автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение работоспособности шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов

На правах рукописи

Павлгок Роман Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ШПОНОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЗЕРНОУБОРОЧНЫХ КОМБАЙНОВ

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005051490

4 АПР 2013

3ерноград-2013

005051490

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО СтГАУ)

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Лебедев Анатолий Тимофеевич

Официальные оппоненты: Забродин Виктор Петрович

доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО АЧГАА, заведующий кафедрой)

Кожухов Александр Александрович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник (ФГБОУ ВПО Ставропольский ГАУ, доцент кафедры)

Ведущая организация: Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО ДГТУ, г. Ростов-на-Дону)

Защита диссертации состоится 26 апреля 2013 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.001.01 при ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» по адресу: 347740, Ростовская область, г. Зерноград, ул. Ленина, 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия».

Автореферат разослан » лтрта 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Н. И. Шабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важной научно-технической задачей в повышении эффективности использования сельскохозяйственной техники является разработка мероприятий по увеличению ресурса и сокращению затрат времени на восстановление работоспособности ответственных узлов и деталей. Наиболее остро эта проблема проявляется во время уборки зерновых, которая проводится в сжатые агротехнические сроки и связана с биологическими особенностями равномерного созревания растений.

Вынужденные внеплановые простои сельскохозяйственной машины (комбайна) из-за отказа шпонки обычно приводят к нарушению всего производственного процесса - от уборки до погрузки и транспортировки готовой продукции. В итоге отказ шпоночных соединений техники в период уборочной страды оборачивается для страны значительными финансовыми убытками.

Анализ точности данных соединений показал, что их отказы обусловлены наличием зазора в сопряжении «вал - втулка», при котором происходит относительное перемещение и увеличение амплитуды колебаний сопрягаемых деталей и шпонки. Дополнительно на надежность работы этого соединения влияет и недостаточно высокое качество запасных частей.

Из вышесказанного следует, что исследования, направленные на повышение работоспособности шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов за счет модернизации их конструкции, являются актуальными и представляют практический интерес.

Работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» 2010-2015 гг., № 1.4.32 на выполнение НИР по теме «Повышение долговечности машин и оборудования АПК путем их модернизации при ремонте и создания требуемых эксплуатационных свойств рабочих поверхностей деталей, контактирующих друг с другом».

Цель исследований - повышение работоспособности шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов совершенствованием их конструкции.

Объект исследования - шпоночные соединения механических приводов зерноуборочных комбайнов.

Предмет исследования - закономерности контактного взаимодействия рабочих поверхностей деталей шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов.

Методы исследования. В работе использовались теоретические и эмпирические исследования. Основной метод исследования показателей использования зерноуборочных комбайнов - статистический, при этом использовалась теория планирования эксперимента. При обработке полученных результатов применялись методы математической статистики и теории вероятностей, расчеты выполнялись на ЭВМ. •

Научная новизна. Предложен подход рассмотрения зерноуборочного комбайна как сложной системы, низшим элементом которой являются рабочие поверхности деталей шпоночного соединения, позволивший определить целевое назначение пар контактирования неподвижных соединений с точки зрения надежности обеспечения передачи крутящего момента. Зависимость,

учитывающая влияние силы затяжки, конусности втулки в модернизированном шпоночном соединении и соотношения толщины стенки его втулки к ее минимальному диаметру на величину передаваемого им крутящего момента. Результаты исследований показателей безотказности шпоночных соединении зерноуборочных комбайнов, микрометража их деталей, поступающих в^ качестве запасных запчастей, стендовых и экспериментальных испытаний их модернизированной конструкции. Динамика изменения времени и затрат на восстановление работоспособности шпоночных соединений, до и после их модернизации.

Практическая значимость работы. Предложены способы повышения работоспособности шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов применением усовершенствованных их конструкций для передачи крутящих моментов приводами, а именно шпоночное соединение (1Ш 86682), способ соединения с натягом деталей «вал - втулка» (Ш 2428295) и съемная ступица для монтажа вращающегося элемента на приводном валу (1Ш 2402701).

Разработана технологическая документация и маршрутно-технологичес-кие карты на изготовление съемной ступицы для монтажа вращающегося элемента на приводном валу, которая позволяет выполнять все технологические операции по модернизации шпоночных соединений при их ремонте.

Реализация результатов исследований. По результатам выполненных исследований разработан комплект технологической документации на изготовление ремонтного комплекта приводных шкивов и звездочек зерноуборочных комбайнов (1Ш 2402701), который был рекомендован к использованию на ОАО РТП «Усть-Лабинсктехсервис» Краснодарского края, КФХ «Скиф» Изобильненского района Ставропольского края.

Разработанный стенд для испытания неподвижных соединений внедрен в учебный процесс ФГБОУ ВПО Ставропольского ГАУ на факультете механизации при проведении лабораторно-практических занятий.

Апробация. Основные результаты исследований изложены: на 1У-У1 Международных научно-практических конференциях в рамках Х1-ХШ Международных агропромышленных выставок «Агроуниверсал» (Ставрополь, 2009-2011 гг.); Всероссийской научно-производственной конференции «Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих инновационных технологий», посвященной 80-летию заслуженного деятеля науки Российской Федерации, профессора И. Д. Тмено-ва"(Владикавказ, 2010 г.); VI Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК» (Ставрополь, 2011 г.); научно-практической конференции студентов и магистров аграрных вузов Северо-Кавказского федерального округа (Нальчик, 2012 г.); выставке-конкурсе «Инновации года» (Ставрополь, 2009, 2011 гг.).

Победитель конкурса инновационных проектов «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» (У. М. Н. И. К.) (Ставрополь, 2010 г.) по теме «Повышение эффективности использования уборочной техники модернизацией неподвижных соединений».

На защиту выносятся следующие положения:

- новый подход рассмотрения зерноуборочного комбайна как сложной иерархической системы, низшим элементом которой являются рабочие по-

верхности деталей шпоночного соединения, позволяющий определить целевое назначение пар контактирования неподвижных соединений с точки зрения надежности обеспечения передачи крутящего момента;

— модернизированная конструкция шпоночного соединения зерноуборочного комбайна, обеспечивающая повышение долговечности и снижение времени восстановления его работоспособности;

— зависимость, учитывающая влияние силы затяжки, конусности втулки в модернизированном шпоночном соединении и коэффициента соотношения толщины стенки его втулки к ее минимальному диаметру на величину передаваемого им крутящего момента;

— результаты исследований показателей безотказности шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов, микрометража их деталей, поступающих в качестве запасных запчастей, стендовых и экспериментальных испытаний их модернизированной конструкции.

Публикации. По основным положениям диссертации опубликовано 19 работ, в том числе б публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на полезную модель и 2 патента на изобретение.

