Life-Time Calculation of Spiroid Gearbox in the Drive of Cable-Assembly Mechanism of the Electric Loader

Anferov V.N., Tkachuk A.P., Zaitsev A.V.

Abstract


The paper describes the method for determining the life-time of spiroid gearboxes in the drive of the cable-assembly mechanism of the electric loader. The method is based on the specific operating conditions for electric loader during loading and unloading operations, and, as a result, on loading modes of the cable-assembly mechanism. Electric loaders are common in engineering, transport, construction and mining industries for loading and unloading operation. One of the most common types is the universal electric loader powered by batteries. Most often they are used for loading and unloading operations in covered warehouses. As a result of calculations the forecasted life-time has been obtained for a spiroid gear-motor of the cable assembly mechanism at constant and variable loading conditions, taking into account the wear limit for a spiroid gearwheel and the duration of the work cycle of the cable assembly mechanism. The method takes into account the basic characteristics of the process of the operating cycle for the electric loader during cargo transportation, loading and unloading. These characteristics are taken into account by the respective average speed diagram of the operating cycle of the electric loader. The results of calculations of the forecasted life-time according to this method allow forecasting more precisely the life-time of the spiroid gear-motor at the design stages with account of loading conditions and operating conditions of the electric loader.

Keywords


electric loader; forecasted life-time; loading mode; spiroid gearbox; wear limit

Full Text

Погрузчики различных типов получили широкое распространение в промышленности, на транспорте, в строительстве и горном производстве при проведении погрузочно-разгрузочных работ. Одним из самых распространенных видов являются универсальные электропогрузчики грузоподъемностью 0,8…3 тонн с приводом от аккумуляторных батарей. Наиболее часто их используют для погрузочных и разгрузочных работ в крытых складских помещениях с расстоянием транспортировки 100…120 м. При многих положительных качествах аккумуляторных электропогрузчиков они имеют ограниченную энергоемкость (6…8 ч), что вызывает необходимость частой подзарядки аккумуляторных батарей. Для этой цели оборудуются специальные помещения, в которых используются зарядные станции, обслуживаемые квалифицированными специалистами. Содержание таких помещений и обслуживающего персонала, а также периодическое приобретение новых аккумуляторных батарей требует больших материальных затрат. Кроме того, в течение смены аккумуляторные батареи не обеспечивают постоянных параметров тока, поэтому характеристики электроприводов погрузчика в конце смены существенно отличаются от паспортных данных; в результате снижается производительность машин. При температуре ниже -25 °C вообще невозможна длительная эксплуатация электропогрузчиков с аккумуляторным питанием [1-4]. В связи с этим одним из направлений повышения эффективности работы электропогрузчиков, особенно в регионах страны с холодным климатом, является перевод их на кабельное питание от промышленной сети переменного тока напряжением 380 В. На кафедре «Подъемно-транспортные, путевые, строительные и дорожные машины» Сибирского государственного университета путей сообщения разработан и реализован вариант модернизации универсальных электропогрузчиков с целью их перевода на кабельное питание. Комплект оборудования, используемый при модернизации, состоит из устройства подвода электроэнергии 1, источника питания погрузчика 2 и кабелесборочного механизма 3 (рис. 1) [5, 6]. Устройство подвода электроэнергии представляет собой кабельшторную подвеску, токосъемный узел и устройство электрозащиты, а источник питания - блок из трансформатора и преобразователя тока. Рис. 1. Комплект оборудования для модернизации универсального электропогрузчика и технология производства работ [7-9] Кабелесборочный механизм (рис. 2) состоит из барабана с токосъемным устройством и спироидного мотор-редуктора. Конструкция механизма защищена патентом [10]. Его работа осуществляется следующим образом. При включении электродвигателя мотор-редуктора вращение через дисковую фрикционную муфту передается на вал кабелесборочного механизма, сблокированного с токосъемным узлом. Вращение вала с барабаном одностороннее, только на натяжение (подмотку) кабеля. Кабель, проходя через кабель-водило, флюгер, наматывается на барабан. Передача электроэнергии к источнику питания осуществляется через токосъемный узел. Электродвигатель кабелесборочного устройства включается одновременно c двигателем механизма передвижения погрузчика. В соответствии с режимом работы электропогрузчика в предложенном варианте кабель наматывается и сматывается с постоянной частотой вращения барабана, но разным по величине вращающим моментом из-за изменения усилия натяжения кабеля независимо от направления и скорости движения погрузчика. Во время работы электропогрузчика в процессе ожидания и захвата груза, а также в процессе правки и укладки груза возможны рывки кабеля при трогании с места и на разворотах, что приводит к созданию максимального усилия натяжения кабеля и максимального вращающего момента Tmax, превышение которого приводит к пробуксовыванию фрикционной муфты. При передвижении электропогрузчика с грузом и без груза кабель