Исключение отрицательного эффекта реверса и автоматическая компенсация износов в шарнирах манипуляторов

Международная публикация
Библиографическое описание статьи для цитирования:
Серебрянский А. И. Исключение отрицательного эффекта реверса и автоматическая компенсация износов в шарнирах манипуляторов // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2014. – Т. 20. – С. 3061–3065. – URL: http://e-koncept.ru/2014/54876.htm.
Аннотация. Статья посвящена повышению износостойкости шарнирных соединений манипуляторного технологического оборудования за счет конструктивного исключения реверсивности трения и применения механизмов автоматической компенсации износа. Такие изменения позволяют существенно повысить рабочий ресурс шарниров и рекомендуются к использованию при проектировании навесного технологического оборудования.
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
Серебрянский Алексей Иванович,кандидат технических наук, доцент кафедры лесной промышленности, метрологии, стандартизации и сертификацииФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», г. Воронежaleksey@serebryanskiy.com

Исключение отрицательного эффекта реверса и автоматическая компенсация износов в шарнирах манипуляторов

Аннотация.Статья посвящена повышению износостойкости шарнирных соединений манипуляторного технологического оборудования за счет конструктивного исключения реверсивности трения и применения механизмов автоматической компенсации износа. Такие изменения позволяют существенно повысить рабочий ресурс шарниров и рекомендуются к использованию при проектировании навесного технологического оборудования.Ключевые слова:манипулятор, шарнирное соединение, реверсивность трения, износостойкость, автокомпенсация износа, патент.

В настоящее время манипуляторы широко применяются в конструкциях транспортных и транспортнотехнологических машин, используемых в сельском хозяйстве, лесозаготовительном производстве, строительстве [1]. Они обеспечивают высокую мобильность технологическогооборудования при наведении его на предмет труда, характеризуются высокой производительностью.В промышленности применяются манипуляторы различных типов, такие как шарнирносочлененные, телескопические, комбинированные. Составной частью современного грузоподъемного и манипуляторного технологического оборудования являются цилиндрические шарнирные соединения. Они обеспечивают подвижность звеньев технологического оборудования, крепление гидроцилиндров и рабочих органов.Однако, как показывает опыт применения манипуляторов в лесной промышленности, при наработке до 3000 моточасов шарнирные соединения выходят из строя. Для сравнения можно отметить что рабочий ресурс металлоконструкций манипуляторов составляет 10…12 тысяч моточасов.Анализ конструктивнотехнологических характеристик, видов изнашивания и условий работы шарниров манипуляторов показал, что одним из определяющих факторов износостойкости является характер трения [2, 3].Все подшипники скольжения, входящие в состав шарнирных соединений манипуляторного технологического оборудования работают при реверсивном трении. Вследствие этого проявляется отрицательный эффект реверса, который выражается в повышенном, по сравнению с вращательным трением, износе. По разным оценкам отрицательный эффект реверса приводит к 2…4 кратному снижению износостойкости трущихся поверхностей.Процесс работы шарнирных соединений, распределение нагрузок и давлений иллюстрированы рисунком 1.Полный расчет нагрузок и давлений по представленной эпюре содержится в работе [3].Из представленной эпюры видно, что нагрузка R, действующая на подшипник, в следствие, зазора в сопряжении воспринимается не всей опорной поверхностью подшипника скольжения, а только ее частью, ограниченную углом контакта. Давление Р на этой поверхности распределяется неравномерно, изменяясь от нуля на краях до максимального в центре.Это фактическое максимальное давление значительно превышает среднее удельное давление, которым оперирует конструктор, ибо среднее удельное давление определяется отношением нагрузки к диаметральной проекции подшипника.

Рисунок 1 Схема распределения удельных давлений в шарнирном соединении.

