автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Создание и исследование работоспособности ручной машины с волновой передачей

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 : АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ РУЧНЫХ МАШИН, ВОЛНОВЫХ ПЕРЕДАЧ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ БУРЕНИЯ ГРУНТОВ

1.1. Классификация строительных ручных машин.

1.2. Двигатели, применяемые в ручных машинах.

1.3. Передачи, используемые в ручных машинах и средствах малой механизации.

1.4. Волновая зубчатая передача.

1.5. Волновая передача с промежуточными телами качения.

1.6. Ручные мотобуры.

1.7. Методы расчета и выбора параметров бурения грунтов.

ГЛАВА 2: РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ РУЧНОЙ МАШИНЫ ЭЛЕКТРОБУР

2.1. Разработка кинематической схемы ручной машины электробур.

2.2. Расчет рабочих параметров ручного электробура

2.2.1. Устройство и принцип работы электробура.

2.2.2. Расчет необходимой мощности электродвигателя.

2.3. Волновая зубчатая передача для привода электробура

2.3.1. Выбор параметров зацепления гибкого и жесткого колес.

2.3.2. Расчет геометрических параметров зацепления.

2.3.3. Проверка по усталостной прочности обода гибкого колеса.

2.4. Динамическая характеристика привода.

ГЛАВА 3: РАЗРАБОТКА МЕТОДА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ РУЧНОЙ

МАШИНЫ ЭЛЕКТРОБУР

3.1. Основные положения метода.

3.2. Текст программы расчета.

3.3. Графические зависимости.

ГЛАВА 4: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИВОДА ЭЛЕКТРОБУРА НА СТЕНДЕ

4.1. Программа исследований.

4.2. Исследование шумовой характеристики привода.

4.3. Исследование вибрационной характеристики привода.

4.4. Исследование теплового режима работы привода.

ГЛАВА 5: ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВОЛНОВОЙ ПЕРЕДАЧИ С КОЛЛЕКТОРНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ В ПРИВОДАХ РУЧНЫХ МАШИН 5.1. Обоснование целесообразности применения волновой зубчатой передачи с коллекторным двигателем в приводах ручных машин.

5.2. Рекомендации по проектированию и эксплуатации привода.

ВЫВОДЫ.

Актуальность темы. Анализ классификации ручных машин (РМ), используемых в строительстве [13,55] показывает, что характерной чертой разработанных конструкций [1, 13,14,16,19,23,28,36,39,42,43,55,60] является небольшой крутящий момент на шпинделе. Этого момента достаточно для выполнения операций сверления, строгания, пиления, шлифования и т.п. Но существуют такие виды работ в строительстве, которые требуют достаточно высокого крутящего момента на рабочем органе. Например, бурение ям под столбы ограждения, под фундамент для различных построек; бурение шпуров для взрывных работ; бурение шпуров при инженерных изысканиях; перемешивание смесей; подтягивание и подъем грузов; нарезание резьбы и т.п.

Общими требованиями, предъявляемыми к ручным электрическим машинам различных видов, являются обеспечение удобства в работе, высокой производительности, минимальных габаритов и массы при полной безопасности оператора [57]. Широкое распространение в приводах РМ получили однофазные коллекторные двигатели. Эти двигатели имеют небольшую массу и размеры в сравнении с двигателями других типов[21, 55, 57, 59,60].

Соединение волновой зубчатой передачи или волновой передачи с промежуточными телами качения с однофазным коллекторным двигателем приводит к созданию привода для механизированного инструмента с небольшой массой и размерами, предназначенного для малых объемов работ и работ в стесненных условиях. Ручная машина электробур, разработанная на базе такого привода может быть классифицирована как строительная РМ для разработки камня и грунта [13,55]. Такая машина при равной производительности имеет небольшие размеры и значительно легче, чем аналогичные конструкции, разработанные в других отраслях народного хозяйства [49,57].

