автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Совершенствование конструкции и повышение надежности шарикового механизма свободного хода торцового типа

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ НАДЕЖНОСТИ МАШИН

УДК 621.83.062.6-192(043.3) Р Г Б ОД

: и ген - к

РОГОЖ ИН Владимир Дмитриевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ШАРИКОВОГО МЕХАНИЗМА СВОБОДНОГО ХОДА

ТОРЦОВОГО ТИПА

05.02.02 - Машиноведение и детали машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск - 2000

Работа выполнена в Могилевском машиностроительном институте

Научный руководитель Кандидат технических наук, доцент

Сазонов И.С.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, старший научный сотрудник Жук И.В.

Кандидат технических наук Шапарь В.А.

Оппонирующая организация Научно-технический центр

«Строммаш» г. Могилев)

Защита состоится 11 июля 2000 г. в 14— часов на заседании совета по защите диссертаций ДО 1.15.01 в Институте надежности машин Национальной академии наук Беларуси но адресу:

220072, г. Минск, ул. Академическая, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института надежности машин НАН Беларуси.

Автореферат разослан « S » июня 2000 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций кандидат технических наук, доцент

© Институт надежности машин

Национальной академии наук Беларуси, 2000

В. JI. Басишок

кш-049-02,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальпость темы диссертации. Повышение конкурентоспособности отече-гвенных изделий машиностроения на мировом рынке является одной из важнейших щач, стоящих перед промышленностью в настоящее время. Решение этой задачи во ногих случаях определяется необходимостью улучшения технико-экономических оказателей машин и их приводов. В связи с этим элементы привода должны соот-зтствовать не только высокому техническому уровню, но и обеспечивать рабочие арактеристики в различных условиях эксплуатации.

Механизмы свободного хода (МСХ) в силу присущих им свойств широко приме-яются в приводах машин. Анализ технического развития МСХ выявил две главные гнденции по выработке требований к их эксплуатационным характеристикам. Это эвершенствование существующих конструкций и разработка новых МСХ.

Необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований же известных, усовершенствованных и оригинальных конструкций МСХ является ктуалыюй задачей. Это объясняется тем, что на стадии проектного расчета появля-гся возможность в полной мере реализовать потенциальные свойства МСХ, выбрать :атериал для изготовления и рационально сконструировать его в зависимости от ребуемых эксплуатационных условий.

В практическом плане такой подход будет способствовать повышению качества конкурентоспособности отечественной продукции машиностроения и позволит олучить значительный экономический эффект.

Связь работы с крупными научпымп программами, темами. Данная работа ыполнялась по координационному плану ГКНТ при СМ СССР (1984-1990 г.г.) а акже госбюджетных и хоздоговорных НИР: ХД 211-89 (ОАО «МОГОТЕКС» 1989992 г. г.), ГБ № 9110 (ГР № 01910007634, 1991-1995 г. г.), ГБ № 9115 (ГР (201910007812, 1991-1995 г. г.).

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является совершенство-ание конструкции и повышение надежности шарикового механизма свободного хода орцового типа.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- исследование работы ШМСХ на основных режимах;

- исследование механизма изнашивания главных элементов ШМСХ;

- разработка методики расчета ШМСХ;

- разработка рекомендаций по проектированию ШМСХ.

Объект исследования. Объектом исследования является шариковый механизм вободного хода торцового типа оригинальной конструкции. Предметом исследования вляются процессы, происходящие при взаимодействии шарика с пространственным

клином, образованным взаимным расположением двух канавок, поверхнос которых относятся к семейству открытых торовых поверхностей.

Методология и методы проведенного исследования. Исследования основш режимов работы ШМСХ проводились на основании положений теоретической ме> ники, теории машин и механизмов, основных положений расчетов на трение и изнс вычислительной математики, дифференциального и интегрального исчисления. П] проведении экспериментальных исследований основных режимов работы LLIMC использовались методы математического планирования эксперимента и статистик ской обработки полученных результатов с применением регрессионно - корреляи онного анализа, методы слепков, злектротензометрирования, меднения шариков.

Структурные и фазовые превращения в поверхностном слое материала элемент сопряжения «шарик - криволинейная канавка» проводились металлографически? методами анализа с использованием оптического микроскопа «NEOFOT» (Karl Zei lena), РЭМ «Nanoiab-7» фирмы «Opton» (ФРГ). Измерения микротвердости элемент сопряжения ШМСХ осуществлялись на микротвердомерах ПМТ-3 и «Micromet-: фирмы «Bullermet».

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

- впервые исследовано на основных режимах работы взаимодействие шари с поверхностями канавок, образующих в ШМСХ пространственный клин. Определ ны условия для заклинивания шариков, сохранения заклиненного состояния с учет< неравномерности распределения нагрузки между шариками, условие расклиниван: механизма. Это позволило установить степень влияния геометрических и кинематич ских параметров ШМСХ на его работоспособность;

- определен характер движения шариков при работе ШМСХ в режиме свобода го хода. Впервые установлены факторы, влияющие на величину суммарного момен трения в механизме. По критерию минимальности потерь на трение определено обг няющее звено механизма и установлены оптимальные значения величины торцово зазора полумуфт в режиме заклинивания;

- исследовано состояние материала поверхностного слоя (ПС) элементов сопр жения «шарик — криволинейная канавка». Это впервые позволило определить факт ры, влияющие на состояние материала поверхностей главных элементов ШМСХ, установить степень их влияния на физико -механические свойства ПС, вид фрикц онного контакта в сопряжении и схемы контакта шарика с поверхностями канав( полумуфт механизма;

- раскрыт механизм изнашивания элементов сопряжения «шарик - криволине ная канавка» в режиме свободного хода ШМСХ, характерный для циклического упр гого деформирования материала контактирующих поверхностей, отличающий преобладающим влиянием термического разупрочняющего фактора на ПС материа элементов. Установлено, что наибольшему влиянию термического разупрочняюще фактора подвержены шарики. Определена интенсивность их изнашивания. Разраб

та физическая модель процессов, происходящих в сопряжении при работе 1МСХ в режиме свободного хода. Определены критерии по выбору материалов для зготовления деталей механизма;

- разработана методика расчета, позволившая впервые на основе полученных {алитических выражений определить основные параметры разработанного ШМСХ. ри этом учитывается выполнение условий по контактной прочности, угловой жест-эсти, а также оценивается работоспособность механизма в режиме свободного хода о предельному износу шариков.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанная ме-эдика расчета ШМСХ торцового типа, позволяет на стадии проектирования опреде-ять оптимальные геометрические параметры конструкции и оценивать ее работо-тособность.

