автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение долговечности карданных шарниров сельскохозяйственной техники

/ А ? '

/ / -у

МИНСЕЛЬХОЗПРОД РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

/

ДЕПАРТАМЕНТ КАДРОВОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ . БЕЛГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

Пастухов Александр Геннадиевич

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КАРДАННЫХ ШАРНИРОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ

Специальность 05.20.03 "Эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук -

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент А.М.Сигаев

I

БЕЛГОРОД - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

РЕФЕРАТ ................................................... 4

ВВЕДЕНИЕ .................................................. 5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

КАРДАННЫХ ШАРНИРОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ .. 8

1.1. Особенности конструкции карданных шарниров

и их эксплуатационная надежность ............... 8

1.2. Основные направления повышения долговечности карданных шарниров и их содержание ............. 16

1.3. Экспериментальная оценка ресурса карданных шарниров ....................................... 20

1.4. Выводы......................................... 27

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ

ДОЛГОВЕЧНОСТИ КАРДАННЫХ ШАРНИРОВ ................. 29

2.1. Обоснование повышения грузоподъемности игольчатых подшипников ................................ 29

2.2. Обоснование полного использования ресурса подшипниковых узлов ..........:.................... 34

2.3. Выводы .......................................... 36

Глава 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ...................................... 37

3.1. Программа экспериментальных исследований....... 37

3.2. Совершенствование конструкций карданных шарниров 37

3.2.1. Разработка карданного шарнира повышенной грузоподъемности ....................... ...... 37

3.2.2. Разработка карданного шарнира повышенной ремонтопригодности ............................ 41

3.3. Комплексная методика статических исследований .. 43

3.3.1. Поляризадионно-оптические исследования напряженного состояния элементов карданных подшипниковых узлов на прозрачных моделях .......... 43

3.3.2. Методика статических испытаний ............. 48

3.4. Разработка оборудования для' оценки-ресурса карданных шарниров................................ 49

3.4.1. Разработка конструкции стенда для оценки ресурса карданных шарниров ..................... 49

3.4.2. Выбор измерительных средств и определение

методики измерения параметров ................ 52

3.5. Методика ресурсных испытаний карданных шарниров. 67

3.5.1. Выбор режимов нагружения ..................... 67

3.5.2. Определение продолжительности стендовых испытаний ........................................ 70

3.5.3. Обработка результатов испытаний .............. 72

3.6. Выводы......................................... 73

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........ 75

4.1. Результаты поляризационно-оптических исследований напряженного состояния элементов подшипникового узла карданного шарнира ................. 75

4.2. Результаты статических испытаний карданного шарнира повышенной долговечности ................ 76

4.3. Результаты стендовых испытаний................. 91

4.3.1. Оценка влияния динамического изменения угла излома на ресурс карданных шарниров .......... 91

4.3.2. Оценка повышения грузоподъемности подшипниковых узлов шарнира............................ 93

4.4. Оценка способа замены рабочих поверхностей подшипниковых узлов ............................—95

4.5. Оценка эффективности мероприятий повышения долговечности карданных шарниров в условиях эксплуатации методом статистических испытаний .. 98

4.6. Выводы.................................V....... 101

Глава 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ..................................... 103

5.1. Экономическая эффективность внедрения карданного шарнира повышенной долговечности____________________ 103

5.2. Экономическая эффективность внедрения стенда и методики испытаний карданных шарниров .......... 105

5.3. Выводы......................................... 110

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ................................ 111

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ...... 114

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................ 126

РЕФЕРАТ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения. Работа содержит 125 страниц машинописного текста, 36 рисунков, 15 таблиц, 145 источников литературы, из которых 3 на иностранном языке, 8 приложений.

КАРДАННЫЕ ШАРНИРЫ, ПОДШИПНИКОВЫЕ УЗЛЫ, ДОЛГОВЕЧНОСТЬ, РЕМОНТОПРИГОДНОСТЬ, РЕСУРС, ИСПЫТАНИЯ.