Структура н объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Материал изложен на 151 странице машинописного текста, содержит 16 таблиц, 63 иллюстрации и 10 приложений. Список использованной литературы состоит из 171 наименования, из них 6 — на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены цель и задачи исследований. Сформулированы научная и рабочая гипотезы диссертационного исследования, краткое содержание работы, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также основные научные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения о внедрении результатов исследований, апробации, публикациях, структуре и объеме работы.

В первой главе «Современное состояние вопроса повышения работоспособности шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов и задачи исследований» представлен анализ современного состояния рынка сельскохозяйственной техники и обеспеченности средствами механизации, которые находятся на низком уровне из-за последствия экономического кризиса. Приведен обзор основных направлений по повышению надежности зерноуборочных комбайнов и других сельскохозяйственных машин, причин выхода из строя и механизма изнашивания шпоночных соединений, являющихся менее долговечными узлами уборочной техники, одновременно обладающих значительной стоимостью ремонта.

Основополагающие исследования, посвященные технологическому процессу уборочной техники, динамике механических систем, прочности и надежности элементов конструкций зерноуборочных комбайнов и сельскохозяйственных машин, развитию технического обслуживания и ремонта, способов восстановления деталей и повышению их долговечности, провели В. П. Горячкин, Н. Ш. Адигамов, Н. П. Алексенко, В. Я. Анилович, К. А. Ачка-

сов, С. М. Бабусенко, В. И. Балабанов, А. Н. Батищев,И. И. Блехман, В. В. Бледных, Н. В. Валуев, И. Н. Величкин, Е. Л. Воловик, Ю. В. Гриньков, Л. М. Грошев,

A. С. Денисов, В. П. Димитров, М. Н. Ерохин, Э. В. Жалнин, В. П. Забродин,

B. И. Казарцев, И. В. Крагельский,В. Н. Кряжков,Ю. А. Конкин, В. Н. Курочкин, В. В. Курчаткин, П. П. Лезин, Э. И. Липкович, И. Э. Липкович, Е. А. Пучин, А. Г. Пастухов, А. И. Русанов, А. И. Ряднов, А. Э. Северный, А. И. Селиванов, И. А. Спицын, И. Е. Ульман, С. С. Черепанов, В. И. Черноиванов, М. И. Юдин и другие ученые.

Обоснованию норм точности и взаимозаменяемости деталей машин, разработке методик нормирования номинальных, предельных и допустимых значений геометрических параметров деталей и соединений свои исследования посвятили В. М. Белов, И. Г. Голубев, М. Н. Ерохин, А. И. Иванов, В. П. Лялякин, В. Я. Сковородин, О. А. Леонов, В. М. Михлин, И. С. Серый, А. И. Якушев и другие ученые.

Анализ опубликованных трудов и основных направлений модернизации показывает, что наиболее перспективными из них являются не только мероприятия, нацеленные на повышение производительности техники, экономичности и комфортности ее обслуживания, но и на обеспечение требуемой надежности деталей, узлов, агрегатов и машины в целом.

Рабочая гипотеза состоит в том, что повышение работоспособности шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов предполагается за счет совершенствования их конструкции в виде ремонтного комплекта, позволяющего снизить время устранения их отказов и ликвидирующего зазор в данном сопряжении как основную причину выхода из строя.

В соответствии с целью в работе определены следующие задачи исследований:

- выявить причины отказов шпоночных соединений основных приводов зерноуборочных комбайнов, работающих в условиях рядовой эксплуатации;

-теоретически обосновать способы повышения работоспособности шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов и снижения времени их восстановления в случае отказа;

- провести микрометраж деталей шпоночных соединений, поступающих в качестве запасных запчастей, и исследовать уровень их надежности в основных приводах зерноуборочных комбайнов в рядовых условиях эксплуатации;

- выполнить исследования работоспособности существующего и предлагаемого шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов и провести их сравнительную технико-экономическую оценку.

Вторая глава «Теоретические предпосылки повышения работоспособности шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов» посвящена описанию основных частных показателей использования и качества работы зерноуборочных комбайнов, теоретическому обоснованию рациональной технологии повышения надежности шпоночного соединения зерноуборочного комбайна.

Общее время устранения одного отказа будет определяться суммой времени на его обнаружение, разборку узлов, доставку резервного (запасного) элемента, установку элемента и другими составляющими и в целом следующей зависимостью:

т = т

+ Т + Г +Т +Т +Т +Т +Т -f

пио врс дрэ дри вуэ врр всп

(О

гДе т„„ ~ время на обнаружение отказа и его последствий, ч; Тшо - время на передачу информации об отказе, ч; Грс - время на разборку узлов, соединений для снятия отказавшего элемента, ч; Т - время на доставку резервного (запасного) элемента, ч; Т^ - время на доставку в ремонтную мастерскую поврежденной детали и её ремонт, ч; Т^ - время на установку элемента, ч;

~~ вРемя на регулировку и проверку работоспособности всех систем, ч; Твсп - время на определение соответствия параметров систем установленным требованием, ч; Гпм - время на переезд к месту работы после устранения отказа, ч.

Анализ составляющих баланса времени смены показывает, что основными резервами сокращения простоя комбайнов при уборке являются повышение коэффициентов технического использования, сокращение затрат времени на циклические и нециклические технологические обслуживания, а также времени на восстановление работоспособности из-за отказов.

Согласно обобщенной методике, предложенной д. т. н. А. Т. Лебедевым, неподвижное шпоночное соединение, входящее в состав механических приводов сельскохозяйственной техники, можно представить как самостоятельную сложную техническую систему (рис. 1).

Функционально, за счет вращения вала и, соответственно, его боковых рабочих поверхностей паза посредством боковой рабочей поверхности шпонки, установленной в нем, передается крутящий момент на боковые поверхности паза шкива с одновременным взаимоконтактированием цилиндрической рабочей поверхности вала с цилиндрической поверхностью шкива. Вышеперечисленные рабочие поверхности деталей (РПД) неподвижного шпоночного соединения, контактирующие между собой, должны обеспечить максимальную передачу крутящего момента. Это и есть целевое назначение РПД неподвижного шпоночного соединения.

Согласно работам ученых П. Ф. Дунаева, О. П. Леликова,

ця ли нлр и ческая «шпоночный поверхность ^ипоночный IIЦилиндрическая

поверхность II пи вала ШПОНКИ паэижиаа || поверхности

вала II 1 И шкива

Рисунок 1 - Иерархическая схема зерноуборочного комбайна

Рисунок 2 - Схема шпоночного соединения с поворотом вала со шпонкой относительно своего центра

Рисунок 3 - Схема поворота ступицы относительно точки ОК шпоночного соединения

О. А. Леонова установлено, что если в соединении «вал - втулка» есть зазор, то при вращении высота контакта паза ступицы со шпонкой будет отклоняться от расчетной в зависимости от угла поворота. Поэтому ресурс шпоночного соединения будет определяться зазором в соединении и углом поворота ступицы и вала.

