Конструкторская разработка - Стенд для наплавки звеньев гусеничных цепей

Конструкция предлагаемого стенда выбрана с позиций высокой механизации рабочего процесса, универсальности применения к различным типоразмерам гусеничных цепей, простоты и удобства эксплуатации, энергоэкономичности, безопасности эксплуатации. Настоящий стенд предназначен для ремонта звеньев различных моделей гусеничных тракторов, используемых в агропроизводстве и сельском хозяйстве.

3.1 Устройство и работа стенда

Стенд представляет собой стационарную полуавтоматическую установку. Общий вид стенда представлен на листе 5 графической части. Основой стенда является сварной каркас-стол. На каркасе смонтированы механизмы стенда. Основными механизмами стенда, определяющими его назначение, являются:

- механизм подачи электрода;

- механизм подачи пуансона;

- механизм вращения планшайбы;

- механизм синхронизации движения.

Механизм подачи электрода представляет собой тележку с восьмью ходовыми роликами (опорные и направляющие) которые помещены в пазы верхних и нижних направляющих, что обеспечивает тележке строго горизонтальное перемещение и удерживает от боковых смещений. В передней части тележки, обращенной к наплавляемому гусеничному звену имеется электродержатель, в который помещается и закрепляется наплавочный электрод. Электродержатель может изменять угловое положение электрода относительно наплавляемой внутренней поверхности, для обеспечения электрической дуги.

К электродержателю подсоединен электрический кабель от источника питания (электровыпрямитель).

Перемещение тележки в процессе наплавки происходит под действием силы веса груза. Эта сила прилагается к тележке с помощью гибкого проволочного тросса, направляемого блоком. Груз (набор блинов) на тяге свободно перемещается в направляющей трубе. Управляет и согласовывает движение тележки с другими механизмами барабан – копир, расположенный под тележкой, тележка взаимодействует с копиром следящим щупом (стержень с антифрикционным покрытием). Щуп резьбовым концом ввинчен в металлоконструкцию тележки, а свободный конец тележки, помещенный в програмный паз копира. Вращательное движение барабану – копиру сообщает механизм синхронизации движения.

Механизм синхронизации согласовывает перемещение тележки и соответственно наплавочного электрода с вращательным движением (угол поворота) планшайбы и соответственно наплавляемой детали. Механизм синхронизации состоит из двух зубчатых пар. Одна из них установлена возле приводного зубчатого колеса механизма поворота планшайбы и зацепляется с ним. Вторая зубчатая пара установлена на валу барабана копира и сообщает ему вращательное движение. Первая и вторая зубчатые пары соединены между собой валом, установленном на подшипниках скольжения.

Кинематический анализ механизма синхронизации показал, что передачи должны иметь следующие передаточные числа: i1=1,6; i2=1,6;. Обе зубчатые пары должны иметь высокую кинематическую точность, а боковой зазор зубчатых пар должен быть равен нулю.

Механизм вращения планшайбы, на которой устанавливается наплавливаемая деталь, образован реечно-зубчатой парой. Движение зубчатой рейке сообщается гидроцилиндром. Приводной гидроцилиндр в вертикальном положении размещен внутри каркаса-стола. Приводное зубчатое колесо жестко посажено на трубчатый вал планшайбы и закреплено на нем от осевого смещения гайками.

Наплавляемая деталь крепится на планшайбе специальным болтом. Там же, на планшайбе прикреплен противовес, уравновешивающий массу гусеничного звена. Место крепления звена на планшайбе размещено так, что при ее вращении геометрическая ось вращении наплавляемых поверхностей совпадает с геометрической осью электрододержателя и калибрующего пуансона. За один ход зубчатой рейки (например вверх) планшайба поворачивается на 3650 (для перекрытия зоны наплавки), при обратном движении зубчатой рейки (вниз) поворот планшайбы в обратном направлении происходит также на 3650.

Изменение направления движения рейки, а соответственно и штока гидроцилиндра производится электроконтактным переключением цепи управления приводного электромагнита гидрораспределителя. Т. е. данный механизм оснащен концевыми электроконтактными переключателями.