На основе данной методики спроектирован ШМСХ торцового типа привода ногоканальной системы вентиляции производственных помещений. Механизм полостью удовлетворяет требованиям к данному приводу и обеспечивает работу его кодного звена в тяговом и тормозном режимах. Применение оригинального ШМСХ приводе многоканальной системы вентиляции производственных помещений ОАО МОГОТЭКС» подтверждено актом о промышленном внедрении. Конструкция при-эда, содержащего ШМСХ, защищена документом о технической новизне [29].

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Методика расчета, позволяющая на основе полученных аналитических выра-ений определять основные геометрические параметры ШМСХ торцового типа с четом требований контактной прочности и угловой жесткости, и оценивать его ра-отоспособность в режиме свободного хода по предельному износу шариков.

2. Результаты исследования по выявлению факторов, влияющих на состояние ма-фиала ПС элементов сопряжения «шарик - криволинейная канавка», и позволяющие ценивать физико-механические свойства материала ПС шарика и канавок при работе 1МСХ в режиме длительного свободного хода.

3. Результаты исследования работы ШМСХ торцового типа на основных режи-ах, позволившие установить зависимость между основными геометрическими и ки-ематическими параметрами и определить их влияния на работоспособность ШМСХ.

4. Механизм изнашивания сопряжения «шарик - криволинейная канавка». Физи-еская модель процессов, происходящих в сопряжении работе ШМСХ в режиме сво-одного хода.

5. Рекомендации по проектированию и использованию разработанных ШМСХ эрцового типа.

6. Перспективные конструкции ШМСХ, защищенные документами о технической овизне.

Личный вклад соискателя. Опубликованные по теме диссертации работы вы-олпены автором лично и в соавторстве. Автором лично разработаны (выполнены):

- методика расчета геометрических и кинематических параметр» ШМСХ, учитывающая условия контактной прочности, угловой жесткости и его раб тоспособность по предельному износу тел заклинивания;

- теоретические и экспериментальные исследования основных режимов работ механизма;

- испытательный стенд и образцы ШМСХ для проведения экспериментальнь исследований, а также физическая модель механизма;

- металлографические исследования материала поверхностного слоя элемент» сопряжения «шарик - криволинейная канавка»;

- раскрыт механизм изнашивания элементов сопряжения «шарик - криволине ная канавка» и разработана физическая модель процессов, происходящих в сопряж нии «шарик — криволинейная канавка» при работе ШМСХ в режиме свободного ход

- конструкция ШМСХ торцового типа применительно к приводу технологич ского оборудования.

Апробация результатов диссертаиии. Основные результаты и положения ди сертации доложены и обсуждены на Международных научно-технических конфере циях (Владимир 1992 г.; Москва 1992 г.; Минск 1993 г., 1995 г.; Витебск 1995 г.; Кал нинград 1997 г.; Мопшев 1999 г., 2000 г.), на республиканских научно-техничесю конференциях (Могилев 1991 г., 1993 г., 1994 г.).

Опубликованность результатов. Основные положения диссертации опублик ваны в 29 печатных работах, в том числе в одной статье в международном журнал одной статье в журнале, двух статьях в сборниках научных трудов, 17 тезисах докл дов на международных и республиканских конференциях. Новизна технических реш пий подтверждена пятыо авторскими свидетельствами СССР и тремя патентами Ро сийской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общ* характеристики работы, 4-х глав, заключения, списка использованных источников ] 157 наименований, 6-и приложений. Работа содержит 121 страницу основного текст 4 таблицы, 91 лист рисунков, 61 страницу таблиц приложений с 22 листами рису] ков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены направление и актуальность проведения исследовани Первая глава посвящена актуальности проблемы использования известь МСХ в приводе технологического оборудования, сформулированы требования, кот» рым должен соответствовать разрабатываемый МСХ. Приведена классификация с; ществующих МСХ, выполнен обзор их основных схем и конструкций, ироведс анализ преимуществ и недостатков, выполнен обзор работ в области исследовани

самозаклинивающихся фрикционных МСХ с телами заклинивания, сформулирована цель работы и задачи исследований.

Разработке и исследованиям различных МСХ посвящены труды Благонравова

A. А., Леонова А.И., Горина М.П., Кирова С.Ф., Куликова Н.К., Мальцева

B. Ф., Пилипенко М.Н. и других исследователей.

С учетом требований, предъявляемых к МСХ в приводах, результатов проведенного обзора существующих основных схем и конструкций МСХ разработан оригинальный МСХ - шариковый механизм свободного хода торцового типа (ШМСХ).

Одна из главных особенностей разработанного механизма состоит в том, что поверхности канавок образуют пространственный клин.

Основные режимы работы ШМСХ обеспечиваются за счет постоянного взаимодействия шариков с выполненными на торцах полумуфт 1 и 2 концентричной канавки 3 и дугообразных пазов 4 (рис. 1).

