Стенд для мониторинга рабочих характеристик пружинных стоек культиватора

УДК 631.3

ГРНТИ 55.57.31

Стенд для мониторинга рабочих характеристик пружинных стоек культиватора

Бутовченко А.В., Игнотенко И.В., Рулевский А.М., Валяев А.В.

Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, РФ

Нагрузочный стенд почвенного канала предназначен  для лабораторных исследований и испытаний рабочих органов почвообрабатывающих машин.
Данный стенд аналогов не имеет в массовом производстве, но может быть модифицирован для проведения более обширных исследований и испытаний. 
Стенд может оснащаться различными испытуемыми органами.

Целью разработки является модернизация лабораторной установки предназначенной для проведения испытаний на практических занятиях специальности  «Сельскохозяйственные машины и оборудование».

Стенд должен быть универсальным для проведения требуемых испытаний, крепления должны подходить к разным видам испытуемых органов.

Конструкция нагрузочного стенда должна обеспечивать наиболее удобные  испытания и исследования, свободный доступ к испытуемым органам, а так же компактной установкой в учебной лаборатории.

За аналог мы приняли старый стенд. Изучив его конструкцию и возможности. Был сделан вывод о том, что данный стенд не обеспечивает полноценную оценку упругих свойств рабочих органов  почвообрабатывающих машин. Так как  оценка устойчивости требует обязательного учёта  трёхмерности (пространственности) упругих смещений.

Для учета этих факторов необходимо прилаживать нагрузку по трем различным направлениям. Поэтому появилась необходимость в полном переоборудовании старого стенда.

Нагрузочный стенд для проведения исследования до модернизации  представлен на рисунке

Рисунок 1 Стенд до модернизации

Состоит из рамы, динамометра и тросовой лебедки. Недостаток  заключается в том, что, прилаживать нагрузку можно только в 1 направлении. К достоинствам можно отнести сравнительную простоту конструкции.

2. Обоснование функциональной схемы стенда

2.1 Выбор функционально пригодных технических средств

Совершенствование конструкции, планирование производства и правильная эксплуатация почвообрабатывающих машин и почвообрабатывающих агрегатов невозможны без учета условий их работы в различных зонах сельскохозяйственного производства страны. Эти условия определяются, в первую очередь, физическими и технологическими свойствами обрабатываемых почв. Однако систематическое изучение этих свойств в должных масштабах еще не организовано, что наносит большой ущерб народному хозяйству.

Технический уровень всех отраслей народного хозяйства в значительной степени определяется уровнем развития машиностроения. На основе развития машиностроения осуществляется комплексная механизация производственных процессов в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве, на транспорте.

Совершенствование технологий машиностроения определяется потребностями производства новых машин. Вместе с тем развитие новых прогрессивных технологических методов способствует конструированию более совершенных машин, снижению их себестоимости и уменьшению затрат труда на их изготовление.

2.2 Обеспечение заданных показателей проектируемой машины

Современный уровень развития науки и техники позволяет достичь любых показателей надежности машин. Принятие решения о необходимости повышения качества изделий должно опираться на экономический анализ.

Имеются широкие возможности повышения качества машин за счет изменения конструкции, применения качественных материалов и различных вариантов технологического процесса, а также использования прогрессивных методов и средств при сохранении и восстановлении их работоспособности.

Однако затраты на эти мероприятия могут быть значительны и эффект от повышенной возможности их не возместит. Целесообразность принимаемого решения должно обеспечивать наибольший экономический эффект от использования машины по назначению с учетом затрат в сфере производства и эксплуатации машины.

Упругие свойства крепления целесообразно контролировать прямыми измерениями упругих смещений при нагружениях на реальной конструкции или на стенде.

Определение показателей упругости на стенде: Для определения матриц податливости, жесткости, угловых искажений применяют нагрузочные стенды с приложением нагрузки по координатным направлениям. Стенд состоит из перемещающихся друг относительно дру­га нагрузочных рамок в соответствии с перемещением точки А рабочего органа по координатным осям ХУZ. В результате про­исходит пространственное смещение рабочего органа при на­грузке и замер составляющих смещения простыми методами тензометрирования (например, с помощью датчиков смещения). Ве­личина угловых искажений относительно координатных осей фиксируется датчиками углового смещения. Рамки перемещаются друг относительно друга при помощи: винтовых механизмов с закрепленными на них тензодатчиками силы. Винтовые механизмы могут свободно перемещаться неза­висимо от рамок. Такое исполнение позволяет определять коэффициенты по­датливости  ∂_ik по формуле, жесткости C_ik в соответст­вии с выражением, угловой податливости   согласно системе уравнений. Нагрузочные рамки могут фиксироваться в любой точке зависимости, причем при одной закрепленной рамке две другие имеют возможность смещаться друг относительно друга.

