Влияние натяжных устройств на работу цепного привода

- г -
ОГЛАВЛЕНИЕ стр<
ВВЕДЕНИЕ .......................................................5
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ............
1.1. Назначение натяжных устройств и их влияние на работу цепных передач ............................................ 9
1.2. Систематизация сушествуюших конструкций натяжных устройств .................................................1г
1.3. Обзор сушествуюших методов расчета натяжений ветвей
и настройки цепных передач ............................... 19
1.4. Анализ сушествуюших исследований по динамике цепного привода....................................................22
1.5. Постановка задачи исследования ............................ 31
2. РАСЧЕТ НАТЯЖЕНИЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ВЕТВЕЙ ЦЕПИ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ЦЕПНОГО КОНТУРА С НАТЯЖНЫМ УСТРОЙСТВОМ ..............
2.1. Расчетная схема и основные уравнения ....................... 34
2.2. Системы с постоянным усилием, действующим на натяжную звездочку .............................................42
2.3. Системы с подпружиненной натяжной звездочкой ............... 51
2.4. Самонатяжные статически неопределимые приводы .............. 55
2.5. Самонатяжные статически определимые приводы ................ 64
2.6. Основные результаты и выводы ............................... 73
3. АНАЛИЗ РАЗЛИЧНЫХ ГРУПП НАТЯЖНЫХ УСТРОЙСТВ И САМОНАТЛЖ-НЫХ ПРИВОДОВ НА ПРЕДМЕТ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИМИ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ЦЕПНОЙ ПЕРЕДАЧИ .................................
3.1. Изменение натяжений ветвей и перемещений натяжной звездочки в процессе эксплуатации цепного привода .... 75
3.2. Об условиях обеспечения натяжным устройством эффекта самоподнастройки цепного привода ............................. 82
- 3 -
3.3. Определение периодичности настройки цепных приводов ... 86
3.4. Выбор оптимального места расположения натяжной звездочки относительно цепного контура....................................87
3.5. Выбор оптимальных исходных параметров цепного привода, оборудованного натяжным устройством ......................... 93
3.6. Основные результаты и выводы................................ 101
4. ЖЕСТКОСТНЫЕ И ИНЕРЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦЕПНОГО КОНТУРА
4.1. Продольная жесткость провисавшей ветви цепной передачи. 104
4.2. Продольная жесткость цепного контура с подвижной
опорой .................................................. 109
4.3. Поперечная жесткость ведомой ветви цепной передачи .... 112
4.4. Приведение массы ведомой ветви к оси натяжной звездочки ...................................................... 114
4.5. Основные результаты и выводы......................•••••••••• 119
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СИСТЕМЫ ЦЕПНАЯ ПЕРЕДАЧА - НАТЯЖНОЕ УСТРОЙСТВО ....................................................
5.1. Определение области применимости линейной модели цепного привода с постоянными параметрами при исследовании крутильных колебаний звездочек................................................................... 121
5.2. Об условиях динамической устойчивости работы цепного привода при крутильных колебаниях ........................... 126
5.3. Оценка максимальных динамических нагрузок в ведущей ветви цепной передачи, вызванных крутильными колебаниями звездочек.............................................. 129
5.4. Колебания подвижной системы самокатяжных статически определимых приводов......................................... 134
5.5. Колебания самонатяжных статически неопределимых приводов ...................................................... 139
5.6. Поперечные колебания ведомой ветви цепной передачи .... 144
- 4 -
5-7. Основные результаты и выводы .............................. 156
6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, ПОДТВЕРЗДШДИЕ ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ........................................
6.1. Экспериментальное определение взаимосвязи между распорами ветвей и усилием, создаваемым натяжной звездочкой ................................................... 158
6.2. Экспериментальное определение влияния изнашивания
цепи на натяжения ветвей................................. 162
6.3. Экспериментальное определение продольной и поперечной жесткости ведомой ветви .................................. 168
6.4. Экспериментальное определение резонансных режимов
работы системы цепная передача - натяжное устройство . 174
6.5. Экспериментальное исследование поперечных колебаний ведомой ветви цепного привода ............................ 179
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................197
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ............................... 200
ПРИЛОЖЕНИЯ ......................................................208
- 5 -
ВВЕДЕНИЕ
В программном документе ЦК КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 г." [I] подчеркивается, что .для дальнейшего техни-
ческого прогресса в стране необходимо ускоренное развитие методов расчета и проектирования деталей и узлов обшемашиностроительного применения, к которым относятся и цепные приводы. Они применяются практически во всех отраслях народного хозяйства: сельскохозяйственном машиностроении, горной, металлургической, станкостроительной и автомобильной промышленности; в нефтебуровом оборудовании, полиграфических, подъемно-транспортных и многих других машинах.