Анализируя схему в частном случае взаиморасположения элементов шпоночного соединения, при которой происходит поворот вала со шпонкой относительно своего центра до упора последней в боковую стенку шпоночного паза ступицы в точке 0^(рис. 2), можно прийти к выводу, что линейная характеристика перемещения соответствует величине зазора 52.

Величина зазора .V, равна произведению угла р на сумму радиуса вала 11 и глубины врезания шпонки в ступицу 0,4А:

р-(Д+0,4/2). (2)

Тогда "из выражения (2) определим значение угла |3, который будет одинаков между ступицей и шпонкой при вращении и при провороте ступицы относительно вала:

Р~52/(Я+0,4/г). (3)

При дальнейшем движении шпоночного соединения происходит поворот ступицы относительно точки Ок на угол (3 до совмещения не только боковых плоскостей шпонки и шпоночного паза ступицы, но и соприкосновения окружностей вала и ступицы {рис. 3).

Линейная характеристика перемещения при повороте ступицы относительно вала примерно равна ве-

личине зазора 5 :

5~р-гконт,

где г - радиальная координата контакта, определяемая от центра Ок

Используя зависимости (3) и (4) радиальная координата контакта примет вид

(4)

Предложенная схема и полученные на ее основе зависимости (3) и (5) дают возможность приближенно установить, как минимум, две области контакта шпоночного соединения. Предварительный анализ вышедших из строя реальных шпоночных соединений этому не противоречит и соответствует областям износа элементов сопряжения, величина которого зависит от величин зазоров 5, и 52.

При вращении ступицы и при наличии зазора идет ее перемещение относительно вала по некой траектории с постоянным изменением контактирующих рабочих поверхностей. Это происходит из-за проворотов с интенсивностью, зависящей от заданной частоты вращения соединения. В свою очередь рост этого зазора влияет на изменение фактических площадок контактирования рабочих поверхностей шпонки с пазом ступицьг. То есть величина зазора является определяющей для работоспособности данного соединения.

Площадка фактического контакта шпонки с пазом ступицы П будет находиться из разницы глубины врезания шпонки в ступицу 0,4/г и переменного показателя учитывающего в каждой точке движения величин зазора между валом и ступицей 5,, зазора между шпонкой и пазом ступицы Л',, угла поворота а, угла Р между ступицей и шпонкой, а также их сочетание и влияние других факторов:

а,р,НВ,Ла), (6)

где НВ - твердость; На - шероховатость, мкм.

Поэтому принятый расчет на смятие призматических шпонок действителен для соединения «вал - тулка», посадка которых выполнена с натягом, и в нем необходимо сделать корректировку и ввести в нее значение переменного показателя После чего формула примет вид

1Т

где Т- крутящий момент, Н-м; I - рабочая длина шпонки, м; с!— диаметр вала, м; /г - высота шпонки, м; 0,4/г - глубина врезания шпонки в ступицу, м; [а ] -допускаемые напряжения смятия материала шпонки, МПа.

Из формулы (7) видно, что если £ увеличивается, то напряжение смятия <зсы возрастает. Критическое значение £ не должно быть равно или больше 0,4/г. При \ -+0,4/7 мы получаем резкое увеличение напряжения смятия <т.чв каждом цикле нагружения.

Основными путями повышения работоспособности шпоночного соединения являются устранение в нем зазора и величины его изменения (рис. 4). Данное условие может быть осуществлено в ряде предлагаемых нами конструкций.

Для реальных условий эксплуатации зерноуборочных комбайнов наиболее эффективным является установка вместо существующих шпоночных соединений, где это по-

Рисунок 4 — Способы повышения надежности шпоночного соединения

зволяют технические требования, съемной ступицы для монтажа вращающегося элемента на приводном валу (1Ш 2402701) (рис. 5), которая может быть изготовлена в виде ремонтного комплекта с достаточной точностью в ремонтных мастерских хозяйств.

Рисунок 5 - Предлагаемое модернизированное соединение: а) схема; б) общий вид; 1 - обод шкива; 2 - коническая разрезная втулка; 3 - приводной вал; 4 - зажимные гайки; 5 - стяжное болтовое соединение

Исходя из конструктивных особенностей конической втулки напряжения а , создаваемые от силы затяжки будут наибольшими на минимальной поверхности конуса. Тогда из условия прочности соединения минимально допустимая величина толщины стенки конуса ЬК} определится из выражения

К,= ■ (8)

где

минимальный диаметр конической втулки, м;

; ^ - сила затяжки, Я:

' зат

¿'в-диаметр цилиндрического отверстия конической втулки, м. Поскольку для переменной толщины стенки присущи разные свойства упругости конической втулки, характеризуемые продольными и поперечными деформациями, то для учета этого влияния введем новый параметр - коэффициент отношения толщины стенки втулки к ее минимальному диаметру А;

д = ЪК1 +с/к, (9)

Величина продольных относительных деформаций сжатия по ординате г (рис. 6) определяется из выражения

>(г)

Рисунок 6 — Схема действия сил затяжки в конической втулке

А( г) _ /у,,,, ,п У (Г, + Го )2 + г/ - г02. (Ю) г Е ■ п- 1г0 ■ у у(г,-г0)г + г,2-г02 где г - радиус цилиндрического отверстия усеченного конуса, м; гх- малый радиус усеченного конуса, м; у - половина центрального угла конуса, рад; Е - модуль упругости, Па.

Величина поперечных относительных деформаций выражается по зависимости

sr(z) = n-s2(z),

(11)

где р. - коэффициент Пуассона для материала втулки.

При сжатии усеченного конуса без продольного отверстия все перемещения направлены от его оси. Наличие отверстия дает возможность развиваться деформациям и в противоположном направлении. Распределение суммы перемещений по внутренней и внешней окружностям пропорционально его площадям:

>■« (12)

ДЬ2(г) r(z)2

Таким образом, выражение (12) позволяет оценить величину обжатия и взаимодействие конической втулки с валом и ободом шкива.

Передаваемый крутящий момент Г разработанной съемной ступицей для монтажа вращающегося элемента на приводном валу можно представить функциональной зависимостью

T=ÂFam d, dKV dK2, bKV К, l, Д, HB, Ra n), (13)

где df:l - максимальный диаметр конической втулки, м; К - конусность втулки; I - длина контакта конической втулки, м; п - частота вращения соединения, мин"1.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложены методики экспериментальных исследований надежности и сплошного хронометража работы зерноуборочных комбайнов, микрометража деталей и элементов шпоночных соединений, проведения стендовых и эксплуатационных испытаний модернизированного неподвижного соединения, осуществлён выбор независимых факторов для проведения многофакторного эксперимента по плану Бокса - Бенкина (табл. 1). В качестве функции отклика принят передаваемый крутящий момент Г(Нм).

