1
Politechnika Warszawska
Instytut Podstaw Budowy Maszyn
Laboratorium Podstaw Konstrukcji Maszyn
BADANIE PODSTAWOWYCH CHARAKTERYSTYK PRACY PRZEKŁADNI PASOWEJ
W literaturze nie ma dostatecznych informacji na temat pracy przekładni cięgnowych w warunkach obciążeń zmiennych. Dlatego też w IPBM opracowano komputerową metodę badania umożliwiającą ustalenie między innymi wpływu różnego rodzaju obciążenia zmiennego na podstawowe charakterystyki pracy przekładni, takie jak: siły w cięgnie, poślizg pasa, trwałość przekładni, obciążenie łożysk. Zastosowanie tej metody wymagało opracowania i zbudowania odpowiedniego stanowiska badawczego. W instrukcji przedstawiono metodę i wyniki badań przekładni pasowej w warunkach obciążeń zmiennych.
Głównym celem ćwiczenia jest doświadczalne określenie zależności pomiędzy poślizgiem efektywnym pasa klinowego a obciążeniem użytecznym przenoszonym przez przekładnię pasową przy różnych wartościach napięcia wstępnego cięgna, czyli wyznaczenie tzw. krzywych poślizgu przekładni. Celem ćwiczenia jest również ustalenie wpływu obciążenia użytecznego i napięcia wstępnego pasa na wielkość obciążenia łożysk i wałów przekładni.
Opracowana metoda umożliwia prowadzenie badań różnego rodzaju przekładni cięgnowych. Polega ona na ciągłym lub okresowym monitoringu przebiegów podstawowych charakterystyk pracy przekładni. rejestrowane są przebiegi prędkości obrotowych koła czynnego n1 i biernego n2, przenoszonego momentu obrotowego M oraz sił R1, R2 i Wh obciążających podporę koła biernego przekładni. Na podstawie wyników pomiarów tych wielkości określa się poślizg efektywny pasa, wypadkową napięć w cięgnie W, napięcie wstępne pasa So, napięcie użyteczne Su oraz siły działające w części czynnej i biernej cięgna, tj. S1 i S2.
Zainstalowane w stanowisku urządzenia umożliwiają badanie wpływu dowolnie zmiennego obciążenia na poślizg efektywny i siły występujące w cięgnie. Schemat stanowiska badawczego przedstawia rys. 1.
Elementy napędowe stanowiska pracują w układzie mocy krążącej. Układ mechaniczny, składający się z silnika (1), przekładni pasowej (2), momentomierza (3), badanej przekładni pasowej (5), wału Cardana (8), przekładni (10) i hamownicy (11), jest zamknięty elektrycznie poprzez tyrystorowe zespoły napędowe. Układ sterowania umożliwia płynną regulację obrotów i bezstopniową regulację obciążenia, tj. momentu obrotowego hamownicy (11).
W celu stworzenia możliwości pomiaru napięcia So oraz napięcia użytecznego Su i określenia rzeczywistych wartości sił działających w cięgnie, koło bierne badanej przekładni (5) wraz z wałkiem i podporami zamocowano na płycie związanej za pomocą trzech dynamometrów tensometrycznych z ramą (rys. 2).
Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego
Rys. 2. Układ pomiarowy sił
Stanowisko jest wyposażone w układy umożliwiające pomiary następujących wielkości: prędkości obrotowych kół, momentu obrotowego przenoszonego przez przekładnię oraz sił działających na podporę koła biernego przekładni.
Zastosowana metoda pomiaru poślizgu pasa pozwala na wyrugowanie wpływu spadku prędkości obrotowej koła czynnego, przy wzroście obciążenia silnika, na dokładność pomiaru poślizgu efektywnego pasa.
Stanowisko umożliwia określanie podstawowych charakterystyk pracy przekładni cięgnowych, a także prowadzenie badań trwałościowych. Badania te mogą być realizowane w warunkach stałego lub zmiennego obciążenia.