Объектом исследования являются карданные шарниры неравных угловых скоростей, содержащие крестовины, вилки и игольчатые подшипники.

Цель работы - повышение долговечности карданных шарниров сельскохозяйственной техники.

В процессе работы проводились теоретические и экспериментальные исследования работоспособности подшипниковых узлов карданных шарниров.

В результате исследований получена оптимальная конструкция карданного шарнира повышенной долговечности и обосновано повышение ремонтопригодности карданных передач за счет замены рабочих поверхностей элементов подшипников.

Достигнуто повышение долговечности карданных шарниров, обеспечивающее работоспособность трансмиссий тракторов и сельскохозяйственных машин без замены подшипниковых узлов.

Результаты работы доложены на заводе - изготовителе карданных передач и будут учтены при совершенствовании карданных шарниров. Испытательное оборудование внедрено в лаборатории испытаний Белгородской государственной сельскохозяйственной академии.

Экономическая эффективность исследований определяется сокращением выпуска количества запасных частей.

ВВЕДЕНИЕ

В решении экономических и социальных проблем главная роль принадлежит развитию научно-технического прогресса в народном хозяйстве. " Одним из основных направлений данного процесса является повышение надежности сельскохозяйственной техники СИ.

В настоящее время достигнутый уровень научно-технического прогресса позволяет создавать высоконадежные объекты. Проблема решается на основе комплексного подхода - на этапах проектирования и расчета, совершенствования конструкций,' при разработке высоко-эффективных- технологий изготовления и упрочнения, улучшения качества конструкционных и смазочных материалов, внедрения прогрессивных форм и методов эксплуатации, восстановления и ремонта техники С2].

Важнейшее свойство, характеризующее надежность технических объектов, - долговечность. Машина с увеличенным ресурсом переносит на выполненную работу меньшую часть своей балансовой стоимости, уменьшая тем самым стоимость продукции. В условиях дороговизны новой техники, приобретает значимость ремонтопригодность конструкций. Она характеризуется уменьшением времени поиска отказа и восстановления работоспособности, путем технического обслуживания и ремонта. В конечном итоге, повышение долговечности и ремонтопригодности приводит к уменьшению эксплуатационных издержек и повышению времени эффективной работы, то есть, росту производительности труда СЗ].

В трансмиссиях сельскохозяйственной техники (тракторах, автомобилях, комбайнах и сельскохозяйственных машинах) широко применяются карданные передачи с шарнирами неравных угловых скоростей на подшипниках качения. Опыт эксплуатации и стендовые испытания сельскохозяйственной техники показали, что карданные шарниры - один из недолговечных узлов трансмиссии, "лимитирующий" ее надежность [4]. Ресурс карданных шарниров в трансмиссиях энергонасыщенных тракторов, на первых этапах их применения (60-70-е годы), составлял порядка 500...800 мото-ч. Затем на протяжении 70-х годов долговечность шарниров была доведена до 2000...3000 мото-ч [5]. На рубеже 80-х годов средний ресурс карданных шарниров составил уже 4250 мото-ч [6], а их отдельные экземпляры отрабатывали до 6000 мото-ч 171. Однако этого недостаточно, так как ресурс

трансмиссий тракторов должен быть значительно больше. Основной причиной этого является конструктивное несовершенство элементов карданного шарнира, выражающееся в его недостаточной долговечности и низкой ремонтопригодности.

Существенным этапом в процессе повышения надежности техники являются ресурсные испытания опытных образцов ее агрегатов, узлов и деталей [8,9]. Наибольшие успехи достигнуты в оценке усталостной прочности и долговечности при стендовых испытаниях, что особенно проявилось при разработке и доводке новых машин [8,10].

Основываясь на вышесказанном, можно утверждать, что проблема повышения надежности карданных шарниров тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин, является актуальной. :

Целью настоящей работы является повышение надежности карданных шарниров сельскохозяйственной техники.

В работе использованы экспериментальные методы сопротивления материалов, методы ресурсных испытаний, теория планирования эксперимента, математическая статистика и регрессионный анализ. Расчеты выполнены с применением ЭВМ.