2.3. Построение принципиальной схемы стенда

Принципиальная схема представлена на рисунке 2 

Рисунок 2. Принципиальная схема

Принципиальна схема нагрузочного стенда почвенного канала наглядно показывает принцип действия работы установки в целом и всех её основных элементов в отдельности.         

Для испытания, на специальную балку устанавливается требуемый рабочий орган культиватора, затем к нему присоединяется трос, на котором закреплен динамометр с одной стороны, а с другой стороны прикреплен винт, на винт накручен маховичок вращая который, мы добиваемся нужной нагрузки на стойку культиватора и записываем полученные результаты. Этот винт закрепляется на планшайбе и может перемещаться по ней вверх и вниз по специальным пазам. Планшайба в свою очередь может поворачиваться вокруг своей оси, тем самым изменяя угол приложения силы.

Также  конструкцией стенда предусмотрен подъемный столик, который устанавливается на требуемую высоту, на него ставится линейка для измерения величины смещения лапы культиватора.

Таким образом, с помощью данного стенда можно испытывать культиваторные стойки под разными видами нагружения и стойки различных конфигураций и размеров.

2.4. Конструктивно-технологические параметры

Конструктивно-технологические параметры стенда, такие как: габаритные размеры, масса, диапазон измеряемых нагрузок, минимальный и максимальный угол нагружения испытуемого рабочего органа, максимальная и минимальная высота подъема столика определяются исходя из служебного назначения данной конструкции. Так как стенд предназначен для лабораторных исследований по дисциплине «Сельскохозяйственные машины», т.е. в них будут принимать непосредственное участие студенты, то необходимо обеспечить соответствующую технику безопасности при работе. Нагрузочный стенд должен быть надежно закреплен на раме, во избежание его опрокидывания, все элементы стенда также должны быть надежно прикручены, все острые грани, о которые можно порезаться, нужно предварительно обработать до гладкой поверхности.

Стенд устанавливается непосредственно в научной лаборатории «Почвенный канал» на специальный стол. Он должен соответствовать размерам этого стола, а также устанавливаться так, чтобы к нему был полный доступ со всех сторон для лучшего обзора проводимых лабораторных исследований.

3 Компоновка сборочного чертежа

Нагрузочный стенд, состоит из: рамы, поворотной планшайбы (угол поворота 90⁰), испытуемого рабочего органа культиватора, динамометра, рамки динамометра, винта, плиты,  шарнира, маховика для регулировки натяжения, столика, механизма регулирования плиты. Сборка изображена на рисунке 3.

Приподнять раму и установить ее на подкладку. Плиту поз.8 затолкать под раму и зафиксировать четырьмя роликами. К плите приваривается гайка М16. В которую вкручивается винт, закрепленный между двух уголков. При помощи этого винта можно передвигать плиту  и придавать ей различные положения. Передвижение плиты необходимо из-за того, что,  у всех  стоек разная  геометрия, а для приложения вертикальной нагрузки необходима соосность центров отверстия в носке лапы, к которой крепится трос, и отверстия в пяте поз.2, через которое трос проходит к ролику и дальше к натяжному устройству. За счет передвижения плиты  обеспечивается соосность.

К плите поз.8 крепится опора поз.4 (рис.3.) четырьмя болтами M10 поз.18.

Рисунок 3. Опора и пята в сборе.

Опора состоит из основания, к которому привариваются две пластины. Сверху пластин приваривается колесо,  которое служит для установки на него пяты. В центре между двумя пластинами в отверстие вкручивается винт M20. На винт надевается ролик с подшипником. По бокам ролика с обеих сторон устанавливаются втулки. Ролик используется при приложении вертикальной нагрузки. В центре колеса сделано отверстие диаметром 60 мм. Наверх опоры устанавливается пята поз.4. Пята состоит из швеллера. К которому по бокам     привариваются пластины. На сам швеллер наваривается труба диаметром 102мм. Иногда из-за геометрии стойки не удается обеспечить соосность между натяжным устройством и носком лапы. Для этого в конструкции пяты была предусмотрена вторая труба, которая приваривается с левой стороны пяты. Также положение на одной оси можно регулировать поперечным  перемещением плиты, на которой установлена опора.