наматывается с минимальным вращающим моментом Тmin = 0,55Tmax. Исключается также значительное провисание кабеля и обеспечивается плавное вращение барабана (рис. 3, табл.). Рис. 2. Общий вид кабелесборочного механизма [11]: 1 - спироидный мотор-редуктор; 2 - барабан с токосъемным устройством Рис. 3. Усредненная расчетно-экспериментальная тахограмма рабочего цикла электропогрузчика: vпг, vcг - скорость подъема и спуска груза; vпб, vсб - скорость подъема и спуска вил; vдг, vдб - скорость передвижения электропогрузчика с грузом и без груза Результаты анализа параметров усредненной расчетно-экспериментальной тахограммы рабочего цикла электропогрузчика Название параметра рабочего цикла Обозначение Размерность Значение Время подъема вил с грузом tпг с 9 Время спуска вил с грузом tсг с 6 Время движения погрузчика с грузом tдг с 63 Время подъема вил без груза tпв с 7 Время спуска вил без груза tсв с 5 Время движения погрузчика без груза tдб с 63 Вспомогательное время tвсп с 130 Время ожидания и захват груза tз с 50 Время правки и укладки груза tу с 80 Время рабочего цикла погрузчика tц с 283 Время намотки кабеля на барабан и работы кабелесборочного механизма с минимальным рабочим вращающим моментом Тmin в процессе движения погрузчика с грузом на длине участка 50 м tн3 c 45 Окончание таблицы Название параметра рабочего цикла Обозначение Размерность Значение Время намотки кабеля на барабан и работы кабелесборочного механизма с минимальным рабочим вращающим моментом Тmin в процессе движения погрузчика без груза на длине участка 50 м tн4 c 45 Время намотки кабеля на барабан и работы кабелесборочного механизма с максимальным рабочим вращающим моментом Тmax в процессе ожидания, захвата груза tн1 c 5 Время намотки кабеля на барабан и работы кабелесборочного механизма с максимальным рабочим вращающим моментом Тmax в процессе правки, укладки груза tн2 c 5 Время действия максимального рабочего вращающего момента Тmax на барабане кабелесборочного механизма за цикл его работы t1 c 10 Время действия минимального рабочего вращающего момента Тmin на барабане кабелесборочного механизма за цикл его работы t2 c 90 Суммарное время действия максимальных и минимальных рабочих вращающих моментов на барабане кабелесборочного механизма за цикл его работы tΣ с 100 Относительное время действия максимального рабочего вращающего момента Тmax на барабане кабелесборочного механизма за цикл его работы ti/tΣ 0,1 Относительное время действия минимального рабочего вращающего момента Тmin на барабане кабелесборочного механизма за цикл его работы ti/tΣ 0,9 Максимальное значение рабочего вращающего момента на валу редуктора кабелесборочного механизма Tmax Н·мм 30000 Минимальное значение рабочего вращающего момента на валу редуктора кабелесборочного механизма Тmin Н·мм 16500 Модернизированные электропогрузчики нашли применение на предприятиях Новосибирска и Новосибирской области, таких как «Пассим», «Пассим-Фуд», «Аллегро», «Ланселот-Строй», «Колорлон», «Борисо», «Церера», «Кора», « Мускан», «Монитор», «Химлекснаб», «Амика», «Новосибирск ЦветМет», «Посуда Центр», «Новосибирская шоколадная фабрика», «Купинский Элеватор», «Карасукский хлебокомбинат» и др. Последние полвека в различных областях техники используются спироидные передачи, которые относятся к червячному типу [12]. Важным достоинством спироидных передач является их большая износостойкость по сравнению с червячными передачами. Это объясняется большим коэффициентом перекрытия, большим значение приведенных радиусов кривизны контактирующих поверхностей в общем нормальном сечении, лучшим для образования жидкостного трения расположением контактных линий и меньшими значениями скорости скольжения. Этому, кроме того, способствуют и повышенные значения скоростей движения контактных точек по зацепляющимся поверхностям, что приводит к более быстрому выводу из зоны контакта участков рабочих поверхностей витков и зубьев колес, меньшему их нагреву и, следовательно, уменьшению опасности заедания [13]. Спироидные передачи и редукторы стали всё шире применять не только в США и России, но и в Англии, Канаде, Японии, Италии, Австрии и Германии [14]. За рубежом спироидные передачи применяют в станкостроении, военной технике, судовых механизмах, механизмах сельскохозяйственных машин, приводах электроинструментов, подъемно-транспортных устройствах и редукторах общего назначения. Компания Gilman Enginnering (США), например, эффективно использовала спироидные передачи в приводах автоматической станочной линии. Фирма Vikers (США) применила спироидные передачи в подъемниках серийно выпускаемых вертолетов. Применение спироидных передач позволило повысить надежность подъемников и увеличить их производительность в полтора раза. Компания The Duuf Norton (США), применив спироидные передачи в талях, заменила одной спироидной парой многорядные цилиндрические передачи, резко снизив металлоемкость изделий и стоимость их изготовления. В России координирующим научным и техническим центром по спироидным передачам является Институт механики Ижевского государственного технического университета имени М. Т. Калашникова и УНПЦ «Механик», в которых ведутся теоретические исследования, опытно-конструкторские работы и осуществляется производство спироидных редукторов и мотор-редукторов различного назначения [15]. Среди зарубежных компаний лидером по производству и исследованию спироидных передач является компания ITW HeartlandI LLINOIS TOOL WORKS (США), продукция которой применяется в аэрокосмической, военной, промышленной областях и робототехнике [16]. Применение спироидного мотор-редуктора [17, 18] в приводе барабана позволило значительно уменьшить габаритные размеры, а также обеспечить плавность в работе кабелесборочного механизма. На рис. 4 представлена спироидная передача редуктора кабелесборочного механизма. На рис. 5, а представлен график переменного режима нагружения кабелесборочного механизма в соответствии с конкретными условиями эксплуатации электропогрузчика, усредненной тахограммой и расчетами по формулам таблицы. На рис. 5, б представлен график постоянного режима нагружения кабелесборочного механизма, который учитывается при расчете ресурса зубчатых передач в настоящее время специалистами на этапе проектирования кабелесборочного механизма. Рис. 4.