Calculation and experimental analysis of the V-belt variator motor

Full Text

Введение Многие современные машины требуют изменения скорости исполнительного органа в широком диапазоне, причем зачастую плавно, без резких скачков. Поэтому механические, в частности, клиноременные вариаторы не потеряли своей актуальности. Клиноременные вариаторы общепромышленного применения обычно имеют два регулируемых шкива. Нажимное устройство ведомого шкива традиционно имеет пружинное нажатие [1]. Это не позволяет максимально реализовать силовые характеристики вариатора и ресурс ремня, так как в приводах большинства современных машин передаваемая нагрузка меняется в значительных пределах, и вариаторный ремень при частичных нагрузках оказывается перетянут. Коэффициент полезного действия самого вариатора при таких нагрузках пониженный. Следовательно, для улучшения эксплуатационных характеристик вариаторов общепромышленного применения целесообразно модернизировать вариаторы, применяя прогрессивные нажимные устройства, обеспечивающие натяжение ремня пропорционально передаваемой нагрузке. Модернизация мотор-вариатора При создании модернизированных мотор-вариаторов ВР 315А с двигателем мощностью 7,5 кВт и ВР 315Б с двигателем мощностью 3,0 кВт взамен устаревших ВР-1 и ВР-3 была разработана конструкция нажимного устройства ведомого шкива, обеспечивающая автоматическое натяжение ремня пропорционально моменту сопротивления на ведомом валу, т.е. пропорционально передаваемой нагрузке. Это позволяет применять такие вариаторы в приводах любых стационарных машин как с характеристикой, обеспечивающей постоянный момент при изменении скорости вращения вала рабочего органа, так и постоянство передаваемой мощности, или в других условиях [2, 3], т.е. фактически вариатор становится универсальным. Такой подход исключает чрезмерное натяжение ремня, а следовательно, увеличивает ресурс последнего, обеспечивает унификацию нажимных устройств для всего типажа вариаторов. Автоматическое натяжение ремня пропорциональное моменту сопротивления в нажимном устройстве обеспечивается кулачковым механизмом. Аналогичный механизм широко используется в вариаторах легких транспортных средств (мотонарт, мотороллеров и т.д.) [4, 5] и зерноуборочных комбайнов [6, 7]. В модернизированных мотор-вариаторах направляющие скольжения нажимного устройства заменены на направляющие качения, что увеличивает чувствительность вариатора, а также его коэффициент полезного действия. Конструкция направляющих исключает поворот подвижного диска шкива вариатора относительно неподвижного в процессе осевого перемещения при изменении передаточного отношения вариатора, что, в свою очередь, уменьшает вероятность неравномерной вытяжки ремня и его переворачивания во время регулирования. Подобный недостаток характерен для большинства конструкций клиноременных вариаторов. Для оценки возможностей модернизированных мотор-вариаторов был проведен расчетно-экспериментальный анализ макетного образца мотор-вариатора ВР 315Б, препарированный образец которого представлен на рис. 1. Рис. 1. Препарированный макетный образец мотор-вариатора ВР 315Б Паспортные характеристики мотор-вариатора ВР 315Б основаны на ГОСТ 24848.3-81 [8]: номинальная мощность на входном валу - кВт; синхронная частота вращения двигателя - мин-1; передаточные отношения - , ; диапазон регулирования симметричный - ; номинальная мощность на выходном валу при максимальной частоте вращения мин-1 - кВт; при минимальной частоте вращения мин-1 - кВт; вращающий момент на выходном валу при не менее 9,4 Н×м, при - 16 Н×м. Характеристики указаны для непрерывного режима работы с постоянной нагрузкой длительностью 8 часов в сутки. Они соответствуют вариатору с пружинным поджатием подвижного диска ведомого шкива, когда передаваемая мощность ограничена возможностью полного буксования ремня из-за снижения усилия пружины в процессе перемещения подвижного диска шкива при регулировании вариатора. Вариатор с модернизированным нажимным устройством может создавать требуемое осевое усилие, как при мощности 3 кВт, так и при мощности 7,5 кВт. Это позволяет мотор-вариатору ВР 315Б реализовать все мощностные возможности двигателя на всем диапазоне регулирования при сохранении нагрузочной способности вариаторного ремня с учетом его ресурса. Нагрузочная способность вариатора ограничивается возможностями наиболее слабого элемента - вариаторного ремня. Для оценки нагрузочной способности модернизированного мотор-вариатора был определен ожидаемый ресурс вариаторного ремня. Ожидаемый ресурс ремня вариатора ВР 315Б был найден расчетным путем в соответствии с РТМ 38.405-51/3-2-6-90 «Ремни клиновые вариаторные для промышленного оборудования. Расчет передач и передаваемые мощности», разработанного МАМИ совместно с Загорским филиалом ВНИИЭМИ. Ресурс определен для двух режимов работы мотор-вариатора (табл. 1). Режим нагружения № 1 по моменту на выходном валу соответствует паспортным данным исследуемого мотор-вариатора. Момент на ведомом валу для режима № 2 соответствует полной нагрузке электродвигателя по мощности. Относительное время работы на различных ступенях блока нагружения мотор-вариатора принято для всех режимов одинаковым. Это соответствуют режиму близкому к равновероятностному [9]. Таблица 1. Режимы нагружения мотор-вариатора, момент на выходном валу , передаточное отношение вариатора , относительное время работы Режим № 1 Режим № 2 , Н×м , Н×м 16 2 0,3 34 2 0,3 12,5 1 0,4 18 1 0,4 9,4 0,5 0,3 9,4 0,5 0,3 Расчет показал, что ожидаемый ресурс ремня с учетом его температуры, принятой в расчетах по результатам предварительных испытаний, составил часов для режима № 1 и часов для режима № 2. Как видно, величина