Конструкторская разработка - Стенд для наплавки почвообрабатывающих орудий

Постановка задач

В настоящее время для восстановления рабочих органов почвообрабатывающих машин применяются различные способы, которые подразумевают в основном правку, оттяжку, наплавку вместе с закалкой и заточку. Но производительность такого способа крайне низкая из-за того, что все эти операции выполняются в кузнечном цеху и подразумевают полностью ручной труд. При этом количество восстанавливаемых орудий крайне ограничено и зачастую пригодные к восстановлению лемехи и культиваторные лапы бракуются из-за отсутствия технологии и необходимого оборудования.

При внедрении новой технологии необходимо разработать установку для восстановления электродуговой наплавкой почвообрабатывающих орудий.

Обзор существующих конструкций

Перед тем как перейти к разработке установки необходимо рассмотреть накопленный опыт разработок в области автоматической сварки прямолинейных швов.

Автоматы для дуговой сварки Автоматы для дуговой сварки плавящимся электродом осуществляют в процессе работы несколько функций: зажигание дуги, подачу электродной проволоки, флюса или защитного газа в зону дуги, поддержание заданного режима сварки, перемещение сварочного аппарата и прекращение процесса сварки. Автоматы должны быстро и точно реагировать на различные внешние воздействия — колебания напряжения питающей электрической сети, изменение скорости подачи электродной проволоки и т. п.

Основным элементом автомата является сварочная головка, осуществляющая подачу электродной проволоки и поддержание заданного режима сварки. По ГОСТ 8213—75 автоматы для дуговой сварки плавящимся электродом классифицируются по следующим признакам: способу защиты зоны дуги (Ф — для сварки под флюсом, Г — для сварки в защитных газах, ФГ — для сварки в защитных газах и под флюсом); роду применяемого сварочного тока (для сварки постоянным током, переменным, переменным и постоянным); способу охлаждения (с естественным охлаждением токопроводящей части сварочной головки и сопла, с принудительным охлаждением — водяным или газовым); способу регулирования скорости подачи электродной проволоки (с плавным регулированием, с плавно ступенчатым, со ступенчатым); способу регулирования скорости сварки (с плавным регулированием, плавно ступенчатым и ступенчатым); способу подачи электродной проволоки (с подачей, независимой от напряжения на дуге, с подачей, зависимой от напряжения на дуге); расположению автомата относительно свариваемого шва (для сварки внутри колеи, для сварки внутри и вне колеи).По конструкции автоматы можно также подразделять на следующие типы сварочные тракторы, самоходные и подвесные сварочные головки, установки для автоматической сварки. Наиболее распространены сварочные автоматы автомат 1215 и сварочные тракторы: - трактор ТС-42, трактор АДПГ-500.

Названные виды и модели сварочных установок предназначены для выполнения сварочных швов, а для наплавки поверхности в поставляемом промышленностью виде они применяться не могут. Поэтому в настоящем разделе была поставлена задача разработать проект установки для наплавки поверхностей и в частности изношенных поверхностей почвообрабатывающих машин – лемехов и культиваторных лап.

Обоснование выбора конструкции

Конструкция предлагаемого стенда выбрана с позиций высокой механизации рабочего процесса, универсальности применения к различным типоразмерам орудий, простоты и удобства эксплуатации, энергоэкономичности, безопасности эксплуатации. В данном случае за основу стенда принят приобретенный, но еще не использовавшийся сварочный автомат ПДГО-508 с выпрямителем ВДУ – 506.

Технические характеристики проектируемого стенда

Тип установки– стационарный

Тип привода – электрический

Управление – автоматическое

Номинальное напряжение питания при частоте 50 Гц, В - 42

Номинальный и ток при ПВ=100%,А - 1250

Пределы регулирования сварочного тока, А - 250-1250

Диаметр электродной проволоки, мм - 3-6

Скорость подачи электродной проволоки, м/ч - 20-135

Скорость сварки, мм/сек - 2,5-3

Устройство и работа стенда

Стенд представляет собой стационарную полуавтоматическую установку. Общий вид стенда представлен на листе 5 графической части. Основой стенда является сварной каркас-стол. На каркасе смонтированы механизмы стенда. Основными механизмами стенда, определяющими его назначение, являются:

- механизм подачи электрода (проволочного);

- механизм перемещения наплавляемой детали;

- механизм поперечного перемещения электрода;

В качестве механизма подачи проволочного электрода в конструкции стенда предусмотрен сварочный автомат ПДГО-508. Чтобы не загромождать технологическое пространств на автомат размещается отдельно от каркаса-стола. Проволочный электрод от него к сварочному наконечнику подается по направляющей трубке. Скорость подачи электродной проволоки механизмом может изменяться в пределах, 20-135 м/ч.

Механизм перемещения наплавляемой детали включает стол подвижный предназначен для размещения на нем деталей подвергаемых наплавки или сварке.

