Повышение износостойкости шарнирных соединений лесных манипуляторов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 630.323.113

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ШАРНИРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЛЕСНЫХ

МАНИПУЛЯТОРОВ Ф.В. Пошарников, А.И. Серебрянский, А.В. Усиков

ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Разработаны конструкции шарнирных соединений, в которых конструктивно исключается реверсивность трения. Представлена методика расчета фактических величин напряжений в тяжело нагруженных шарнирных соединениях с малой скоростью скольжения и неметаллическим антифрикционным материалом.

Ключевые слова: шарнирное соединение, реверсивность трения, расчет, напряжение, неметаллический антифрикционный материал.

В лесной промышленности широко применяется манипуляторное технологическое оборудование, наименее износостойкими узлами которого являются шарнирные соединения.

Анализ конструктивно-технологических характеристик и условий работы шарниров манипуляторов помог определить вид антифрикционного материала, способствующего повышению рабочего ресурса рассматриваемых узлов трения [1]. Однако, предложенные пластики не могут эффективно работать при реверсивном трении, кроме того, отрицательный эффект реверса примерно в два раза снижает износостойкость трущихся деталей. Это говорит о необходимости изменения конструкции шарнирных соединений с целью исключения реверсивности трения.

Что бы исключить влияние отрицательного эффекта реверса на износостойкость деталей шарнирных соединений лесопромышленных манипуляторов предлагается изменить конструкцию шарниров, как это показано на рис. 1.

Предложенное шарнирное соедине-

ние включает в себя охватывающую проушину 1, охватываемую проушину 2, две антифрикционные втулки 3 с внутренними и наружными рабочими поверхностями, четыре блока пружинных полуколец, составляющих пружинные шайбы 4 - два с правым и два с левым направлением образующей цилиндрической спирали, распорную втулку 5, втулку 6 с внутренней рабочей поверхностью и палец (вал) 7. Антифрикционные втулки 3 выполнены с возможностью поворота как относительно втулки 6, так и относительно пальца 7. Блоки, составляющие пружинные шайбы 4 включают в себя 2 (1...п) сектора кольца. Два блока 4 с разносторонним направлением образующей цилиндрической спирали крепятся к торцевым сторонам распорной втулки 5, установленной с натягом в втулке 6 и два блока 4 с разносторонним направлением образующей цилиндрической спирали крепятся к внутренним сторонам охватывающей проушины 1. На втулках 3 с торцевых сторон выполнены канавки, имеющие вид храповых зубьев, и по направлению ответны направлению свобод-

ных концов полуколец блоков составляю- их заклинивания.

щих пружинные шайбы 4 с возможностью

Рис. 1. Шарнирное соединение с двумя зонами трения.

В предложенной конструкции шарнирного соединения реверсивное трение преобразуется в прерывистое вращательное посредством механизмов блокировки, состоящих из блоков составляющих пружинные шайбы 4, и канавок, выполненных в виде храповых зубьев на торцах втулок 3. Данная конструкция подтверждена патентом [2].

Шарнирное соединение работает следующим образом. При повороте охватываемой проушины 2 относительно охватывающей проушины 1, блоки составляющих пружинные шайбы 4, закрепленные на распорной втулке 5 входят в зацепление с храповыми секторами на внутренних торцевых поверхностях антифрикционных втулок 3 и сообщают последним движение, в то время, как, блоки составляющих пружинные шайбы 4 на внутренних торцевых поверхностях охватывающей проушины 1 проскальзывают относительно канавок в виде храповых зубьев на внешних торце-

вых поверхностях антифрикционных втулок 3 из-за разного направления образующих цилиндрической спирали в блоках составляющих пружинные шайбы 4 и канавок. В этом случае трение происходит между внутренними поверхностями антифрикционных втулок 3 и наружной поверхностью пальца 7. При обратном ходе охватываемой проушины 2 относительно охватывающей проушины 1 блоки составляющих пружинные шайбы 4, закрепленные на торцевых поверхностях распорной втулки 5 выходят из зацепления с канавками в виде храповых зубьев на внутренних торцевых поверхностях антифрикционных втулок 3 и при дальнейшем движении проскальзывают друг относительно друга. Одновременно блоки составляющих пружинные шайбы 4, закрепленные на внутренних торцевых поверхностях охватывающей проушины 1 входят в зацепление с канавками на наружных торцевых поверхностях антифрикционных втулок 3

и сообщают им движение. В этом случае, процесс трения происходит между наружными поверхностями антифрикционных втулок 3 и внутренней поверхностью втулки 6.

