complex technical product and requires an appropriate attitude, i.e. timely maintenance. Failure to comply with the simplest rules threatens downtime and significant monetary losses for the organization. In addition, on the scale of all agricultural machinery can dramatically reduce the metal content of not only the cardan transmission, but also any cardan transmission, which today is the most important direction of material and resource saving.
Первое карданное соединение - это две вилки, связанные крестовиной с помощью четырех игольчатых подшипников. Впервые данное соединение было применено для поддержки морского компаса. Позднее было обнаружено, что карданное соединение равномерно передает движение, когда два соединения находятся в одной плоскости и функционируют последовательно под одним и тем же углом.Автором этого изобретения, относящегося к середине XVI века, как считают исследователи истории механики, является Джироламо Кардано.
С 16 столетия карданный вал был усовершенствован. В 1903 году Спайсер применил шлицевую втулку, для того, чтобы компенсировать колебания линейных размеров. И до настоящего времени, принципиально отличающейся, более совершенной схемы для передачи крутящего момента, не предложил никто.
Простейший кардан состоит из:
1. Центральный вал - представляет собой наружную трубу с внутренним шлицем и шлицевой вал с наружным шлицем различных типоразмеров.
2. Вилка - узел, который вместе с крестовиной передает крутящий момент между машиной и агрегатированным механизмом во время работы. По конструкции вилки могут быть фланцевыми и с отверстием, под шлиц или вал.
3. Крестовины - это шарниры в форме креста, для того, чтобы все вращающиеся элементы работали под определенным изменяющимся углом для плавной передачи крутящего момента. Угол вращения в процессе работыне должен превышать 20 градусов. В противном случае, крестовина начинает работать под большой нагрузкой, что влияет на износ, работоспособность и сбалансированность карданного вала.
4. Защита карданного вала - дополнительная мера безопасности, эксплуатация без которой категорически запрещена.
В качестве дополнительной комплектации карданные валы экипируются: широкими соединительными вилками, когда можно передавать крутящий момент на угол до 80 градусов; предохранительными муфтами, от самой простейшей до сложной обгонной или фрикционной; эластичными муфтами, для гашения резких крутильных колебаний.
Карданные валы принадлежат к категории быстровращающихся валов, их главной чертой является формирование дополнительных нагрузок, вызываемых центробежными силами, величина которых пропорциональна квадрату частоты вращения. Из этого следует, что влияние этих сил тем больше, чем больше дисбаланс вала. На величину центробежных сил, на величину дисбаланса влияет, в первую очередь, масса карданного вала. При высоких оборотах центробежные силы стремятся изогнуть вал, увеличивая его несбалансированность. Постепенно вал приходит в неработоспособное состояние.
При передаче равных крутящих моментов предпочтительнее использовать карданные валы с меньшей массой, но удовлетворяющих требованиям прочности (на изгиб, на скручивание, на срез).
Статистические данные говорят о том, что около 75% деталей, выбрасываемых при первом капитальном ремонте сельскохозяйственной техники, являются ремонтно-пригодными.
Современная технология ремонта предусматривает замену ключевых компонентов карданной передачи. Существующий рынок комплектующих позволяет не только восстановить, но и изготовить любой вариант карданного вала на заказ по предоставленному чертежу.
При проведении работ, связанных с текущим ремонтом сельскохозяйственной техники, сервисные предприятия стали применять комплектующие карданных валов, ведущих зарубежных фирм, в том числе WALTERSCHEID.
В данной работе рассмотрены вопросы восстановления карданной передачи на привод жатки зерноуборочного комбайна Acros 530. Приведена технологическая карта на диагностирование технического состояния штатной карданной передачи, прочностные расчеты и технологию сборки карданного вала из комплектующих фирмы WALTERSCHEID с равными эксплуатационными свойствами.
Проектирование технологического процесса определения технического состояния (диагностирования) и восстановления карданного вала привода 6-ти метровой жатки рассмотрендля зерноуборочного комбайна Acros 530 - К01. 016. 145. 180. 318. 318. [8].
Технологический процесс определения технического состояния (диагностирования) представлен в виде технологической карты, где обозначены все технологические операции определения технического состояния [1].