Из технологического опыта известно, что при наплавке внутренней цилиндрической поверхности затруднительно получить ровную гладкую поверхность, [ ]. В связи с этим необходимо формировать наплавленный слой металла с помощью пуансона в процессе наплавки, пока металл еще находится в пластическом состоянии. Для этого в проектируемом стенде предусмотрен механизм подачи пуансона.

Пуансон представляет собой стержень Ø 25мм. с полированной поверхностью Ra=0,005, на конце которого имеется калибрующая головка из высокопрочного износостойкого металла.

Пуансон помещен в направляющую центрирующими элементами, в которой являются шарики Ø 9,8 мм. из шарикоподшипниковой стали ШХ15. Такая конструкция направляющей обеспечивает хорошее центрирование пуансона при осевом перемещении и предотвращает заклинивание. Рабочее усилие для калибровки пуансона сообщает силовой гидроцилиндр, установленный горизонтально на основной рабочей геометрической оси стенда.

Пуансон присоединен к штоку гидроцилиндра муфтой.

Скорость перемещения пуансона, как и скорость вращения планшайбы при наплавке определяются опытным путем.

Гидроцилиндром механизмов поворота планшайбы и подачи пуансона гидравлическая энергия сообщается гидронапорной станцией, она размещена в нижней части каркаса-стола. Схема гидравлической системы показана на листе 6 графической части.

В гидравлической системе применен насос НШ-32Д, управляющие трехпозиционные гидрораспределители, приводной электродвигатель.

Для плавной регулировки скорости вращения планшайбы и подачи пуансона предусмотрены гидравлические дроссели, регулирующие подачу рабочей жидкости в гидроцилиндры. Расчет элементов гидравлической системы приведен ниже.

Работает стенд следующим образом. Наплавляемое гусеничное звено закрепляется на планшайбе так, чтобы геометрическая ось наплавляемых отверстий совпадала с осью вращения планшайбы и геометрической осью электрододержателя.

Наплавочный электрод, закрепленный в электрододержателе устанавливается под определенным углом к наплавляемой поверхности. Однако точек касания электрода с поверхностями проушин не должно быть.

Угольным электродом, размещенном в планшайбе, приводится вторая фаза от источника питания (выпрямителя). Включается механизм поворота планшайбы и зажигается электрическая дуга, начался процесс наплавки. Одновременно с началом движения механизма поворота начинает работу механизм синхронизации движения, вращая барабан-копир. Следующий щуп тележки механизма подачи электрода перемещается по программному пазу в копире. Завершению наплавочного прохода электрода (поворот планшайбы на 3650) на копире программный паз по окружности изменяет на 900 и следящий щуп по нему перемещается вдоль копира, обеспечивая перемещение (откат) тележки под действием силы веса грузов. Тем самым перемещается конец электрода (электрическая дуга) по наплавляемой поверхности в новое исходное положение для последующего наплавочного прохода в обратном направлении.

После наплавки одной проушины электрод проходит пространство между проушинами и начинает наплавку между второй. При этом, возможно понадобится действиями оператора зажечь электрическую дугу, прижатием стержня электрода к металлу. В процессе наплавки калибрующий пуансон движется за электрической дугой. Расстояние между ними определяется опытным путем.

После завершения наплавки всех проушин гусеничное звено открепляется от планшайбы. Тележка механизма подачи электрода усилиями оператора (вручную) перемещается в исходное положение.

Расчеты подтверждающие работоспособность стенда

Рабочие нагрузки.

В механизме подачи пуансона основной рабочей нагрузкой будет усилие сопротивления перемещению калибрующей головки пуансона при калибровке отверстия в процессе наплавки. Это усилие можно вычислить по формуле, рекомендуемой [ ].

;

где: f=0,2 – коэффициент трения при калибровке;

d=38мм, - номинальный диаметр калибровки;

l=20мм, длина рабочего участка калибрующей головки;

p – напряжение сжатия на поверхности контакта.