ожидаемого ресурса ремня весьма значительная (средний ресурс ремней в эксплуатации по ГОСТ 24848.2-81 составляет не менее 2500 часов для легкого режима работы). Это подтверждает предположение о том, что паспортные данные не отражают действительных возможностей модернизированного мотор-вариатора. Мотор-вариатор способен передавать большие мощности без потери работоспособности. Испытания макетного образца мотор-вариатора Натурные испытания макетного образца мотор-вариатора и ВР 315Б на предприятии-изготовителе показали его излишнюю теплонагруженность [1]. Поэтому были проведены дополнительные экспериментальные исследования для определения источников повышенного теплообразования и оценки теплонагруженности вариаторного ремня. На рис. 2 показан испытательный стенд, состоящий из вариатора ВР 315Б и порошкового тормоза ПТ-16М, соединенного с ведомым валом вариатора карданной передачей. Испытания проводились в двух режимах, соответствующих работе вариатора паспортным данным (режим № 1) и полной загрузке электродвигателя по мощности (режим № 2). Режим № 1: частота вращения выходного вала мин-1; тормозной момент Н×м. Режим № 2: частота вращения выходного вала мин-1; тормозной момент Н×м. Рис. 2. Испытательный стенд При этом режим № 2 соответствовал перегрузке электродвигателя до 3,5 КВт при его номинальной мощности 3 КВт. Тормозной момент контролировался силоизмерительным устройством порошкового тормоза. Частота вращения ведомого вала вариатора определялась цифровым тахометром ТЦ-3М. Температура измерялась прибором В7/27 с помощью контактной термопары при остановленном вариаторе в восьми точках: точка № 1 - вариаторный ремень; точка № 2 - диск нижний левый; точка № 3 - диск верхний правый; точка № 4 - механизм регулировки; точка № 5 - корпус электродвигателя; точка № 6 - корпус вариатора; точка № 7 - вал входной левый; точка № 8 - вал входной правый. Замер во внутренних точках (№ 5, № 6, № 7 и № 8) осуществлялся через технологические смотровые люки корпуса мотор-вариатора. Результаты измерений в графическом виде приведены на рис. 3 и 4. а) б) Рис. 3. График изменения температуры в режиме № 1: а - внутренние точки замера; б - внешние точки замера Анализ результатов эксперимента показал, что ремень не является основным источником тепловыделения, хотя его температура достигала . Такая температура допустима для ремня. Однако, имеющаяся, по нашему мнению, возможность ее снижения за счет доработки конструкции корпуса, вентилятора и нажимных устройств мотор-вариатора положительно скажется на ресурсе ремня. а) б) Рис. 4. График изменения температуры в режиме № 2: а - внутренние точки замера; б - внешние точки замера Наиболее значимым источником теплообразования является механизм регулировки нажимного устройства ведущего шкива. Этот узел, несомненно, требует тщательной конструктивной доработки. Нагрев корпуса электродвигателя до температуры не является опасным, поскольку проявляется лишь в режиме № 2, когда электродвигатель работал в режиме перегрузки. В нормальном режиме (режим № 1) его температура находилась в допустимых пределах. Повышенная температура верхнего правого диска (точка № 3), вероятнее всего, обусловлена большим тепловыделением в механизме регулировки и в электродвигателе. Она может быть снижена после доработки механизма регулировки. Заслуживает пристального внимания значительная разница температур левого и правого концов выходного вала. Такая разница вызвана конструктивно-технологическими погрешностями механизма нажатия ведомого шкива и правой опоры ведомого вала. Этот узел также требует соответствующей доработки. Тепловой расчет вариатора производился по традиционной методике для установившегося режима работы [10]. При этом рассчитывалась температура корпуса вариатора и корпуса электродвигателя. Средняя температура корпуса вариатора определялась по выражению: Здесь - температура окружающей среды (принято ); - мощность электродвигателя, кВт; - площадь поверхности корпуса вариатора, м2; - коэффициент теплоотдачи в окружающую среду, Вт/(м2×градус); - коэффициент полезного действия вариатора. Коэффициент полезного действия вариатора найден расчетным путем, по методике, изложенной в [10]. Расчет проводился для и при полной реализации мощности электродвигателя. Его величина составила: при - , , при - . Расчет проведен при меньшем значении коэффициента полезного действия мотор-вариатора. Средняя температура корпуса электродвигателя определялась по формуле: . Здесь - коэффициент полезного действия электродвигателя (принят ); - площадь поверхности корпуса электродвигателя, м2; Вт/(м2×градус) коэффициент теплоотдачи в окружающую среду. Из расчетов видно, что ожидаемая температура корпуса мотор-вариатора практически совпадает с замеренной экспериментально, а корпуса электродвигателя - превышает замеренную. Это можно объяснить недостаточной точностью определения коэффициента и упрощенностью методики расчета. Заключение На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1. Технические характеристики модернизированного мотор-вариатора не отражают его действительных возможностей. Мотор-вариатор способен передавать большие мощности без потери работоспособности. 2. Модернизированный мотор-вариатор можно использовать в приводах стационарных машин при различных законах изменения момента сопротивления и передаваемой мощности. 3. Следует провести доработку конструкции мотор-вариатора с целью устранения дополнительных источников теплообразования и улучшения условий работы вариаторного ремня.

About the authors

N. P Balovnev

Moscow Polytechnic University

Email: dm@mami.ru
Ph.D.

L. A Dmitrieva

Moscow Polytechnic University

Email: dm@mami.ru

References

Supplementary files