Спироидная передача редуктора кабелесборочного механизма [19] Суммарная величина износа зуба спироидного колеса редуктора кабелесборочного механизма за цикл его работы при переменном графике нагружения кабелесборочного механизма (рис. 5, а) (1) где h1 - величина износа зуба спироидного колеса редуктора кабелесборочного механизма за цикл его работы, соответствующая максимальному рабочему вращающему моменту Tmax и продолжительностью его действия t1, мм; (2) где Jh1 = 0,7·10-8 - экспериментально определенное значение интенсивности изнашивания материала спироидного колеса редуктора кабелесборочного механизма за цикл его работы, соответствующая максимальному рабочему вращающему моменту Tmax; wmax = 632 Н/мм - удельная расчетная сила в зацеплении, соответствующая максимальному рабочему вращающему моменту Тmax на барабане кабелесборочного механизма и времени его действия t1 за цикл его работы и работе правыми поверхностями витков червяка; h = 1,4·10-5 мм2/Н - упругая постоянная соприкасающихся звеньев; r12 = 18 мм - приведенный радиус кривизны в расчетной точке контакта зубьев колеса для правого делительного осевого угла профиля витков; VSY2 = 3148 мм/с - скорость скольжения в расчетных точках профиля зубьев колеса; VFY2 = 261 мм/с - окружная скорость в расчетных точках профиля зубьев колеса; t1 - время действия максимального рабочего вращающего момента Тmax на барабане кабелесборочного механизма за цикл его работы в соответствии с таблицей, с; z = 1 - число зон зацепления с рассматриваемым зубчатым колесом; n2 = 59 мин-1 - номинальная частота вращения выходного вала; h2 - величина износа зуба спироидного колеса редуктора кабелесборочного механизма за цикл его работы, соответствующая минимальному рабочему вращающему моменту Tmin и продолжительностью его действия t2, мм; (3) где Jh2 = 0,55·10-8 - экспериментально определенное значение интенсивности изнашивания материала спироидного колеса редуктора кабелесборочного механизма за цикл его работы, соответствующая минимальному рабочему вращающему моменту Tmin; wmin = 342 Н/мм - удельная расчетная сила в зацеплении, соответствующая минимальному рабочему вращающему моменту Тmin на барабане кабелесборочного механизма и времени его действия t2 за цикл его работы и работе правыми поверхностями витков червяка; t2 - время действия минимального рабочего вращающего момента Тmin на барабане кабелесборочного механизма за цикл его работы в соответствии с таблицей, с; Рис. 5. Графики режимов нагружения кабелесборочного механизма: a - переменный режим нагружения; б - постоянный режим нагружения Число циклов работы кабелесборочного механизма до предельно допустимого износа зубьев спироидного колеса [h2] = 1,11 мм: цикл. Прогнозируемый ресурс спироидной передачи кабелесборочного механизма с заданным графиком переменного нагружения: где tΣ - суммарное время действия максимальных и минимальных рабочих вращающих моментов на барабане кабелесборочного механизма за цикл его работы, с. Величина износа зуба спироидного колеса редуктора кабелесборочного механизма за цикл его работы, соответствующая максимальному рабочему вращающему моменту Tmax и продолжительностью его действия t1 = tΣ = 100 с, при непрерывном графике нагружения кабелесборочного механизма по формуле (2): Число циклов работы кабелесборочного механизма до предельно допустимого износа зубьев спироидного колеса [h2] = 1,11 мм при непрерывном графике нагружения кабелесборочного механизма: циклов. Прогнозируемый ресурс спироидной передачи кабелесборочного механизма с заданным непрерывным графиком нагружения: Выводы 1. Предложена методика расчета ресурса спироидной передачи кабелесборочного механизма с учетом переменного режима нагружения и интенсивности изнашивания активных поверхностей звеньев. 2. Приведен пример сравнительного расчета ресурса спироидной передачи при переменном и постоянном режимах нагружения. Учет переменного режима нагружения кабелесборочного механизма позволяет с бóльшей точностью прогнозировать ресурс (долговечность) спироидной передачи. 3. Одним из важнейших результатов выполненной работы является то, что ресурс кабелесборочного механизма зависит от правильной оценки режима работы электропогрузчика. На основе анализа как результатов эксперементальных исследований, так и результатов расчета (см. таблицу) было получено, что прогнозируемый ресурс спироидного мотор-редуктора кабелесборочного механизма с режимом работы переменного нагружения на 2549 ч выше, чем ресурс с режимом постоянного нагружения. 4. Полученные результаты позволят на этапе проектирования кабелесборочного механизма более точно прогнозировать ресурс спироидного мотор-редуктора с учетом режима нагружения, а также условий эксплуатации электропогрузчика.