Основные вопросы теории и рекомендации по проектированию волновых зубчатых передач (ВЗП) изложены в работах [9,10,12,15,25,26,30,35,64]. Существующие аналитические зависимости для определения диаметра гибкого колеса волновой зубчатой передачи могут применяться для частоты вращения генератора волн до 3500 мин"1. В настоящее время известна конструкция ВЗП с цилиндрическим гибким колесом, в которой частота вращения волнообразователя достигает 6000 мин"1 [9]. Специфика работы ВЗП с высокими оборотами генератора волн, от 10000 мин*1 до 20000 мин"1, не исследована и представляет особый интерес.

Теория зацепления волновых передач с промежуточными звеньями (ВППЗ) и рекомендации по проектированию таких передач рассматриваются в работах [44, 45].

Теоретические основы процесса шнекового бурения грунтов I-IV категории изложены в работах [6,8,27,38,49]. В настоящее время расчет требуемой мощности буровой машины в зависимости от типа грунта и вида рабочего органа не автоматизирован. Физико-механические свойства грунтов классифицированы и сведены в таблицы [17,23,24], но этого явно недостаточно для повышения производительности проектирования новой техники. Трудоемкость расчетов существующими методами очевидна. Необходимо создание метода автоматизированного определения мощности двигателя ручной машины электробур в зависимости от типа грунта и особенностей конструкции рабочего органа. Использование ЭВМ в процессе проектирования и на стадии эксплуатации облегчит расчеты и поможет спрогнозировать рабочие и эксплуатационные характеристики ручной машины электробур в зависимости от известных или предполагаемых физико-механических свойств грунта и вида рабочего органа.

Усилия, направленные на создание и исследование работоспособности ручной машины электробур на базе коллекторного двигателя с волновым зубчатым редуктором и с редуктором с волновой передачей с промежуточными звеньями, актуальны для строительства и сельского хозяйства. Данная разработка может рассматриваться как высокотехнологичная продукция и рекомендоваться российским заводам военно-промышленного комплекса в качестве продукта конверсии.

Цель работы. Создание и исследование работоспособности ручной машины электробур на базе коллекторного двигателя с волновой зубчатой передачей (ВЗП) и с волновой передачей с промежуточными звеньями (ВППЗ).

Задачи исследования: - изучение рабочего процесса и потенциальных возможностей ручной машины электробур с новыми конструктивными признаками;

- установление рациональных геометрических параметров гибкого колеса ВЗП с учетом работы передачи при частоте вращения генератора волн 12000. .18000 мин'1;

- разработка инженерного метода автоматизированного выбора мощности двигателя;

- создание экспериментального образца, исследование и испытание его в лабораторных условиях.

Научная новизна заключается:

- в разработке кинематических схем ручной машины электробур с новыми конструктивными признаками, позволяющими качественно изменить рабочий процесс механизма;

- в уточнении зависимости диаметра гибкого колеса от силовых и физических параметров с учетом работы передачи при частоте вращения волнообразователя 12000. .18000 мин"1;

- в разработке метода автоматизированного определения необходимой и достаточной мощности коллекторного двигателя по известным или ожидаемым физико - механическим характеристикам разрабатываемого грунта и по виду рабочего органа;

- в получении экспериментальных данных по шумовой, вибрационной, тепловой характеристики привода ручной машины электробур и в установлении влияния этих факторов на работоспособность и безопасную эксплуатацию механизма.

На защиту выносятся:

- кинематические схемы электробура с волновой передачей (ВЗП и ВППЗ);

- уточненная теоретическая зависимость диаметра гибкого колеса ВЗП от силовых и физических параметров с учетом частоты вращения генератора волн 12000. 18000 мин"1;

- метод автоматизированного выбора мощности электродвигателя ручной машины электробур в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого грунта и от вида рабочего органа;

- результаты экспериментальных исследований виброактивности, шу-моактивности и теплового режима работы ручной машины электробур. Практическая ценность и реализация работы:

- разработаны и обоснованы новые кинематические схемы ручной машины электробур;

- разработан простой и наглядный метод автоматизированного расчета мощности двигателя в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого грунта и вида рабочего органа;

