Конструкторская разработка - модернизация стенда для выпрессовки гильз ДВС

Задачей настоящего раздела дипломного проекта является механизация трудоемкой операции - выпрессовывания гильз цилиндров из блок - картера тракторных ДВС. Для ее реализации здесь предлагается разработка конструкции специального стенда, которым должен быть оснащен участок по ремонту ДВС.

Обзор литературы, патентной документации и научно-технических информационных материалов показал, что наиболее рациональны стенды с одновременной выпрессовкой всех гильз из блок - картера и с верхним вертикальным расположением силовых элементов. Такая схема позволяет оснастить стенд подводящим и отводящим рольгангом, что позволяет легко перемещать блок – картер к стенду на демонтажный стол и так же отводить от него. Однако у рассмотренных конструкций стендов поверхность демонтажного стола, для обеспечения прочностной надежности не была снабжена транспортными роликами, а представлял лист металла. В результате, окончательная точная установка блок – картера ручными усилиями под выпрессовывающими насадками, оставалась довольно трудоемкой.

На основании вышеизложенного определено направление конструкторской разработки настоящего раздела: модернизировать выпрессовочный стенд с верхним вертикальным расположением рабочих органов, придать ему предельную универсальность, т. е. возможность работать с несколькими моделями автотракторных двигателей, имеющих однорядное расположение цилиндров, а также повысить уровень механизации при демонтажных работах. Например модели ДВС А-41; СМД-14 и др.

При этом поставлена задача сконструировать демонтажный стол, на котором с малыми мускульными усилиями можно было бы передвигать (выставлять) блок-картер перед выпрессовкой гильз, фиксировать его в нужном положении, производить выпрессовку.

Устройство и работа стенда для выпрессовывания гильз из блок-картера ДВС

Стенд, по принципу установки, является стационарным. Должен устанавливаться на бетонном фундаменте с помощью анкерных болтов, с разметкой по десятому классу точности.

Стенд состоит из энергосилового исполнительного агрегата, демонтажного стола (поз.2),боковых ветвей рольганга (поз.3).

Энергосиловой исполнительный агрегат смонтирован на станине. Станина представляет собой сварную металлоконструкцию, выполненную из стандартного металлопроката (позиция 1, лист 5). Корпус станины огражден со всех сторон листами металла или съемными крышками, что обеспечивает безопасную работу его механизмов.

Внутри корпуса станины размещен источник механической энергии – электродвигатель асинхронный трехфазный (380 V) (поз.5), номинальной мощностью 4 квт и частотой вращения вала 25 об с-1. Там же расположена гидросистема, являющаяся гидроприводом рабочего органа.

Электродвигатель соединен с гидравлическим насосом упругой втулочно-пальцевой муфтой.

Гидравлический привод стенда включает в себя:

1. Гидравлический насос НШ-32У (расчет и выбор приводится на стр );

2. Фильтр масла сетчатый;

3. Клапан предохранительный;

4. Гидроцилиндр ГЦП II-100-300 (расчет и выбор на стр );

5. Распределитель потока жидкости Р75-23;

6. Линии связи;

7. Бак для масла, объем 50л.

 

Особенностью принятой схемы гидросистемы привода есть то, что она должна обеспечить синхронное движение и усилие штоков четырех гидроцилиндров для этого в ней предусмотрены впускной и выпускной коллекторы (поз. 13 и 14 лист 7).

Кроме того, при необходимости возможна работа одним гидроцилиндром, при остальных двух заблокированных.

Рабочими силовыми органами стенда являются штоки гидроцилиндров, снабженные головками (поз.9) для взаимодействия с выпрессовываемыми гильзами. Головки на штоке укреплены шарнирно, что обеспечивает полный контакт с гильзой и компенсирует неточности расположения блок-картера относительно геометрических осей штоков. Три рабочих гидроцилиндра размещены на специально металлической плите. Гидроцилиндры опорными проушинами помещены на опорную ось, что позволяет легко изменять межосевое расстояние их штоков, т. е. настраивать на выпрессовку разных моделей блок-картеров. При принятых размерах силовых элементов межосевое расстояние может меняться от 150 до 270 мм. Этим была достигнута универсальность стенда.

Плита с цилиндрами крепится в верхней части станины над демонтажным столом.