Galleys

PDF (Русский)
References References

Мачульский И. И. Погрузочно-разгрузочные машины : учебник для вузов железнодорожного транспорта. - М. : Желдориздат, 2000. - 476 с.

Погрузчики : справочник / Г. П. Ефимов, Е. А. Алепин, М. А. Зискинд, Я. Г. Коковский, И. И. Мачульский ; под ред. Г. П. Ефимова. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М. : Транспорт, 1989. - 240 с.

Мачульский И. И., Алепин Е. А. Машины напольного безрельсового транспорта. - М. : Машиностроение, 1982. - 232 с. : ил.

Электропогрузчик ЭП-103К. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М., 1982. - 84 с.

Анферов В. Н. Модернизация электропогрузчика ЭП-103К. Совершенствование средств механизации путевых, строительных и погрузочно-разгрузочных работ / под ред. д-ра техн. наук, проф. Б. Н. Смоляницкого. - Новосибирск : Изд-во СГУПС, 2001. - С. 89-91.

Экономическое обоснование применения на железнодорожном транспорте электропогрузчиков с кабельным питанием / В. Н. Анферов, А. П. Ткачук, И. В. Сергеева, А. В. Зайцев // Экономика железных дорог. - 2013. - № 4. - С. 85-94.

Анферов В. Н. Указ. соч.

Экономическое обоснование применения на железнодорожном транспорте электропогрузчиков с кабельным питанием.

Патент РФ № 33350. Кабелесборочное устройство для питания электропогрузчиков / В. Н. Анферов, С. В. Картавых, А. П. Ткачук, В. В. Хлюпин, А. Э. Черных. - Опубл. в БИ. - 2003. - № 29.

Патент РФ № 33350. Кабелесборочное устройство для питания электропогрузчиков.

Там же.

Анферов В. Н. Указ. соч.

Спироидные редукторы трубопроводной арматуры / В. И. Гольдфарб, Д. В. Главатских, Е. С. Трубачев, А. С. Кузнецов, Е. В. Лукин, Д. Е. Иванов, В. Ю. Пузанов. - М. : Вече, 2011. - 222 с. : ил.

Анферов В. Н. Указ. соч.

Спироидные редукторы трубопроводной арматуры.

Анферов В. Н. Указ. соч.

Модернизированные электропогрузчики с кабельным питанием от промышленной сети напряжением 380 В / В. Н. Анферов, А. П. Ткачук, И. В. Сергеева, Ю. В. Корнеев, А. В. Кузьмин // Механизация строительства. - 2011. - № 12. - С. 2-4.

Анферов В. Н., Ковальков А. А. Результаты исследований КПД редукторов с цилиндрической спироидной передачей // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2006. - № 6. - С. 106-110.

Анферов В. Н. Указ. соч.




DOI: http://dx.doi.org/10.22213/2413-1172-2017-2-24-28

Article Metrics

Metrics Loading ...

Metrics powered by PLOS ALM


Copyright (c) 2017 Bulletin of Kalashnikov ISTU

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.


ISSN 1813-7903 (Print)
ISSN 2413-1172 (Online)