- создан экспериментальный образец ручной машины электробур и подтверждена его работоспособность. Машина имеет небольшую массу и габариты, удобна в эксплуатации и достаточно эстетична. Рабочие чертежи и метод выбора мощности ручной машины электробур используются в "НПП Технотрон" г.Томск. Внедрение ручной машины в народное хозяйство для нужд мелких производителей и исследовательских организаций даст существенный экономический и социальный эффект. Ручная машина электробур используется в учебном процессе, как наглядное пособие по разделу "Детали машин" в ТГАСУ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на международном конгрессе " Зубчатые передачи - 95 " в Софии; на международной научно-технической конференции "Интерстроймех - 96" в Москве; на всероссийской XXX научно-технической конференции "Актуальные проблемы современного строительства" в 1999 году в Пензе; на VI и VII международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии " СТТ-2000, СТТ-2001 в ТЦУ г. Томск; на научном семинаре кафедры "Детали машин" Московского государственного строительного университета; на производственном совещании на Московском радиотехническом заводе; на научных семинарах кафедр " Прикладная механика и материаловедение " и "Строительные и дорожные машины" Томского государственного архитектурно - строительного университета; на научном семинаре кафедры "Компьютеризация машиностроения " в Томском политехническом университете. Зарегистрировано участие в 5-й универсальной выставке-ярмарке "Снабжение севера -98" и выставке "Интеграция - 98" проходившей в Томском технопарке.

Публикации. Основные результаты работы отражены в 11 публикациях. Получено 1 свидетельство на полезную модель и 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 64 наименований и приложений. Общий объем работы 133с., в том числе основной текст 121 е., 32 рисунка и 7 таблиц.

ВЫВОДЫ:

1. Разработаны кинематические схемы РМ электробур с ВЗП и ВППЗ. Спроектирован и изготовлен экспериментальный образец ручной машины электробур на базе коллекторного двигателя с полезной мощностью 750 Вт и волновой зубчатой передачи с передаточным отношением U=80.

2. Ручная машина прошла стендовые испытания, в ходе которых подтвердила свою работоспособность. Уровень шума и вибрации соответствует стандартным требованиям, а тепловой режим работы соответствует требованиям, предъявляемым к нагревостойкости обмоток двигателя, к свойствам как жидких, так и пластичных смазывающих материалов.

3. Расчетная долговечность гибкого колеса ВЗП составляет 500 часов и соответствует паспортной долговечности коллекторного двигателя.

4. Разработан метод автоматизированного определения мощности двигателя в зависимости от типа грунта и особенностей конструкции рабочего органа. По этому методу можно прогнозировать расход мощности РМ в зависимости от различных эксплуатационных факторов и выбирать наиболее приемлемые в конкретных условиях режимы бурения.

5. Новая ручная машина имеет небольшую массу и экономически эффективнее при производстве небольших по объему строительных работ в сравнении с существующими аналогами. В классификации ручных строительных машин по назначению и области применения [13], соответствующей ГОСТ 16436-70, такую машину можно отнести к машинам для обработки камня и грунта, дополнив классификацию новым видом ручной строительной машины - бур. В ГОСТ 16436-70 "Машины ручные пневматические и электрические. Термины и определения" предлагается ввести новый термин: "Буровая ручная машина" и определение: "Пневматическая (электрическая) буровая ручная машина для образования шпуров и неглубоких скважин в грунтах и горных породах".

6. Устройство защищено 1 свидетельством на полезную модель и 1 патентом на изобретение и может рассматриваться как продукция двойного назначения. Рекомендуется к освоению российским заводам ВПК (военно-промышленного комплекса) в качестве продукта конверсии или в качестве расширения номенклатуры, выпускаемых изделий.

1. Алешин Н.И. Машины и оборудование в жилищно-коммунальном хозяйстве и строительстве. -М.: Стройиздат, 1979.-272с.

2. Андрющенко В.М. Математические таблицы для расчета зубчатых передач. -М.: Машиностроение, 1974.-440с.

3. Балансировка машин и приборов / Под ред. В.А. Щепетильникова. М.: Машиностроение, 1979.-294с.

4. Бабков В.Ф., Безрук В.М. Основы грунтоведения и механики грунтов. -М.: Высш. шк., 1986.-239с.

5. Болотовская Т.П., Болотовский И.А., Бочаров Г.С. и др. Справочник по геометрическому расчету эвольвентных зубчатых и червячных передач. М.: Машиностроение, 1963.-472с.