Операционно-технологическая карта диагностики зерноуборочного комбайна Acros 530
Общая трудоёмкость -_чел. ч.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА №
Карданный вал привода жатки - К01. 016. 145. 180. 318. 318. Трудоёмкость, чел. мин (чел.ч). - 57 (0,95)__
№ п/п Наименование и содержание работ (операций) Место выполнения операции Трудоёмкость, чел. мин. (чел.ч) Приборы, инструменты, приспособления Технические требования и указания
1 Очистка вала Участок мойки, диагностики и деффектовки 3,4 (0,06) Щётка Карданный вал должен быть чистым, пригодным для диагностики
2 Проверка вала на состояние сварных швов, на прогиб -//- 6 (0,1) Призмы, штатив, индикатор часового типа Допускается на длине 1 м не более 0,5 мм
3 Проверка лёгкости и плавности проворачивания крестовин и вилок 2 (0,03) От руки, визуально Карданные шарниры должны вращаться свободно без заеданий, погнутость вилок (несоосность отверстий вилок) не допускается
4 Проверка карданных шарниров на наличие осевых и радиальных зазоров 19,2 (0,32) Нутромер с индика-тором часового типа Диаметр вилки карданного шарнира под игольчатый подшипник не должен превышать 28, 825 мм
5 Проверка окружного зазора в шлицевом соединении 13,2 (0,22) Система измерений вибрацион-ная балансировочная ВИБРОЛАБ Предельно допустимый окружной зазор по среднему диаметру шлиц - 0,3 мм Номинальный окружной зазор - 0,08 мм
6 Проверка радиального зазора в шлицевом соединении 13,2 (0,22) Система измерений вибрацион-ная балансировочная ВИБРОЛАБ Предельно допустимый радиальный зазор -0,065 мм Номинальный радиальный зазор - 0,015 мм
7 Заключение
Технологический процесс восстановления карданного вала также представлен в виде технологической карты, где определены все технологические операции восстановления (модернизации) карданного вала*.
Операционно-технологическая карта ремонта зерноуборочного комбайна Лсгоб 530 Общая трудоёмкость -_чел. ч.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА № __ Карданный вал привода жатки.
Трудоёмкость, чел. мин. (чел.ч) - 94,2 (1,57).
№ п/п Наименование и содержание работ (операций) Место выполнения операции Трудоёмкость, чел. мин. (чел.ч) Приборы, инструменты, приспособления
1 Установка внутренней вилки внутреннего телескопа в сборочный стенд (конструкторская разработка) Участок ремонта 1,8 (0,03) Сборочный стенд
2 Установка трубы внутреннего телескопа в сборочный стенд Участок ремонта 1,8 (0,03) Сборочный стенд
3 Запрессовка трубы внутреннего телескопа во внутреннюю вилку Участок ремонта 16,2 (0,27) Сборочный стенд
4 Установка внутренней вилки наружного телескопа в сборочный стенд Участок ремонта 1,8 (0,03) Сборочный стенд
5 Установка трубы наружного телескопа в сборочный стенд Участок ремонта 1,8 (0,03) Сборочный стенд
6 Запрессовка трубы наружного телескопа во внутреннюю вилку Участок ремонта 16,2 (0,27) Сборочный стенд
7 Установка универсального шарнира в вилку ВОМ и внутреннюю вилку внутреннего телескопа Участок ремонта 26,4 (0,44) Сборочный стенд
8 Установка универсального шарнира в вилку вала приводной машины и внутреннюю вилку наружного телескопа Участок ремонта 26,4 (0,44) Сборочный стенд
9 Сборка карданного вала Участок ремонта 1,8 (0,03) Вручную
*Названия составных частей карданного вала приняты в соответствии с ГОСТ 33032-2014 Валы карданные сельскохозяйственных машин. Общие технические условия [2].
Сборка карданного вала из комплектующих фирмы WALTERSCHEID осуществляется наоригинальномспроектированном стенде.
Для обоснования конструкторских расчётов рассмотрены следующие исходные данные: 1. Характеристика карданных валов (табл. 1)
Таблица 1. - Сравнительная характеристика штатного карданного вала и проектируемого.