Для закрепления деталей на столе имеется специальный крепежный узел с резьбовыми зажимами. Крепежный узел имеет три степени подвижности, что позволяет наплавляемую деталь устанавливать в необходимое положение относительно сварочного наконечника. Стол опирается и перемещается по двум цилиндрическим направляющим - стержням. Такая конструкция направляющих-опор обеспечивает точность перемещения стола и соответственно наплавляемой детали относительно электрода.

Перемещения стола по направляющим стержням осуществляется винтовой передачей. В передаче ходовой винт концами установлен в двух подшипниковых узлах (подшипники скольжения), а гайка жестко соединена со столом. Т. о. вращение винта преобразовывается в перемещение стола. Для вращения винта и соответственно перемещения стола в механизме предусмотрен электро-механический привод. Привод состоит из асинхронного электродвигателя (А 02-41), клиноременной передачи, червячного редуктора и цепной передачи. Кинематический расчет привода выполнен ниже. Он показал, что общее передаточное число должно иметь значение

Механизм поперечного перемещения электрода создает поперечное перемещение наплавочного электрода относительно прямолинейно движущейся детали, что обеспечивает наложение шва на деталь, т. е. ширину наплав очного шва. Его конструкция приведена на листе 6 графической части. Механизм установлен на стреле, которая шарнирно прикреплена к вертикальной стойке и размещается над столом. На конце стрелы укреплен сварочный наконечник с подаваемым электродом. Поперечное перемещение наплавочного электрода создается маятниковым движением стрелы в горизонтальной плоскости. Маятниковое движение стрелы создается специальным электромеханическим приводом. Привод состоит из: асинхронного электродвигателя 4А71А4У3 (N = 0,55 кВт; n = 1390 об/мин), червячного двухступеньчатого редуктора ( i = 252 ). Выходной вал редуктора соединен с коленчатым приводным валом, кривошип которого помещен в паз, выполненный в стреле. Радиус кривошипа равен 20 мм. При вращении вала, кривошип взаимодействуя со стрелой придает ей маятниковое движение. Амплитуда перемещения конца стрелы и соответственно сварочного наконечника регулируется.

Управление приводами всех трех механизмов, их синхронизация осуществляется автоматической системой с числовой программой. Для этой цели используется блок управления (гибкий производственный модуль) от токарного станка с ЧПУ.

В проектируемой установке применимо микропроцессорное управление. Микропроцессор является наиболее простым и дешевым устройством цифровой обработки информации. На рисунке 3.1 показана структурная схема управления приводом с помощью микропроцессора.

Тиристорный преобразователь частоты состоит из управляемого тиристорного выпрямителя УВ, фильтра Ф и инвертора И. управление инвертором и выпрямителем осуществляется схемой управления СУ, с помощью которой изменяя

ется напряжение и частота на обмотках статора трехфазного асинхронного двигателя М. Для этого в цепь обратной связи поступают сигналы, получаемые от датчиков скорости ДС, тока ДТ и напряжения ДН. Эти сигналы обрабатываются системой регулирования, в результате чего в микропроцессоре МП формируется управляющее воздействие.

 

Рис.  Структурная схема микропроцессорного управления приводом переменного тока.

 Расчеты, подтверждающие работоспособность стенда

 Обоснование рабочих нагрузок и режимов

Для механизма передвижения сварочного стола основной рабочей нагрузкой будет сопротивление скольжения стола по направляющим стержням.

Сила веса стола с закрепленным на нем обрабатываемым изделием:

Q = Qст.+ Qоб = 700 + 500 =1200 Н;

Qcт = 700 Н – сила веса передвижного стола;

Qдет = 500 Н – сила веса наплавляемой детали (т. к. на установке электросварочной или электронаплавочного может подвергаться не только лемех, но и другие изделия, принимают Qдет = 500Н ).

Сопротивление перемещению стола по направляющим стержням определяется как:

Сопротивление перемещению в одной опоре (смотреть расчетную сему, рис.3.1):

где f = 0.85 – коэффициент трения стали по стали с консистентной смазкой при линейном фрикционном контакте деталей.

 

Для расчета мощности, необходимой для приведения винтовой передачи в действие необходимо определить КПД передачи:

Ход винтовой линии: S1 = Z ∙ t = 1 ∙ 6 = 6 мм.

Момент, необходимый для приведения механизма в движение:

Угол подъема резьбы:

где d2=29 мм – средний диаметр резьбы ходового.

Приведенный угол трения для резьбы:

;

где a=300 – профильный угол ходовой резьбы.

Кинематический расчет и выбор двигателей приводов

Необходимая мощность электродвигателя, необходимая для вращения привода передвижения стола:

где V»3 мм / сек – скорость движения винта, определяемая технологией наплавки.

Общий к. п.д. привода:

где hц. п.=0,95 – к. п.д. цепной передачи

hред.=0,85 к. п.д. червячного редуктора.

где d2=37 мм – средний диаметр для трапециидальной резьбы (с d=40 мм; t=6 мм);

a=0,20 – коэффициент трения;

a=300 – угол профиля трапециидальной резьбы.

Скорость перемещения стола и механизма поперечной подачи определяется из условия технологии наплавки. При диаметре электродной проволоки 2,5 мм и силе сварочного тока _____ а, скорость перемещения должна быть в пределах 2,5…3 мм/сек [ ].