6. Башкатов Д.Н., Олоновский Ю.А. Вращательное шнековое бурение геологоразведочных скважин. -М.: Недра, 1968.-192с.

7. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. -М.: Машиностроение, 1979.-702с.

8. Велицкий И.С. Современные машины для неглубокого вращательного бурения. Обзор. -М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1970.- 35с.

9. Волков Д.П., Крайнев А.Ф. и др . Волновые зубчатые передачи. Киев: Техника, 1976.-222с.

10. Волков Д.П., Крайнев А.Ф. Трансмиссии строительных и дорожных машин. Справочное пособие. -М.: Машиностроение, 1974.-422с.

11. Волков Д.П., Кранев А.Ф. Планетарные, волновые и комбинированные передачи строительных и дорожных машин. -М.: Машиностроение, 1968. -272с.

12. Волновые зубчатые передачи и механизмы: Сб. тр./ Моск. инж.-строит, ин-т им. В.В. Куйбышева. -М.: МИСИ, 1985.-141с.

13. Гальперин М.И., Домбровский Н.Г. Строительные машины.-М.: Высш. школа, 1980.-344с.

14. Гехтман Э.И. Современные средства малой механизации. -Рига, ЛИЕС-МА, 1978.-244с.

15. Гинзбург Е.Г. Волновые зубчатые передачи. -JL: Машиностроение, 1969.j

16. Гринкевич П.С. Строительные машины. -М.: Машиностроение, 1965. -547с.

17. Джангулян Э.А. Землеройные машины. -Ереван: Луйс, 1978,- 341с.

18. Диментберг Ф.М., Фролов К.В. Вибрация в технике и человек. М.: Знание, 1987.-160с.

19. Добронравов С.С. Строительные машины и оборудование: Справочник. -М.: Высш. школа, 1991.-456с.

20. Домбровский Н.Г., Панкратов С.А. Землеройные машины. 41. М.: Госстрой, 1961. -650с.

21. Ермолин Н.П. Электрические машины малой мощности.-М.: Высшая школа, 1967. -610с.

22. Житомирский В.К. Механические колебания и практика их устранения. -М.: Машиностроение, 1966.-174с.

23. Заленский B.C. Строительные машины. Примеры расчетов. -М.: Строй-издат, 1983.-271с.

24. Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керов И.П. Машины для земляных работ. -М.: Машиностроение, 1975. 424с.

25. Иванов М.Н. Волновые зубчатые передачи. -М.: Машиностроение, 1981.

26. Иванов М.Н., Финогенов В.А. Волновые передачи. Рекомендации по инженерным расчетам. -М.: ВНИИмаш, 1982.-80с.

27. Кардыш В.Г., Мурзаков В.В., Окмянский А.С. Бурение неглубоких скважин. -М.} Недра, 1971. 240с.

28. Карякина О.И., Новиков А.Н., Рубинчик Б.М. Средства малой механизации, садово-огородный инструмент и инвентарь для личных подсобных хозяйств и приусадебных участков. Альбом. Ч.И. -М.: ВНИИТЭМР, 1992.-104с.

29. Катанов Б.А., Сафохин М.С. Режущий буровой инструмент. -М.: Машиностроение, 1976.-168с.

30. Ковалев Н.А. Передачи гибкими колесами. -М.: Машиностроение, 1979.

31. Колебания машин с механизмами циклового действия. / И.И. Вульфсон. -JI.: Машиностроение, 1990.-309с.

32. Крайнев А.Ф. Детали машин. Словарь-справочник. -М.: Машиностроение,1992.-480с.

33. Кудрявцев Е.М. Основы автоматизации проектирования машин. -М.: Машиностроение, 1993. -336с.

34. Кузин Ф.А. Кандидатская диссертация. Методика написания, правила оформления и порядок защиты. Практическое пособие для аспирантов и соискателей ученой степени. -М: Ось-89,2000. -224с.

35. Лифанов Ю.Н. Волновые зубчатые передачи. -Рига: ЛатвНТИИ, 1969.

36. Мартынов В.Д., Сергеев В.П. Строительные машины.-М., Высшая школа, 1970.- 304с.

37. Машины для земляных работ / Ю. А. Ветров, А. А. Кархов, А.С. Кондра, В.П. Станевский. -Киев: Вища школа, 1981.- 384с.

