Создание и исследование работоспособности ручной машины с волновой передачей
На правах рукописи
Коротков Владимир Сергеевич
СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ РУЧНОЙ
МАШИНЫ С ВОЛНОВОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ
05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Томск 2003
Работа выполнена в Томском политехническом университете
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Мартынов Анатолий Кузьмич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Суворов Дмитрий Григорьевич
кандидат технических наук, доцент
Щипунов Аркадий Николаевич
Ведущая организация: ОАО «Томский электромеханический завод»
Защита состоится 26 декабря 2003 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета К.212.265.01 при Томском государственном архитектурно-строительном университете: 634003, Томск, пл. Соляная 2, корпус 4, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан 26 ноября 2003 г
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук, доцент С. М. Кравченко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. На современном этапе рыночная реформа требует обеспечить широкую гамму высокопроизводительного механизированного инструмента с высокими потребительскими свойствами. Интенсификация рабочих процессов сопровождается повышенными требованиями, предъявляемыми к новой технике. В ручных машинах различных типов необходимо получить экономию энергии, снизить материалоемкость, повысить качество выполняемых работ и улучшить условия труда оператора. Исследования, направленные на создание ручной машины статического действия с высоким крутящим моментом на рабочем органе и на улучшение эксплуатационных характеристик ручных машин такого класса являются актуальными для строительства и сельского хозяйства.
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, но этого явно недостаточно для повышения производительности проектирования новой техники. Трудоемкость расчетов существующими методами
очевидна. В связи с этим необходимо создать метод автоматизированного определения мощности двигателя ручной машины электробур в зависимости от типа грунта и вида 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 грунтов и вида рабочего органа.
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 специфики работы передачи при частоте вращения генератора волн 12000...18000мин-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 особенности 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 обрабатываемого материала;
- в получении экспериментальных данных по шумовой, вибрационной, тепловой характеристик привода 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;
-результаты экспериментальных исследований виброактивности, шумоактивности 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:
- создан экспериментальный образец ручной машины электробур и подтверждена его работоспособность. Машина имеет небольшую массу и габариты, удобна в эксплуатация и достаточно эстетична. Рабочие чертежи и методика 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 все- российской ХХХ 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 ТПУ 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 в выставке “Интеграция - 98” проводившихся 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 1ЗЗс., в том числе основной текст 121 с., 32 рисунка и 7
таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отмечены актуальность и цель работы, научная новизна и практическое значение полученных результатов. Сформулированы направления исследований и положения, выносимые на защиту.
В первой главе дан анализ конструкций ручных машин (РМ), применяемых в строительстве. Отмечается, что характерной чертой существующих РМ является небольшой крутящий момент на шпинделе, которого 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 шнуров для взрывных работ; бурение шпуров при инженерных изысканиях и т.п. Ручной машины, выполняющей такие функции, в классификации строительных РМ не существует. Отмечается, что имеются разработки машин такого класса в других отраслях народного хозяйства, в частности в геологии и лесной промышленности. Поэтому сравнительный анализ проведен с отечественными и зарубежными мотобурами, разработанными в этих отраслях.
В качестве аналога выделен мотобур М-10, разработанный в НПО “Геотехника”. При имеющихся достоинствах разработанной конструкции, в частности глубины бурения до 10 м, отмечаются и недостатки. В первую очередь это большая масса - 19 кг, а также использование бензина в качестве топлива, в результате чего загрязняется окружающая среда и повышается уровень опасности при эксплуатации механизма.
При некоторых видах работ в строительстве не требуется большая глубина бурения, поэтому целесообразно значительное снижение массы ручной машины при уменьшении величины заглубления.