Показатели Штатный карданный вал Проектируемый карданный вал из сборочных единиц фирмы 1№ЛЬТЕЯ8СНЕГО
Длина карданного вала, см 145 (180) 145 (180)
Размер вилки, мм Не более 90 84
Высота крестовины, мм 72,9 75
Диаметр подшипника крестовины, мм 28 27
Размер внутреннего телескопического вала, мм Шлицевой вал: ёнар - 34,87 ёвн - 29 Профильная труба (лимоновидная): аХвХ1 34,5x40x4 а - ширина; в - высота; 1 - толщина профиля
Размер наружного телескопического вала, мм Шлицевая втулка: ёнар - 34,95 ёвн - 29,8 Профильная труба (лимоновидная): аХвХ141x48x3
Масса карданного вала, кг 16,3 14,1 в т.ч. вес внутреннего телескопического вала - 6,64; внешнего телескопического вала -7,48*
Номинальный крутящий момент, Нм 160 160
*
Справочно. Масса 1 п.м. профиля 0у взята 3,3 кг; профиля 1 - 3,94 кг; расчётная длина внутреннего и наружного телескопического валов - 1306 мм; масса шарнира карданного АК.016.113.264 - 2,33 кг. 2. Требования к материалам (табл. 2).
Таблица 2. - Марки сталей, используемые для изготовления конструктивных элементов.
Наименование конструктивного элемента Марка стали Обозначение стандарта
Трубы 15, 20, 35 ГОСТ 1050
Крестовина 55ПП ГОСТ 1050
20Х, 15ХГН2ТА, 18ХГТ, 20ХГНТР, 12ХГНЗА ГОСТ 4543
Вилки 35, 40, 45, 35Х ГОСТ 1050, ГОСТ 4543
Шлицевой вал 38ХС ГОСТ 4543
Произведены следующие прочностные расчёты.
Расчёты предельных нагрузочных режимов работы карданных валов, без разрушений, производятся на:
- напряжения кручения;
- напряжения изгиба;
- напряжения кручения, вызванные неравномерностью вращения;
- расчёт крестовины карданного шарнира (на сопротивление изгибу, на срез);
- расчёт вилки карданного шарнира (на изгиб и на кручение);
- расчёт профильного (трубного) соединения (на напряжения кручения, на смятие профиля, на износ.
Для подбора пресса, для соединения вилок шарнира с телескопическими валами, рассчитано усилие запрессовки.
Для расчётов предельных нагрузочных режимов работы карданного вала, рассчитана мощность и крутящий момент на трансмиссионном валу привода жатки зерноуборочного комбайна Acros 530.
Исходными данными являются кинематическая схема привода основных узлов и механизмов зерноуборочного комбайна Acros 530 [3]. В этой схеме представлены диаметры шкивов, обороты валов следующей кинематической цепи: вал двигателя - вал главного контрпривода; вал главного контрпривода - вал отбойного битера; вал отбойного битера - вал наклонной камеры; вал наклонной камеры - трансмиссионный вал.
Расчёт мощности произведен через определение крутящих моментов на соответствующих валах кинематической схемы передачи крутящего момента от двигателя до привода жатки через передаточные отношения.
Крутящий момент на ведущем валу рассчитан по следующей формуле [4,5]:
М, = — Х9550,
Щ
где, Ыг- мощность на ьм (ведущем) валу; пг- число оборотов на ьм валу.
Крутящий момент на ведомом валу рассчитан по следующей формуле:
Мг+1= МгХг,
где, г -передаточное отношение.
Мощность на ведомом валу рассчитана по следующей формуле;
N,+1= —— Х л,
9550 ''
где, л - кпд передачи. л = 0,96
Для расчёта параметрови характеристик трансмиссионного вала использована кинематическая схема привода основных узлов и механизмов зерноуборочного комбайна Ао^
530. При расчёте были использованы данные по диаметрам шкивов и оборотам валов (двигателя, главного контрпривода, отбойного битера и наклонной камеры). Число оборотов задано в соответствии с кинематической схемой. п = 1403 мин-1;
Полученные значения мощности и моментов на валах представлены в виде графика (рис. 1).
Мощность, необходимая для привода рабочих органов жатки (режущий аппарат, транспортировка хлебной массы до наклонной камеры) составляет - 7,5 кВт [6].