Разработанный ШМСХ торцового типа обладает положительными качествами:

- стабильностью угла заклинивания, который определяется величиной эксцентриситета дугообразных пазов относительно оси полумуфты;

- возможностью компенсации износа главных элементов фрикционного сопря-

Рис. 1. Схема конструкции шарикового механизма свободного хода торцового типа [а.с. №

1756684]: 1, 2- ведущая и ведомые полумуфты; 3- концентричная канавка; 4- дугообразный паз; 5- шарик

жения «шарик - криволинеиная канавка» и регулировкой зазора между торцами полумуфт;

- технологичностью и ремонтопригодностью конструкции вследствие изготовления на торцах полумуфт дугообразных пазов и концентричной канавки на широко распространенном оборудовании,

Вторая глава посвящена разработке основ расчета ШМСХ торцовог типа. Изложен анализ работы механизма на основных режимах, оценено влияни износа главных элементов ШМСХ на его работоспособность.

С учетом геометрии элементов механизма и с использованием физической моде ли ШМСХ установлены основные его геометрические параметры -угол заклинива ния, угол передачи контактных усилий, угол относительного поворота полумуфт пр: заклинивании, радиус расположения осевой линии концентричной канавки, а такж определены условия работоспособности механизма на основных режимах..

На основе разрабо

сог>ш!/ и>1*0

%

У

Рис. 2. Пространственная схема сил для определения усилий, действующих в сопряжении «шарик - криволинейные канавки»: а) при сор-щ (<Э;=0); 1,2- сечения шарика в местах контакта с концентричной канавкой и дугообразным пазом соответственно (ось вращения ШМСХ расположена горизонтально)

полумуфте с дугообразными пазами имеет вид:

таннои пространствен ной расчетной схемы со пряжения «шарик - кри волинейная канавка; (рис. 2) получены зави симости, описывающ» силовое взаимодействт шарика с поверхностям! канавок. При этом рас смотрены 2 случая: об гон совершает полумуф та с дугообразными па зами, обгон совершас полумуфта с концен тричной канавкой.

Выражение для оп ределения нормально! реакции со стороны по верхности глухого гнез да дугообразного паз; (рис. 1) при обгоняющее

А гУсА-гслМРин-ОшСОЭС)

С* —....,. —Л ■■ ■ -- .. ... . I —... ... -—-

Р2-1в С08 (ЩРсА~~СА)

где Т^л'в — сила, действующая со стороны поверхности глухого гнезда дугообразного паза;

РЛРд- углы передачи контактных усилий между шариком и поверхностью концентричной канавки и дугообразного паза соответственно;

Рин- сила инерции, действующая на шарик;

Сш- вес шарика;

^-угол между направлением Сш и положительным направлением оси ОсУс,

/в- коэффициент трения между шариком и поверхностью глухого гнезда дугообразного паза;

Р- угол, определяемый из геометрии сопряжения «шарик - криволинейная канавка».

Сравнительный анализ двух случаев работы механизма позволил установить, что для снижения потерь на трение при свободном ходе необходимо, чтобы обгоняющей была полумуфта с концентричной канавкой.

На основе разработагаюй расчетной схемы определено условие заклинивания шарика. Установлено, что оно зависит от углов передачи контактных усилий /?/ и /??, и коэффициента характеризующего геометрические размеры ШМСХ. Получена зависимость для определения угла заклинивания ШМСХ торцового типа:

ССсохр = агсЧ /2^1 Р ' (2)

где (Хсахр- угол заклинивания;

/2 - коэффициент трения в заклиненном состоянии механизма;

В- угол передачи контактных усилий в заклиненном состоянии ШМСХ. Из анализа зависимости (2) следует, что величина угла заклинивания асохр в ШМСХ в отличие от известных фрикционных МСХ, например, роликовых, определяется коэффициентом трения и углом передачи контактных усилий Д

Для определения угла передачи контактных усилий в сопряжении «шарик - криволинейная канавка» получена зависимость:

а * • ¡Ь2Ы2/4 ~ Б2¡4 ш р =— -агсзт -^- ' 1 '

2 "Л к

где р — угол передачи контактных усилий в заклиненном состоянии механизма; Л -глубина канавок полумуфт; й - диаметр шарика;

Я - торцовый зазор между полумуфтами;

Ик- радиус профиля канавки (Д*=ч/ЛГ/, /¡0=0,515...0,495);

К1 - коэффициент, характеризующий профиль канавки в поперечном сечении.

Из выражения (3) следует, что величина угла /3 определяете геометрическими параметрами канавок полумуфт и зависит от безразмерных величш характеризующих отношение глубины криволинейной канавки к диаметру шарик (Ь/с^Кз^сот^, и от профиля криволинейной канавки (К]). Для сохранения работоспс собности ШМСХ значения коэффициента К3 должны находиться в интервал ^¿=0,3... 0,4.

Установлено, что повышению нагрузочной способности ШМСХ способствуе увеличение геометрических параметров и с/ (рис. 1) и уменьшение значений коэф фициента!Г; до К¡=0,495.

Одной из основных характеристик МСХ является угол относительного поворот его ведущих и ведомых звеньев при заклинивании. Для определения угла относи тельного поворота полумуфт (р при заклинивании ШМСХ разработана расчетна схема и получена следующая зависимость:

<р =агссоэ ^1-[к ( 1 /110+1 /(я0+А))]2 . к ' (4)

где Иг радиус осевой линии концентричной канавки (рис. 1);

А — параметр, учитывающий величины: торцового зазора 5 между полумуфтам: и суммарную деформацию канавок ¿»¿-, А =Д5', ;

а - угол заклинивания, а =атхр\

Установлено, что величина угла (р существенно зависит от угла заклинивани а и параметра Л. Для увеличения угловой жесткости ШМСХ определены интервал! значений для параметров а и А: СС> 4°, А=0,01... 0,1 мм (рис.3).