Демонтажный стол, принципиальная конструкция которого представлена на листе 6 представляет собой отдельную от станины сварную металлоконструкцию. Монтируется стол на общий фундамент, однако крепится отдельными анкерными болтами. Такая схема монтажа дает возможность более точно размещать стол относительно геометрических осей выпрессовочных штоков. На поверхности стола имеются две направляющие пластины. В крышку стола вмонтировано 12 симметрично расположенных плавающих (утопляемых) роликоопор. Конструкция данной роликоопоры представлена на листе 6. Роликоопора содержит в себе пружину сжатия, рассчитанную на удержание распределенного веса блока-картера с подставкой и сжимается, т. е. утапливается ролик, под действием усилия выпрессовки. Блок жестко устанавливается на демонтажный стол и готов воспринимать выпрессовывание.

Для неподвижного закрепления на столе специальной подставки с блок-картером, на нем имеется управляемый фиксатор (поз. ). Управление фиксатором осуществляется с помощью педали.

С левой и правой стороны демонтажного стола установлены рольганги для удобной подачи блок - картера на подставке в рабочую зону стенда и отвода разобранного блока от демонтажного стола. В рольганге применены стандартные ролики Æ 80мм.

Работает выпрессовочный стенд в следующем порядке. В конце рольганга располагают подставку, на которую с помощью подъемного механизма ставят блок – картер, ориентируясь по наружному контуру шпилек. Далее подставка с блок – картером перемещается в рабочую зону стенда, т. е. на демонтажный стол.

Внизу, на опорной поверхности подставки имеется специальный паз, который необходимо совместить с выступом фиксатора. Для этого выступ фиксатора отжимается ножной педалью и выполняется совмещение. Выполнить это довольно легко т. к. подставка перемещается по плавающим роликоопорам. Фиксирование подставки на демонтажном столе обеспечивает совпадение отверстий гильз с рабочими кромками выпрессовывающих насадок на силовых штоках.

После фиксирования блок готов к проведению выпрессовки гильз.

Нажатием кнопки «пуск» производится включение электродвигателя, т. е. запуск гидропривода. Поворотом рукояток гидрораспределителя в рабочее положение открывают подачу масла в гидроцилиндры и те начинают выпрессовывающее движение вниз к блоку. Когда рабочие кромки насадок на штоках совместятся с отверстиями гильз усилие от движущихся штоков начнет передаваться блоку на подставке и далее на плавающие роликоопоры стола. Под действием этого усилия роликоопоры проследуют вниз (утопятся) и блок на подставке жестко установится на поверхности стола, т. е. сможет воспринимать усилие выпрессовки. Под действием последнего произойдет выпрессовка гильз из гнезд в блок – картере.

Величина хода штока с рабочей насадкой ограничена, поэтому после выпадения гильзы из гнезда контакт насадки и гильзы прекращается.

После завершения процесса выпрессовки переводом управляющей рукоятки гидрораспределителя в противоположное крайнее положение изменяется направление потока масла в подающей части гидросистемы и начинается поднятие штоков. При достижении ими крайнего верхнего положения рукоятка гидрораспределителя переводится в нейтральное положение.

После снятия рабочего усилия с блок картера он поднимается роликоопорами (разжатием пружин) над поверхностью стола и готов к перемещению из рабочей зоны.

Отжатием педали снимается фиксация и блок картер выводится из рабочей зоны на правый рольганг для дальнейших ремонтных операций.

Обоснование, расчет рабочих нагрузок и технологического режима стенда.

Главной рабочей нагрузкой, возникающей при работе стенда является усилие сопротивления выпрессовыванию гильз цилиндров из их посадочных мест в блок – картере. Несмотря на то, что в местах посадочных сопряжений гильзы с гнездом в блоке – картере натяги конструктивно отсутствуют, степень закрепления гильзы в гнезде бывает очень велика – при посадочном диаметре 120 – 150 мм может достигать 40…45 кН [ ]. Это объясняется коррозионным «прихватыванием» сопрягаемых деталей.

Рабочую нагрузку в стенде определяем исходя из конструкции силового агрегата, представляющего собой, как говорилось ранее, механически разобщенные четыре гидроцилиндра.

На основании вышеприведенных рекомендаций назначаем усилие выпрессовывания каждого гидроцилиндра Fвыпр=45 кН.

Основным технологическим режимом стенда является скорость движения выпрессовывающих насадок в процессе выпрессовывания. Во избежании высоких динамических нагрузок, при работе стенда, и ориентируясь на рекомендации научно-технической литературы [ ] принимаем скорость выпрессовывания 3 см/сек.

Рабочий ход выталкивающей головки, исходя из размеров блок – картера и гильзы цилиндра, должен быть 300 мм.

