Определение механического КПД винтовой пары

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Получение практических навыков самостоятельного экспериментального определения механического КПД винтовой пары.

 

2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

Средним механическим коэффициентом полезного действия машины-орудия называется отношение работы полезных сил сопротивления А_пс к работе движущих сил А_дс на цикл установившегося движения:

(1)

За период установившегося движения работа движущих сил всегда равна сумме работ сил полезного сопротивления (производственного сопротивления) и вредных сопротивлений (А_вс) (трения в кинематических парах, сопротивления среды и т.п.), поэтому формулу (1) также можно записать следующим образом:

(2)

или

(3)

где - коэффициент потерь на трение в механизме.

Каждая сложная машина состоит из целого ряда простых механизмов. КПД машины может быть легко определен, если известны КПД всех входящих в нее простых механизмов. Для большинства механизмов разработаны аналитические методы определения КПД, однако отклонения в чистоте обработки трущихся поверхностей деталей, их твердости, изменение нагрузки на трущиеся поверхности и условий их смазки, скорости относительного движения и др. приводят к изменениям величины коэффициента трения и аналитически учитывать влияние этих факторов на величину работы сил трения затрудительно.

Поэтому важно уметь экспериментально определять средний коэффициент полезного действия интересующего механизма в конкретных условиях эксплуатации.

 

3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО КПД ВИНТОВОЙ ПАРЫ. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

 

Для экспериментального определения среднего КПД винтовой пары используется лабораторная установка ТММ-33М.

Основным измерительноым параметром при проведении работы является реактивный момент М, развиваемый статором приводного электродвигателя. По величине этого момента определяется работа движущих сил за один полный оборот винта:

(4)

Работа сил полезного сопротивления равна произведению веса груза G на путь, пройденный грузом за один оборот винта, т.е. на величину хода винта Н:

(5)

Величина хода Н определяется

(6)

где k – число заходов резьбы; р – шаг винта, мм.

Подставляя (4) и (5) в (1), получим

(7)

Величина среднего коэффициента полезного действия винтовой пары определяется для заданного сочетания типа резьбового соединения, материалов винта и гайки, при различных величинах осевой нагрузки G.

Схема лабораторной установки ТММ-33М приведена на рисунке. На станине 1 в кронштейнах смонтированы подшипники 2 и 3. В верхнем подшипнике 2 установлен с возможностью вращения статора электродвигатель 4 с редуктором 5. В нижнем подшипнике 3 установлен валик 6. Испытуемый винт 7 нижним концом соединяется с валиком 6, а верхним через соединительную муфту – с выходным валиком редуктора 5. К верхнему же кронштейну подшипника 2 прикреплен индикатор 8 измерительной системы реактивного момента двигателя.

В процессе работы установки вращается винт 7, а его гайка 15, укрепленная в обойме 9, имеет поступательное перемещение. От поворота гайку с обоймами предохраняет рычаг 10, в виде радиального стержня, перемещающийся в пазу станины. Для уменьшения трения на пальце рычага установлен шарикоподшипник, катящийся по пазу.

 

4

1

 

5 8

11

 

12

2

9 Вид А

А

15

 

10

3 14

6

13

 

Рис. Схема лабораторной установки ТММ-33М

 

Определение реактивного момента М в установке возможно в связи с тем, что жестко связанная система "корпус электродвигателя (статор) – корпус редуктора" не закреплена жестко на станине и может поворачиваться в подшипника верхнего кронштейна.

При работе установки статор двигателя стремится повернуться в направлении, противоположном вращению ротора, и жесткий рычаг 11 на корпусе редуктора с точечными упорами деформирует пластическую пружину 12. При этом стрелка индикатора 8 измерительного устройства показывает величину прогиба этой пружины от воздействия реактивной силы. Величина реактивного момента, пропорционального деформации пружины, определяется по тарировочному графику, связывающего величину реактивного момента с величиной отклонения стрелки индикатора. Осевая нагрузка на гайку испытуемой винтовой пары обеспечивается подвешиванием тарированного груза в виде гирь. Приспособление для крепления груза съемное; оно состоит из двух тяг с траверсой и полочкой для гирь 13. Управление установкой автоматизировано – от каждого нажатия кнопки включения происходит рабочий ход гайки вверх, реверсирование двигателя, ход гайки вниз и самовыключение двигателя. Установка снабжена двумя винтами с резными резьбами и для каждого винта имеется комплект из трех гаек, выполненных из различных материалов.