Условие проверки на контактную прочность главных элементов ШМСХ оценива ется по полученной зависимости:

где пр- коэффициент, зависящий от геометрических параметров соприкасаю щихся тел;

(I - нагрузка, действующая на заклиненный шарик;

[ро]- допускаемое давление в заклиненном состоянии ШМСХ 1р0]-2942,0 ...3195,0 МПа.

Экспериментальными исследованиями установлено, что интенсивность изнаши вания шариков /йи больше, чем интенсивность изнашивания поверхностей канавок ///

Поэтому восстановление работоспособности ШМСХ достигается

компенсацией износа шариков посредством регулировки торцового зазора между полумуфтами механизма, либо заменой предельно изношенных шариков новыми.

Рис. 3. Зависимости угла относительного поворота полумуфт (р при заклинивают ШМСХ от параметра А (при различных значениях угла а)

а=4° -а-а=7,5° ч*-а=10° ~х'а=12° '

-Ж- а=15° —*~а=22,5°

Установлен критерий работоспособного состояния ШМСХ - величина угла (р. Получена зависимость для оценочного показателя работоспособности ШМСХ в период свободного хода:

\d:-(h,+h2)\ (6)

П -^-tf-cosfij) ^ cos Р 2

где й„ш - номинальный диаметр шариков;

11], I«2 - глубина концентричной канавки и дугообразного паза соответственно;

/;,"' - интенсивность изнашивания шариков (Дш=2,34-10~ );

(01 - угловая скорость вращения обгоняющей полумуфты при свободном ходе ШМСХ;

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям ШМСХ, для чего 5ыла разработана экспериментальная установка.

В результате проведенных экспериментальных исследований процесса заклини-зания ШМСХ установлено, что параметром, оказывающим значимое влияние на работоспособное состояние механизма и его угловую жесткость является торцовый

зазор между полумуфтами 5. Расхождение межд;

экспериментальными и полученными аналитическими значениями углов <р составля ют не более 15% (рис. 4). На основании полученных экспериментальных результато] уточнено теоретическое выражение для определения значений угла (р при заклини вании ШМСХ:

(р=агссо$^1-( к-(1/ Ко+1/(Ко+(81-Бн)+5х))2 ■ (7)

где 5/ - рабочее значение торцового зазора между полумуфтами ШМСХ;

- начальное значение торцового зазора, (£„ = </— Значение при

ращения торцового зазора принято равным «№=(0,05.. .0,15)-5,„.

Рис. 4. Экспериментальная и расчетная зависимости угла <р при заклинивании ШМСХ от параметра S

-X-VhKii при а=7,5й -Ж-fW« при а=7,5° <р1расч при а=7,5°

-0-V2lKCn "Р" -и-Г2энсп rv~ -В- ц>2расч «Vй ""¡З"

С использованием метода слепков в режиме заклинивания - расклинивани ШМСХ определены значения углов передачи контактных усилий Дкс для его закли ненного состояния. Анализ профилей дугообразных пазов и концентричной канавю до и после проведения эксперимента позволил установить, что они различаются н; 9,6%, поэтому для расчетов ШМСХ в заклиненном состоянии углы передачи кон тактных усилий для дугообразных пазов и концентричной канавки приняты равными Различие между экспериментальными значениями /Зжс и расчетными Ррасч. составляе 14,9%.

С уютом значений угла /?жс, параметра лЬ, характеризующего

приращение ширины профиля дугообразных пазов получена экспериментальная зависимость:

лЬ =0,0011 йэкс + 0,0134 (9)

На основании зависимости (9) определены усилия, действующие в заклиненном состоянии ШМСХ, коэффициент трения (/¿„„с^О,0869.. .0,0933), коэффициент неравномерности распределения нагрузки между заклиненными шариками (Ктшмсх= 1,82), и оценен максимальный момент, действующий в заклиненном состоянии механизма.

Характер движения шариков в сопряжении «шарик - криволинейная канавка» при свободном ходе ШМСХ определялся по результатам удаления медного покрытая с поверхностей шариков. При этом установлено, что движение шариков характеризуется как вращательное с комбинированным трением качения и скольжения по поверхностям глухих гнезд дугообразных пазов.

Выявлена связь между виброакустическими параметрами (общий уровень шума, виброускорение, виброскорость) и величиной торцового зазора между полумуфтами Из анализа полученных графических зависимостей установлено, что уровень значений виброакустических параметров при обгоняющей полумуфте с дугообразными пазами выше, чем при обгоняющей полумуфте с концентричной канавкой.

Проведены серии активных полнофакторных экспериментов для установления факторов, влияющих на суммарный момент трения в режиме свободного хода ШМСХ. При выявлении факторов, влияющих на величину суммарного момента трения 1Мтр в сопряжении {торцовый зазор между полумуфтами (5), относительная частота вращения полумуфт (со) и количество шариков в механизме (гш)} установлено, что на величину 2Мтр, принятую в качестве функции отклика (У)), оказывают влияние два фактора: 5 и гш. При этом взаимосвязь между величиной и факторами 5 и описываются полученными зависимостями:

У°'""~(244?$ -576,6 ) (Ю) У," = 0,0,24 '0,00377г.

„аппр __[__У)Т = 0,0354 + 0,00271

Г" (95,2Б -219 ) (Н)

(12)

(13)

(индекс/соответствует случаю опережающей полумуфты с концентричной канавкой, а индекс II- опережающей полумуфте с дугообразными пазами). Из анализа полученных зависимостей (10)-(13) установлено, что при обгоняющей полумуфте с дугообразными пазами (5, гш=со>Ы) величина 2Мтр на 60% больше, чем при обгоняющей полумуфте с концентричной канавкой.