В результате выполненной работы получены следующие новые результаты:

1. Исследованы нагруженность и работоспособность элементов соединения "шип крестовины - игольчатый подшипник" карданного шарнира на модели, имитирующей подшипник.

2. Разработана методика статических испытаний подшипниковых узлов карданных шарниров в зависимости от их конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов.

3. Получена уточненная математическая модель долговечности карданных шарниров, учитывающая динамическое изменение угла излома шарнира.

4. Разработаны новые конструкции карданных шарниров повышенной долговечности (патент РФ N 2106548) и ремонтопригодности (патент РФ N 2075878) для использования в трансмиссиях тракторов и сельскохозяйственных машин.

5. Усовершенствовано оборудование и методика экспериментальной оценки технического состояния карданных шарниров, упругих муфт и других соединительных элементов силовых передач сельскохозяйственной техники, работающих в условиях больших перекосов.

Результаты исследований рассмотрены и одобрены в отделе

главного технолога ЗАО "Московский завод автоагрегатов" (АМО ЗИЛ), а разработанные способы и технические средства проходят эксплуатационную проверку в -хозяйствах Белгородской области.

На защиту выносятся:

1. Методика поляризационно-оптических исследований применительно к модели работоспособности подшипниковых узлов карданных шарниров.

2. Методика статических испытаний карданных шарниров с информационным элементом в подшипниковых узлах, включающая математическую модель их. работоспособности.

3. Разработанные конструкции карданных шарниров повышенной долговечности (патент РФ N 2106548) и ремонтопригодности (патент РФ N 2075878), позволяющие повысить грузоподъемность подшипниковых узлов и более полно использовать их ресурс.

4. Усовершенствованный стенд и методика экспериментальной оценки ресурса существующих и новых конструкций карданных шарниров.

Основные положения и результаты исследований обсуждены и одобрены на: научно-технической конференции "Надежность и высоко-надежность" (г.Симферополь1991); научных конференциях профессорско-преподавательского состава Белгородской государственной сельскохозяйственной академии (БГСХА, 1993, 1998); расширенном заседании кафедры "Общетехнических дисциплин" Белгородской государственной сельскохозяйственной академии (г.Белгород, 1996, 1998); семинаре заведующих кафедрами и ведущих преподавателей по дисциплине "Сопротивление материалов" в Костромской государственной сельскохозяйственной академии (г.Кострома, 1997); научной конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов Национального аграрного университета Украины (г.Киев, 1998); II Международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы сельскохозяйственного производства и пути их решения" (г.Белгород, 1998); расширенном заседании кафедры "Детали машин и подъемно-транспортные механизмы" Московского агроинже-нерного университета им^ П.В.Горячкина г.Москва, 1998). Конструкции стенда и карданных шарниров были представлены на областной выставке-презентации "Высшие и средние профессиональные учебные заведения: образование, наука и производство" (г.Белгород, 1998).

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ КАРДАННЫХ ШАРНИРОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ

1.1. Особенности конструкции карданных шарниров и их эксплуатационная надежность

Для передачи вращения между валами, оси которых не лежат на одной прямой и могут иметь относительное перемещение, применяют универсальные шарнирные соединения различного конструктивного исполнения. Шарниры, как элементы привода, входят в большинство сельскохозяйственных машин, тракторов, автомобилей, механизмов и машин других отраслей промышленности [11]. Из всего многообразия конструкций универсального шарнира, наибольшее распространение в сельскохозяйственной технике получил механизм, образованный соединением входного и выходного звеньев посредством промежуточного звена, в виде крестовины, и цилиндрических вращательных пар, оси которых пересекаются под прямым углом [12,13,143.