Расчет и выбор узлов гидропривода

Силовые гидроцилиндры

В соответствии с принятой кинематико - гидравлической схемой привода выпрессовывателя в нем должны использоваться четыре однотипных гидроцилиндра, которые должны синхронно создавать одинаковые рабочие усилия Fвыпр=45 кН.

По каталогу [ ] , ориентируясь на приведенные силовые параметры конструктивно удобный диаметр штока гидроцилиндра (50 мм), выбираю гидроцилиндр

ГЦП-II-100-300 МН 2255-81.

Параметры гидроцилиндра:

- диаметр поршня - 100 мм;

- ход штока - 300 мм;

- возможное рабочее усилие на штоке – 75 кН;

- диаметр штока - 50 мм;

- рабочее гидравлическое давление до 14 Мпа;

- площадь поршня - 78,5 см2.

3.3.2 Гидравлический насос

С точки зрения достаточной надежности работы, удобства монтажа и эксплуатации для принятой гидравлической схемы гидропривода наиболее подходит гидравлический насос шестеренчатого типа. Для выбора типоразмера данного насоса кроме номинального давления, которое он должен создавать, необходимо знать его производительность (подачу).

При работе гидроцилиндра поршневой полостью необходимая подача гидронасоса с соблюдением технологической скорости движения штока [ ]

где		- технологическая скорость движения штока гидроцилиндра;
		- рабочая площадь поршня;
		- объемный кпд гидросистемы;
		- число гидроцилиндров.

Ориентируясь на расчетные рабочие параметры насоса выбираю тип шестеренчатого насоса НШ-32У.

Характеристики насоса [ ]:

- рабочий объем 31,7 см3/об;

- рабочее давление номинальное 10 Мпа;

максимальное 16 Мпа;

- диапазон частоты вращения 1100-1700 об/мин.

Необходимое рабочее гидравлическое давление в системе:

где Fвыпр=45000 Н (см стр );

площадь поршня.

Расчетная мощность [ ]:

 

Необходимая мощность электродвигателя:

- к. п.д. механизма выпрессовывателя.

Ориентируясь на расчетную мощность и необходимую частоту вращения его вала, для обеспечения требуемой подачи гидронасоса, выбираю электродвигатель трехфазный (380V), асинхронный 4A100L;

N = 4 квт; n = 1500 об/мин.

3.3.3 Трубопровод

Типоразмер трубопровода выбираю по условному проходу трубы, используя зависимость (по ГОСТ 16516-80) между условным проходом и номинальным расходом жидкости (табл. 2.1 [ ]).

Для проектируемой гидросистемы необходим условный проход трубопровода 16 мм его может обеспечить труба внутренним диаметром 14…18 мм.

3.3.4 Гидравлический распределитель

Для управления работой стенда (выпрессовка, подъем штоков, остановка) выбран наиболее распространенный для этих целей гидрораспределитель Р75-23.

Характеристика распределителя:

- максимальная пропускная способность – 75 л/мин;

- количество золотников, шт – 3;

- рабочее давление – 16 Мпа.

3.3.5 Гидравлическая жидкость

В качестве гидравлической жидкости в гидросистеме привода используется индустриальное масло И 70А ГОСТ 20799-95. Необходимое количество для заполнения гидросистемы 40л.

3.3.6 Расчет штока гидроцилиндра на прочностную устойчивость

Специфическая особенность конструкции рабочего органа выпрессовочного стенда – гидроцилиндра состоит в том, что он имеет удлиненный шток. Это создает предпосылки потери устойчивости штока при рабочем ходе с дальнейшей его деформацией и разрушением. Для предотвращения названных явлений выполняется расчет на критическую силу, при которой шток теряет устойчивость и прогибается. Расчетная схема представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Расчетная схема штока гидроцилиндра на прочностную устойчивость

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

где	Е = 0,21×106МПа	- модуль упругости стали, из которой выполнен шток [ ];
	I = 0,049×d4	- момент инерции сечения, м;
	lпр = 0,7×l	- приведенная длина стержня, м [ ], (см. схему).

Максимально допускаемое рабочее усилие на штоке цилиндра

где n = 3,5 – запас прочности [ ].

Так как при выпрессовке гильзы имеет место неравенство

считаем, что устойчивость штока вполне достаточна.