В результате исследования металлографическими методам; состояния материала ПС элементов сопряжения «шарж - криволинейная канавка определено, что материал ПС претерпевает фазовые и структурные превращенш связанные с преобладающим воздействием термического разупрочняющего фактор; В режиме свободного хода механизма наибольшему влиянию разупрочняющего фа* тора, оцениваемым коэффициентом влияния, К&1 подверглись шарики (Кшар^\,75& чем поверхности канавок (Люсвл=1,454). Выявленное при этом уменьшение микротвер дости ПС рабочих поверхностей канавок на 28%.. .31% не привело к появлению на и поверхностях заметных следов изнашивания, в отличие от поверхностей шариков, которых снижение микротвердости составило 39%-57%.

Для материала полумуфт (сталь 5ХНМ, объемная закалка в масле при 850°С последующим отпуском) установлена зависимость изменения микротвердости от глу бины расположения отпечатка в образце (Н^ДИ)), соответствующая известному пра вилу положительного градиента механических свойств по глубине. Это свидетельст вует о реализации в сопряжении «шарик -криволинейная канавка» внешнего трени при работе ШМСХ в режиме свободного хода. Причем, на полученной зависимост II¡¡=/(¡1) отмечен максимум значений Н^ на определенной глубине Л (рис. 5).

В результате системного анализа (с учетом фазовых и структурных превращени в ПС материала элементов сопряжения «шарик - криволинейная канавка»; микрс

рельефа участков пс верхностей канавок ! поверхностей шари ков; определения вид фрикционного кои такта; интенсивности изнашивания шари ков; схем контакт шарика с поверхнс стями канавок) рас крыт механизм изна шивания, характерны для циклического уп ругого деформирова ния материала контак

тирующих поверхностей, и отличающийся преобладающим влиянием термическог разупрочняющего фактора на ПС материала. Показано, что в качестве материало для полумуфт с канавками целесообразно использовать сплавы, обладающие темпе ратурной стабильностью свойств в интервале *=500..600°С.

1000,0 2000,0 3000,0

Глубина образца

4000,0

h, мкм

Flic. 5. Распределение мпкротвердости IIм в зависимости от рассюнния h or поверхности концентричной каиавкн (образец №3)

-О- #„

На основании полученных экспериментальных исследований разработана физическая модель процессов, протекающих в сопряжении «шарик -криволинейная канавка» при свободном ходе ШМСХ.

Четвертая глава посвящена разработке методики расчета основных параметров ШМСХ и оценки его работоспособности в режиме свободного хода.

Исходными данными для расчета основных параметров ШМСХ являются номинальная мощность привода и частота вращения (входного) выходного звена привода. При этом также задается радиус осевой линии концентричной канавки, количество шариков в механизме, их диаметр, глубин канавок, коэффициенты Ктшмсх, К1 и ряд других (рис. 6).

Основные параметры определяются по аналитически полученным и экспериментально проверенным зависимостям для основных режимов работы ШМСХ. В результате расче та для заклиненного состояния механизма определяются такие геометрические параметры, как угол заклинивания, угол передачи контактных усилий, угол относительного поворота полумуфт при заклинивании, радиус расположения осевой линии концентричной канавки, диаметр шариков и их количество, глубина концентричной канавки и дугообразных пазов и их форма в поперечном сечении, и другие (рис. б).

Оценка работоспособности ШМСХ проводится для режима свободного хода (рис. 7). При этом определяется интервал времени, в течение которого ШМСХ сохраняет способность заклиниваться по предельному износу шариков. Критерием работоспособности ШМСХ является угол относительного поворота полумуфт, соответствующий предельному износу шариков.

С использованием разработанной методики расчета были определены основные геометрические параметры конструкции ШМСХ, спроектированной применительно к приводу многоканальной системы вентиляции. Разработанная конструкция ШМСХ прошла успешную апробацию на ОАО «МОГОТЕКС» (г. Могилев).

Сформулированы рекомендации по выбору материалов для изготовления деталей механизма и проведению регулировок по компенсации износа сопряжения.

Разработаны перспективные конструкции ШМСХ,повышающие надежность и расширяющие функциональные возможности, защищенные документами о технической новизне.

Рис. 6. Алгоритм расчета основных параметров ШМСХ

Рис. 7. Алгоритм оценки работоспособности ШМСХ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан шариковый механизм свободного хода торцового типа на основе пространственного клина, образованного взаимным расположением двух канавок, поверхности которых относятся к семейству открытых торовых, и обладающий стабильностью угла заклинивания, возможностью компенсации износа главных элементов фрикционного сопряжения, ремонтопригодностью и технологичностью изготовления главных деталей [1,2, 5, 10, 22].

2. Показано, что процесс заклинивания, передача крутящего момента и расклинивание в ШМСХ происходят как при обгоняющей полумуфте с концентричной канавкой, так и при обгоняющей полумуфте с дугообразными пазами. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что условие вовлечения шариков в клиновое пространство, сохранение заклиненного состояния и условие для расклинивания ШМСХ определяются углом заклинивания а, который зависит от коэффициента трения /2 и угла передачи контактных усилий Д Показано, что повышению угловой жесткости ШМСХ способствует увеличение угла заклинивания а и уменьшение вели-ЧИПЫ ТСрЦ С Г> С ГО 3£13Сри. 5 МСЗКДу ПОЛуМ}'фтС1М11. ПрИ УЕСЛ2Г1С11Ш1 уГД2 3£1СЛ111111211111151 с а=7,50 до а =15°, угол относительного поворота полумуфт (р уменьшается более чем в 2,5 раза. Определен коэффициент трения в заклиненном состоянии ШМСХ, значение которого находятся в интервале /Лд|С,=0,0869...0,0933, а также коэффициент неравномерности распределения нагрузки между шариками Кт"'мсх. Для проектных расчетов этот коэффициент равен Ктшмсх-1,82 [3,4,6, 11, 13, 15].