Кроме того, установки имеют электрические измерительные устройства. Измерение реактивного момента осуществляется датчиками из проволочных сопротивлений. При этом валик измерительного устройства выводится из связи с маятником, а корпус редуктора соединяется со станиной изогнутой упругой пластиной из ленточной бронзы с наклеенными на нее проволочными сопротивлениями. Измерение угловой скорости вращения винта 7 производится импульсным магнитоэлектрическим датчиком 14, состоящим из зубчатого колеса и постоянного магнита с обмоткой. Проволочные сопротивления (через усилитель) и магнитоэлектрический датчик скорости подключается к осциллографу, что позволяет измерять мгновенные текущие величины измеряемых параметров.

 

4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

 

Задачей работы является определение среднего КПД винтовой пары одного вида резьбы с двумя гайками и при разных осевых нагрузках.

 

Для выполнения работы необходимо:

1. Ознакомиться с лабораторной установкой и правилами техники безопасности при работе с ней.

2. В бланке отчета зарисовать принципиальную схему установки, записать исходные данные для работы – номер винта, материал винта и гаек, вид резьбы, шаг резьбы.

Примечания: а) установка укомплектована следующим набором винтов:

№ 1 – М42х4,5 – резьба метрическая треугольная;

№ 2 – Прям. 42х4,5 – резьба прямоугольная, однозаходная;

№ 3 – Прям. 42х3х8 – резьба прямоугольная, трехзаходная;

б) материал всех винтов – сталь 45;

в) материал сменных гаек – сталь 20, бронза ОЦС-5-5-5;

г) осевая нагрузка – 30, 50, 80 и 100 Н.

3. Подготовить винтовую пару для монтажа в установку. Для этого необходимо:

а) вывинтить из обоймы 10 стопорный винт;

б) вставить в обойму выбранную гайку так, чтобы риска на гайке совпадала с риской на обойме;

в) закрутить стопорным винтом гайку в обойме и навинтить ее риской вниз.

4. Вставить в установку винт с гайкой и обоймой так, чтобы ползун вошел в паз станины, и закрепить верхнюю отодвигающуюся муфту зажимным болтом. Испытуемый винт монтировать в установку резиновым кольцом вниз.

5. Вращением от руки опустить гайку в нижнее положение.

6. Тумблером включить питание электродвигателя.

7. Нажатием на кнопку "пуск" включить электродвигатель. При движении гайки вверх произвести измерение среднего значения реактивного момента как среднее арифметическое 3 замеров по шкале измерительного устройства (нагрузка при этом соответствует 30 Н). Произвести измерение реактивного момента с осевыми нагрузками в 50, 80 и 100 Н за счет подвешивания дополнительных грузов.

8. Заменить гайку и повторить работу по п. 7.

9. Вычислить величины реактивных моментов, пользуясь данными измерениями по пп. 7 и 8 и тарировочным графиком.

10.Вычислить работу движущих сил и сил полезного сопротивления по формулам:

где М – реактивный момент, кгсм, Нм.

где G – осевая нагрузка, Н; Н – ход винта, мм.

11.По формуле

определить КПД винтовой пары для разных материалов гаек и различных осевых нагрузок. По результатам расчетов построить графики изменения КПД винтовой пары в зависимости от изменения осевой нагрузки.

12.По аналитической формуле определить КПД винтовой пары, подвергшейся экспериментальному испытанию, и результат сопоставить с экспериментально найдеными значениями КПД.

КПД винтовой пары вычисляется по формуле

где - угол подъема винтовой линии

где d ₂ - средний диаметр резьбы; - приведеный угол трения винтовой пары (); f ' – приведенный средний коэффициент трения винтовой пары:

где f – коэффициент трения, зависящий от материала пары трения, смазки, чистоты поверхности и др. факторов(см. таблицу); - угол при вершине резьбы; для прямоугольной резьбы , для стандартных метрических резьб .

 

 

Таблица приближенных значений коэффицентов трения скольжения

 

Пара трения	Коэффициент трения скольжения
сухого	Со смазкой
Сталь – сталь Сталь – мягкая сталь Сталь – чугун Сталь – бронза Сталь - латунь	0,15 0,20 0,18 0,16 0,15	0,05-0,10 0,10-0,20 0,05-0,15 0,10-0,15 0,10-0,15

 

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

Наименование лабораторной работы, цель работы. Определение механических КПД, его аналитическое определение. Указать название установок, материалы и параметры винта и гаек, для которых определяется КПД. Привести все полученные экспериментальные результаты, графики, расчеты и сравнения результатов.

 

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Что называется механическим коэффициентом полезного действия?

2. Что такое коэффициент трения?

3. От чего зависит величина трения скольжения?

4. Каким образом изменение угла при вершине резьбы влияет на КПД винтовой пары?

5. Каким образом зависит механический КПД винтовой пары от нагрузки?

 

 

Лабораторная работа 7