Рисунок 4. Столик

Пята крепится к опоре четырьмя болтами М10 поз.18. Болты вставляются в прижимы  и вкручиваются в плиту поз.14, которая прижимает колесо опоры. При  незатянутых болтах пята  свободно вращаться, и мы можем выставлять, необходимое нам положение, для приложения нагрузки. После выставления положения производится затяжка болтов, и пята остается неподвижной.

Над пятой, к раме, при помощи болтов M6 прикручивается уголок. На этот уголок устанавливается столик поз.7 (рис.4)

Столик необходим для проведения замеров. На него ложится лист бумаги и с помощью линейки, при различной нагрузке замеряются координаты трех точек лапы. Он состоит из двух пластин, между которыми остается  расстояние для прохождения троса. В правой стороне пластин сделаны отверстия, в которые вставляются 4 подвеса поз.15. Эти подвесы крепятся к кронштейну поз.13, который расположен на раме. Сверху и снизу подвеса вкручиваются гайки M4 поз.24. с помощью подвеса выставляется положение стола. Важным критерием здесь является горизонтальность столика. Для того чтобы правильно проводить замеры. Если, столик, будет установлен не горизонтально, это отразится на точности замеров и всего эксперимента в целом.

Труба поз.17 одним концом вставляется в пяту, затем надевается поворотное устройство поз.6 (рис 5), а другим концом в поворотную консоль. Благодаря данным устройствам, мы имеем возможность прикладывать горизонтальную нагрузку, а так же нагрузку в диапазоне от нуля до 90 градусов. Переставляя положение поворотной консоли и пяты на нужный нам угол. Для перемещения необходимо ослабить натяжение болтов  поз.18 в плите поз 14, снять два подвеса поз.15. выставить необходимый угол, снова затянуть болты  и вставить подвесы, при необходимости проводится регулировка горизонтальности столика.

Рисунок 5. Поворотное устройство

Поворотная консоль поз. состоит из крышки к которой приварено 2 уголка и трубы. В крышке сделано отверстие диаметром 17 мм, для прохождения винта. К поворотной консоли присоединяется подъемник  динамометра поз. 3.

Подъемник состоит из швеллера, к которому привариваются 2 уголка, втулки и винта. Винт вставляется в отверстие крышки консоли поворотной и сверху фиксируется гайкой M16. В зависимости от закручивания или откручивания гайки, подъемник будет опускаться или подниматься вместе с натяжным устройством.

Рисунок 6. Подъемник динамометра

Натяжное устройство поз.5 (рис. 6),  состоит из динамометра, кронштейна на котором он закрепляется, винта, один конец которого соединен с динамометром при помощи двух болтов  M10, а второй конец входит в отверстие пластины и на него надевается шайба и маховик который в свою очередь служит для осуществления натяжения.

Рисунок 7. Натяжное устройство

К пластине приварен второй винт, который необходим для соединения натяжного устройства с подъемным устройством.  Он вставляется в втулку и фиксируется гайкой. С другой стороны пластины сделано отверстие, через которое натяжник при помощи болта М6 и гайки, соединяется с кронштейном поворотного устройства. Через кронштейн проходит винт, снизу и сверху  которого надеты болты, и при помощи их  осуществляется подъем и опускание натяжного устройства.

Благодаря новой конструкции стенда, на нем можно проводить испытания  стоек различных видов  и геометрии. Возможна настройка стенда под любую стойку. Так же главой возможностью стенда является – приложение нагрузки  по трем разным направлениям.

 На рисунке 8 представлены крайние положения  приложения нагрузки.

а)

б)

в)

Рисунок 8. а) горизонтальное приложение нагрузки б) вертикальное  приложение нагрузки в) поперечное приложение нагрузки

Модернизированный стенд изображен на рисунке 9

Рисунок 9 Модернизированный стенд

Состоит из: рамы, шарнирной опоры поворотной консоли, натяжного устройства, динамометра.  Достоинство данного стенда заключается в том, что, теперь можно прикладывать нагрузку по трем направлениям, так как  оценка устойчивости требует обязательного учёта  трёхмерности (пространственности) упругих смещений.