Технические науки/3. Отраслевое машиностроение

К.т.н.Дудніков В.С., студент Шевцов М.С.

Дніпропетровський національний університет, Україна

Cтенд для випробувань гвинтових механізмів

Дане повідомлення відноситься до машинобудування, а саме до випробувальної техніки, і може бути використане для випробування гвинтових механізмів при дії осьових навантажень.

Відомі стенди для проведення статичних або мало рухливих випробувань гвинтових передач [1, с.186,187,рис.92а]. У найбільш простій конструкції стенду передача своєю веденою ланкою через динамометр з'єднується з основою, а навантаження на ведучий ланці створюється тарованим вантажем, утворюючим пару сил. Навантаження змінюється дискретно, не можна здійснювати програмне навантаження у часі. Для проведення динамічних (під дією навантаження) випробувань гвинтова передача отримує рушійний обертаючий момент і своєю вихідною ланкою з'єднується з навантажувачем [1,с.190,191,рис.95]. Навантажувач зазвичай виконують пружинним, пневматичним, гідравлічним. Однак пружинний навантажувач не забезпечує сталість випробного навантаження, при великих навантаженнях і ходах випробовуваної передачі він виходить дуже громіздким. Не забезпечується програмне навантаження у часі. Пружинний навантажувач небезпечний в експлуатації, наприклад при аварійному розриві вихідної ланки випробовуваної передачі. Неможливо реверсувати навантаження, внаслідок чого випробовувана передача буде працювати тільки однією бічною поверхнею нарізі.

Пневматичний або гідравлічний навантажувач для створення великих зусиль вимагає великих тисків робочого середовища (відповідно повітря і рідини), що ускладнює їх конструкцію, експлуатацію, збільшує розміри. Також є джерелами підвищеної небезпеки при аварійному розриві вихідної ланки випробовуваної передачі.Утруднено реверсування випробувального зусилля.

Відомий стенд для випробування гвинтових передач [2]. Стенд містить основу, на якій закріплені випробуваний гвинтовий механізм і навантажувальний пристрій. Навантажувальний пристрій виконано у вигляді електромагніту постійного струму, сердечник якого встановлений з можливістю переміщення разом з гайкою випробовуваної гвинтової передачі, і пружини розтягування, пов'язаної також з гайкою та основою. Стверджується, що при цьому створюється постійне за величиною навантаження. Це навантаження складається з зусилля розтягнутої пружини і електромагнітної сили, яка прагне втягнути сердечник назад в обмотку електромагніту.

Недоліком відомого стенду є його індивідуальність (для кожної гвинтової передачі потрібні свої за характеристиками пружини розтягування та електромагніт), випробувальне навантаження залишається постійним тільки на деякій обмеженій ділянці робочого ходу гвинтової передачі, незначна величина випробувального навантаження, неможливість реверсування (зміна напрямку) випробувального навантаження, що не дає можливості навантажувати другу робочу сторону профілю нарізі.

В зв’язку з цим актуальную є задача забезпечення універсальності випробувального стенду, що дозволяє випробувати різноманітні гвинтові механізми, з великим діапазоном осьових навантажень, з постійністю навантажень на всьому робочому ході механізмів, з можливістю програмної зміни навантаження, а також реверсування навантаження.

Це завдання вирішується тим, що у стенді для випробування гвинтових механізмів, що включає основу, на якій закріплені випробовуваний гвинтовий механізм і навантажувальний пристрій, , навантажувальний пристрій виконано у вигляді несамогальмівної передачі гвинт-гайка, гвинт якої жорстко з'єднаний з поступально переміщающимся штоком випробовуваного механізму, а гайка, яка встановлена на основі з можливістю обертання, за допомогою зубчастого мультиплікатора з'єднана з гальмом обертального руху, наприклад з

керованим електромагним порошковим гальмом між штоком випробовуваного механізму та гвінтом несамогальмівної передачі гвинт-гайка встановлено реверсивний силовимірювальний пристрій.

На гвинті несамогальмівної передачі виконаний поздовжній паз під направляючу шпонку, закріплену на основі.

Сутність пропанованого технічного рішення пояснюється рисунком, на якому пропонований стенд зображений схематично. Стенд включає основу 1, на якій закріплені випробовуваний електропривод поступального переміщення на основі гвинтового механізму 2, і навантажувальний пристрій 3. Електропривід 2 містить електродвигун 4, з'єднаний з ним гвинт 5,що обертається гайку 6, закріплену в штоці 7, що може поступально переміщуєтися по направляючій шпонці 8 відносно корпусу 9. Переміщення штока 7 обмежується двома кінцевими вимикачами 10, 11. Між приводом 2 і навантажувальним пристроєм 3 встановлено реверсивний силовимірювальний пристрій 12.

Навантажувальний пристрій 3 містить несамогальмівну передачу гвинт-гайка, наприклад тертя кочення або багатозахідну передачу тертя ковзання, гвинт 13 який жорстко з'єднаний з пристроєм 12. На гвинті 13 виконано поздовжній паз під направляючу шпонку 14, закріплену на основі 1. Гайка 15 несамогальмівної передачі закріплена на основі 1 з можливістю обертання в підшипниках 16. На гайці 15розміщується зубчастий вінець 17, що зачіпляється із зубчастим колесом зубчастого мультиплікатора 18. Зубчастий мультиплікатор 18 за допомогою муфти з'єднаний з електромагнітним порошковим гальмом 19. Зубчастий мультиплікатор 18 може бути виконаний багатоступеневим або у вигляді коробки передач для зміни передавального відношення.