Таким образом, за счет механизмов блокировки, реверсивное движение преобразуется в прерывистое вращательное поочередно по внутренним и наружным поверхностям антифрикционных втулок 3, что позволит повысить износостойкость деталей шарнирных соединений в 1,7.2,1 раза.

Данный вариант конструкции шарнирного соединения наиболее предпочтителен для средненагруженных (-30 Мпа) узлов трения лесопромышленных манипу-2 8 3 4 5 ? 7

ляторов. Однако, в лесной промышленности, особенно на лесозаготовительных работах (ЛП-19) используется манипулятор-ное технологическое оборудование, шарнирные соединения которых воспринимают более высокие нагрузки. В таких случаях наличие двойного зазора (рис. 1) может привести к повышенному износу деталей шарнирных соединений из-за действия динамических нагрузок.

Для манипуляторов, шарнирные соединения которых воспринимают нагрузки выше 30 МПа разработано шарнирное соединение с одним зазором, в котором реверсивное трение преобразуется в прерывистое вращательное (рис. 2), что подтверждено патентом [3].

Рис. 2. Шарнирное соединение с одной зоной трения

Шарнирное соединение состоит из пальца (вала) 1, охватывающей проушины 2, охватываемой проушины 3, втулки охватываемой проушины 4, средней антифрикционной втулки 5, боковых антифрикционных втулок 6, блоков составляющих (1...п) пружинные кольца 7, канавок в виде храповых зубьев 8 и фиксирующих крышек 9.

Принцип работы данного шарнирно-

го соединения аналогичен первому случаю (рис. 1). К отличиям относятся: не две антифрикционные втулки, а три, - две антифрикционные втулки 6 установлены с натягом в щеках охватывающей проушины 2, а одна антифрикционная втулка 5 установлена с натягом во втулке 4 охватываемой проушины 3, канавки в виде храповых зубьев 8 выполнены на части внутренних поверхностей антифрикционных втулок 5

и 6, блоки составляющих пружинные кольца 7 закреплены на валу 1, и изогнуты не в осевом направлении, а в радиальном, для обеспечения возможности заклинивания с канавками 8. Для предотвращения, из-за сил трения, заклинивания вала 1 в щеках охватывающей проушины 2, его торцы выполнены конусными. Для фиксации вала 1 в шарнирном соединении предусмотрены крышки 9.

Посредством механизмов блокировки, реверсивное трение будет преобразовываться в прерывистое вращательное, только, в отличии от первого случая (рис. 1), вращательное движение буде сообщаться валу 1 и процесс трения будет происходить при движении охватываемой проушины 3 относительно охватывающей проушины 2 в одну сторону - между валом 1 и антифрикционной втулкой 5, а при движении охватываемой проушины 3 относительно охватывающей проушины 2 в другую сторону - между валом 1 и антифрикционными втулками 6.

Основополагающим фактором, обуславливающим рабочий ресурс шарнирных соединений, является величина радиального зазора. При достижении критической величины радиального зазора (0,9...0,13 мм) шарнирные соединения лесопромышленных манипуляторов выходят из строя. Для этих целей была разработана конструкция шарнирного соединения, в котором при одновременном преобразовании реверсивного трения в прерывистое вращательное происходит автоматическая компенсация износа. На данную конструкцию получен патент [4].