38. Машины для земляных работ / Д.П.Волков, В.Я.Крикун, П.Е.Тотолин и др., -М.: Машиностроение, 1992 448с.

39. Механизированный инструмент, отделочные машины и вибраторы. Каталог-справочник. Изд.2-е. -М.: Машиностроение, 1972.-472с.

40. Мини-тракторы. В.В.Бурков, Е.П.Зикунов, М.Е.Иовлев, Н.Н. Ткешела-швили. -Л.: Машиностроение. Ленинград, отд-е, 1987.-272с.

41. МокееваВ.Н., ТимохинаТ.А. К вопросу о двигателях для средств малой механизации// Создание и совершенствование конструкции ДВС, их узлов, агрегатов и деталей для перспективных тракторов, комбайнов и средств малой механизации: Труды /НПО ЦНИТА.-Л.,1990.

42. Отраслевой каталог: Строительный механизированный ручной инструмент, отделочные машины и вибраторы. Изд.7-е. -М.: ЦНИИТЭ, 1990.

43. Отраслевой каталог: Строительный механизированный ручной инструмент. -М.: ЦНИИТЭ, 1992.-186с.

44. Отчет о НИР "Разработка методик расчета редуктора повышенной точности и долговечности". Инв. номер гос.регистрации № 0188.0081983. 1988, 53с.

45. Панкратов Э.Н. "Проектирование механических систем автоматизированных комплексов для механообрабатывающего производства.: Практикум лидера-проектировщика. Томск: изд-во Том. ун-та, 1998.- 295с.

46. Подшипники качения: Справочник каталог/ Под ред. В.Н. Нарышкина и Р.В. Коросташевского. -М: Машиностроение, 1984.-280с.

47. Поливанов П.М. Таблицы для подсчета массы деталей и материалов: Справочник. -М.: Машиностроение, 1980. -352с.

48. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Том 3. /Подред. И.А.Биргераи Я.Г.Пановко. -М.:Машиностроение, 1968.-567с.

49. Ребрик Б.М. Бурение инженерно геологических скважин. Справочник. -М.: Недра, 1990. -258с.

50. Рекомендации по экспериментальному определению динамических характеристик машин предприятиями машиностроительной промышленности. -М.: Машиностроение, 1972.-78с.

51. Ресурс машин и конструкций. / В.В. Болотин. -М.: Машиностроение, 1990.

52. Решетов Д.Н. Детали машин. -М.: Машиностроение, 1989.-496с.

53. Решетов Д.Н., Иванов А.С., Фадеев В.З. Надежность машин.-М.: Высшая школа, 1988.-238с.

54. Румшинский JI.3. Элементы теории вероятностей. -М.: Наука, 1966. -155с.

55. Сергеев В.П. Строительные машины и оборудование. -М.: Высшая школа, 1987.-376с.

56. Справочник технолога-машиностроителя в 2-ух т., Т.2 /Под ред. А.Г. Ко-силовой и Р.М.Мещерякова.-4-е изд., -М.: Машиностроение, 1986.-496с.

57. Справочник по электрическим машинам.: В 2-х томах. /Под общ. ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова-М.: Энергоатомиздат, 1989.

58. Средства малой механизации в растениеводстве и животноводстве. Каталог. Части 1-2. -М.:Информагротех,1993.-108с.

59. Стандарт СЭВ 6338-88. Машины электрические вращающиеся. Номинальные данные и рабочие характеристики.

60. Строительное, дорожное и коммунальное машиностроение. Серия 7. Строительный механизированный ручной инструмент, отделочные машины и вибраторы. Обзорная информация. Выпуск 1. М. : ВНИИстройдормаш, 1987.- 35с.

61. Терминология Единой системы конструкторской документации: Справочник. -М.: Издательство стандартов, 1990.-96с.

62. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У.У. Колебания в инженерном деле. -М.: Машиностроение, 1985. -472с.

63. Фаронов В.В. Delphi 4. Учебный курс. -М.: "Нолидж", 1999.-464с.

64. Цейтлин Н.И., Цукерман Э.М. Волновые передачи. -М.: ВИНИТИ, 1969.