Кроме того, такой локальный характер контакта трущихся поверхностей приводит к местному износу, в результате чего цилиндрические трущиесядетали принимают эллипсоидную форму. Такая форма изначально цилиндрических пар трения приводит к возникновению дополнительных ударов, вибраций, динамических нагрузок, и повышенному, при реверсивном трении, износу.Для исключения подобного локального износа и ликвидации отрицательного эффекта реверса предлагается изменить конструкцию шарнирных соединений так, как это показано на рисунке 2.За счет введения в конструкцию шарнирного соединения разнонаправленных механизмов блокировки антифрикционных втулок привозвратнопоступательном движении звеньев манипулятора антифрикционные втулки будут вращаться всегда только в одну сторону и трение будет происходить поочередно по внутренней и наружной поверхностям антифрикционных втулок.Кроме того, за счет конусного выполнения антифрикционных втулок, вала и наличия подвижных прижимных втулок 3 возможна компенсация износовых зазоров.Шарнирное соединение содержит палец (вал) 1, средняя часть которого выполнена в виде двух конусов, основания которых составляют середину вала, охватывающую проушину 2, регулировочные втулки 3, охватываемую проушину 4, содержащую втулку 5 с внутренней рабочей поверхностью, антифрикционные втулки 6 с наружной цилиндрической и внутренней конической поверхностями и возможностью поворота как относительно пальца 1, так и относительно втулки 5, причем внутренние конические поверхности втулок 6 ответны коническим поверхностям пальца 1, торцевой стопорный механизм, состоящий из канавок, выполненных в виде храповых зубьев 7 на наружных торцевых сторонахвтулок 6 и блоков пружинных полуколец 8, закрепленных на внутренних торцевых поверхностях втулок 3 со свободными концами II, имеющими изгиб в осевом направлении и профиль которых ответен профилю канавок 7, причем, каждое полукольцо имеет в средней части изгиб I, вершиной направленный в сторону антифрикционных втулок 6 и обеспечивающий их поджимание по направлению к середине шарнирного соединения, центральный механизм блокировки, состоящий из канавок в виде храповых зубьев 9, выполненных на части цилиндрической поверхности со стороны внутреннего торца втулок 6, распорной втулки 10, установленной с натягом в втулке 5, на торцевых поверхностях втулок 10 закреплены пружинные полукольца 11, свободные концы которых имеют изгиб внутрь, в радиальном направлении и ответны канавкам 9, регулирующую стопорную гайку 12.

Рисунок 2 –Шарнирное соединение с автоматической компенсацией износовыхзазоров: 1 –вал, 2 –охватывающая проушина, 3 –регулировочные втулки, 4 –охватываемая проушина, 5 –втулка, 6 –антифрикционные втулки, 7 –торцевые канавки в виде храповых зубьев, 8 –блоки пружинных полуколец, 9 –наружные канавки в виде храповых зубьев, 10 –распорная втулка, 11 –стопорные полукольца, 12 –стопорная гайка.

Принцип работы разработанного шарнирного соединения заключается в следующем. При повороте охватывающей проушины 2 относительно охватываемой проушины 4 в одну сторону, свободные концы IIпружинных полушайб 8 входят в зацепление с канавками в виде храповых зубьев 7 двух втулок 6, сообщая движение последним, в то время, как свободные концы пружинных полуколец 11 проскальзывают относительно канавок в виде храповых зубьев 9 из –за разного направления образующих деталей центрального и торцевого стопорных механизмов. В этом случае процесс трения происходит между наружной поверхностью двух втулок 6 и внутренней поверхностью втулки охватываемой проушины 5. При реверсировании, т.е. повороте охватывающей проушины 2 относительно охватываемой проушины 4 в обратную сторону, свободные концы пружинных полушайб 8 выходят из зацепления с канавками в виде храповых зубьев 7 и при дальнейшем движении проскальзывают друг относительно друга, одновременно свободные концы пружинных полуколец 11 входят в зацепление с канавками в виде храповых зубьев 9 двух втулок 6, сообщая последним движение. В этом случае процесс трения будет происходить между внутренней поверхностью двух втулок 6 и наружной поверхностью соединительного пальца 1. Таким образом, при реверсивном движении охватывающей проушины 2 и охватываемой проушины 4 относительно друг друга трение между соединительным пальцем 1, двумя втулками 6 и втулкой охватываемой проушины 5, составляющих подшипники скольжения преобразуется во вращательное, причем процесс трения происходит в двух зонах трения, поочередно между двумя втулками 6 и втулкой охватываемой проушины 5 и между двумя втулками 6 и соединительным пальцем 1, т.е., относительно каждой рабочей поверхности двух втулок 6, и реверсивный процесс трения преобразуется в прерывистый вращательный. Компенсация износовых зазоров достигается за счет изгибов I(фиг 2) на пружинных полушайбах 8, которые поджимают две втулки 6 по направлению к середине шарнирного соединения. При достижении износовых зазоров большой величины, они ликвидируются посредством закручивания регулировочной стопорной гайки 12.Таким образом, засчет механизмов блокировки, реверсивное движение преобразуется в прерывистое вращательное поочередно по внутренним и наружным поверхностям антифрикционных втулок 3, что позволит повысить износостойкость деталей шарнирных соединений.Компенсация износовых зазоров достигается за счет изгибов Iна полукольцах 8, которые поджимают втулки 6 по направлению ксередине шарнирного соединения. При достижении износовых зазоров большой величины, они ликвидируются посредством закручивания гайки 12.Таким образом, в предлагаемой конструкции шарнирного соединения реверсивное трение, за счет храповых механизмов, преобразуется в прерывистое вращательное, тем самым исключая влияние отрицательного эффекта реверса на износостойкость деталей. Кроме того, увеличению срока службы шарнира способствует автоматическая компенсация износовых зазоров, за счет применения конусных антифрикционных втулок и механизма их фиксации.Кроме того, при такой конструкции исключается эффект Баушингера, который характеризуется контактным сопротивлением материалов начальным объемным пластическим деформациям при повторном нагружении усилием противоположного знака и снизится эмиссия электронов с поверхности.На данную конструкцию шарнирного соединения получен патент на изобретение [5]. Однако, в этой конструкции две зоны трения, что требует более точного изготовления втулок и валов. К тому, же конструкция значительно отличается от существующих шарниров. Для исключения указанных недостатков были разработаны еще две конструкции с подобным принципом работы, на которые так же получены патенты [6, 7, 8].Таким образом, в предлагаемой конструкции исключаетсявлияние отрицательного эффекта реверса, эффекта Баушингера и происходит автоматическая компенсация износа. Это позволит довести рабочий ресурс шарнирных соединений до уровня металлоконструкций манипуляторов, а в некоторых случаях и превысить его [3].Предлагаемые конструктивные изменения предлагается использовать при проектировании навесного технологического оборудования.