3. Экспериментально установлено, что главными факторами, влияющими на величину момента трения 2Мтр в ШМСХ, являются величина торцового зазора между полумуфтами 5 и количество шариков в механизме гш- Потери на трение при свободном ходе ШМСХ уменьшаются более, чем в 2 раза в случае, когда обгоняющей является полумуфта с концентричной канавкой. Экспериментально определено, что в режиме свободного хода ШМСХ движение шариков в сопряжении «шарик - криволинейная канавка» характеризуется как вращательное с комбинированным трением качения и скольжения на поверхностях глухих гнезд дугообразных пазов [10, 16,18].

4. Раскрыт механизм изнашивания элементов сопряжения «шарик - криволинейная канавка», характерный для циклического упругого деформирования материала контактирующих поверхностей, отличающийся преобладающим влиянием термического разупрочняющего фактора на ПС материала элементов. Разработана физическая модель процессов, протекающих в сопряжении «шарик - криволинейная канавка» при свободном ходе ШМСХ, что позволило определить наиболее слабый элемент сопряжения по износостойкости - шарики. Определены схемы контакта шарикоз с поверх-

ностями канавок при работе ШМСХ в режиме свободного хода. Определен! критерии выбора материалов для изготовления полумуфт ШМСХ. Показано, что дл: полумуфт целесообразно использовать сплавы, обладающие температурной стабиль ностью свойств в пределах /=500.. .600 °С с последующей химико-термической обра боткой (например, цементацией). Необходимо, чтобы поверхностная твердость кана вок полумуфт была на 15-20% выше, чем твердость поверхностей шариков [16,17,20]

5. Разработана методика расчета, позволяющая по аналитически полученным 1 экспериментально проверенным зависимостям для основных режимов работь ШМСХ определять его основные геометрические параметры, учитывающая условк контактной прочности, угловой жесткости и оценку его работоспособности по пре дельному износу шариков в режиме свободного хода [8, 9, 19].

6. Выработаны рекомендации по выбору материалов для изготовления детале! механизма и проведению регулировок в период эксплуатации. Разработаны перепек тивные конструкции ШМСХ, новизна которых подтверждена авторскими свидетель ствами и патентами [7, 12-14, 21, 23-28].

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Рогожин В.Д. Шариковые механизмы свободного хода в приводах машин текстильной промышленности // Ученые и специалисты - народному хозяйству области: Тез. докл. обл. науч.- техн. конф,- Могилев, 1991.- С. 72.

2. Котяй В.В., Гобралев H.H., Сазонов И.С., Рогожин В.Д. Повышение надежности привода вентилятора // Текстильная промышленность. - 1991.- № 7,- С. 58-59.

3. Сазонов И.С., Гобралев H.H., Рогожин В.Д. Определение кинематической точности шарикового механизма свободного хода // Ресурсосберегающие технологии и оборудование в машиностроении, сварочном производстве и строительстве: Сб. науч. тр. -Мн., 1991.-Ч 2.- С. 234-237.

4. Рогожин В.Д., Сазонов И.С., Гобралев H.H. Определение статического угла заклинивания шарикового механизма свободного хода // 4-я Международная науч.-техн. копф. по инерционно-импульсным механизмам, приводам и устройствам: Тез. докл.- Владимир, 1992.- С. 41.

5. Сазонов И.С., Гобралев H.H., Рогожин В.Д. Повышение надежности привода вентилятора // Совершенствование существующих и создание новых ресурсосберегающих технологий и оборудования в машиностроении, сварочном производстве, строительстве: Тез. докл. респ. науч. - техн. конф.- Могилев, 1991.-С. 138.

6. Рогожин В.Д., Сазонов И.С., Гобралев H.H. Исследование шариковых механизмов свободного хода // Научно-техническая продукция вузов бытового обслуживания населения - рынку 92-95: Тез. докл. / Под ред. д. т. н., проф. Маслова. - М.: 1992,-С. 155.

7. Гобралев H. Н., Сазонов И. С., Рогожин В. Д. Опыт использования шариковых механизмов свободного хода//Ученые и специалисты - народному хозяйству области Тез. докл. науч.-техн. конф. -Могилев, 1993. С. 28.

8. Рогожин В.Д. Основные положения теоретических исследований ШМСХ// Ученые и специалисты - народному хозяйству области: Тез. докл. науч. -техн. конф. -Могилев, 1993.-С. 104.

9. Рогожин В. Д., Сазонов И. С., Гобралев H. Н. Особенности расчета шариковых механизмов свободного хода // Экология и ресурсосбережение: Тез. докл. республ. науч.техн. конф.- Могилев, 1993. - С 145.

10. Рогожин В.Д., Сазонов И.С., Гобралев H.H. Оценка влияния износа главных элементов ШМСХ на его работоспособность // Повышение технического уровня и надежности машин: Тез. докл. междунар. науч. - техн. конф. - Минск, 1993.-С. 40.

11. Рогожин В.Д. Основные результаты экспериментальных исследований шариковых механизмов свободного хода /Проблемы качества и надежности машин: Тез. цокл. республ. науч.-техн. конф. — Могилев, 1994.- С. 189,4. 1.

12. Сазонов И.С., Гобралев H.H., Рогожин В.Д. Конструктивные способы повышения надежности механизмов свободного хода // Проблемы качества и надежности машин: Тез. докл. республ. науч. - техн. конф. - Могилев, 1994. - Ч. 1.- С. 44.

13. Гобралев H.H., Сазонов И.С., Рогожин В.Д. Обеспечение стабильности ра-Зоты привода, содержащего шариковый механизм свободного хода//Создание ресур-

сосберегающих машин и технологий: Тез. докл. республ. науч. - техн. конф. Могилев, 1996.-Ч.1.-С.84.

14. Гобралев H. Н., Рогожин В. Д., Шендюков О. В. Снижение отходов ткачест1 конструктивными методами / Проблемы промышленной экологии и комплексная уп лизация отходов производства: Тез. докл. междунар. науч. - техн. конф. -Витеба 1995. —С.65 -66.