Возраставшее применение цепных приводов в народном хозяйстве ставит задачи обеспечения их эксплуатационной надежности и долговечности.
Практика эксплуатации цепных приводов показывает, что одним из эффективных путей увеличения их срока службы является применение в них рационально выбранных, правильно рассчитанных и смонтированных натяжных устройств.
В отечественной и зарубежной технической и патентной литературе описано множество натяжных устройств, отличающихся принципом работы и конструктивным исполнением. Наиболее распространенными среди них являются системы с разнообразными пружинными или грузовыми способами прижатия натяжной звездочки к ведомой ветви цепной передачи. Менее распространенными, но наиболее перспективными являются так называемые самонатяжные приводы, в которых натяжное устройство представляет собой неотъемлемую часть привода. Редкое использование в практике самонатяжных цепных приводов ограничивается не столько их относительной сложностью, сколько отсутствием в технической литературе методик их расчета и проектирования.
- 6 -
Имеющиеся в настоящее время исследования по расчету и выбору конструктивных параметров цепного привода, оборудованного натяжным устройством, ограничиваются случаем системы с подпружиненной или перемещаемой по пазу кронштейна натяжной звездочкой. Эти исследования предполагают замену системы цепная передача - натяжное устройство упрошенной системой, состоящей из ведомой ветви цепной передачи и натяжного устройства. Такая замена не позволяет подойти к вопросу выбора оптимальных конструктивных параметров цепной передачи и натяжного устройства как целостной системы и реализовать в полной мере те потенциальные возможности, которыми может обладать цепной привод. В связи с этим в основу исследования системы цепная передача - натяжное устройство необходимо положить более общие принципы механики, применение которых .для любой системы в целом позволит определить закономерности силовых взаимодействий различных типов натяжных устройств с цепным контуром, исследовать изменения этих закономерностей в процессе эксплуатации цепного привода и в конечном счете определить оптимальные конструктивные параметры системы.
Натяжные устройства вносят определенные связи между элементами цепного привода и это не может не отразиться на его динамике.
При работе в реальных условиях на цепкой привод всегда действуют возмушаюшие факторы, которые вызывают колебания звездочек, ветвей передачи и натяжного устройства. Taie как совершенно избавиться от колебаний практически невозможно, то при конструировании цепного привода, помимо задачи выбора оптимальных конструктивных параметров системы, возникает задача проверки его на отсутствие резонансного режима работы.
Существующие исследования по динамике цепного привода ограничиваются, как правило, рассмотрением отдельной части привода - цеп-
- 7 -
ной передачи, а действием натяжного устройства на систему пренебрегают. Такой подход ограничивает круг вопросов динамики цепного привода расчетом динамической нагрузки в ведущей ветви и поперечными колебаниями ветвей. Однако и здесь имеются определенные расхождения различных авторов в представлении динамической модели цепного привода, учете возмущающих факторов, сопутствующих работе привода, применении математического аппарата и как следствие, существенные расхождения в оценке динамических свойств цепного привода. Поэтому дальнейшее развитие вопросов динамики цепного привода требует, с одной стороны, уточнения .динамических моделей и расчетных схем соответствующих цепной передаче, а с другой, разработки новых динамических моделей и расчетных схем, учитывающих наличие в цепном приводе натяжного устройства, на основе которых можно предвидеть, а значит и предотвратить появление в системе нежелательных динамических эффектов и явлений.
Основной целью настоящей работы является проведение теоретических и экспериментальных исследований и создание методики статического и динамического расчета цепных приводов, оборудованных различными типами натяжных устройств, выбора оптимальных конструктивных параметров системы и разработка на этой основе новых конструктивных схем самоподнастраиваюшихся и самонатяжных цепных приводов .
Объект исследования - цепные приводы, оснащенные приводными роликовыми цепями с прямыми пластинами, получившие наибольшее распространение в обшем машиностроении.
Теоретические исследования проведены с использованием современных математических методов, а экспериментальные исследования выполнены на специально сконструированных стендах с использованием высокоточной измерительной аппаратуры.
Работа выполнена в Львовском ордена Ленина политехническом
- 8 -
институте им. Ленинского комсомола на кафедре "Теория механизмов и машин и подъемно-транспортные машины" и Тернолольском филиале Львовского политехнического института на касредре “Станки и инструменты".