3.4 Расчет и выбор посадки для сопряжения «ось-ролик»

Надежная работа роликоопор демонтажного стола, т. е. свободное вращение роликов под нагрузкой, обеспечивает точную установку блок – картера под выпрессовывающие насадки и в конечном итоге производительность стенда. Для этого необходима оптимальная посадка в сопряжении «ось - ролик», представляющего собой подшипник скольжения, назначение которой наиболее эффективно с помощью расчета.

Исходные данные для расчета:

- номинальный диаметр соединения d = 12 мм = 0,012 м;

- длина соединения l = 25 мм = 0,025 м;

- средняя угловая скорость вращения ролика при перемещении блок – картера w = 10 c-1;

- динамическая вязкость смазки ;

- шероховатость поверхности вала Rzd = 1,6 мкм;

- шероховатость поверхности отверстия RzD = 3,2 мкм;

Условие выбора стандартной посадки

(3.1)

Величина расчетного зазора

Оптимальный зазор в сопряжении

где Мпа – удельное давление.

Вышеприведенному условию (3.1) соответствует посадка:

Æ12

у которой Smax..ст.= 220 мкм;

Smin..ст.= 95 мм;

Толщина смазочного слоя в сопряжении при наибольшем зазоре принятой посадки

Проверка достаточности толщины смазочного слоя по условию

Т. е. сопряжение, представляющее собой подшипник скольжения с принятой посадкой – работоспособно.

3.4.1 Расчет пружин роликоопор демонтажного стола

Как указывалось ранее, в конструкции демонтажного стола предусмотрены роликоопоры, обеспечивающие легкое перемещение блок – картера на подставке и способные «утапливаться» под воздействием выпрессовывающего усилия и тем самым создавать жесткую опору блок – картеру.

Как видно из конструкции роликоопоры (лист 6), способность «утапливаться», придает ей пружина сжатия цилиндрическая.

Схема нагружения роликоопоры приведена на рисунке 3.3.

Рис. 3.3 – Схема нагружения роликоопоры

Исходя из функционального назначения подвижной роликоопоры и из принципа ее действия предполагаю, что величина ее жесткости должна обеспечивать удержание ролика в рабочем состоянии, в верхнем крайнем положении, т. е. противостоять распределенному весу блок – картера и сжиматься, т. е. позволить «утонуть» ролику при начале действия усилия выпрессовывания.

Из анализа процесса перемещения блок – картера на подставке с катков рольганга на ролики демонтажного стола, видно, что возможны случаи, когда вес блок – картера с подставкой распределяется на 6 из 12 роликоопор. Т. е. распределенный вес блок – картера на одну роликоопору равен:

где		- вес блока – картера до выпрессовки гильз [ ];
		- вес подставки.

Дальнейший расчет пружины выполняю по методике [ ].

Предварительно задаюсь конструктивными параметрами пружины:

- наружный диаметр D = 35¸39 мм;

- высота пружины при предварительной деформации Н1= 50 мм.;

- рабочий ход из условия работы роликоопоры h = 15 мм.

Для изготовления пружины назначаю сталь 60С2А с пределом прочности и пределом текучести при кручении

Сила пружины при предварительной деформации ;

Сила пружины при рабочей деформации, т. е. соответствующая началу выпрессовывания, ;

По условию и режиму работы рассчитываемую пружину следует отнести ко II классу. Для данного класса пружины относительный инерционный зазор d от 0,05 до 0,25.

Сила пружины при максимальной деформации:

;

Диаметр проволоки пружины из условий деформации при кручении:

где - допускаемое напряжение при предельном усилии;

(предварительно);

- коэффициент кривизны.

По таблице (ГОСТ 13767-88) принимаю пружину № 111, с наружным диаметром D = 38 мм; диаметр проволоки d = 3 мм; сила P3 = 1060 Н; жесткость одного витка z1 = 217,5 Н/мм; наибольший прогиб одного витка f3 = 4,5 мм.

Жесткость пружины

Число рабочих витков пружины

Уточненная жесткость пружины

При полутора нерабочих витка, полное число витков пружины

Средний диаметр пружины

Предварительная деформация пружины

Рабочая деформация (допустимая)

Максимальная деформация

Высота пружины при предварительной деформации

где

- высота пружины в свободном состоянии (конструктивно);

соответствует начальным техническим требованиям т. е.

Высота пружины при максимальной деформации

Высота пружины при рабочей деформации

Т. е. , что соответствует нормальным условиям эксплуатации пружины.

Шаг пружины

Рассчитанные размеры пружины, ее эксплуатационная характеристика (жесткость) соответствуют конструктивным размерам узла и эксплуатационным требованиям стенда.