Достижение результата видится в создании привода для ручной машины электробур па базе коллекторного двигателя с волновой передачей (ВЗП или ВППЗ). Из работ Ермолина Н.П., Копылова И.П., Клокова Б.К. и других следует, что коллекторные двигатели имеют небольшую массу на единицу мощности в сравнении с двигателями других типов. Отличительной особенностью этих электрических машин является высокая частота вращения якоря, достигающая 18000 мин-1 при номинальном крутящем моменте. Для получения оптимальных оборотов 100... 300 мин-1 и высокого крутящего момента шнекового рабочего органа необходим редуктор с большим передаточным отношением. Волновая зубчатая передача имеет передаточное отношение в одной ступени 80... 300. Вопросами теории и конструирования волновых зубчатых передач занимались Волков Д.П., Иванов М.Н., Крайнев А.Ф., Гинзбург Е.Г., Цейтлин Н.И., Ковалев Н.А. и др. Анализируя их работы можно сделать вывод, что
ВЗП имеет небольшие габариты и массу при достаточно высоком коэффициенте полезного действия в сравнении с передачами других типов. Но в настоящее время не существует рекомендаций по проектированию ВЗП при частоте вращения волнообразователя 12000... 18000 мин-1. Волновая передача с промежуточными звеньями (ВППЗ) имеет передаточное отношение в одной ступени 6..60 и обладает следующими достоинствами: малыми габаритами и массой, большой жесткостью кинематических звеньев, высоким кпд, плавностью работы, высокой надежностью и долговечностью. Теория зацепления ВППЗ разработана д.т.н. Беляевым А.Е. Вопросам конструирования механизмов на базе ВППЗ посвящены работы Панкратова Э.Н. и др.
Анализируя работы Башкатова Д.Н., Сулакшина С.С., Катанова Б.А., Олоновского Ю.А., Кардыш В.Г., Ребрик Б.М. и других можно сказать, что расчет необходимой мощности бурения в зависимости от типа грунта и вида рабочего органа не автоматизирован и является трудоемким процессом. Поэтому назрела необходимость повышения производительности и получения более полных данных об эксплуатационных параметрах ручных машин путем автоматизации расчетов.
На основании анализа известных ручных машин, используемых для бурения грунтов I-IV категории по классификации Госстроя, сделан вывод о возможности снижения массы инструмента за счет использования в качестве привода коллекторного двигателя с волновой передачей (ВЗП или ВППЗ).
Во второй главе представлены кинематические схемы электробура
(рис. 1-2) и приведены основные принципы их построения. Отмечается, что
ручная машина на базе коллекторного двигателя с волновой зубчатой
передачей (ВЗП) предназначена для бурения пластичных и тугопластичных грунтов, а РМ на базе коллекторного двигателя с волновой передачей с
промежуточными звеньями (ВППЗ) рекомендована для разработки валунно-галечных и мерзлых грунтов.
Исследована работа волновой зубчатой передачи при частоте вращения генератора волн 15000 мин-1. Предлагается внутренний диаметр гибкого колеса
определять по зависимости:
где: kv - коэффициент, учитывающий скорость изменения волны деформации;
с - коэффициент учитывающий влияние распределения нагрузки по зонам
зацепления,
Tp - рабочий момент на гибком колесе, Нмм;
[ ]- допускаемые напряжения при кручении, МПа;
- отношение диаметра к толщине гибкого колеса.
Значение коэффициента kv, для волновой передачи электробура при диаметре гибкого колеса 80 мм рекомендуется выбирать из графика в зависимости от частоты вращения волнообразователя (рис.3).
Разработана конструкция ручной машины электробур на основе выработанных принципов (рис.4-5).
Рассчитаны геометрические и прочностные параметры волновой зубчатой передачи с учетом специфики высокой частоты вращения генератора волн.
В третьей главе изложен метод автоматизированного расчета эксплуатационных параметров РМ, разработанный на основе языка программирования Delphi 4 и проведено исследование влияния различных конструктивных и эксплуатационных факторов на полезную мощность ручной машины. Уравнения рабочего процесса можно представить в виде:
где: NД - полезная мощность двигателя, кВт; М1 - момент разрушения грунта в забое, кНм; М2 - момент подъема грунта на поверхность, кНм; n - частота вращения рабочего оргаяа,с-1; - кпд редуктора.
В случае, когда целевой функцией является глубина бурения, запишем:
Где: Н - глубина бурения, D - диаметр шнека, - угол подъема винтовой линии шнека, 2- коэффициент трения грунта по грунту; NБ - мощность, затрачиваемая на бурение.