Научная новизна выполненных исследований заключается в теоретическом обосновании закономерностей силовых взаимодействий цепного контура с различными типами натяжных устройств, выявлении основных теоретических и экспериментальных закономерностей изменения силовых, геометрических и жесткостных параметров цепного привода в процессе его эксплуатации, разработке на этой основе методики выбора оптимальных конструктивных параметров системы цепная передача - натяжное устройство, уточнении динамической модели цепной передачи и оценке максимальной динамической нагрузки в ведущей ветви, теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении существования ряда новых динамических эффектов, связанных с поперечными колебаниями ведомой ветви, и определении влияния натяжного устройства на динамику цепного привода.
- 9 -
I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Назначение натяжных устройств и их влияние на
работу цепных передач
Практика эксплуатации цепных передач показывает, что только при наличии рационально выбранных и правильно смонтированных натяжных устройств можно ооеспечить нормальную эксплуатацию цепной передачи. Натяжные устройства, не принимая непосредственного участия в передаче энергии, создают благоприятные условия для работы передачи.
Основное функциональное назначение натяжного устройства состоит в поддержании определенного соотношения между натяжениями ветвей передачи. Величину этого соотношения, по мнению большинства исследователей [2, 8, 17, 18, 20, 21, 45] , необходимо выбирать на ос-
нове взаимосвязи между натяжением ведущей и ведомой ветвей передачи с учетом влияния конструктивных и эксплуатационных факторов. К таким факторам относят форму расположения звеньев цепи на зубьях звездочек, рабочую нагрузку, скорость движения цепи, передаточное отношение, межцентровое расстояние и др.
Изучая закономерности зацепления цепи с зубьями звездочек, проф. Н.В.Воробьев [6] выделил два вида зацепления: нормальное и специальное. Теоретическими исследованиями и опытом эксплуатации цепных передач подтверждено существенное преимущество нормального способа зацепления.
При нормальном способе зацепления, в зависимости от соотношения натяжений ведущей и ведомой ветвей, различают три основные формы расположения звеньев цепи на звездочках: исходную, нормальную и предельную [6, 8, 45] .
Наличие той или иной формы расположения шарниров цепи на зубьях звездочек, при прочих равных условиях, зависит от величины предварительного натяжения ветвей, которое создается натяжным устройством.
- 10 -
Оптимальным считается такое предварительное натяжение ветвей передачи, при котором обеспечивается нормальная форма расположения шарниров цепи на зубьях той звездочки, которая имеет наименьшую надежность сцепления с цепью [20, 21, 45] .
При нормальной форме расположения шарниров цепи на зубьях звездочки последние контактируют с рабочими поверхностями зубьев и имеют минимальные перемешения относительно рабочего профиля зуба, вызванные в основном упругими деформациями звездочки и цепи.
В случае если предварительное натяжение меньше оптимального, шарниры цепи начнут подниматься по рабочим профилям зубьев звездочки. Это вызывает дополнительное изнашивание зубьев звездочки и шарниров цепи, что является крайне нежелательным.
Если предварительное натяжение больше, чем оптимальное, то существенно снижается плавность работы передачи, в цепном контуре могут возникать значительные динамические нагрузки, значительно повышается температура цепи [21] , что резко снижает срок служ-
бы цепной передачи в целом.
В процессе эксплуатации цепной передачи средний шаг цепи увеличивается, вследствие изнашивания шарниров цепи, что ведет к уд-линнению цепного контура. Последнее приводит к изменению соотношения натяжений ведущей и ведомой ветвей и ведет к изменению нормальной формы расположения звеньев цепи на звездочке. Кроме этого возможно появление значительных поперечных колебаний ветвей передачи. Следовательно, если в спроектированной передаче предусмотрено натяжное устройство, то оно должно обеспечить:
- компенсацию удлиннения цепи и регулировку предварительного натяжения ветвей;
- повышение износостойкости шарниров цепи и зубьев звездочек за счет создания нормальной формы расположения звеньев цепи на зубь-
ях одной из звездочек;
- снижение вибраций и устранение резонансных режимов работы передачи.
Практика эксплуатации цепных передач, а также сравнительные испытания различных конструкций натяжных устройств [21] , показы-
вают, что натяжные устройства дают возможность увеличить срок службы цепи в 1,2 - 1,5 раза, повышают плавность хода передачи, снижают амплитуду поперечных колебании ветвей в 2 - 3 раза, уменьшают динамические нагрузки в 1,4 - 1,7 раза. Вместе с этим на практике не редки случаи, когда неудачно спроектированное натяжное устройство является источником значительных динамических нагрузок в цепном контуре. Это связано с тем, что система цепная передача - натяжное устройство представляет собой довольно сложную динамическую систему, на которую действует ряд возмушаюших факторов [23, 29, 47-49]. При определенных соотношениях параметров такой системы возможно появление нежелательных динамических явлений, к которым в первую очередь следует отнести резонансные режимы работы системы силового и параметрического происхождения.
