COMPARATIVE ANALYSIS OF STRUCTURES TEST APPARATUS FOR UNIVERSAL JOINT

Full Text

Введение. В стендах, применяемых для испытаний карданных передач машин, вращение карданного вала осуществляется аналогично принятой схеме транс- портных и технологических машин, а регулирование осуществляется с помощью редукторов. Существует множество стендов для испытания карданных пере- дач, основанных на схожих принципах, но имеющих значительные различия в конструкции, а также свои преимущества и недостатки. Подшипниковые узлы являются важнейшими структурными элементами машин и составляют ос- новную часть узлов трения. Отказ зачастую происхо- дит из-за отказа подшипниковых узлов, которые ог- раничивают долговечность машин. Даже при доста- точно качественном изготовлении деталей подшип- никовых узлов, например, игольчатого подшипника качения, характеристики карданной передачи могут оказаться неудовлетворительными, и произойдет вне- запный отказ. При этом под отказом следует пони- мать не обязательно разрушение трущихся (рабочих) поверхностей, а выход одной из характеристик под- шипниковых узлов за допускаемые пределы. Подшипниковые узлы сельскохозяйственной тех- ники выходят из строя в основном из-за абразивного изнашивания, связанного с попаданием грязи и пыли. Наиболее распространенный критерий отказа под- шипниковых узлов общего применения, работающих в автомобилях, тракторах, насосах, редукторах, стан- ках, подъемно-транспортном оборудовании, - устало- стное разрушение. В то же время для подшипниковых узлов специального применения важны и другие ха- рактеристики, такие как жесткость, уровень и спектр вибрации, момент сопротивления вращению, долго- вечность и др. [1]. Анализ работ [2-6] показывает, что на современ- ном этапе развития науки и техники повышение каче- ства и конкурентоспособности карданных шарниров на игольчатых подшипниках и карданных передач различных технологических и подъёмно-транспортных машин является одним из важнейших и современных условий, без которых не может быть достигнут науч- но-технический прогресс. Но до сих пор многие во- просы ещё не получили чёткого ответа ввиду неизу- ченности либо отсутствия нужного объёма исследо- ваний. Постановка задачи исследования. Задачей ис- следований является создание новых конструкций испытательных стендов для испытаний карданных передач в широком диапазоне нагрузок, сравнитель- ных испытаний шарниров различных типоразмеров, испытаний карданных передач с повышенной точно- стью настройки угла излома карданной передачи и удобством эксплуатации, испытаний карданных передач с исключением перегрева системы торможе- ния, а также обеспечения плавности регулирования тормозного момента на основе проведенного анализа имеющихся конструкций испытательных стендов. Анализ конструкций карданных шарниров. Проведенный патентный поиск и анализ конструкций выявил ряд устройств, направленных на решение по- ставленных задач, таких как испытание карданных передач в широком диапазоне нагрузок, сравнитель- ные испытания шарниров различных типоразмеров, создание новой конструкции, отличающейся большим диапазоном параметров нагружения и легкостью настройки, создание конструкции систем, которая позволит проводить испытания карданных передач с повышенной точностью настройки угла излома кар- данной передачи и удобством эксплуатации, создание конструкции систем, которая позволит проводить ис- пытания карданных передач с исключением перегрева системы торможения, а также обеспечить плавность регулирования тормозного момента. Известен стенд для испытаний карданных под- шипников [7]. Привод стенда осуществляется от элек- тродвигателя через ременную передачу к замкнутому контуру, состоящему из двух зубчатых редукторов, торсионных и карданных валов, двух муфт. Нагрузка в замкнутом контуре создается закручиванием торси- онных валов муфтой нагружения. Для испытаний карданных валов разной длины и создания перекосов в шарнирах редуктор может быть перемещен по пазам на плите в продольном и поперечном направлениях. Недостаток данного стенда - это применение в каче- стве нагружающего устройства торсионных валов, что снижает точность создания нагрузок в шарнирах карданной передачи. Известен стенд, который содержит электродвига- тель, нагрузочное устройство, ременную передачу, передаточный вал, установленный на опорах качения и через кривошип соединенный с валом в опорах, при этом нагрузочное устройство выполнено в виде вала, на котором по краям расположены опоры, а между ними - нагрузочный блок, на котором укреплен трос с грузом [8]. К недостаткам стенда можно отнести невозможность управления процессом нагружения карданной передачи во время испытаний карданной передачи. Известен стенд, содержащий технологическую карданную передачу, состоящую из полого вала, полых крестовин с внешними вилками и двух валов с элементами, служащими для присоединения к испы- тываемой карданной передаче [9]. В стенд входит также нагружатель, который содержит рычаги и резь- бовые стяжки. К недостаткам стенда относится невозможность управления процессом нагружения карданной передачи во время испытания. Известен стенд, который состоит из станины, при- вода, кинематически связанного с одним из валов ис- пытываемой карданной передачи, устройства нагру- жения, последовательно включенного в силовой кон- тур, технологического карданного шарнира с полой крестовиной, элементов для присоединения испыты- ваемой карданной передачи [10]. При этом одна вилка технологического карданного шарнира жестко связа- на через присоединительные элементы с одной из внешних вилок испытываемой карданной передачи, а другая вилка технологического карданного шарнира выполнена полой и связана через устройство нагру- жения и присоединительные элементы с другой из внешних вилок испытываемой карданной передачи. К недостаткам стенда можно отнести невозможность управления процессом нагружения карданной переда- чи во время испытания и невозможность регулирова- ния угла излома карданной передачи. Известен стенд с замкнутым силовым контуром для испытания агрегатов трансмиссии транспортных средств [11], который имеет приводной двигатель, вспомогательные передачи и последовательно вклю- ченный в силовой контур нагружатель, имеющий ре- гулируемый тормоз, выполненный в виде гидронасоса с регулируемым дросселем, установленным в его на- гнетательной магистрали. Известен стенд для испы- таний агрегатов трансмиссий транспортных средств, имеющий приводной двигатель, гидронасос, нагру- зочную гидромашину, регулятор нагрузки в виде ре- гулируемого дросселя, предохранительный клапан, гидравлический бак, сообщенный с входным каналом гидронасоса и выходным каналом приводной гидро- машины, выходной канал нагрузочной гидромашины сообщен с выходным каналом гидронасоса и с вход- ным каналом приводной гидромашины [12]. Основ- ным недостатком стендов является быстрый перегрев системы торможения, который возникает из-за отсут- ствия системы охлаждения. Результаты проведенного анализа. Поставленная задача создания новой конструкции, отличающейся большим диапазоном параметров нагружения и лег- костью настройки, решается тем, что привод соединен с карданной передачей с помощью муфты через тех- нологическую передачу, а устройство нагружения подключено через раздаточную коробку (рис. 1). Стенд состоит из электродвигателя 1, механиче- ской коробки переключения передач 2, присоединен- ной к входному валу карданной передачи 3, и устрой- ства нагружения 4, присоединенного к выходному валу карданной передачи посредством раздаточного редуктора 5. За счет использования пониженной передачи раз- даточной коробки (рис. 2) к муфте 1 подсоединяется карданная передача, а к полумуфте 2 подсоединяется устройство нагружения, за счёт этого можно получить удвоенные нагрузки при испытаниях или использо- вать нагрузочное устройство с меньшим тормозным моментом. Нагрузочное устройство выполнено таким образом, что позволяет моделировать вращающий момент на испытуемом шарнире, что приближает ис- пытание к реальным условиям нагружения карданных шарниров в условиях эксплуатации. Стенд работает следующим образом (рис. 1). Вра- щающий момент от электродвигателя 1 через механи- ческую коробку переключения передач 2 передается на карданную передачу 3. Коробка переключения пе- редач 2 позволяет менять частоту вращения кардан- ной передачи. Раздаточный редуктор 5 при этом пе- редает карданной передаче тормозной момент, созда- ваемый устройством нагружения 4, и карданная пере- дача работает под нагрузкой. Раздаточный редуктор 5 позволяет либо отключать нагрузку для удобства монтажных операций, либо подключать нагрузку в режимах повышенных или пониженных передач, что позволяет дополнительно управлять нагружаю- щим моментом и скоростью вращения испытываемых карданных передач. Стенд представляет собой систему узлов, последо- вательно установленных на раме. Привод 1 присоеди- нен к технологической передаче. Технологическая передача выполнена в виде механической коробки переключения передач 