15. Сазонов И.С., Рогожин В.Д., Гобралев H.H. Определение числа тел заклиш вания в шариковом механизме свободного хода /Матер. Междунар. 51-й науч. - Texi конф., посвящ. 75-летию БГПА, «Состояние и перспективы развития науки и подп товки инженеров высокой квалификации в Белорусской государственной политсхш ческой академии»: Тез. докл. Часть 2. - Минск, 1995 г. - С.75.

16. Сазонов И. С., Рогожин В.Д., Гобралев H. Н. Определение факторов, влияк щих на интенсивность изнашивания главных элементов шарикового механизма свс бодного хода // Трение и износ, Том 16, №3 май-июнь 1995 . - с. 580-585.

17. Рогожин В.Д. Определение внутренних факторов, влияющих на интенеш ность изнашивания сопряжения «шарик - криволинейная канавка» // Новые технолс гии и оборудование в промышлешюсти: Сб. науч. трудов молодых ученых. - Mon лев: ММИ, 1997. - С. 126 - 130.

18. Сазонов И. С., Рогожин В. Д. Разработка диагностического обеспечен!! ШМСХ-один из способов повышения его надежности//Бесступенчатые передач! приводы машин и промысловое оборудование: Тез. докл. Перв. междунар. науч. техн. конф. - Калининград, КГТУ,- 1997,- С. 41.

19. Рогожин В.Д. Определение основных параметров шарикового механизма св( бодного хода торцового типа // Современные направлениия развития производстве! ных технологий и робототехника: Тез. докл.. междунар. науч. -техн. конф.- Могила 1999.-С. 199.

20. Рогожин В.Д. Механизм изнашивания главных элементов шарикового мех: низма свободного ходаИ Новые конкурентоспособные и прогрессивные технологи! машины и механизмы в условиях современного рынка. - Тез. докл. междунар. нау1 - техн. конф. - Могилев, 2000. - С. 281.

21. Сазонов И.С., Рогожин В.Д. Основные направления совершенствования шг риковых механизмов свободного хода// Новые конкурентноспособные и прогрессш ные технологии, машины и механизмы в условиях современного рынка. - Тез. дою междунар. науч. - техн. конф. - Могилев, 2000. — С. 283.

22. А. с. 1756684 СССР, МКИ F16D 41/06. Обгонная муфта / И. С. Сазонов, Y H. Гобралев, В. Д. Рогожин, В. В. Котяй,- Опубл. 23. 08. 92, БИ № 31.-4 е.: ил.

23. А. с. 1802242 СССР, МКИ F16D 41/06. Обгонная муфта/В. Д. Рогожин. Опубл. 15.03.93,Бюл №10-4 е.: ил.

24. А. с. 1810657 СССР, МКИ F16D 41/06. Обгонная муфта / И. С. СазоноЕ H. Н. Гобралев и В. Д. Рогожин. - Опубл. 23 .04. 93, БИ №15.-2 е.: ил.

25. A.c. 1810662 СССР, МКИ F16D 63/00. Механизм останова/ Н.Н.Гобралег И. С. Сазонов, В. Д. Рогожин и Г. М. Камбалов. - Опубл 23. 04.93, БИ №15.-4 е.: ш

26. А. с. 1783188 СССР, МКИ Б 16Б 47/02 7/02. Фрикционная обгонная муфта / И. С. Сазонов, Н. Н. Гобралев, В. Д. Рогожин, Л. И. Бурбо. - Опубл. 23. 12.92, БИ № 47. - 5 е.: ил.

27. Патент 2029148 1Ш, МКИ Б 16Е> 27/00. Обгонная муфта: (по заявке № 5029994/27/010068/ от 28.02.92) /В. Д. Рогожин, И. С. Сазонов, Н. Н. Гобралев. -Опубл. 20.02.95. БИ №5.

28. Патент 2021552 КЦ, МКИ Б 160 7/01. Шариковая предохранительная муфта: (по заявке № 5041338/27/022032/от 06.05.92) / Н. Н. Гобралев, И. С. Сазонов, В. Д. Рогожин, А. С. Высоцкий. - Опубл. 15.10.94. БИ. №19.

29. Патент 2043543 1Ш, МКИ Б 16 П 27/00. Привод вентилятора (по заявке № 5029957/06 от 28. 02. 92;) / Рогожин В. Д, Гобралев II. Н., Сазонов И. С. - Опубл. 10.09.95 г. БИ№25.-4 с.

РЭЗЮМЭ

Рагожын Уладз1м1р Дзмкрыев^ч УДАСКАНАЛЬВАННЕ КАНСТРУКЦЫ11ПАВЫШЭННЕ НАДЗЕЙНАСЩ ШАРЫКАВАГА МЕХАШЗМА СВАБОДНАГА ХОДУ ТАРЦОВАГА ТЫПУ

Клгочавыя словы: шарыкавы мехашзм свабоднага ходу (ШМСХ), прасторавы иин, торавыя паверхнасц1, асноуныя рэжымы работы, свабодны ход.

Аб'ектам даследаванняу у дысертацьн з'яулясцца шарыкавы мехашзм свабод-1ага ходу тарцовага тыпу. Прадметам даследаванняу з'яуляюцца працэсы, ятая адбы-5аюцца пры узаемадзеянш шарыка з прасторавым клшам, створаным узаемным раз-¿яшчэннем абедзвюх канавак, паверхш ягах адносяцца да сямЧ торавых.

Мэтай працы з'яуляецца стварэтк шарыкавага механизма свабоднага ходу I заспрацоука методьш яго разлжу.