Таблица 1 - Интервалы и уровни варьирования факторов

Показатель Кодированное обозначе-пне Факторы и их величина

Сила затяжки соединения Конусность втулки К Коэффициент отношения толщины стенки втулки к ее минимальному диаметру Д

Верхний уровень + 1 400 0,125 1,12

Основной уровень 0 390 0,1 1,10

Нижний уровень -1 380 0,075 1,08

Интервал варьирования X 10 0,025 0,02

Для экспериментальных исследований в лаборатории кафедры «Технический сервис, стандартизация и метрология» ФГБОУ ВПО СтГАУ разработан стенд для испытаний неподвижных соединений (рис. 7).

а б

Рисунок 7 - Стенд для испытаний неподвижных соединений: а) схема; б) общий вид; 1 - электродвигатель; 2 - ременная передача; 3 - предлагаемое соединение; 4 - вал приводной; 5 - упорные подшипники; 6 - муфта;

7 - тензометрический датчик; 8 - шкив; 9 - ременная передача;

10 - электродвигатель в режиме генератора;

11 - аналогово-цифровой преобразователь; 12 - персональный компьютер

Описаны экспериментальный стенд для испытания неподвижных соединений, оборудование и контрольно-измерительные приборы, используемые для обработки экспериментальных данных, программное обеспечение.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и пх анализ» представлены результаты экспериментальных исследований надежности зерноуборочных комбайнов в Ставропольском крае, продолжительности восстановления работоспособности неподвижных соединений, микрометража и определения физико-механических свойств деталей шпоночных соединений, поступающих в качестве запасных частей, экспериментальной проверки работоспособности предложенного модернизированного соединения.

Удельный вес и значимость каждой из составляющих усредненного баланса времени смены представлены на диаграмме (рис. 8).

т 250 .............

МИН <>.1й 0.2»

200 ..... ...... .............

Рисунок 8 - Диаграмма усредненных значений составляющих времени смены

Среднее время чистой работы комбайнов за весь период наблюдений составило 220 минут в день (44 %) и показывает, что комбайны находятся в непосредственной работе меньше половины общего времени.

Наибольший удельный вес имеет время ожидания автомобиля., составляющее 43 % от этих затрат, с коэффициентом вариации 0,08.. .0,23. На время устранения отказов у хозяйств, имеющих высокий уровень организации ремонтно-технической службы и достаточную материально-техническую базу, приходится 28,4 % с коэффициентом вариации 0,06...0,28. Суммарная доля остальных составляющих, таких как время на выгрузку, обед, ЕТО, повороты, переезд на поле, переезд по полю и очистку измельчителя, составляет 28,6 % с коэффициентом вариации 0,08...0,3.

Проведенные исследования показали, что в среднем по Ставропольскому краю 10,52 % времени простоя зерноуборочных комбайнов приходится на устранение неисправностей шпоночных соединений (рис. 9).

: 43

¡¡|||| > го о Я

>

2,3 2,5 1,5 1.2 1,1 О.Э О,Я 0,8 0.7

ЛГ -¡Г

Рисунок 9 - Отказы основных систем и агрегатов зерноуборочных, комбайнов по Ставропольскому краю

Из диаграммы следует, что большая часть отказов, по усредненным значениям 87,3 %, относится к жатвенной части, механическим передачам, шпоночным соединениям, гидравлической системе и трансмиссии. На общее количество отказов остальных систем зерноуборочного комбайна приходится 12,7 %, при этом на каждую из них не более 2,8 %. Но, несмотря на то, что их доля в общем количестве отказов невелика, время восстановления может быть более значительным.

При большом числе отказов основных систем зерноуборочного комбайна, например жатвенной части, которые составляют 43 % с коэффициентом вариации 0,18, время восстановления её работоспособности непродолжительно и составляет в среднем 15 минут с коэффициентом вариации 0,25. На устранение отказов шпоночных соединений зерноуборочного комбайна «ДОН» приходится в среднем 1,9 ч с коэффициентом вариации 0,37 при числе отказов 10,5 %(рис. 10).

У=0,37

У=0,20 V» 0,25

Трэшмиссн* То»н1портирук>щие шпсно"4ные гидрЕв.чнчесязя Жзтвеннгвчзстъ

■¿стЕОЙпгез соединен;« си<тевдз передач«

Рисунок 10 - Среднее время устранения одного отказа основных систем и агрегатов зерноуборочных комбайнов по Ставропольскому краю

У (а ?(,!!{>

За время наблюдения в течение 3 уборочных сезонов 77 зерноуборочных комбайнов семейства «ДОН-1500» различных годов выпуска зафиксировано 422 отказа шпоночных соединений.

Наименьшую наработку на отказ имеют шпоночные соединения приводов: вал соломонабивателя или измельчителя (* = 68,7 ч). главный контрпривод (1д= 69,3 ч) и контрприводной вал жатки (¿о = 69,9 ч). В большинстве

случаев теряют работоспособность шпоночные соединения главного контрпривода (56 отказов), заднего контрпривода (49 отказов), МКШ (47) и барабана (44), графическое построение опытного распределения наработки на отказ которых представлено на рисунке 11.

Из приведенных выше графиков видно, что только 14... 16 % шпоночных соединений имеют наработку на отказ более 100 ч. Средняя наработка на отказ шпоночных соединений составила 74,9 ч с коэффициентом вариации 0,29. Причем около 35 % отказов происходили в диапазоне от 7 до 50 ч, что подтверждает необходимость увеличения ресурса данного вида неподвижных соединений.

Результаты проведенного измерения деталей шпоночных соединений показывали, что до 15 % деталей имеют размеры, не соответствующие техническим условиям по ширине шпонки (рис. 12).

В свою очередь, микрометраж диаметральных размеров деталей сопряжения «вал — втулка» показал, что при их сборке явно существует возможность образования зазора в данном соединении (рис. 13).