Имеющиеся в настоящее время исследования по механике системы цепная передача - натяжное устройство [6, 8, 18, 21, 45] ограничиваются, как правило, расчетом стационарных натяжений в ветвях передачи и проверкой отсутствия резонансных режимов работы цепной передачи [24, 29, 35, 39, 47] . При этом влиянием натяжного уст-
ройства на формирование динамических процессов в системе пренебрегают
Между тем, при взаимодействии натяжного устройства с цепным контуром могут появиться новые динамические явления, учет которых при проектировании системы цепная передача - натяжное устройство позволит избежать нежелательных режимов работы системы и следовательно повысить работоспособность цепного привода.
- 12 -
1.2* Систематизация существующих конструкций натяжных устройств
Исходя из функционального назначения натяжного устройства и характера изменения натяжения ведомой ветви по мере изнашивания цепи систему цепная передача - натяжное устройство можно разделить на три группы.
К первой группе отнесем системы в которых натяжение ведомой ветви уменьшается по мере изнашивания цепи.
Вторую группу составляют системы, в которых натяжение ведомой ветви остается неизменным по мере изнашивания цепи и постоянном моменте сопротивления на ведомой звездочке.
К третьей группе отнесем системы,в которых натяжение ведомой ветви устанавливается автоматически в зависимости от момента сопротивления на ведомой звездочке.
На рис.1.1. показаны системы, отнесенные к первой группе. Предварительное натяжение создается натяжными винтами, которые перемешают салазки (см.рис.1.1.а) или качающуюся плиту (см.рис.1.1.б), на которой смонтированы опоры одного из валов. При неизменном расстоянии между осями ведущей и ведомой звездочек предварительное натяжение обеспечивается перемещением оси натяжной звездочки по пазу кронштейна (рис.1.2.), а также перемещением рычага,на котором закреплена натяжная звездочка, под воздействием упругости пружины (рис.1.3.а) либо веса груза (рис.1.3.б). Следует заметить, что грузовая и пружинная системы (см.рис.1.3.) позволяют лишь компенсировать удлиннение цепи и уменьшить ее провисание, но не обеспечивают постоянства натяжения ведомой ветви в процессе эксплуатации цепной передачи.
Системы первой группы нашли наибольшее распространение благодаря их простоте. Однако для обеспечения оптимальных условий работы цепной передачи возникает необходимость в периодической регулировке и контроле предварительного натяжения ветвей передачи.
- 13 -
Рис.1 Л. а) Натяжное устройство с электродвигателем, установленным на салазках; б) Натяжное устройство с электродвигателем, установленным на качашейся плите.
Рис.1.2. Натяжное устройство с перемещением натяжной звездочки по пазу кронштейна.
Рис.1.3. а) Натяжное устройство с подпружиненной натяжной звездочкой; б) Натяжное устройство с грузовым нагружателем.
- 14 -
I
Указанных недостатков лишены системы, отнесенные ко второй группе. На рис.1.4.а показан пример системы с изменяемым расстоянием между осями ведущей и ведомой звездочек, а на рис.1.4.б - с неизменным межосевым расстоянием [66]
В первом случае натяжение ветвей осуществляется перемешением опор одного из валов при помощи груза, связанного посредством тросика и
шкива с подвижной опорой вала. Во втором случае натяжение ветвей осу-
»
шествляетея перемешением штока I натяжной звездочки 2 под действием осевой силы создаваемой винтом 3 при помоши груза 4, связанного гибкой связью 5 с фасонным барабаном 6. Перемещение штока натяжной звездочки вызывает увеличение момента, действующего на винт, за счет увеличения радиуса приложения веса груза при навивке гибкой связи на барабан. Соответствующим выбором профиля барабана можно обеспечить постоянство натяжения ведомой ветви [66] .
Системы второй группы обеспечивают постоянство натяжения ведомой ветви только при постоянном моменте сопротивления на ведомом звене привода и соответствующем выборе конструктивных параметров системы.