2, присоединена к входному концу карданной передачи 3 и позволяет менять час- тоту вращения. Устройство нагружения 4, присоеди- ненное к противоположному концу карданной пере- дачи 3 с помощью раздаточной коробки 5, позволяет моделировать различные по величине нагрузки, как статические, так и динамические. Поставленная задача создания конструкции сис- тем, которая позволит проводить испытания кардан- ных передач с повышенной точностью настройки угла излома карданной передачи и удобством эксплуата- ции, решается тем, что в известном стенде для испы- тания карданных передач [13] содержатся установ- ленные на основной раме электродвигатель, техноло- гическая передача, выполненная в виде механической коробки переключения передач, присоединенной к входному валу испытываемой карданной передачи, при этом выходной вал карданной передачи соединен с устройством нагружения через раздаточный редук- тор, а раздаточный редуктор установлен на дополни- тельной раме, имеющей возможность перемещения по прорезям основной рамы с фиксацией положения раздаточного редуктора в горизонтальной плоскости по нониусу, отградуированному в единицах угла излома карданной передачи (рис. 3). Рис. 1. Стенд для испытания карданных шарниров на игольчатых подшипниках Fig. 1. Testing bench for probation of the cardan joint on the needle bearer Рис. 2. Схема подключения раздаточной коробки передач Fig. 2. Connection diagram of the distribution box Рис. 3. Стенд для испытания карданных шарниров на игольчатых подшипниках Fig. 3. Testing bench for probation of the cardan joint on the needle bearer Стенд состоит из установленных на основной раме 1 электродвигателя 2, механической коробки переклю- чения передач 3, присоединенной к входному валу карданной передачи 4, и устройства нагружения 5, присоединенного к выходному валу карданной пере- дачи посредством раздаточного редуктора 6. Разда- точный редуктор 6 с устройством нагружения 5 уста- новлен на дополнительной раме 7 с возможностью перемещения по прорезям основной рамы 1 и фикса- цией положения раздаточного редуктора в горизон- тальной плоскости по нониусу 8, отградуированному в единицах угла излома карданной передачи. Стенд работает следующим образом: вращающий момент от электродвигателя 2 через механическую коробку переключения передач 3 передается на кар- данную передачу 4. Механическая коробка переклю- чения передач 3 позволяет менять частоту вращения испытываемой карданной передачи. Раздаточный редуктор 6 при этом передает карданной передаче тормозной момент, создаваемый устройством нагру- жения 5, и карданная передача работает под нагруз- кой. Раздаточный редуктор 6 позволяет либо отклю- чать нагрузку для удобства монтажных операций, либо подключать нагрузку в режимах повышенных или пониженных передач, что расширяет пределы изменения нагружающего момента и скорости враще- ния испытываемых карданных передач. Настройка угла излома карданной передачи 4 осуществляется с помощью нониуса 8 путем перемещения дополни- тельной рамы 7 по прорезям основной рамы 1 и фик- сацией положения дополнительной рамы 7 в горизон- тальной плоскости по нониусу 8, отградуированному в единицах угла излома карданной передачи. Поставленная задача создания конструкции сис- тем, которая позволит проводить испытания кардан- ных передач с исключением перегрева системы тор- можения, а также обеспечить плавность регулирования тормозного момента, решается тем, что в извест- ном стенде для исследования карданных передач [14] содержатся установленные на основной раме элек- тродвигатель, технологическая передача в виде меха- нической коробки переключения передач, присоеди- ненной к входному валу испытываемой карданной передачи, выходной вал которой присоединен к уст- ройству нагружения через раздаточный редуктор, уста- новленный на дополнительной раме. Согласно пред- лагаемому нами техническому решению [15], устрой- ство нагружения выполнено в виде гидронасоса, вал которого присоединен к выходному валу раздаточно- го редуктора, входной канал гидронасоса соединен с гидравлическим баком, а выходной канал соединен со входом регулируемого дросселя, выход которого через теплообменник соединен с гидравлическим баком, причем между выходным каналом гидронасоса и входом дросселя установлены предохранительный клапан и манометр, отградуированный в единицах тормозного момента. Конструкция предлагаемого стенда для испытаний карданных передач позволяет исключить перегрев системы торможения из-за охлаждения рабочей