Конструкторская разработка - Стенд для ремонта кабины

Ремонт кабин предусматривает многократное ее кантование, что является довольно трудоемким процессом.

Обзор литературы, патентной документации, научно-технических и информационных материалов показал, что машиностроительной промышленностью Украины оборудование, механизирующее данный вид ремонта серийно не выпускается. Стенды для механизации этого вида работ производятся единичными экземплярами по технической документации, представляемой заказчиком.

Таким образом, для механизации ремонта кабин необходимо разработать конструкцию стенда.

Устройство и работа стенда

Стенд для ремонта кабин представляет собой стационарную установку, основой которой является сварная рама. Рама должна крепиться к полу анкерными болтами. Основной несущей металлоконструкцией стенда является каркас-кантователь. Он образован двумя опорными кольцами, диаметр которых равен 2280 мм и продольными брусьями. Размер колец определен конструктивно из условия размещения в каркасе кабины, различных устройств-креплений и возможности свободного доступа к ремонтируемой кабине для рабочего-ремонтника. Кольца выполнены из швеллера № 200 путем его изгиба. Полки швеллера при этом расположены наружу и образуют реборды. Кольца разнесены на расстояние 2000 мм и соединены между собой четырьмя параллельными брусьями. При этом центры обоих колец должны хорошо совпадать, т. к. через них должна проходить мнимая ось вращения каркаса.

Брусья выполнены из стальной толстостенной трубы диаметром 70 мм и присоединены к кольцам разъемно через проушины. На двух нижних брусьях в поперечном направлении подвижно размещены две балки, предназначенные для установки и закрепления на них ремонтируемой кабины. Балки выполнены из швеллера. Брусья и втулочные узлы крепления балок представляют собой подвижные сопряжения, что позволяет размещать балки соответственно расположению крепежных отверстий кабины. Для неподвижного закрепления относительно брусьев в присоединительных втулках балок имеются резьбовые ручные зажимы.

Установочной поверхностью для кабины у балки является верхняя полка швеллера, а для закрепления кабины на балках в полках выполнены продольные пазы. Крепление кабины к балкам осуществляется четырьмя винтами М 20.

Каркас-кантователь подвижно установлен (опирается) на четырех опорных катках, которые через подшипниковые опоры прикреплены к раме. Каждое кольцо каркаса-кантователя опирается на два катка. Т. о. каркас может свободно вращаться относительно горизонтальной оси. Для приведения каркаса во вращательное движение, т. е. для изменения положения установленной в нем ремонтируемой кабины, один опорный каток из каждой пары является приводным. Они размещены на одном валу, соединенном с электромеханическим приводом стенда.

Передача вращательного движения от приводных опорных катков к кольцам каркаса происходит за счет фрикционного взаимодействия поверхности кольца и катка. Для повышения силы трения и надежности этой передачи обода приводных катков выполнены из высокопрочной износостойкой резины.

Привод стенда состоит из электродвигателя 4А80В6У3 N =1,1 Квт; n=740 об/мин., червячного редуктора с передаточным числом і = 40. Кинематическая схема привода изображена на листе 5 графической части. Как видно, приводные катки расположены на общем приводном валу. Для снижения разрушающего влияния на приводные катки пусковых динамических нагрузок в приводе использованы упругие муфты с повышенными демпфирующими свойствами для соединения валов электродвигателя и редуктора и участков длинного приводного вала.

Работа на стенде выполняется следующим образом: кабина подъемно-транспортным средством помещается внутрь каркаса-кантователя максимально (до нескольких сантиметров) опускается к установочным полкам балок и удерживается на весу. Балки с освобожденными направляющими втулками подвигаются под кабину так, чтобы их крепежные пазы совпали с крепежным отверстиями кабины. В них помещаются соединяющие болты, кабина опускается на балки, соединительные болты затягиваются. После этого ручными резьбовыми зажимами в направляющих втулках балки закрепляются на брусьях. В таком состоянии кабины можно начинать осмотр и ремонт кабины. Для изменения положения кабины до необходимого для выполнения ремонтных действий, включается привод поворота каркаса. Это выполняется с пульта управления нажатием кнопки. Пульт управления имеет две кнопки, соответствующих определенному направлению вращения. С точки зрения безопасности эксплуатации стенда электрическая цепь питания привода размыкается при прекращении воздействия на управляющую кнопку.