Рисунок 12 - Результаты измерений шпоноч- Теоретическая вероят-

ных соединений по ширине шпонки ность получения зазоров в со-

0 & 36 48 {£ 71 г.. а & & &

8 Г

Рисунок 11 - Графическое построение опытного распределения наработки на отказ шпоночных соединений комбайна

«ДОН-1500»: а) главный контрпривод; б) задний контрпривод; в) МКШ: г) барабан

Рисунок 13 - Теоретическая и экспериментальная вероятности получения соединений с натягом и зазором:

а) в сопряжении «вал - ступица шкива» 050 отбойного битера комбайна «ДОН-1500»;

б) в сопряжении «паз вала - шпонка» с шириной 12 мм заднего контрпривода комбайна

«ДОН-1500»

пряжении «вал - втулка» 050 отбойного битера комбайна «ДОН-1500» (не-заштрихованная площадь по кривой распределения) составляет 69,15 %, а экспериментальная, полученная на основе микрометража - 76,23 %. В этом случае вероятностный натяг равен 30,85 и 23,77 % соответственно. Опытный вероятностный натяг -16 мкм и зазор +26 являются практически предельными. Анализ сопряжения «паз вала - шпонка» с шириной 12 мм заднего контрпривода комбайна «ДОН-1500» показал, что теоретическая вероятность получения зазора и натяга равна 50 %, тогда как экспериментальное значение существенно отличается и составляет 91,31 и 8,69 % соответственно.

В ходе проведения многофакторного эксперимента получена адекватная математическая модель второго порядка:

Т = -141208,587 + 270,992F + 6781,88^+ 161185,65Л+ 15,82Fam- К- 17,795/*' ■ А - 0.322F 2- 61499,2К2- 69390Л2. (14)

■ за/и ' 'Kim

Чтобы визуально оценить полученные регрессионные зависимости, выполнялось построение поверхностей и изолиний функции нагрузки начала проворачивания, которые приведены на рисунке 14.

Анализ поверхностей отклика показывает, что максимальное значение передаваемого крутящего момента, равного 1933 Н-м, определяемого влиянием совместного проявления трех факторов, можно добиться при силе затяжки соединения 392 Н, конусности втулки 0,1 и коэффициенте отношения толщины стенки втулки к ее минимальному диаметру 1,115.

г, л-м

Рисунок 14 — Поверхности и изолинии функции нагрузки начала проворачивания в зависимости от: а) силы затяжки соединения Р^ и конусности втулки К; б) силы затяжки соединения Р и коэффициента отношения толщины стенки втулки к ее минимальному диаметру Д; в) конусности втулки К и коэффициента отношения толщины стенки В1улки к ее минимальному диаметру А

В ходе проведения эксплуатационных экспериментов сравнительный анализ способов восстановления работоспособности неподвижных соединений показал, что наиболее рациональным способом восстановления работоспособности шпоночных соединений является применение разработанного ремонтного комплекта - съемной ступицы для монтажа вращающегося элемента на приводном валу (табл. 2).

Таблица 2 - Сравнительный анализ способов восстановления работоспособности неподвижных соединений

Операции Время на проведение операции, мин

Замена всех поврежденных детален на новые Замена только изношенных шкива и шпонки на новые Фрезерованием шпоночного паза в противоположной части вала и шкива под номинальный размер п последующую сборку соединения, с заменой шпонки на новую Изготовление из поврежденных шкивов ремонтных самозажимных съемных ступиц Фрезерование шпоночного паза в виде «ласточкиного хвоста»

Т 5 5 5 5 5

тшю 2 2 2 2 2

тнк 52 10 52 10 10

TlW3 30(150*) 30(150*) 30 10 30

_ - 141 - -

56 11 56 11 11

т 10 10 10 10 10

т 7 7 7 7 7

т,„ „ 3 2 4 2 2

£ 165 (285*) 78 (198*) 307 47 77

* С учетом доставки запасной части из ближайшей фирмы по продаже запчастей.

Предлагаемое техническое решение позволяет снизить время устранения отказа в 1,5...3 раза и повысить ресурс соединения в 2,36...3,91 раза.

В пятой главе «Технико-экономическая оценка внедрения предлагаемого неподвижного соединения» проведена технико-экономическая оценка эффективности переоборудования одного из приводов зерноуборочного комбайна предлагаемым неподвижным соединением, обладающим повышенной надежностью и долговечностью.

Годовой экономический эффект от использования в заднем контрприводе РСМ.-10.01.34.140 зерноуборочного комбайна, при его сезонной загрузке в 150 ч, в условиях Ставропольского края одной разработанной съемной ступицы составляет 2305 руб., и срок окупаемости капитальных вложений равен 0,85 года, который может различаться в зависимости от типа привода.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ процесса работы зерноуборочного комбайна с позиции рассмотрения его как сложной технической системы, низшими элементами которой в его иерархической схеме являются рабочие поверхности деталей неподвижного шпоночного соединения, позволил определить их целевое назначение с точки зрения надежности реализации технологического процесса передачи

крутящего момента.

2. Теоретически обоснованы способы повышения работоспособности зерноуборочных комбайнов применением усовершенствованных конструкций для передачи крутящих моментов приводами, а именно шпоночное соединение (RU 86682), способ соединения с натягом деталей «вал - втулка» (RU 2428295) и съемная ступица для монтажа вращающегося элемента на приводном валу (RU

17

2402701). Наиболее приемлемым техническим решением является разработка ремонтного комплекта на основе съемной ступицы (RU 2402701), позволяющего устранить основные причины выхода из строя, обеспечивающего повышение долговечности, стабилизацию передачи крутящего момента и снижение времени восстановления работоспособности зерноуборочного комбайна.

3. Проведенный микрометраж деталей шпоночных соединений, поступающих в качестве запасных частей, показал в 70...90 % случаев наличие зазоров в сопряжении «вал - втулка», что отрицательно влияет на работоспособность приводов.

4. По результатам хронометража работы 77 зерноуборочных комбайнов различных годов выпуска в рядовых условиях эксплуатации на территории Ставропольского края зафиксировано 422 отказа шпоночных соединений, что составляет 10,52 % от общего числа поломок основных систем, с распределением по хозяйствам от 4,9 до 19,7 %. Средняя наработка на отказ шпоночных соединений составила 74,9 ч с коэффициентом вариации 0,29, при этом только 14... 16 % имеют наработку на отказ более 100 ч, средняя трудоемкость устранения отказа 1,9 ч. Наименьшую наработку на отказ имеют шпоночные соединения приводов: вал соломонабивателя или измельчителя (68,7 ч), главный контрпривод (69,3 ч) и контрприводной вал жатки (69,9 ч). Наибольшую долю потерь работоспособности имели шпоночные соединения главного контрпривода (56 отказов), заднего контрпривода (49 отказов) и МКШ (47).

5. В результате экспериментальных исследований установлена зависимость передаваемого съемной ступицы для монтажа вращающегося элемента на приводном валу крутящего момента от силы затяжки соединения, конусности втулки и коэффициента отношения толщины стенки втулки к ее минимальному диаметру и получена ее адекватная математическая модель второго порядка. Максимальное значение передаваемого крутящего момента можно добиться при силе затяжки соединения 392 Н, конусности втулки 0,1 и коэффициенте отношения толщины стенки втулки к ее минимальному диаметру 1,115.