где: Кр - коэффициент разрыхления грунта. К1- коэффициент трения шнека
о стенки скважины; d - диаметр штанги; - коэффициент заполнения шнека,
- плотность грунта; g - ускорение свободного падения тела.
При заданной мощности двигателя и оптимальной частоте вращения рабочего органа можно записать: 
где: П - приведенная прочность грунта; hc- толщина стружки; zЛ- число кромок резания; 1- коэффициент трения грунта о сталь; Кз. - коэффициент, учитывающий затупление инструмента.
Поставленная цель будет достигнута при следующих условиях:
Это значит, что глубина бурения Н примет максимальное значение в том случае, если указанные выше переменные примут минимально возможные значения.
Целевая функция может быть представлена в различном виде, в зависимости от того результата, который необходимо получить. Максимальная производительность V, при оптимальных оборотах рабочего органа n, достигается на грунтах 1 категории, при минимальном диаметре шнека D, максимальном числе режущих кромок zл,, максимально возможной толщине стружки hc, образованной при осевом усилии Р0=50 кг. Такой вывод можно сделать, проанализировав зависимости, представленные ниже:
На основе уравнений рабочего процесса строятся графические зависимости, некоторые из них приводятся ниже.
В таблице 1 приводятся рекомендуемые эксплуатационные параметры бурения для ручной машины на базе коллекторного двигателя с полезной мощностью 750 Вт и волновой зубчатой передачей с d=80мм и U=80. А также для РМ с волновой передачей с промежуточными телами качения с передаточным отношением U=60 в зависимости от типа грунта.
В четвертой главе разработана методика проведения эксперимента. А также принципиальная схема испытательного стенда. Приведены результаты шумовых, вибрационных и тепловых испытаний привода ручной машины электробур. Установлен коэффициент полезного действия ВЗП при частоте вращения волнообразователя 15000 мин-1. Отмечается, что уровень шума соответствует установленным нормам для машин такого класса по ГОСТ 12.2.030-83 (таблица 2).
Вибрационная характеристика не превышает допускаемых значений приведенных в ГОСТ 17770-86 (таблица 3). Испытания проведены при участии специалистов ГСЭН г. Томска.
Тепловая характеристика привода исследована на стенде при номинальной нагрузке. После наступления теплового баланса, привод отключался от сети переменного тока и фиксировалась динамика охлаждения механизма (см. рис.10).
Результаты, полученные при стендовых испытаниях, подтверждают работоспособность привода для ручной машины электробур на базе коллекторного двигателя с волновой зубчатой передачей.
В пятой главе приведены основные выводы, рекомендации и результаты работы. Дано технико-экономическое обоснование целесообразности производства ручной машины электробур. Отмечается, что экономический эффект за срок службы при серийном изготовлении и эксплуатации таких машин составит 10000 руб. на единицу продукции в сравнении с мотобуром М-10.
Основные выводы
1. Анализ классификации РМ, применяемой в строительстве показал, что в настоящее время не существует ручной машины, выполняющей функцию бурения грунта. Предлагается создать такую машину и определить ее место в классификации по назначению и области применения среди ручных машин для обработки камня и грунта. А также ввести в ГОСТ 16436-70 “Машины ручные пневматические и электрические. Термины и определения” новый термин: “Буровая ручная машина” и определение: “Пневматическая (электрическая) буровая ручная машина для образования шнуров и неглубоких скважин в грунтах и горных породах”
2. Проведен выбор и обоснование параметров ручной машины электробур и разработаны два варианта кинематической схемы с ВЗП и ВППЗ.
3. Проведены теоретические исследования надежности гибкого колеса d = 80мм с U=80 при частоте вращения генератора волн 15000 мин-1. Уточнена зависимость для определения диаметра гибкого колеса ВЗП с учетом частоты вращения генератора волн 12000... 18000 мин-1.
4. Разработана конструкция привода для ручной машины электробур на базе коллекторного двигателя с волновой зубчатой передачей. Конструкция защищена 1 свидетельством на полезную модель и 1 патентом на изобретение.