После окончания ремонта кабины каркас-кантователь возвращают в исходное положение, т. е. брусьями и балками крепления вниз. Болты, крепившие кабину, отвинчивают и удаляют, а кабина подъемно-транспортным средством выносится из каркаса.

Расчеты, подтверждающие работоспособность стенда.

Работоспособность, надежность и безопасность эксплуатации стенда определяется прочностью и конструктивными параметрами детали основных его узлов. К ним относятся электродвигатель, редуктор, приводной вал с опорами, соединительные муфты, фрикционная передача, металлоконструкция. Наиболее ответственные детали этих узлов рассчитаны на прочность и работоспособность.

Кинематический расчет.

Исходным параметром в данном кинематическом расчете является скорость движения (вращения) каркаса стенда. Для данного вида ремонтных работ по нормам ГОСГОРтехнадзора она должна быть не более 0,25 м/сек Тогда частота вращения каркаса должна быть равной:

об/мин

где мм – конструктивный размер опорных колец каркаса;

При принятой кинематической схеме привода стенда (лист 6) передаточные числа передающих механизмов определяются следующим образом:

Передаточное число передачи «каток – кольцо каркаса»

;

где - коэффициент проскальзывания.

Передаточное число редуктора

Передаточное число привода

Определение рабочих нагрузок.

Основной рабочей нагрузкой в стенде является вращающий момент, создаваемый за счет смещения центра тяжести установленной кабины относительно оси вращения каркаса.

Нагрузочный вращающий момент определяется как:

нм;

Сила веса, действующая в центре тяжести:

н.;

где е=700 мм – смещение общего центра тяжести ремонтируемой кабины и крепежной оснастки;

н – сила веса кабины;

н – сила веса крепежной оснастки.

Общая сила веса кантователя:

н.

Все кольца:

н

где q=126 н – сила веса одного метра швеллера № 10

Расчет и выбор электродвигателя, редуктора

Мощность, необходимая для вращения каркаса кантователя, когда в нем установлена кабина, определяется как:

Квт

Мощность электродвигателя привода расчетная

Квт

Коэффициент полезного действия привода:

где - к. п.д. червячного редуктора;

- к. п.д. упругой муфты;

- к. п.д. катка опорного;

- к. п.д. фрикционной передачи «каток-кольцо».

Ориентируясь на значение расчетной мощности электродвигателя, из каталога выбираю электродвигатель для привода: 4А80В6У3 – трехфазный, асинхронный, рабочее напряжение 380 V, мощность 1,1 Квт, частота вращения вала 740 об/мин.

Редуктор для привода выбираю унифицированный, ориентируясь на рассчитанное необходимое передаточное число. По этому критерию и из условия компактности привода наиболее подходит редуктор червячный

4-125-40-2-1,5. Его характеристики: передаточное число ; допускаемая мощность 1,5 Квт.

Проверка работоспособности фрикционной передачи.

Фрикционную передачу в приводе образуют опорный приводной каток и кольцо каркаса, опирающееся на каток.

Определяю достаточность силы прижатия кольца каркаса к приводному катку.

Условие достаточности силы прижатия:

Необходимая сила прижатия определяется как [ ]:

;

где C=1,25 – запас сцепления;

f=0,45 – коэффициент трения между поверхностью катка (резина) и поверхностью кольца (сталь).

Окружное полезное усилие общее:

н

Окружное усилие для одного приводного катка:

/2=2642 / 2=1321 н

тогда

н

Действительная сила прижатия кольца каркаса кантователя к катку:

н

Расчет прочности деталей приводного катка

Проверка контактной прочности фрикционной передачи. Условие контактной прочности:

- допускаемое контактное напряжение резины [ ]

Действительное контактное напряжение для фрикционной передачи с линейным контактом:

Мпа

где мм; мм – ширина катка;

Приведенный модуль упругости:

Мпа

Н/мм2 – модуль упругости материала кольца (сталь);

Н/мм2 – модуль упругости материала катка (резина);

нм

Условие контактной прочности выполняется:

10 Мпа= Мпа

Расчет диаметра приводного вала

Приводной вал приводных катков из-за его повышенной длины целесообразно выполнить полым при соотношении внутреннего и наружного диаметров вала .