Напряжение сжатия подсчитывается по формуле:

где: δ=0,5мм – натяг при калибровке;

Е1=2,5·1011Па – модуль упругости твердосплавной калибрующей головки;

Е2=1,5·1011Па – модуль упругости наплавленного слоя, не полностью остывшего;

Коэффициент Ляме: для пуансона:

С1=1-μ1=1-0,25=0,75

для отверстия проушины:

С2=

где: μ1=0,25;

μ2=0,3 – коэффициент Пуассона для твердого сплава калибрующей головки и стали Г13Л гусеничного звена.

d2=65мм – наружный размер проушины;

Тогда усилие калибровки:

Pk=π·f·d·l·p=π·0,2·0,038·0,02·337·106=161кН.

Кинематический расчет.

Исходным параметром кинематического расчета механической системы стенда является технологический параметр – скорость подачи электрода для образования качественного наплавленного слоя металла. По рекомендациям

[ ], при автоматической наплавке электродом ЦНИИН-4 цилиндрических поверхностей диаметром до 50 мм, принимаю скорость подачи электрода

90 мм/мин (1,5 мм/сек).

При диаметре изношенного отверстия проушины ~ 45 мм частота вращения планшайбы должна быть:

Общее передаточное число механизма синхронизации движения определяю как:

где Vo; VK - cкорости перемещения элетродуги по наплавляемой поверхности и скорость перемещения следящего стержня тележки по дну управляющей канавки копира.

По скорости перемещения электродуги определяю продолжительность наплавочного цикла по внутреннему диаметру проушины.

Столько же времени должен находиться следящий стержень в управляющей канавке копира до перехода к следующему наплавочному циклу. Из этого условия определяю окружную скорость вращения барабана копира.

Тогда общее передаточное число механизма синхронизации должно быть:

Т. к. передаточное число не большое присваиваю его первой зубчатой передаче.

Конструктивные параметры зубчатых колес механизма синхронизации движения:

модуль зацепления – 3 мм;

число зубьев приводного колеса – Z1=80;

делительный диаметр приводного колеса

Разбивку передаточного числа между зубчатыми передачами делаю так:

;

Разбивку передаточного числа между зубчатыми парами в передачах делаю так:

Тогда :

Частота вращения передающего вала синхронизирующего механизма:

Элементы гидравлической системы.

Параметры гидронапорной станции. Гидравлический насос. С точки зрения достаточной надежности работы, удобства монтажа и эксплуатации для принятой гидравлической схемы привода стенда наиболее подходит гидравлический насос шестеренчатого типа. Для выбора типоразмера данного насоса, главным параметром принимаем давление, которое он должен создавать для обеспечения необходимого рабочего усилия гидроцилиндра. Принимаю насос НШ-32Д.

Технические параметры насоса:

- рабочий объем, 32 см3/об;

- рабочее давление 15 МПа;

- диапазон частот вращения 900…3000 об/мин;

- объемный к. п.д. 0,80;

- диаметр конца выходного вала –20 мм.

Подача насоса, при предполагаемой частоте вращения двигателя nдв =25 об/сек:

Q=q·nдв=10·25=250см3/сек»0,0003м3/сек.

q=10 см3/об – рабочий объем.

Ориентируясь, на значение выталкивающего усилия (FB=830 Н). принимаю необходимое рабочее усилие на штоке гидроцилиндра РГ = 2000Н.

Рабочая мощность насоса:

Nнач = Q·PГ = 0,0003·2000 = 0,6 кВт.

Необходимая расчетная мощность электродвигателя:

h=0,85 – к. п.д. рабочего механизма стенда.

Ориентируясь на расчетную мощность электродвигателя по каталогу выбираю двигатель:

4А80В4У3; N=1,5 кВт; nдв=1500об/мин. ГОСТ 19483.

Трубопровод. Типоразмер трубопровода выбираю по условному проходу трубы, используя зависимость (по ГОСТ 16516-80) между условным проходом и номинальным расходом жидкости [ ]. Для проектируемой гидросистемы с

Q=250 см3/сек»16л/мин необходим условный проход трубопровода 9 мм, его может обеспечить труба с внутренним диаметром 8…10 мм;

Гидравлический распределитель. Для управления работой стенда выбран наиболее распространенный для этих целей гидрораспределитель Р75-23 с ручным управлением и электороуправляемый гидрораспределитель Р75-23У.

