Создание и исследование работоспособности ручной машины с волновой передачей

Актуальность темы

Анализ классификации ручных машин (РМ), используемых в строительстве [13,55] показывает, что характерной чертой разработанных конструкций [1, 13,14,16,19,23,28,36,39,42,43,55,60] является небольшой крутящий момент на шпинделе. Этого момента достаточно для выполнения операций сверления, строгания, пиления, шлифования и т. п. Но существуют такие виды работ в строительстве, которые требуют достаточно высокого крутящего момента на рабочем органе. Например, бурение ям под столбы ограждения, под фундамент для различных построекбурение шпуров для взрывных работбурение шпуров при инженерных изысканияхперемешивание смесейподтягивание и подъем грузовнарезание резьбы и т. п.

Общими требованиями, предъявляемыми к ручным электрическим машинам различных видов, являются обеспечение удобства в работе, высокой производительности, минимальных габаритов и массы при полной безопасности оператора [57]. Широкое распространение в приводах РМ получили однофазные коллекторные двигатели. Эти двигатели имеют небольшую массу и размеры в сравнении с двигателями других типов[21, 55, 57, 59,60].

Соединение волновой зубчатой передачи или волновой передачи с промежуточными телами качения с однофазным коллекторным двигателем приводит к созданию привода для механизированного инструмента с небольшой массой и размерами, предназначенного для малых объемов работ и работ в стесненных условиях. Ручная машина электробур, разработанная на базе такого привода может быть классифицирована как строительная РМ для разработки камня и грунта [13,55]. Такая машина при равной производительности имеет небольшие размеры и значительно легче, чем аналогичные конструкции, разработанные в других отраслях народного хозяйства [49,57].

Основные вопросы теории и рекомендации по проектированию волновых зубчатых передач (ВЗП) изложены в работах [9,10,12,15,25,26,30,35,64]. Существующие аналитические зависимости для определения диаметра гибкого колеса волновой зубчатой передачи могут применяться для частоты вращения генератора волн до 3500 мин" 1. В настоящее время известна конструкция ВЗП с цилиндрическим гибким колесом, в которой частота вращения волнообразователя достигает 6000 мин" 1 [9]. Специфика работы ВЗП с высокими оборотами генератора волн, от 10 000 мин*1 до 20 000 мин" 1, не исследована и представляет особый интерес.

Теория зацепления волновых передач с промежуточными звеньями (ВППЗ) и рекомендации по проектированию таких передач рассматриваются в работах [44, 45].

Теоретические основы процесса шнекового бурения грунтов I-IV категории изложены в работах [6,8,27,38,49]. В настоящее время расчет требуемой мощности буровой машины в зависимости от типа грунта и вида рабочего органа не автоматизирован. Физико-механические свойства грунтов классифицированы и сведены в таблицы [17,23,24], но этого явно недостаточно для повышения производительности проектирования новой техники. Трудоемкость расчетов существующими методами очевидна. Необходимо создание метода автоматизированного определения мощности двигателя ручной машины электробур в зависимости от типа грунта и особенностей конструкции рабочего органа. Использование ЭВМ в процессе проектирования и на стадии эксплуатации облегчит расчеты и поможет спрогнозировать рабочие и эксплуатационные характеристики ручной машины электробур в зависимости от известных или предполагаемых физико-механических свойств грунта и вида рабочего органа.

Усилия, направленные на создание и исследование работоспособности ручной машины электробур на базе коллекторного двигателя с волновым зубчатым редуктором и с редуктором с волновой передачей с промежуточными звеньями, актуальны для строительства и сельского хозяйства. Данная разработка может рассматриваться как высокотехнологичная продукция и рекомендоваться российским заводам военно-промышленного комплекса в качестве продукта конверсии.

Цель работы. Создание и исследование работоспособности ручной машины электробур на базе коллекторного двигателя с волновой зубчатой передачей (ВЗП) и с волновой передачей с промежуточными звеньями (ВППЗ).

Задачи исследования: — изучение рабочего процесса и потенциальных возможностей ручной машины электробур с новыми конструктивными признаками;

— установление рациональных геометрических параметров гибкого колеса ВЗП с учетом работы передачи при частоте вращения генератора волн 12 000. .18 000 мин'1;

— разработка инженерного метода автоматизированного выбора мощности двигателя;

— создание экспериментального образца, исследование и испытание его в лабораторных условиях.

Научная новизна заключается:

— в разработке кинематических схем ручной машины электробур с новыми конструктивными признаками, позволяющими качественно изменить рабочий процесс механизма;

— в уточнении зависимости диаметра гибкого колеса от силовых и физических параметров с учетом работы передачи при частоте вращения волнообразователя 12 000. .18 000 мин" 1;

— в разработке метода автоматизированного определения необходимой и достаточной мощности коллекторного двигателя по известным или ожидаемым физико — механическим характеристикам разрабатываемого грунта и по виду рабочего органа;

— в получении экспериментальных данных по шумовой, вибрационной, тепловой характеристики привода ручной машины электробур и в установлении влияния этих факторов на работоспособность и безопасную эксплуатацию механизма.