Расчетная мощность электродвигателя оказалась малой, из-за небольшой скорости передвижного стола. Поэтому для обеспечения достаточной жескости конструкции привода и удобства монтажа установки выбирают электродвигатель с диаметром вала 18 мм; модель – А 02-41, его характеристики:

- асинхронный;

- трехфазный (380 В);

- мощность 0,4 кВт;

- частота вращения – 1400 об/мин;

- Мпуск/Мном – 1,8.

Кинематические параметры механизма передвижения стола определяются технологическим режимом наплавки (сварки). При минимальной скорости движения, обеспечивающей горение электрической дуги (1,5 мм/сек).

Передаточное число привода должно быть:

Частота вращения ходового винта:

где V=0,0015 м/сек – скорость передвижения стола; z =1 – число заходов резьбы ходового винта; t = 6 мм – шаг нарезки винта.

Тогда .

Для осуществления такого передаточного числа привод дополняют червячным редуктором и цепной передачей.

Червячной редуктор принимаю унифицированный ЧР-120-0,7. его передаточное число 20.

Тогда передаточное число цепной и ременной передач при минимальной скорости движения стола:

Приняв значение передаточного числа ременной передачи определяю передаточное число цепной передачи:

Короткие поперечные перемещения сварочной головки обеспечиваются механизм поперечного перемещения электрода. Его устройство описано выше. Кинематические параметры механизма определяю расчетным путем. Расчетная схема приведена на рисунке:

Рис. Расчетная схема механизма поперечного перемещения.

r = 60 мм; L1 =550 мм; L2 =840 мм.

Угловая скорость перемещения стрелы определяется технологической скоростью перемещения электрода при которой поддерживается горение электрической дуги. Рекомендуемая скорость перемещения электрода 1,5…3 мм/сек, принимаю Vэ = 2 мм / сек. Угловая скорость стрелы определяется уравнением:

Тогда линейная скорость кривошипа определятся уравнением:

Необходимая частота вращения вала кривошипа:

где D = 2∙rк = 2∙60 =120 мм.

Определяю необходимое передаточное число привода механизма перемещения стрелы и соответственно сварочного наконечника с электродом.

где nэд=1400 об/мин - частота вращения вала электродвигателя. Для данного механизма применяю асинхронный трехфазный электродвигатель с фланцевым креплением 4А71А4У3, N = 0.55 кВт, n = 1400 об/мин.

Такое передаточное число может обеспечить двухступеньчатый червячный редуктор. Его конструкция и кинематическая приведена на листах 6 и 7 графической части.

Расчет прочностной устойчивости ходового винта

Достаточная жесткость ходового винта, обеспечит устойчивость горения электрической дуги и соответственно качество наплавки (сварки).

Ходовой винт привода перемещения стола имеет большую длину (760 мм), поэтому необходимо проверить его прочностную устойчивость. Расчетная схема представлена на рисунке 3.3. расчет выполняем по методике [ ].

Расчетное условие надежности работы: nц³[nц]

где [nц]=4…5 – запас устойчивости для ходовых винтов станков.

Действительный запас устойчивости: .

Выполняю дополнительные расчеты.

Расчетный момент инерции поперечного сечения винта, см4.

где d=25 мм – наружный диаметр резьбы;

d1=19 мм – внутренний диаметр резьбы.

Е=0,21∙106 МПа – продольный модуль упругости стального винта.

Характеристики опор винта.

Левой опоры:

Правой стороны: ,

где lл=40 мм; lп=40 мм – конструктивная длина опоры;

dл.=20; dп.=20 – конструктивные номинальные размеры левой и правой опоры.

При значении коэффициента lоп.=1,5…3 – считается, что винт закреплен в опоре упруго [ ].

В соответствии с этим условием определяю расчетную схему.

 

В зависимости от вычесленных характеристик определяю значение коэффициента жесткости m = 28.

Тогда

Таким образом надежность работы винтовой ходовой пары достаточна, т. к. выполняется условие: 10 ∙103 = nw ³ [nw] = 5.

Расчет выбор посадки для подшипника скольжения ходового винта

Винт винтовой передачи перемещения стола установлен на подшибниках скольжения. Правильное назначение посадки для этих сопряжений обеспечит надежность работы механизма перемещения. Расчет выполняю по методике [ ].

Определяю оптимальный зазор в подшибнике, при котором обеспечивается наилучший тепловой режим работы:

где w=3,1 рад/сек – частота вращения винта;

d=0,020 м – номинальный диаметр сопряжения «цапфа-втулка подшибника»;

g=0,05 Па – динамическая вязкость смазки;

l=0,04 м – длина сопряжения;

g=0,15 Мпа – удельная давление в сопряжение.

Определяю величину расчетного зазора:

Условие выбора стандартной посадки: Sср. ст.»Sрасч.

Такому условию соответствует предпочтительная посадка в системе отверствия: Æ 20 .

У данной посадки:

Smax=62 мкм

Smin=20 мкм

Средний зазор посадки:

,

что соответствует условиям работоспособности.

Выводы.