Ссылки на источники1.Гидроманипуляторыи лесное технологическое оборудование [Текст] / Под ред. И. М. Бартенева. –М.: ФЛИНТА: Наука, 2011. –408 с.2.Serebryansky A.I Constructive exception of friction reversibility based on the analysis of the joint manipulators operating characteristics. Europäische Fachhochschule = European Applied Sciences. 2013. T. 2. №5. С. 21243.Серебрянский,А.И. Повышение износостойкости шарниров лесных манипуляторов на основе замены реверсивного трения вращательным [Текст] : дис. … канд. техн. наук: 05.21.01: защищена21.11.03 / А. И. Серебрянский. –Воронеж, 2003. –213 с. –Библиогр.: с. 1671794.Серебрянский А. И., Афоничев Д.Н., Ворохобин А.В. Повышение износостойкости шарнирных соединений манипуляторов при ремонте // Вестник Воронежского аграрного государственного университета. Теоретический и научнопрактический журнал. –2012. Вып. 2 (33). С. 107111.5.Патент на изобретение2242644 РФ, МПК77 F16 C11/00. Шарнирное соединение [Текст]/ А.И. Серебрянский, Н.С. Смогунов, Ф.В. Пошарников;заявитель и патентообладатель ВГЛТА. № 2003118950/11; заявл. 24.06.2003; опубл. 20.12.20046.Патент на полезную модель34661 РФ, МПК 7 F16С11/06. Шарнирное соединение / Ф.В. Пошарников, Н.С. Смогунов, А.И. Серебрянский; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. № 2003123320/20; заявл. 28.07.2003 ; опубл. 10.12.20037.Патент на изобретение2246051 РФ, МПК 7 F16С11/00. Шарнирное соединение / Ф.В. Пошарников, А.И. Серебрянский; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. № 2003119908/11; заявл. 30.06.2003; опубл. 10.02.2005.8.Патент на изобретение. 2461744 РФ, F16C17/02, F16C33/04. Опора скольжения / Ф.В. Пошарников, А.В. Усиков, А.И. Серебрянский; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. № 2010113135/11(018470); заявл. 05.04.2010; опубл. 20.09.2012

Serebryanskiy AlexeyPh.D., assistant professor of forestry, metrology , standardization and certification VPO "Voronezh State Academy of Forestry " , Voronezhaleksey@serebryanskiy.comExcept the negative reverse effect and automatically compensate for wear in the hinge manipulatorsAbstract.Article is dedicated to increasing the wear resistance joints manipulator process equipment by constructive exclusion reversibility friction and applying mechanisms automatic wear compensation . Such changes can significantly increase the service life of hinges and are recommended for use in the design of process equipment attachments .Keywords:arm , swivel, reversibility of friction , wear , wear autocompensation patent .