5. Разработан метод автоматизированного выбора мощности двигателя ручной машины в зависимости от типа грунта. Использование ЭВМ позволяет значительно снизить трудоемкость расчетов и дает возможность прогнозирования эксплуатационных параметров с целью выбора наиболее рационального режима бурения.
6. Создан экспериментальный образец ручной машины электробур. Исследованы шумовая, вибрационная и тепловая характеристики привода. Зарегистрированные значения не превышают установленных стандартом требований, предъявляемых к машинам такого класса.
7. Максимальное значение к.п.д. ВЗП составляет 0,6 в режиме редуктора. Коэффициент полезного действия привода - 0,42. Это приемлемые значения для высокоскоростных машин.
8. Внедрение такой разработки позволит получить экономический эффект в процессе производства и эксплуатации в сравнении с мотобуром М-10 в размере 10000 руб. на единицу продукции за срок службы.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Д.П. Волков, А.А. Ступаков, В.С. Коротков. Силовые волновые зубчатые передачи// Материалы международного конгресса “Зубчатые передачи 95”. - Болгария, София, 1995.
2. В.С. Коротков, А.А. Ступаков, Д.П. Волков. Применение волновой передачи в электроприводе ручной буровой машины // Конверсия в машиностроении. – 1995.-№5.-С.49..
3. В.С. Коротков. Применение волновой передачи с высокооборотньм двигателем// Материалы международной научно-технической конференции “Интерстроймех 96”.-М.: МГСУ, 1996.-С.86-88.
4. В.С. Коротков, А.А. Ступаков, Д.П. Волков. Прогрессивный привод с волновой передачей для средств малой механизации // Конверсия в машиностроении. - 1997.-№ 2.- С.56.
5. СПМ 4995 России, МПК Е 21 В 3/02. Электробур с волновым редуктором./ В.С. Коротков. - № 95122179/20; Заявлено 05.12.95; Публ. 16.09.97, Бюл.№ 9
6. В.С. Коротков. Привод для ручной машины // Материалы ХХХ всероссий- ской научно-технической конференции “Актуальные проблемы современного строительства”. -Пенза: ПГАСА, 1999. - С. 141-142.
7. В.С.Коротков. Ручная машина с волновым редуктором//I Тезисы докладов научно-технической конференции “Архитектура и строительство”. -Томск:
ТГАСУ, 1999. –С.97-98.
8. Пат. 2134827 России, МПК F16 Н 1/00. Волновая передача для коллекторного двигателя./ В.С. Коротков.- 97120085/28; Заявлено 28.11.97; Публ. 20.08.99, Бюл.№23.
9. В.С. Коротков. Электропривод для ручной машины // Труды VI международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых “Современные техника и технологии”. -Томск: ТПУ, 2000. -С.30б.
10. В.С. Коротков. Применение волновой передачи в приводе ручной машины//1 Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. –Томск, ТГАСУ, 2000.- № 2.- С.219-221.
11. В.С. Коротков, В.Г. Борисов. Электропривод для наземного оборудования //Труды городской научно-технической конференции по приборостроению, посвященной сорокалетию полета Гагарина Ю.А. в космос. -Томск: ТПУ, 2001.- С.35.
12. В.С. Коротков, А.В. Кличников, К.М. Свечкарев. Ручная машина с волновой передачей // Труды VIII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых “Современные техника и технологии”. -Томск: ТПУ, 2002.- Т.1.- С.208-209.
13. В.С. Коротков, А.К. Мартынов, Э.Н. Панкратов. Автоматизированный метод расчета мощности двигателя ручной машины электробур// Аппаратнопрограммные средства автоматизации технологических процессов. -Томск:
ТГУ, 2002. -Вып. 4. - С.127-135.
Изд. лиц. № 021253 от 31.10.97. Подписано в печать 18.11.03
Формат 60х90/16. Бумага офсет. Гарнитура Таймс, печать офсет.
Уч.-изд. л. 2. Тираж 100 экз. Заказ №39
Изд-во ТГАСУ, 634003, г.Томск, пл. Соляная 2.
Отпечатано с оригинал-макета в ООП ТГАСУ.
634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.