6. Установлено, что наиболее рациональным способом восстановления работоспособности шпоночных соединений является применение разработанной съемной ступицы для монтажа вращающегося элемента на приводном валу, позволяющей снизить время устранения отказа в 1,5...3 раза и повысить ресурс в 2,36—3,91 раза. Годовой экономический эффект от использования в заднем контрприводе РСМ.-10.01.34.140 зерноуборочного комбайна одной разработанной съемной ступицы составляет 2305 руб., и срок окупаемости капитальных вложений равен 0,85 года при годовой загрузке комбайна 150 часов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Павлкж, Р. В. Повышение эффективности использования зерноуборочных комбайнов [Текст] / Р. В. Павлюк, В. С. Пьянов, А. Т. Лебедев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2010. - № 1. - С. 18-19.

2. Павлюк, Р. В. Распределение отказов и времени на их устранение между системами зерноуборочных комбайнов [Текст] / Р. В. Павлюк, А. Т. Лебедев // Известия Горского ГАУ. -Владикавказ, 2011.-Т. 48, № i._c. 153-156.

3. Павлюк, Р. В. Исследования наработки на отказ шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов «ДОН-1500» в условиях рядовой эксплуатации [Текст] / Р. В. Павлюк, А. Т. Лебедев И Сельский механизатор. - 2011. - № 11. - С. 36-38.

18

4. Павлюк, Р. В. Повышение эффективности работы зерноуборочных комбайнов [Текст] / Р. В Павшок А. Т. Лебедев // Техника в сельском хозяйстве. - 2012. - № 1. - С. 4-5.

5. Павлюк, Р. В. Втулка вместо шпонки [Текст] / Р_В. Павлюк, А. Т. Лебедев, М. Л. Пан-тух // Сельский механизатор. - 2012. - № 2. - С. 34-35, 41.

6. Павлюк, Р. В. Ремонтный комплект для восстановления работоспособности шпоночных соединений [Текст] / Р. В. Павлюк//Вестник АПК Ставрополья. - Ставрополь, 2012. -№6.-С. 51-54.

В сборниках научных трудов и научно-практических журналах:

7. Павлюк, Р. В. Анализ' надежности шпоночных соединений [Текст] / А. Т. Лебедев, Б. В. Малюченко, Р. В Павлюк // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК : сборник научных статей по материалам IV Международной научно-практической конференции в рамках XI Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2009». - Ставрополь : АГРУС, 2009. - С. 89-94.

8. Павлюк, Р. В. Анализ норм точности шпоночных соединений зерноуборочного комбайна «ДОН-1500» [Текст] / А. Т. Лебедев, Б. В. Малюченко, Р. В. Павлюк // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК : сборник научных статей по материалам

IV Международной научно-практической конференции в рамках XI Международной агропромышленной выставки «Агроунпверсал-2009». - Ставрополь : АГРУС, 2009. - С. 84-89^

9. Павлюк, Р. В. Анализ факторов, влияющих па надежность шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов «ДС1Н-1500» [Текст] / Р. В. Павлюк, А. Т. Лебедев // Машинно-технолопгаескаястажщя.-2010.-№2.-С. 45-47.

10. Павлюк, Р. В. Влияние способа устранения отказов на время восстановления раоото-способности зерноуборочных комбайнов [Текст] / Р. В. Павлюк, А. Т. Лебедев // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК : сборник научных статей по материалам

V Международной научно-практической конференции в рамках XII Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2010». - Ставрополь, 2010. - С. 185-190.

11. Павлюк, Р. В. Повышение ресурсанеподв1гжпых соединений зерноуборочных комбайнов [Текст] / Р. В. Павлюк, А. Т. Лебедев // Труды Всероссийской научно-производственной конференции «Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих инновационных технологий», посвященной 80-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки РФ, профессора И. Д. Тменова. - Владикавказ, 2010. - С. 55-56.

12. Павлюк, Р. В. Стенд для испытания шпоночных соединений [Текст] / Р. В. Павлюк // Актуальные проблемы научно-технического процесса в АПК : сборник научных статей по материалам VI Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2011». -Ставрополь: АГРУС, 2011. - С. 164-167.

13. Павлюк, Р. В. Структурные изменения сельскохозяйственной техники в Ставропольском крае [Текст] / Р. В. Павлюк // Перспективы и модели социально-экономического развития России и ее регионов : материалы региональной научно-практической конференции. -Ставрополь : АГРУС, 2011.-С. 193-196.

14. Павлюк, Р. В. Восстановление шкивов ременных передач зерноуборочных комбайнов при ремонте [Текст] / Р. В. Павлюк, А. Т. Лебедев // Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК : сборник материалов VI Российской научно-практической конференции. - Ставрополь, 2011. - С. 108-111.

15. Павлюк, Р. В. Проблема восстановления работоспособности шпоночных соединений [Текст] / Р. В. Павлюк // Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники. - Саратов, 2012. - С. 219-221.

16 Павлюк Р. В Влияние эффективности работы зерноуборочных комбайнов на себестоимость производства зерна [Текст] / Р. В. Павлюк, А. С. Шумскии, Н. Н. Образовский, А. Т. Лебедев // Научно-практическая конференция студентов и магистров аграрных вузов Северо-Кавказского федерального округа. - Нальчик, 2012. - С. 84-88.

Патенты па изобретение и полезные модели:

17 Пат 86682 Российская Федерация, Р16В 3/00. Шпоночное соединение [Текст] / Лебедев А. Т., Павлюк Р. В., Магомедов Р. А. [и др.]. 2008152632/22 ; заявл. 29.12.2008 ; опубл. 10.09.2009, Бюл. № 25. - 2 с.

18. Пат 2402701 Российская Федерация, И16Э 1/09. Съемная ступица для монтажа вращающегося элемента на приводном валу [Текст] / Лебедев А. Т., Павлюк Р. В., Магомедов Р. А. [и др ] - № 2009119273/11 ; заявл. 21.05.2009; опубл. 27.10.2010, Бюл. № 30. - 9 с.

19 Пат 2428295 Российская Федерация, В23Р11/02. Способ соединения с натягом деталей вал-втулка [Текст] / Лебедев А. Т., Павлюк Р. В., Магомедов Р. А. [и др.]. -№2010100664/02; заявл. 11.01.2010 ; опубл. 10.09.2011, Бюл. № 25. - 7 с.

Подписано в печать 01.03.2013. Формат 60x84 '/16. Гарнитура «Тайме». Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 101. Отпечатано в типографии годательско-полиграфического комплекса СтГАУ «АГРУС», г. Ставрополь, ул. Мира, 302.

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Департамент научно-технологической политики и образования ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет

04201357515 На правах рукописи

ПАВЛКЖ Роман Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ШПОНОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЗЕРНОУБОРОЧНЫХ КОМБАЙНОВ

05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в

сельском хозяйстве

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук, доцент ЛЕБЕДЕВ А.Т.