Для того, что бы повысить рабочий

ресурс шарниров предлагается металлический антифрикционный материал заменить самосмазывающимися антифрикционными пластиками, а именно, применять ЭСТЕ-РАН-29 и АМАН-13 [5; 6; 7]. Так как изменен антифрикционный материал в шарнирах манипуляторов, то процесс трения и изнашивания будет происходить несколько иначе, чем в исходных шарнирных соединениях. Поэтому необходимо определить действительную величину фактора, имеющего наибольшее влияние на величину износостойкости - удельного давления Р с учетом проведенных изменений в шарнирных соединениях.

Расчет величин удельных давлений проводится с учетом рекомендаций Добы-чина М.Н. [8] и используются рекомендации, предложенные в [9; 10].

Для определения величины среднего удельного давления Рср воспользуемся решением Г. Герца для внутреннего касания цилиндров, если выполняется условие

ах((1 )+(1 -т2 )ху)< 0,092, (1)

где

а

Я х103 IхК хА'

(2)

где Я - расчетная нагрузка, действующая на подшипник, кН; Е1 - модуль упругости пластика, МПа;

I - длина антифрикционных втулок, мм;

А - зазор сопряжения, предварительно принимается равным 0,4 мм. Отсюда

УЕ1/Е2, (3)

где Е2 - модуль упругости стали, МПа;

т - коэффициент Пуассона пластика;

/ц - коэффициент Пуассона стали. Если неравенство (1) не выполняется, то, расчет проводится по следующей схеме, в начале определяется половина угла контакта ф0, рад.

<Р, = С х

' а ЛП

1 + а

где

С = 0,32 х

+1 0,12 у

(4)

(5)

где

где

С =Р х[(1 -т )+(1 Ы

*

п = т1 х т + т2 х т2 + п0,

т1 = 0,07 х(1 - 1§у); т2 = 0,2 х(1 + 1§,у).

(6)

(7)

(8)

Максимальное давление в центре дуги контакта Рт определяется:

р =5500х

I х г

х

— + 0,35 2?0 у

(9)

где Я - внутренний радиус втулки, мм;

I, мм - длина подшипника. Среднее давление на контакте определяется по формуле:

р 5000 х Я

I х г1 х 2^0

(10)

Далее необходимо уточнить размеры подшипника по найденному удельному давлению, при этом нужно, что бы соблюдалось неравенство:

ёх1=Я/Р. (11)

Если условие выполняется, то необходимость в корректировке размеров конструктивных составляющих подшипника скольжения отпадает.

Результаты расчетов максимального давления в центре дуги контакта Рт и среднего давления на контакт Р во всех рассматриваемых шарнирных соединениях для ЭСТЕРАНА-29 сведены в табл. 1, для АМАНА-13 - в табл. 2. Результаты табл. 1 получены при постоянных значениях Е1=2300 МПа, А=0,4 мм, Е2=210000 МПа, т1=0,375, ^2=0,29, п*=0,543 и индивидуальных, для каждого из рассматриваемых шарнирных соединений, значениях Р, кН; I, мм и г1,мм. Результаты табл. 2 получены при постоянных значениях Е1=2450 МПа, А=0,4 мм, Е2=210000 МПа, т=0,335, т2=0,29, п0*=0,543 и индивидуальных, для

каждого из рассматриваемых шарнирных соединений, значениях Р, кН; I, мм и г1, мм.