Параметры распределителей:

- максимальная пропускная способность – 75 л/мин;

- количество золотников – 3 шт;

- рабочее давление – 20МПа.

Гидравлическая жидкость. В приводе используется индустриальное масло И70А ГОСТ 20799-95. Необходимое количество масла для заполнения гидросистемы - 15 л.

Диаметр поршня гидроцилиндра механизма подачи калибрующего пуансона определяю из условия его нагруженности. Значение размера поршня гидроцилиндра:

Ориентируясь на расчетное значение, назначаю диаметр поршня гидроцилиндра 100 мм, диаметр штока гидроцилиндра 50 мм.

Учитывая меньшую нагруженность гидроцилиндра механизма поворота планшайбы диаметр его поршня принимаю 80 мм.

Расчеты прочности деталей стенда. Прочностные расчеты выполняю для наиболее ответственных деталей, определяющих работоспособность, надежность и безопасность эксплуатации.

Пуансон является деталью с большим соотношением длины и диаметра, которая в процессе работы подвергается значительным осевым нагрузкам. В рабочей позиции выход пуансона составляет 400 мм Это создает предпосылки потери устойчивости штока под нагрузкой и возникновения аварийной ситуации. Для предотвращения этих явлений выполняется расчет на критическую силу, при которой шток теряет устойчивость и прогибается [ ].

Расчет выполняется по формуле Эйлера, которая определяет критическую силу воздействия:

где Мпа – модуль упругости для стали;

- момент инерции сечения штока; ;

Максимально допустимое рабочее усилие на стержень гидроцилиндра:

кН

где - запас прочности для данного вида механизма [ ].

Т. к. при калибровке, имеет место неравенство:

считаем, что устойчивость стержня пуансона вполне достаточна.

Число болтов крепления 4. Диаметр стержня болта 20 мм.

Расчет прочности резьбового крепления гидроцилиндра механизма подачи пуансона также обеспечивает надежность и безопасность эксплуатации стенда.

Учитывая высокую нагруженность соединительного стыка крепежные болты в отверстие помещаю без зазора. В этом случае условие прочности болта определяется уравнением [ ]

Допускаемое напряжение среза

– предел текучести материала болта (в нашем случае

сталь 40Х).

Рбдеф = Рк / 4 =161∙103 / 4 = 40,3 кН;

Расчетное напряжение среза

Таким образом, условие прочности выполняется

т. е. прочность болтов Ø20, поставленных без зазора достаточна.

 

Расчет толщины стенки гидроцилиндра. В проектируемом гидроцилиндре для перемещения пуансона, толщина стенки вычисляется как [ ]

где Мпа – допускаемое напряжение растяжения для материала гидроцилиндра ( сталь 45);

мм = 0,1 м – внутренний диаметр гидроцилиндра;

– предполагаемое максимальное давление в гидроцилиндре;

- коэффициент Пуассона.

Принимаю толщину стенки гидроцилиндра = 5 мм;

Расчет посадки для подшипника скольжения передающего вала механизма синхронизации движения. Исходные данные к расчету:

номинальный диаметр D=50 мм.

давление q=2,14 Мпа.

угловая скорость ω=9,5 с-1.

динамическая вязкость смазки η=0,002 Па с.

шероховатость поверхности

отверстия RID=1,6 мкм.

вала RId=1,6 мкм.

Определим оптимальный зазор в подшипнике, при котором обеспечивается наилучший тепловой режим работы.

.

Найдем величину расчетного зазора.

.

Выбираем стандартную посадку, удовлетворяющую условию

.

Такому условию соответствует предпочтительная посадка в системе отверстия.

.

у которой .

Ø 50 ,

Определим наименьшую толщину масляного слоя при наибольшем зазоре стандартной посадки.

.

Производят проверку на достаточность толщины масляного слоя.

Условие нормальной работы : выполняется.

Выводы

Выполненные прочностные расчеты деталей стенда и силовые расчеты гидропривода подтверждают работоспособность и достаточную надежность стенда в целом.