жид- кости, улучшить условия эксплуатации за счет исклю- чения нестабильности тормозного момента с помо- щью плавного регулирования тормозного момента. Стенд для испытаний карданных передач (рис. 4, 5) состоит из электродвигателя 1, выходной конец кото- рого соединен с технологической передачей 2, соеди- ненной с испытываемой карданной передачей 3, уста- новленными на основной раме 4. Выходной вал кар- данной передачи 3 соединен с входным валом разда- точного редуктора 5, установленного на дополни- тельной раме 6. Устройство нагружения выполнено гидравлическим и представляет собой гидронасос 7, вал которого присоединен к выходному валу разда- точного редуктора 5. Входной канал гидронасоса 7 соединен с гидравлическим баком 8 с рабочей жидко- стью, а его выходной канал присоединен к входному каналу дросселя 9, регулирующему нагрузку. Между дросселем и гидронасосом установлен манометр 10, отградуированный в единицах тормозного момента, и предохранительный клапан 11 для выпуска избы- точного давления в гидравлический бак 8. Выходной канал дросселя подсоединен к гидравлическому баку через теплообменник 12. Стенд работает следующим образом: вращающий момент от электродвигателя 1 передается на испыты- ваемую карданную передачу 3 через технологическую передачу 2, гидронасос 7 при этом передает испыты- ваемой карданной передаче тормозной момент, созда- ваемый и регулируемый дросселем 9, значение тор- мозного момента определяется с помощью манометра 10, отградуированного в единицах тормозного момен- та. При избытке рабочего давления срабатывает пре- дохранительный клапан 11 для предупреждения скач- ка заданного давления рабочей жидкости в гидравли- ческой системе, который выпускает избыточное дав- ление в гидравлический бак 8. Теплообменник 12 охлаждает рабочую жидкость. Рис. 4. Стенд для испытания карданных передач (шланги гидравлической системы не показаны) Fig. 4. Testing bench for probation of the cardan drive (hosepipes of hydraulic system are not shown) Рис. 5. Гидравлическая схема устройства нагружения Fig. 5. Hydraulic system of lading facility Заключение. Таким образом, на основе проведен- ного анализа известных стендов для испытания кар- данных передач были решены три задачи: испытания карданных передач в широком диапазоне нагрузок, сравнительные испытания шарниров различных типо- размеров; испытания карданных передач с повышен- ной точностью настройки угла излома карданной пе- редачи и удобством эксплуатации; испытания кардан- ных передач с исключением перегрева системы тор- можения, а также обеспечения плавности регулирова- ния тормозного момента. Предложены три варианта конструкций испыта- тельных стендов. Конструкция первого предложенно- го стенда позволяет испытывать карданные передачи разных типоразмеров в широком диапазоне нагру- жающих моментов и скоростей вращения карданных передач [16]. Стенд [14] отличается простотой конст- рукции, большим диапазоном параметров нагружения и легкостью настройки благодаря наличию рычагов переключения передач на коробке переключения пе- редач и раздаточном редукторе. Конструкция втрого предложенного стенда позволяет испытывать кар- данные передачи разных типоразмеров в широком диапазоне нагружающих моментов, скоростей враще- ния и высокой точности настройки угла излома кар- данной передачи [17]. Стенд [13] отличается просто- той конструкции, большим диапазоном параметров нагружения и легкостью настройки благодаря под- вижной раме и нониусу, отградуированному в едини- цах угла излома карданной передачи. Конструкция третьего предложенного стенда позволяет проводить испытания карданных передач, исключая перегрев системы торможения благодаря охлаждению рабочей жидкости, а также повысить качество эксплуатации за счет обеспечения плавности регулирования тормозно- го момента [18]. Стенд [15] отличается простотой конструкции и системой настройки тормозного мо- мента с помощью регулируемого дросселя и мано- метра давления рабочей жидкости, отградуированно- го в единицах тормозного момента.

About the authors

S. P. Eresko

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

T. T. Eresko

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

E. V. Kukushkin

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: ironjeck@mail.ru
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

V. A. Menovschikov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

A. E. Mikheev

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

References

Supplementary files