Таблица 1

Расчетные давления в шарнирных соединениях с пластиком ЭСТЕРАН - 29

ЛП - 19А ЛП - 49, ЛП -18А ЛП - 17А, ТБ - 1М

Подвеска - рукоять

Рт, МПа 26,57 28,67 29,19

Р, МПа 19,68 21,69 22,03

Рукоять - стрела

Рт, МПа 38,48 29,87 43,7

Р, МПа 27,2 21,81 32,73

Стрела - поворотная колонка

Рт, МПа 38,48 33,4 33,35

Р, МПа 27,2 24,04 25,76

Таблица 2

Расчетные давления в шарнирных соединениях с пластиком АМАН-13

ЛП - 19А ЛП - 49, ЛП -18А ЛП - 17А, ТБ - 1М

Подвеска - рукоять

Рт, МПа 19,44 20,83 24,83

Р, МПа 13,35 14,56 17,32

Рукоять - стрела

Рт, МПа 30,76 22,92 32,28

Р, МПа 20,18 15,49 22,35

Стрела - поворотная колонка

Рт, МПа 30,76 26,11 23,32

Р, МПа 20,18 17,41 16,65

Таким образом, значения, представленные в табл. 1 и 2, характеризуют реальные давления в шарнирах лесных манипуляторов с антифрикционными пластиками ЭСТЕРАН-29 и АМАН-13.

Эти значения давлений отличаются от давлений, которые возникают в шарнирах при использовании антифрикционных сталей, чугунов и бронз, они меньше. Уменьшение значений удельных давлений, по сравнению с прототипом, объясняется тем, что пластики более мягкие материалы, и, следовательно, полуугол контакта у них больше, чем у сталей и бронз, за счет чего достигается более равномерное распределение и по большему участку нагрузки. Уменьшение удельных давлений приводит к повышению износостойкости материалов, за счет чего достигается более равномерное распределение и по большему участку поверхности нагрузки. Уменьшение

удельных давлений приводит к повышению износостойкости материалов за счет того, что в меньшей степени структура поверхностных и приповерхностных слоев. Уменьшается влияние пластических деформаций. Снижается вероятность схватывания трущихся поверхностей и т.д.

Библиографический список

1. Влияние статических нагрузок на износостойкость пластиков типа АМАН // Серебрянский А.И. Воронеж: ВГЛТА, 2002. 34 с. Деп. в ВИНИТИ. № 975-В2002.

2. Пат. 34661 РФ, МПК 7 Б 16 С 11/06. Шарнирное соединение / Ф.В. По-шарников, Н.С. Смогунов, А.И. Серебрянский; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. № 2003123320/20; заявл. 28.07.03; опубл. 10.12.03.

3. Пат. 2242644 РФ, МПК7 7 Б 16 С 11/00. Шарнирное соединение / А.И. Се-

ребрянский, Н.С. Смогунов, Ф.В. Пошар-ников; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. № 2003118950/11; заявл. 24.06.03; опубл. 20.12.04, Бюл. №35. 10 с.

4. Пат. 2246051 РФ, МПК 7 F 16 С 11/00. Шарнирное соединение / Ф.В. По-шарников, А.И. Серебрянский; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. № 2003119908/11; заявл. 30.06.03; опубл. 10.02.05.

5. Серебрянский А.И. Применение антифрикционных пластиков в тяжелона-груженных подшипниках скольжения // Лес и молодежь ВГЛТА - 2000 год : сборник научных трудов юбилейной конференции молодых ученых, посвященной 70-летию образования ВГЛТА / под ред. Л. Т. Свиридова ; ВГЛТА. Воронеж, 2000. Т. 1. С. 207-210.

6. Серебрянский А.И., Смогунов Н.С. О целесообразности изменения смазочного материала в шарнирных соединениях лесных манипуляторов // Повышение технического уровня машин лесного комплекса :

материалы Всероссийской научно-практической конференции, Воронеж, 3-5 июня 1999г. Воронеж, 1999. С. 83-85.

7. Смогунов Н.С., Серебрянский А.И. Повышение износостойкости узлов трения манипуляторного технологического оборудования лесных машин // Научно-технические проблемы в развитии ресурсосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса : материалы Международной научно-практической конференции, Воронеж, 24-26 сентября 1998 г. / ВГЛТА. Воронеж, 1998. С. 227-229.

8. Добычин М.Н., Алексеев Н.М. Расчет несущей способности подшипников скольжения с вкладышем // Машиноведение. 1975. № 1. С. 107-114.

9. Трение изнашивание и смазка: справочник / Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. Т. 1. М. : Машиностроение,

1978. 400 с.

10. Трение изнашивание и смазка : справочник / под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. Т. 2. М. : Машиностроение,

1979. 358 с.