Даследаванш асноуных рэжымау работы ШМСХ праводзшея на аснове палажэн-1яу тэарэтычнай механш, тэорьй машын I мехашзмау, асноуных палажэнняу разлжау га трэнне 1 зное, выл1чальнай матэматыга, дыферэнцыяльнага 1 ¡нтогр альпага вы-нчэнняу. Пры правядзенш эксперыментальных даследаванняу асноуных рэжымау заботы ШМСХ выкарыстоувалюя метады матэматычнага планавання эксперымеита статыстычнай апрацоую атрыманых вышкау з ужываннем рэгрэсшна-сарзляцыйнага анал1зу, метады злегасау, электратэнзаметрыравыння, мяднення шары-сау, маталаграф1чныя метады аншпзу ф1з1ка - мехашчных уласщвасцяу матэрыяла iap.ep.XHix слаеу галоуных элементау ШМСХ.

На основе выкананых тэарэтычных 1 эксперыментальных даследванняу узае-.{адзеяння шарыка на асноуных рэжымах работы з паверхням1 канавак, ствараючых 1расторавы клш у ШМСХ, распрацавана методыка разлшу, дазвол1ушая упершыню [а аснове атрыманых аналпычных выяулепняу, вызначыць асноуныя параметры >аспрацаванага ШМСХ з угпкам выканання умоу па кантакгаай трываласщ I вуглавой

жорсткащ, 1 ацашць даугавечнасць работы мехашзма у рэжыме свабодна ходу па найбольшаму зносу цел заклшоування.

Распрацаваны ШМСХ да прывада тэхналапчнага абсталявання у поунай ме[ адказвае патрабаванням I забяспечвае выхадныя параметры работы прывада, ш садзейшчае павышэшпо надзейнасщ I зшжэнню затрат на яго абслугоуванне.

РЕЗЮМЕ

Рогожин Владимир Дмитриевич СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ШАРИКОВОГО МЕХАНИЗМА СВОБОДНОГО ХОДА ТОРЦОВОГО ТИПА

Ключевые слова: шариковый механизм свободного хода (ШМСХ), пространс венный клин, торовые поверхности, основные режимы работы, свободный ход.

Объектом исследований в диссертации является шариковый механизм свобо ного хода торцового типа. Предметом исследования являются процессы, происход щие при взаимодействии шарика с пространственным клином, образованным взаи: ным расположением двух канавок, поверхности которых относятся к семейству о крытых торовых.

Целью работы является создание шарикового механизма свободного хода тори вого типа и разработка методики его расчета.

Исследования основных режимов работы ШМСХ проводились на основании и ложений теоретической механики, теории машин и механизмов, основных положен! расчетов на трение и износ, вычислительной математики, дифференциального и иш грального исчисления. При проведении экспериментальных исследований основш режимов работы ШМСХ использовались методы математического планирования зк перимен га и статистической обработки полученных результатов с применением рс рессионно - корреляционного анализа, методы слепков, электротензометрированг меднения шариков, металлографические методы анализа физико - механическ! свойств материала поверхностных слоев главных элементов ШМСХ.

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследован! взаимодействия шарика на основных режимах работы с поверхностями канавок, обр зующих пространственный клин в ШМСХ, разработана методика расчета, позволи шая впервые на основе полученных аналитических выражений, определить основш параметры разработанного ШМСХ, с учетом выполнения условий по контакте прочности и угловой жесткости, и оценить долговечность работы механизма в режи! свободного хода по предельному износу тел заклинивания.

Разработанный ШМСХ применительно к приводу технологического оборудон ния, полностью удовлетворяет требованиям и обеспечивает его выходные параметр

работы, что способствует повышению надежности и снижает затраты на его обслуживание.

Vladimir Dmitriyevich Rogozhin IMPROVEMENT OF THE DESIGN AND INCREASE OF THE RELIABILITY OF THE FREE TRAVEL BALL MECHANISM OF THE FACE TYPE.

Key words: free travel ball mechanism (FTBM), three-dimensional wedge, torus surfaces, basic modes of operation, free travel.

The object of research in this thesis is the free travel ball mechanism of the face type. The subject of the research is the processes occurring upon the interaction of the ball with the three-dimensional wedge, formed by the relative position of two grooves, the surfaces of which are referred to the group of open torus surfaces.

The aim of the research is making the free travel ball mechanism of the face type and the development of methods of its calculation.

The research into the basic modes of operation was conducted on the basis of postulates af applied mechanics, theory of machines and mechanisms, fundamentals of friction and wear calculations, computation mathematics, differential and integral computation. To conduct the experimental research into the basic modes of the FTBM operation, methods of mathematical planning of the experiment were used and also methods of statistic processing 3f the obtained data with the application of regression-correlation analyses, methods of noulds, electrotensometry, ball copper plating, metallographic methods of the analyses of Dhysico-mechanical properties of surface layer material of the basic FTBM components.

On the basis of the accomplished theoretical and experimental research into the interac-;ion of the ball with the groove surfaces upon basic operation modes, these grooves forming i three-dimensional wedge in the FTBM, the calculation methods are developed which for he first time enable the main parameters of the designed FTBM to be determined on the )asis of obtained analytic expressions regarding the conditions of contact strength and angu-ar rigidity and the durability of mechanism operation in the mode of free travel to be evalu-ited according to the limit wear of balls.

In regard to the technological equipment drive the developed FTBM meets the require-nents completely and ensures the output parameters of the drive operation, thus increasing he reliability and reducing the expenses on its maintenance.

SUMMARY

РОГОЖИН Владимир Дмитриевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ШАРИКОВОГО МЕХАНИЗМА СВОБОДНОГО ХОДА

ТОРЦОВОГО ТИПА

Специальность 05.02.02 «Машиноведение и детали машин»

Автореферат диссертации на соискание ушной степени кандидата технических наук

Подписано к печати &.06.00-Заказ 23% Формат 60 х 84 1/16. Тираж 100 экз. Объем усл. печ. л,-1,5 Уч.- изд. - 1,6 Отпечатано в ММИ г. Могилев, ул. Лени некая, 70 Лицензия Ж №165 от 08.01.1998 г.