Зерноград - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

..................................................................Стр.

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................... 4

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ШПОНОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЗЕРНОУБОРОЧНЫХ КОМБАЙНОВ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ......................................................... 10

1.1 Краткая характеристика состояния сельскохозяйственной и уборочной техники........................................................... 10

1.2 Анализ работ и современных методов по повышению надежности зерноуборочных комбайнов и других сельскохозяйственных

машин........................................................................... 16

1.3 Классификация неподвижных соединений............................... 25

1.4 Причины выхода из строя и механизм изнашивания неподвижных соединений..................................................................... 30

1.5 Цель и задачи исследования................................................ 36

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ШПОНОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЗЕРНОУБОРОЧНЫХ КОМБАЙНОВ................................. 38

2.1 Основные показатели, влияющие на работоспособность зерноуборочных комбайнов................................................ 38

2.2 Теоретическое обоснование повышения работоспособности шпоночного соединения зерноуборочного комбайна................. 42

2.3 Способы повышения работоспособности шпоночного соединения..................................................................... 57

2.4 Теоретическое описание работы модернизированного шпоночного

соединения..................................................................... 60

Выводы по главе........................................................... 74

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................ 76

3.1 Методика экспериментальных исследований надежности

зерноуборочных комбайнов................................................. 77

3.1.1 Методика сбора и обработки исходной информации по узлам зерноуборочных комбайнов................................................ 77

3.1.2 Выбор необходимого количества наблюдаемых зерноуборочных комбайнов...................................................................... 78

3.1.3 Методика статистической оценки показателей надежности......... 80

rr

3.1.4 Методика исследования надежности агрегатов и систем

зерноуборочного комбайна................................................. 81

3.2 Методика микрометража и определения физико-механических свойств деталей и элементов шпоночных соединений.................. 83

3.3 Методика проведения стендовых испытаний модернизированного неподвижного соединения.................................................. 88

3.4 Описание экспериментальной установки................................ 89

3.5 Методика экспериментальных исследований зерноуборочных комбайнов, оборудованных предлагаемыми соединениями......... 92

3.6 Методика обработки экспериментальных данных..................... 94

3.6.1 Методика проведения многофакторного эксперимента.............. 94

3.6.2 Методика обработки результатов многофакторного эксперимента................................................................... 97

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ.................................... 99

4.1 Анализ надежности зерноуборочных комбайнов в рядовых условиях эксплуатации...................................................... 99

4.2 Анализ результатов микрометража и физико-механических свойств деталей шпоночных соединений, поступающих в

качестве запасных частей................................................... 110

4.3 Экспериментальная проверка работоспособности модернизированного неподвижного соединения...................... 115

4.4 Результаты эксплуатационых испытаний............................... 118

4.5 Анализ времени восстановления работоспособности неподвижных

соединений..................................................................... 119

Выводы по главе............................................................. 122

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЗЕРНОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА ОБОРУДОВАННОГО ПРЕДЛАГАЕМЫМ

НЕПОДВИЖНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ................................ 124

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.......................................................... 133

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................... 135

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................. 152

ВВЕДЕНИЕ

Сложные механические системы сельскохозяйственных машин требуют при своей эксплуатации обеспечение высокой надежности, как в процессе перевозки грузов, так и пассажиров, а также при выполнении производственных операций. Любые сбои в работе современной техники неизбежно приводят к серьёзным экономическим потерям, а часто и к экологическим катастрофам.

Касаясь надёжности работы зерноуборочной техники (в частности, комбайнов «Акрос 530», «Вектор 410», «Нива Эффект», «ДОН-1500Б» и др.), следует отметить, что сбои и простои в эксплуатации сельскохозяйственной техники ведут к значительным финансовым убыткам.

Обычно зерноуборочный комбайн состоит из большого числа разнородных, но связанных между собой составных частей и деталей: редуктор, подборщик, отбойный битер, молотильный агрегат, жатка, зерновой шнек, шкивы, звёздочки, шнеки, подшипники, шпонки, насосы, фильтры, транспортёр, тормоза и др.

Из таблиц дефектации, указанных в специальных руководствах, нормах и правилах изготовления и ремонта, следует, что в большинстве случаев определённые ограничения по эксплуатации имеют многочисленные пары трения, в частности, шпонки, шпоночные пазы, как правило, работающие в сложных условиях реверса и попадания абразива.

Вынужденные внеплановые простои сельскохозяйственной машины (комбайна) из-за отказа шпонки, обычно приводят к нарушению всего производственного процесса - от уборки, до погрузки и транспортировки готовой продукции. В итоге отказ шпоночных соединений техники в период уборочной страды оборачивается для страны миллионными убытками.

Вместе с тем, на снижение надёжности работы неподвижных соединений, как показывает практика, оказывает заметное влияние, как низкое качество изготовления, так и ремонта. При этом не всегда выдерживаются установленные допуски на изготовление или ремонт. Иногда применяется имею-

4

щийся материал, не соответствующий техническим требованиям. Есть случаи повреждений и отдельных элементов при сборке или демонтаже.

Не точное изготовление шпоночно-шлицевых соединений приводит к тому, что шпонка в пазу начинает перекашиваться не равномерно воспринимая возникающие усилия, и, как следствие, быстро изнашиваться и сминается, повреждая пазы вала и втулки.

В связи с этим, для повышения эффективности использования сложных сельскохозяйственных машин, снижения затрат при их функционировании, повышения сменной производительности и снижения потерь зерна при его уборке, возникла необходимость модернизации неподвижных соединений зерноуборочных комбайнов.

Цель: Повышение работоспособности шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов совершенствованием их конструкции.

Объект исследования: Шпоночные соединения механических приводов зерноуборочных комбайнов.

Предмет исследования: Закономерности контактного взаимодействия рабочих поверхностей деталей шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов.

Методика исследований: В работе использовались теоретические и эмпирические исследования. Основной метод исследования показателей использования зерноуборочных комбайнов - статистический, при этом использовалась теория планирования эксперимента. При обработке полученных результатов применялись методы математической статистики и теории вероятностей, расчеты выполнялись на ЭВМ.

Результаты научных исследований отражены в разделах диссертации.

В первой главе «Современное состояние вопроса повышения работоспособности шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов и задачи исследований» на основе анализа состояния рынка сельскохозяйственной техники и обеспеченности средствами механизации, обзора основных направлений по

повышению надежности зерноуборочных комбайнов и других сельскохозяй-

5

ственных машин, причин выхода из строя и механизма изнашивания неподвижных соединений сформулирована цель и поставлены задачи исследования.