На защиту выносятся:

— кинематические схемы электробура с волновой передачей (ВЗП и ВППЗ);

— уточненная теоретическая зависимость диаметра гибкого колеса ВЗП от силовых и физических параметров с учетом частоты вращения генератора волн 12 000. 18 000 мин" 1;

— метод автоматизированного выбора мощности электродвигателя ручной машины электробур в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого грунта и от вида рабочего органа;

— результаты экспериментальных исследований виброактивности, шу-моактивности и теплового режима работы ручной машины электробур. Практическая ценность и реализация работы:

— разработаны и обоснованы новые кинематические схемы ручной машины электробур;

— разработан простой и наглядный метод автоматизированного расчета мощности двигателя в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого грунта и вида рабочего органа;

— создан экспериментальный образец ручной машины электробур и подтверждена его работоспособность. Машина имеет небольшую массу и габариты, удобна в эксплуатации и достаточно эстетична. Рабочие чертежи и метод выбора мощности ручной машины электробур используются в «НПП Технотрон» г. Томск. Внедрение ручной машины в народное хозяйство для нужд мелких производителей и исследовательских организаций даст существенный экономический и социальный эффект. Ручная машина электробур используется в учебном процессе, как наглядное пособие по разделу «Детали машин» в ТГАСУ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на международном конгрессе «Зубчатые передачи — 95 «в Софиина международной научно-технической конференции «Интерстроймех — 96» в Москвена всероссийской XXX научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» в 1999 году в Пензена VI и VII международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии «СТТ-2000, СТТ-2001 в ТЦУ г. Томскна научном семинаре кафедры «Детали машин» Московского государственного строительного университетана производственном совещании на Московском радиотехническом заводена научных семинарах кафедр «Прикладная механика и материаловедение «и «Строительные и дорожные машины» Томского государственного архитектурно — строительного университетана научном семинаре кафедры «Компьютеризация машиностроения «в Томском политехническом университете. Зарегистрировано участие в 5-й универсальной выставке-ярмарке «Снабжение севера -98» и выставке «Интеграция — 98» проходившей в Томском технопарке.

Публикации. Основные результаты работы отражены в 11 публикациях. Получено 1 свидетельство на полезную модель и 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 64 наименований и приложений. Общий объем работы 133с., в том числе основной текст 121 е., 32 рисунка и 7 таблиц.

ВЫВОДЫ:

1. Разработаны кинематические схемы РМ электробур с ВЗП и ВППЗ. Спроектирован и изготовлен экспериментальный образец ручной машины электробур на базе коллекторного двигателя с полезной мощностью 750 Вт и волновой зубчатой передачи с передаточным отношением U=80.

2. Ручная машина прошла стендовые испытания, в ходе которых подтвердила свою работоспособность. Уровень шума и вибрации соответствует стандартным требованиям, а тепловой режим работы соответствует требованиям, предъявляемым к нагревостойкости обмоток двигателя, к свойствам как жидких, так и пластичных смазывающих материалов.

3. Расчетная долговечность гибкого колеса ВЗП составляет 500 часов и соответствует паспортной долговечности коллекторного двигателя.

4. Разработан метод автоматизированного определения мощности двигателя в зависимости от типа грунта и особенностей конструкции рабочего органа. По этому методу можно прогнозировать расход мощности РМ в зависимости от различных эксплуатационных факторов и выбирать наиболее приемлемые в конкретных условиях режимы бурения.

5. Новая ручная машина имеет небольшую массу и экономически эффективнее при производстве небольших по объему строительных работ в сравнении с существующими аналогами. В классификации ручных строительных машин по назначению и области применения [13], соответствующей ГОСТ 16 436–70, такую машину можно отнести к машинам для обработки камня и грунта, дополнив классификацию новым видом ручной строительной машины — бур. В ГОСТ 16 436–70 «Машины ручные пневматические и электрические. Термины и определения» предлагается ввести новый термин: «Буровая ручная машина» и определение: «Пневматическая (электрическая) буровая ручная машина для образования шпуров и неглубоких скважин в грунтах и горных породах» .

6. Устройство защищено 1 свидетельством на полезную модель и 1 патентом на изобретение и может рассматриваться как продукция двойного назначения. Рекомендуется к освоению российским заводам ВПК (военно-промышленного комплекса) в качестве продукта конверсии или в качестве расширения номенклатуры, выпускаемых изделий.