Стенд працює таким чином. При включенні електродвигуна 4 починає обертатися вал 5. У зачепленні з гайкою 6 обертальний рух перетворюється в поступальне переміщення штока 7 відносно корпусу 9. Поступальне переміщення штока 7 через силовимірювальний пристрій 12 передається гвинту 13 несамогальмівної передачі гвинт-гайка. Поступальне переміщення гвинта 13 перетворюється в обертальний рух гайки 15, встановленої в підшипниках 16. Обертання гайки 15 за допомогою зубчастого вінця 17 передається зубчастому мультиплікатору 18, а від нього порошковому гальму 19. При вимкненому гальмі 19 гвинт 5 і гайка 6 навантажені невеликим осьовим зусиллям, що визначене величиною залишкового моменту тертя в гальмі і втратами в рухомих з'єднаннях кінематичного ланцюга стенду.

При включенні гальма 19, керуючи величиною поданої напруги живлення, можна регулювати величину створюваного моменту тертя в гальмі, а, отже, і величину осьового зусилля в випробувальному механізмі. Величина випробувального осьового зусилля фіксується силовимірювальним пристроєм 12.При досягненні штоком 7 своїх гранично допустимих положень спрацьовують кінцеві вимикачі 10, 11, які подають сигнал на зупинку двигуна 4 та його реверсування. При реверсуванні двигуна 4 відбувається реверсування напрямку переміщення гвинта 13, обертання гайки 15, мультиплікатора 18, гальма 19. Зміна напрямку обертання ротора гальма не призводить до зміни величини створюваного гальмівного моменту. Момент тертя між гайкою 15 і гвинтом 13 сприймається шпонкою 14 і замикається на основу 1.

У пропонованому стенді випробувальне навантаження створюється ходом самого випробовуваємого механізму. Якщо він не працює, то навантаження на нього відсутне. Це забезпечує безпеку експлуатації стенду. Так, наприклад, при розриві вала випробовуваємого механізму елементи навантажувача не отримують поступальних переміщень, а навантаження відразу ж обнуляється. Повністю виключається можливість надмірного, аварійного, зростання випробного навантаження при виході з ладу порошкового гальма, так як він створює гальмівний момент тільки при наявності електричного живлення, а сама його конструкція виключає механічне заклинювання частин.

Використання в якості навантажувача несамогальмівної передачі гвинт-гайка, гайка якої обертається і при цьому гальмується, значно спрощує конструкцію самого стенда та його експлуатацію. Відпадає необхідність у розробці спеціальних потужних гальмівних пристроїв поступального переміщення. В якості гальмівних можуть використовуватися не тільки електромагнітні порошкові, а й будь-які інші серійні загальнодоступні гальма обертального принципу дії.

Використання ж керованих порошкових гальм дозволяє здійснювати будь-яке програмне навантаження в часі, що дає можливість імітувати експлуатаційні закони навантаження випробовуваного приводу поступального переміщення. Це підвищує достовірність експериментальної інформації про технічні характеристики і можливості досліджуваного електроприводу. Можливість дистанційного електричного керування гальмом забезпечує безпеку випробувань.

Стенд відрізняється універсальністю, оскільки дозволяє при одному і тому ж гальмі випробовувати приводи з різними рівнями максимальних навантажень. Для досягнення цих можливостей його зубчастий мультиплікатор може бути забезпечений комплектом змінних шестерен або виконаний у вигляді коробки передач. Виконання мультиплікатора у вигляді коробки передач дозволяє уникнути перемонтажа навантажувача. Можливість варіювання параметрами (кроком, числом входів, діаметром) стендової гвинтової передачі дозволяє отримувати значні випробувальні осьові зусилля при малих значеннях гальмівного моменту, а, отже, малих габаритах і вазі гальма

Приклад підбору порошкового гальма і мультиплікатора (редуктора) стенда для випробування гвинтової передачі на зусилля кН (100 тс). Параметри гвинтової передачі навантажувача: нарізь трапецоїдна 4-західна, крок S = 32 мм, зовнішній діаметр d = 190 мм, середній діаметр , кут профілю різьби . Коефіцієнт тертя ковзання бронзової гайки по сталевому гвинту f = 0,1. Необхідний гальмівний момент на гайці навантажувача.

де ° - кут підйому гвинтової лінії по середньому діаметру;

= arctg f / cosβ = arctg 0,1 / (cos15 °) = 5,91 ° - приведений кут тертя в нарізі;

.

На сьогоднішній час вітчизняна промисловість не випускає подібних гальм. Для порошкового гальма ПТ-2,5М [3,с.114,табл.3.1] з гальмівним моментом буде потрібен редуктор (мультиплікатор) з передавальним відношенням для U = М/=11096/25 = 443,8; для гальм ПТ-6М ) U = 184,9; ПТ-16М ) U = 69,3; ПТ-40М

U =27,7; ПТ-100М ) U = 11,1.

Література

1. Турпаев А. И. Винтовые механизмы и передачи. М.: Машиностроение, 1982. – 223 с.

2. А. С. СССР №1310666 А1, G01M13/02. Стенд для испытания винтовых передач / Л. Е. Пелевин, Е. И. заявл. 29.10-85; опубл. 15.05.87. Бюл. №18.

3. Машины и стенды для испытания деталей/ под ред.

Д.Н. Решетова,-М. : Машиностроение,1979. - 343с.