Мощность, подведённая к трансмиссионном валу, превышает мощность, необходимую для привода жатки почти в 1,5 раза (7,5 и 11,3 кВт).
Прочностные расчёты произведены по крутящему моменту и мощности, подведённой к трансмиссионному валу.
Технологический процесс восстановления карданного вала через модернизацию данного соединения (использование современных зарубежных комплектующих) влияет на надёжность и работоспособность машин, повышая данные показатели, и расход материалов, снижая их (масса модернизированного карданного вала на 14%, на 2,2 кг меньше штатного вала).
В заключении можно сказать, что на сегодняшний день карданный вал представляет собой сложное техническое изделие и требует к себе соответствующее отношение и своевременное проведение обслуживания. Несоблюдение наиболее простых правил грозит простоями техники и существенными денежными потерями для организации. Кроме того, в масштабах всего сельхозмашиностроения можно кардинально снизить металлоемкость не только данной карданной передачи, но и любых карданных передач, что на сегодня является актуальнейшим направлением материало- и ресурсосбережения.
Список литературы:
1. Технологические карты. Виды и назначение технологических карт. [электронный ресурс] Режим доступа: https://studref.com/319866/tehnika/tehnologicheskie_karty
2. ГОСТ 33032-2014 Валы карданные сельскохозяйственных машин. Общие технические условия. [электронный ресурс] Режим доступа: http://www.rags.ru/gosts/gost/60201/
3. Комбайн зерноуборочный самоходный РСМ-142 «ACROS-530». Инструкция по эксплуатации и техническому обслуживанию. [электронный ресурс] Режим доступа: http://агроцентр56.рф/docs/instruction_combain/ИЭиТО%20ACROS%20530.pdf
4. Кинематические и силовые соотношения в механических передачах. [электронный ресурс] Режим доступа: http://zdamsam.ru/a60954.html
5. Введение в передачи. [электронный ресурс] Режим доступа: http://www.detalmach.ru/lect3.htm
6. Определение мощности, необходимой на выполнение технологического процесса комбайном. [электронный ресурс] Режим доступа: https://studfiles.net/preview/5440882/page:4/
7. Адамович А.И., Ермиенко И.Ю., Кукушкин Е.В., Кукушкин С.В. Расчет напряжений сечений карданных валов транспортно-технологических машин в программном продукте WINMACHINE// Автоматизированное проектирование в машиностроении. 2017. № 5. С. 74-77.
8. Иовлев Г.А., Бахтерев А.П., Зорков В.С., Несговоров А.Г., Голдина И.И. Управление технической готовностью парка транспортно-технологических машин//Теория и практика мировой науки. 2016. № 2. С. 71-80
List of references:
1. Technological map. The types and purpose of the process maps. [electronic resource] access Mode: https://studref.com/319866/tehnika/tehnologicheskie_karty
2. GOST 33032-2014 the propeller Shafts of agricultural machines. General specifications. [electronic resource] access Mode: http://www.rags.ru/gosts/gost/60201/
3. A combine harvester self-propelled RSM-142 "AСROS-530". Operation and maintenance manual. [electronic resource] access Mode: http://агроцентр56.рф/docs/instruction_combain/ИЭиТО%20ACROS%20530.pdf
4. Kinematic and power correlation in a mechanical transmission. [electronic resource] access Mode: http://zdamsam.ru/a60954.html
5. Introduction to transfers. [electronic resource] access Mode: http://www.detalmach.ru/lect3.htm
6. Determination of the power required to perform the process combine. [electronic resource] access Mode: https://studfiles.net/preview/5440882/page:4/
7. Adamovich A. I., Ermanco I. Yu., Kukushkin, E. V., Kukushkin, S. V., stress analysis of cross sections of the drive shafts of the transport-technological machines in the software product WINMACHINE// computer-aided design in mechanical engineering. 2017. No. 5. P. 74-77.
8. Iovlev G. A., Bakharev A. P., V. S. Zorkov, Nezgovorov A. G., Goldin I. Management of technical readiness of the Park of transport and technological machines// Theory and practice of world science. 2016. No. 2.P. 71-80