Тип карданного шарнира ,(КШ) определяет основные параметры карданной передачи, ее кинематику, максимально допустимые углы наклона валов, влияет на частоты крутильных колебаний, обеспечивает компенсацию осевых перемещений. Основным классификационным признаком КШ является их кинематика. Они делятся на две группы: шарниры равных и неравных угловых скоростей (РУС и НУС соответственно) [14,15]1 В зависимости от угла между осями соединяемых валов КШ НУС делятся на полные, когда они допускают осевые перемещения внутри шарнира, и полукарданные шарниры. Классификация КШ НУС приведена на рис. 1.1, где утолщенными линиями выделена область исследуемых конструкций.

В трансмиссиях тракторов и сельскохозяйственных машин широко используют простые КШ с крестовинами, цельными вилками и игольчатыми подшипниками качения, которые при малых габаритах имеют высокие КПД и нагрузочную способность, а также требуют малого расхода смазки.

В процессе работы взаимное расположение валов в трансмиссии сельскохозяйственных машин может непрерывно изменяться в зависимости от рельефа местности или характера технологического процесса, поэтому для передачи движения от вала отбора мощности (ВОМ) к рабочим органам применяют передачи с КШ (рис. 1.2,а). В трансмис-

Рис.1.1.

сиях тракторов КШ обеспечивают передачу мощности от двигателя к агрегатам трансмиссии (коробке передач, раздаточной коробке, ведущим мостам) и другим механизмам (редуктору ВОМ) (рис. 1.2,6). В автомобилях КШ обеспечивают передачу силового потока от двигателя к коробке передач, раздаточной коробке, ведущим- мостам, ведущим колесам при независимой подвеске, ведущим и управляющим колесам, а также для привода вспомогательного ;и специального -оборудования (рис. 1.2,в).

Сложные условия работы машин приводят к тому, что сами КШ являются возбудителями динамических нагрузок, которые ухудшают нагрузочные режимы работы силовых элементов и поэтому, рациональный выбор их параметров очень важен для обеспечения работоспособности машин [11,121.

Для сельскохозяйственной техники основные параметры КШ стандартизованы по типоразмерам в ГОСТ 13758-89 "Валы карданные сельскохозяйственных машин. Технические условия" [16] и ОСТ 37.001.068-76 "Шарниры карданные неравных угловых скоростей. Основные размеры и технические требования" [17].

Рассмотрим структурные и функциональные связи, т.е. связи строения и взаимодействия элементов конструкции серийного КШ, представленного на рис. 1.3 [18,19].

а)

б)

н

В)

л

41—II-II-

иъь

Рис.1.2. Схемы расположения карданных шарниров в • трансмиссиях сельскохозяйственной техники

5 _б

Рис.1.3. Конструкция серийного карданного шарнира

Шарнир состоит из двух вилок 1 и 2, крестовины 3 и четырех игольчатых подшипников 4. Каждая вилка охватывает пару шипов .крестовины 3. В проушины вилок 1,2 расположены игольчатые подшипники 4, включающие игольчатые ролики 5 и корпус 6; надетые на шипы крестовины 3. С торцов подшипники 4 удерживаются опорными крышками 7, каждая из которых прикреплена к проушинам вилок 1,2 двумя болтами 8. Выступы опорных крышек 7 входят в пазы на торцевых поверхностях игольчатых подшипников 4 и удерживают их от проворачивания в отверстиях проушин. В каждой крестовине предусмотрена система сверлений для смазки, соединяющая резьбовые отверстия 9 для пресс-масленки, с торцами шипов и с центральным каналом. Клапан 10, предназначенный для выпуска воздуха и излишней смазки при заполнении крестовины 3 и подшипников 4. На торцах шипов крестовины 3 выполнены канавки 11, предназначенные для подвода смазки от центрального отверстия 12 в шипе к роликам 5 подшипников 4. Подшипники 4 и шипы уплотняются самоподжимными двухкро-мочными сальниками 13. Для предохранения рабочих кромок сальников 13 от пыли на каждый шип надета обрезиненная обойма 14, в которой установлено пропитанное маслом поропластовое кольцо, прижатое к торцу штампованной обоймы сальника13. Под болты 8, крепящие опорные крышки 7, прокладывают балансировочные �