Вторая глава «Теоретические предпосылки повышения работоспособности шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов» посвящена описанию основных показателей, влияющих на работоспособность зерноуборочных комбайнов. Эта глава включает теоретическое обоснование рациональной технологии снижения времени восстановления работоспособности зерноуборочных комбайнов, путем внедрения модернизированной конструкции шпоночного соединения. Представлена зависимость, учитывающая влияние силы затяжки, конусности втулки в модернизированном шпоночном соединении и соотношения толщины стенки его втулки к ее минимальному диаметру на величину передаваемого им крутящего момента.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложены методики экспериментальных исследований надежности зерноуборочных комбайнов, микрометража деталей шпоночных соединений, поступающих в качестве запасных запчастей, проведения стендовых и эксплуатационных испытаний их модернизированной конструкции. Представлено необходимое для этого оборудование и экспериментальная установка.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» представлены результаты эксплуатационных отказов зерноуборочных комбайнов в Ставропольском крае, продолжительности восстановления работоспособности неподвижных соединений, микрометража и определения физико-механических свойств деталей шпоночных соединений, поступающих в качестве запасных частей в Ставропольский край, экспериментальной проверки работоспособности предложенного модернизированного соединения.

В пятой главе «Технико-экономическая оценка работоспособности зерноуборочного комбайна оборудованного предлагаемым неподвижным соединением» проведена технико-экономическая оценка эффективности переоборудования одного из приводов зерноуборочного комбайна предлагаемым

6

неподвижным соединением, обладающим повышенной надежностью и долговечностью, что позволило получить определенный экономический эффект.

Научную новизну работы составляют:

- предложенный подход рассмотрения зерноуборочного комбайна как сложной системы, низшим элементом которой являются рабочие поверхности деталей шпоночного соединения, позволивший определить целевое назначение пар контактирования неподвижных соединений с точки зрения надежности обеспечения передачи крутящего момента;

- зависимость, учитывающая влияние силы затяжки, конусности втулки в модернизированном шпоночном соединении и коэффициента соотношения толщины стенки его втулки к ее минимальному диаметру на величину передаваемого им крутящего момента;

- результаты исследований показателей безотказности шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов, микрометража их деталей, поступающих в качестве запасных запчастей, стендовых и экспериментальных испытаний их модернизированной конструкции;

- динамика изменения времени и затрат на восстановление работоспособности шпоночных соединений, до и после их модернизации.

Практическая ценность: Предложены способы повышения работоспособности шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов применением усовершенствованных их конструкций для передачи крутящих моментов приводами, а именно шпоночное соединение (1Ш 86682), способ соединения с натягом деталей вал-втулка (БШ 2428295) и съемная ступица для монтажа вращающегося элемента на приводном валу (1Ш 2402701).

Разработана технологическая документация и маршрутно-технологические карты на изготовление съемной ступицы для монтажа вращающегося элемента на приводном валу, которая позволяет выполнять все технологические операции по модернизации шпоночных соединений при их ремонте.

Реализация результатов исследований. По результатам выполненных исследований разработан комплект технологической документации на изготовление ремонтного комплекта приводных шкивов и звездочек зерноуборочных комбайнов (1Ш 2402701), который был рекомендован к использованию на ОАО РТП «Усть-Лабинсктехсервис» Краснодарского края, КФХ «Скиф» Изобильненского района Ставропольского края.

Разработанный стенд для испытания неподвижных соединений внедрен в учебный процесс ФГБОУ ВПО Ставропольского ГАУ факультета механизации при проведении лабораторно-практических занятий.

Апробация работы. Основные результаты исследований изложены на: на IV - VI международных научно-практических конференциях в рамках XI -XIII международных агропромышленных выставок "Агроуниверсал" (г. Ставрополь, 2009-2011 г.г.); на Всероссийской научно-производственной конференции "Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих инновационных технологий", посвященной 80-летию заслуженного деятеля науки Российской Федерации, профессора И.Д. Тменова (г. Владикавказ, 2010 г.); на VI Российской научно практической конференции "Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК" (г. Ставрополь, 2011 г.); научно-практической конференции студентов и магистров аграрных вузов Северо-Кавказского федерального округа (г. Нальчик, 2012); выставке-конкурсе "Инновации года" г. Ставрополь, 2009г., 2011г.

Победитель конкурса инновационных проектов «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» (У.М.Н.И.К) (г. Ставрополь, 2010г.) по теме «Повышение эффективности использования уборочной техники модернизацией неподвижных соединений».

На защиту выносятся следующие научные положения:

новый подход рассмотрения зерноуборочного комбайна как сложной иерархической системы, низшим элементом которой являются рабочие

поверхности деталей шпоночного соединения, позволяющий определить це-

8

левое назначение пар контактирования неподвижных соединений с точки зрения надежности обеспечения передачи крутящего момента;

- модернизированная конструкция шпоночного соединения зерноуборочного комбайна, обеспечивающая повышение долговечности и снижение времени восстановления его работоспособности;

- зависимость, учитывающая влияние силы затяжки, конусности втулки в модернизированном шпоночном соединении и коэффициента соотношения толщины стенки его втулки к ее минимальному диаметру на величину передаваемого им крутящего момента;

- результаты исследований показателей безотказности шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов, микрометража их деталей, поступающих в качестве запасных запчастей, стендовых и экспериментальных испытаний их модернизированной конструкции.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Материал изложен на 151 странице машинописного текста, содержит 16 таблиц, 63 иллюстрации и 10 приложений. Список использованной литературы состоит из 171 наименования, из них 6 - на иностранных языках.

Публикации. По основным положениям диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 6 публикаций в изданиях рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на полезную модель и 2 патента на изобретение.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ШПОНОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЗЕРНОУБОРОЧНЫХ КОМБАЙНОВ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Краткая характеристика состояния сельскохозяйственной и

уборочной техники

Сельское хозяйство является одной из важнейших отраслей экономики государства. Оно дает жизненно необходимую человеку продукцию: основные продукты питания и сырье для выработки предметов потребления. Сельское хозяйство производит свыше 12% валового общественного продукта и более 15% национального дохода России, сосредоточивает 15,7% производственных основных фондов. Одним из важных и перспективных направлений в развитии сельского хозяйства является интенсификация возделывание зерновых и пропашных культур [137].

Статистический анализ динамики урожайности зерновых культур в России по годам и распределения полей по урожайности показывает, что в России в целом около 75 % площадей стабильно имеют урожайность зерна менее 20 ц/га при среднем отношении массы зерна к массе соломы 1 : 1,5 (хотя каждый регион имеет свое распределение) [137].

Ставропольский край - один из главных поставщиков зерна в России и за рубеж. Развитие производственного сектора АПК невозможно без коренного обновления машинно-тракторного парка, оборудования для животноводства и поддержания его в исправном состоянии и проведения своевременного ТО.

Тенденция снижения машин и механизмов, необходимых для выполнения производственных процессов, коснулась и Ставр