Наружный диаметр вала определяю по формуле [черн]

мм

Допускаемое касательное напряжение определяется:

Мпа

где Мпа – допускаемое напряжение изгиба для стали 20.

Ориентируясь на расчетное значение, принимаю наружный диаметр полого вала мм.

Тогда внутренний диаметр полого вала мм

Проверка прочности болтов

Прочность болтов, соединяющих обод приводного катка с приводным валом определяет надежность и безопасность эксплуатации стенда. Из схемы нагружения этого узла (рис. ) видно, что болты испытывают деформацию среза от вращающего момента и силы веса каркаса кантователя.

Расчет ведем по наиболее опасному условию нагружения болта – когда направление действия сил и совпадают с приводным моментом , нагружен один приводной каток.

Определяем необходимую силу затяжки болтов из условия отсутствия сдвига стыка и предотвращения среза:

н

Суммарная сдвигающая сила, действующая на один болт:

н

где мм – диаметр окружности, по которой размещены болты (конструктивно);

где 4 – число болтов в соединении;

2 – число стыков.

Условие прочности болта при данной схеме нагружения:

Допускаемое напряжение:

Мпа

Эквивалентное напряжение, учитывающее кручение при затяжке:

Мпа

где мм2 – площадь поперечного сечения болта М10 по внутреннему диаметру резьбы;

Мпа – предел текучести материала болта (сталь 45);

1,6 – коэффициент запаса прочности;

Таким образом, условие прочности болтов, соединяющих обод приводных катков с валом, выполняется:

73 Мпа= Мпа.

Расчет прочности вала катка

Прочность вала приводного катка требует проверочного расчета, т. к. по сравнению с приводным передающим валом он имеет конструктивные особенности, влияющие на прочность, а также отличается характером нагружения. Расчетная схема приведена на рисунке. Из схемы видно, что вал испытывает сложную деформацию – изгиб с кручением.

Расчет выполняю из условия опасного варианта нагружения приводного катка, когда вращающий момент на каркас передается одним катком (второй по каким-то причинам проскальзывает).

Реакции в подшипниковых опорах вала от радиального усилия :

н.

Максимальный изгибающий момент:

н мм;

Изгибающие моменты в опасных сечениях вала.

Сечение В-В. Это сечение расположено близко к точке максимального значения изгибающего момента на опоре.

Расчетный диаметр вала для этого сечения:

Эквивалентный момент:

н мм

н мм

н мм

Мпа – допускаемое напряжение материала;

мм.

Ориентируясь на расчетное значение, принимаю диаметр вала в этом сечении 40 мм.

Сечение А-А является опасным, т. к. в этом месте имеется концентратор напряжения – канавка для выхода шлифовального круга. Для этого сечения определяем запас прочности и сравним его с допускаемым. При этом, должно выполняться условие:

где - требуемый коэффициент запаса прочности [ ].

Действительный коэффициент запаса прочности определяется как:

Коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям:

Коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям:

Предел выносливости материала вала по изгибу:

Мпа.

Предел выносливости материала вала по кручению:

Мпа;

где Мпа – предел прочности стали 45 [ ].

Нормальные напряжения для рассматриваемого сечения:

Мпа.

Изгибающий момент н мм.

Момент сопротивления сечения:

мм3.

Касательное напряжение в рассматриваемом сечении:

Мпа.

Момент сопротивления при кручении:

мм3

Эффективные коэффициенты концентрации напряжений [ ]

; ;

Масштабные факторы для вала диаметром 37 мм; [ ]

; ;

Коэффициенты формы цикла нагружения [ ]

; ;

Тогда

Т. к. условие прочности выполняется, т. е.

Считаем, что опора катка приводного надежна и работоспособна.

Выводы. Выполненные кинематические, силовые, прочностные расчеты подтверждают работоспособность, надежность и безопасность разработанной конструкции стенда для ремонта автотракторных кабин.