ПРИВОД УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

 

Эдигаров В.Р., Малый В.В. (ОТИИ, г. Омск, РФ)

 

The analysis of probable application of shock rotary action drive for hardening surfaces of details in dynamic way.

 

Устройства для упрочнения динамическими способами не по­зволяют регулировать энергию единичного удара в широком диапазоне. Используемые в настоящее время пневмо- и гидроударные устройства отлича­ются высокой надежностью и стабильностью генерируемой энергии и частоты ударов, а также возможностью их плавного и тонкого регулиро­вания. Энергия ударов пневмоударников дости­гает 25 ... 35 Дж, а частота 1000 ... 1500 ударов/мин. Вследствие низкого КПД пневмоударников (8 ... 12 %) для увеличения полезной энергии ударов, затрачиваемой на осуществление упругопластической деформа­ции, приходится идти по пути увеличения их габаритных размеров. Высо­кие требования по точности изготовления деталей гидроударных машин создают дополнительные трудности в использовании данного типа устройств. Диапазон энергии ударов известных гидроударных устройств со­ставляет 250 ... 10000 Дж, при этом, чем выше энергия ударов, тем больше размеры и масса гидроударника [1].

Привод ударно-вращательного действия (ПУВД), конструкции предложенной профессором Стихановским Б.Н. [2], позволяет накапливать кинетическую энергию на большом угловом пути разгона инерционных масс с регулируемой частотой и энергией удара, что позволяет рекомендовать его для упрочнения деталей динамическим способом (например, для статико-импульсной обработки).

Рассмотренные выше способы разгона ударника (инструмента – волновода) с помощью пневматики, гидравлики и т.п. не обладают такими преимуществами, как устройства с электрическим двигателем: стабильность и повторяемость воспроизведения ударных импульсов, удобство и безопасность эксплуатации; огромный диапазон ускорений от 1 до 10⁶ м·с². В отличие от устройств, в которых масса разгоняется при свободном падении и достигает скоростей, например, 20 м/с (высота должна быть более 20 м), габариты предложенного привода в десятки раз меньше.

Такие характеристики удается получить за счет того, что кривошипношатунный механизм выполнен в виде рекуператора кинетической энергии, связанного с дифференциалом посредством валов кривошипов, при этом на валу двигателя установлена специальная обгонная муфта, [2,3].

Привод содержит, рис.1, электрический двигатель 1, с валом которого соединена упругая муфта 2, с другой стороны муфты 2 на одной оси с валом двигателя расположена шестеренка 3 и обгонная муфта 10. Колеса 3, 4, 5 и 6 образуют, например, двухступенчатый редуктор, исполнительным механизмом которого является инструмент-волновод 16, соединенный с колесом 6 через скользящую шпонку 17. Колесо 7 зацеплено с колесом 8, посаженным на трубчатый вал, внутри которого расположен вал от муфты 2 до конического колеса дифференциала 9, имеющего два вала кривошипов, на концах последних расположены инерционные массы I_i и их противовесы 12; кривошипы шарнирно соединены шатунами 13 с пружиной (стальной или пневматической, или другим упругим элементом) 14 и бойком 15, находящимся в направляющей по одной оси с инструментом - волноводом 16. Муфты 2 или 10 могут быть выполнены заодно или отдельно с маховиком.

Рисунок 1 – Привод ударно-вращательного действия (ПУВД)

 

В работе [3] расчет скорости удара бойка 15 по инструменту - волноводу 16 в зависимости от момента инерции осуществляется по следующей формуле:

,       (1)

где т и т₁ - массы 11, 12 и 15; ω _у, ω_1, ω₀ - угловые скорости в начальный период разгона бойка (V₁=0) и –ω₁₁ -  угловая скорость колеса 8 при максимальном значении скорости V бойка, т.е. из соотношения (1);

,                                                       (2)

где a Zj - количество зубьев соответствующих колес, а Z_х и Z_y - в конических колесах на оси X и Y;

,                     (3)

,                         (4)

где                                                      (5)

 

При подстановке (2-5) в (1) можно получить приближенно для R=R₁ в безразмерном виде зависимость от соотношений масс бойка m₁ к массе m рекуператора кинетической энергии, рис. 2, при различных

Рисунок 2 - Зависимость от соотношений масс бойка m₁ к массе m рекуператора кинетической энергии

 

Работает привод следующим образом. Момент от двигателя 1 через обычно упругую муфту 2 передается с помощью колес 3,4, 5 и 6 на инструмент-волновод 16, при этом угловая скорость ω_с падает, а момент соответственно увеличивается. Колесо 6 передает возросший в несколько раз момент на инструмент-волновод 16 через скользящую шпонку 17 (или шлицевое соединение) таким образом, чтобы ударный импульс от бойка 15 к инструменту-волноводу  16 не  воздействовал  на колесо 6. Через колеса 3,4,7 и 8 передается вращение на трубчатый вал дифференциала 9, корпус которого приобретает угловую скорость ω₁ . Вал кривошипов до положения, показанного на фигуре, имеет угловую скорость   взвода   кривошипа   , где  Z_к  Z_у -  количество зубьев конических колес по всем осям X и У. Затем под действием  центробежных сил от угловой скорости ω₁ массы 11 и 12 резко увеличивают свои скорости - это им позволяет обгонная муфта 10; через шатуны 13 и пружину (упругий элемент) 14 боек 15 разгоняется до максимальной скорости удара, взаимодействуя в этом момент с инструментом-волноводом 16.

Привод позволяет накапливать кинетическую энергию деталей 3-13 и маховика  за несколько оборотов  (или десятков оборотов),   т.к.   частота вращения   , где   -    средняя частота ударов в секунду.

Массы 11 динамически уравновешиваются массами 12, т.е. могут быть одинаковыми или разными по величине, но в последнем случае их вес обратно пропорционален расстояниям до оси вращения.

Шатуны 13 полностью симметричны относительно оси вращения ω_l в любой момент времени, поэтому так же как и кривошипы с массами 11 и 12 динамически уравновешены, хотя угловые скорости  ω_у кривошипов направлены  в разные стороны.

Вместо одной пары зацепления колес 7 и 8 может быть коробка скоростей, чтобы привод работал в различных режимах, т,е. возможно увеличение частоты ударов, однако энергия единичного ударного импульса при этом падает.

Предложенная конструкция ПУВД, имеет ряд преимуществ по сравнению с известными. Главное из них - это накопление кинетической энергии на большом угловом пути, которая затем автоматически преобразуется в энергию удара и одновременно вращение инструмента – волновода, что позволяет использовать его для упрочнения различных конструкционных материалов динамическим способом.

Литература

1. Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г.. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. -М: Машиностроение, 2004. -287 с.

2. Стихановский Б.Н.    Привод   вращательно-ударного   действия  (ПВУД). Патент на изобретение № 2285104; Бюл. № 28 от 10.10.2006 г.

3. Стихановский Б.Н.. Привод вращательно - ударного действия. Сб. докладов      Международной      научно-технической      конференции «Автоматизация   технологических   процессов   и   производственный контроль». -Тольятти: ТолГУ, 2006. -С. 33-36.