Для обеспечения оптимальных условий работы цепного привода, работающего в широком диапазоне нагрузок, возникает необходимость в автоматическом регулировании натяжения ведомой ветви в зависимости от нагрузки, передаваемой цепной передачей. Это дает возможность наиболее рационально использовать цепь и опоры передачи, повышая их ресурс [5, 04, 57] .
В технической литературе [54] системы, отнесенные к третьей группе, получили название самонатяжныв передачи с гибкой связью.
Известные конструкции самонатяжных передач можно разделить на два типа: статически определимые и статически неопределимые.
В статически определимых системах натяжение ветвей создается
- 15 -
Рис.1.4. а) Натяжное устройство с грузовым нагружателем .для передач с изменяемым межосевым расстоянием* б) Натяжное устройство для передач с постоянным межосевым расстоянием, обеспечивающее постоянное натяжение ведомой ветви цепной передачи.
-16 -
изменением межосевого расстояния, а в статически неопределимых -натяжными звездочками.
На рис.1.5. показаны статически определимые системы. Наиболее простыми являются системы с эксцентрично закрепленным электродвигателем (рис.1.5.а) и подвесным редуктором (рис.1.5.б). Натяжение ветвей осуществляется за счет реактивного момента, действующего на корпус электродвигателя и редуктора. Такие системы обеспечивают пропорциональное увеличение натяжения ведомой ветви в зависимости от нагрузки. Для определения соотношения между натяжениями ветвей достаточно составить уравнения статики системы без учета ее упругих деформаций.
Пример статически неопредеиимой системы показан на рис.1.6. [64] Система включает балансирный электродвигатель I, корпус которого
связан тягой 2 с рычагом 3, на котором установлена натяжная звездоч-
1
ка 4. Реактивный момент, действующий со стороны корпуса балансирно-го электродвигателя, передается посредством тяги 2 на рычаг 3 и натяжная звездочка прижимается к ведомой ветви. С увеличением нагрузки увеличивается усилие с которым натяжная звездочка действует на ведому] ветвь, что приводит к пропорциональному возрастанию ее натяжения.
Несколько иной принцип работы у самонатяжного привода показанного на рис.1.7. [65] . Ведущая звездочка I установлена врашатель-
но подвижно относительно вала 2 и связана с полумуфтой 3 посредством конических пальцев 4. При передаче полезной нагрузки полумуф-та 3 смещается в осевом направлении и своей конической поверхностью воздействует на рычаг 5, вызывая перемещение натяжной звездочки 6 и соответствующее увеличение натяжения ведомой ветви.
Статическая неопределенность таких систем проявляется в том, что для определения натяжений ветвей необходимо составлять уравнения статики с учетом деформаций цепного контура.
17 -
а)
6)
Рис*1.5. а) Самонатяжной привод с эксцентрично закрепленным электродвигателем; б) Самонатяжной привод с подвесным редуктором.
Рис.1.6. Самонатяжной статически неопределимый привод с балансирним электродвигателем.
Рис.1.7. Самонатяжной статически неопределимый привод с муфто-рычажным натяжным устройством.
- 19 -
Следует отметить, что системы первой и второй группы также являются статически неопределимыми.
В настоящее время известно большое число различных схем самона-тяжных передач [64 - 73] . Некоторые из них нашли применение, в
частности, в приводах зерноуборочных комбайнов зарубежного производства. Однако широкого распространения они пока не получили ввиду их относительной сложности и отсутствием в технической литературе рекомендаций по их расчету и проектированию. Между тем, в перспективах развития приводов сельхозмашин [60] , указано на целесообраз-
ность дальнейшего совершенствования и создания новых конструкций цепных приводов с автоматическим регулированием натяжений ветвей.
1.3. Обзор существующих методов расчета натяжений ветвей и
Вопросам расчета натяжений ветвей и настройки цепных передач посвяшено значительное число работ [6, 8, 9, II, 18, 20, 21, 43 -46, 55, 74] . Наиболее глубоко эти вопросы освешены в работах
Н.В.Воробьева [6] , И.П. Глушенко [6, 18] , А.А.Петрика [45,‘ 46] , А.А.Готовцева [21] , Г.Г.Рахнера [74] .
В этих работах показано, что при установившемся режиме работы цепной передачи полное натяжение ведущей ветви 51 состоит из суммы рабочей нагрузки Р , динамической нагрузки и натяжения ведомой ветви . В свою очередь, натяжение состоит из суммы натяжения 5^ , вызванного действием собственного веса цепи, и
натяжения от центробежных сил. Натяжения и подсчитывают по формулам [21] :
настройки цепных передач
^_______
.&{ '
с -
(І.І.)
°и,- д
(1.2)