System pomiarowy zapewnia pełną automatyzację badań przekładni cięgnowych. Pomiary realizowane są samoczynnie według wcześniej przygotowanego programu prób. Odpowiednio zaprojektowane oprogramowanie koordynuje działanie urządzeń pozwalając na precyzyjne utrzymanie pożądanych parametrów pracy oraz na dokładne i szybkie określenie wartości podstawowych parametrów charakteryzujących badaną przekładnię.
Opracowany system pomiarowo-kontrolny składa się z szeregu urządzeń przystosowanych do współpracy z komputerem. Komunikacja między komputerem a poszczególnymi urządzeniami realizowana jest na dwa sposobu. W przypadku dwóch układów LENZE 4904 sterujących pracą silnika i hamownicy dane przesyłane są w pętli światłowodowej w standardzie złącza RS232, natomiast sprzętowy moduł pomiarowo-kontrolny podłączony jest bezpośrednio d o16-to bitowej magistrali komputera pracującej w standardzie ISA. Główne elementy systemu pomiarowego przedstawiono na rysunku 3.
Rys. 3. Schemat blokowy systemu pomiarowego
System komputerowy zapewnia ciągły lub okresowy pomiar i zapis wartości interesujących parametrów, a także określenie wzajemnych zależności pomiędzy poszczególnymi parametrami pracy w postaci charakterystyk. Rodzaje prezentowanych charakterystyk mogą być ustalane dowolnie poprzez odpowiednie definiowane osi rzędnych i odciętych. Wyniki badań przedstawione są w formie wykresów oraz zbiorów tekstowych.
Przedmiotem badań jest przekładnia pasowa z pasem klinowym o przekroju A, długości 1250 mm i przełożeniu u = 2. Średnice skuteczne kół przekładni wynoszą odpowiednio: koła czynnego D1 = 100 mm, koła biernego D2 = 200 mm.
Badania zrealizuje się wykorzystując możliwość automatycznego sterowania stanowiska. Prowadzenie badań w tym systemie wymaga wcześniejszego przygotowania zestawów prób.
Podczas badań na stanowisku wywołuje się obciążenia zmienne o różnych, programowanych przebiegach. Przekładnię pasową bada się głównie przy liniowo i sinusoidalnie zmiennym obciążeniu. Zmienia się częstotliwość oraz maksymalne i minimalne wartości obciążenia. Pomiary realizowane są również przy obciążeniach o przebiegach trapezowych i piłokształtnych.
Badania przeprowadza się przy różnych wartościach napięcia wstępnego pasa oraz różnych prędkościach obrotowych. Napięcie wstępne cięgna zmienia się w zakresie od 150 N do 650 N, natomiast prędkości obrotowe koła czynnego przekładni od 500 obr/min do 2000 obr/min.
Dla wszystkich rodzajów cyklicznie zmiennych obciążeń stwierdza się istotny wpływ napięcia wstępnego na wartości sił występujących w części czynnej i biernej cięgna podczas pracy przekładni. Wzrost obciążenia przenoszonego powoduje zwiększenie napięcia w części czynnej i jego spadek w części biernej cięgna. Jednak wartości bezwzględne tych przyrostów nie są sobie równe i są zależne od wartości napięcia wstępnego. Przy bardzo znacznych napięciach wstępnych przyrost siły po stronie czynnej równy jest spadkowi po stronie biernej. Natomiast w zakresie napięć wstępnych korzystnych ze względu na obciążenie wałów i łożysk występuje znaczna asymetria przyrostów sił w cięgnie.
Rzeczywiste zmiany napięć zostały przedstawione na rys. 4 i 5 przy obciążeniach liniowo zmiennych i na rys. 6 i 7 przy obciążeniach sinusoidalnie zmiennych.
Rys. 4. Siły w cięgnie przy So = 650 N Rys. 5. Siły w cięgnie przy So = 400 N
Przy wstępnym napięciu pasa równym 650 N (rys. 4) przyrost siły w części czynnej cięgna równy jest spadkowi w części biernej. Zmniejszenie napięcia wstępnego do wartości 400 N (rys. 5) w przypadku liniowo narastającego obciążenia powoduje znaczną asymetrię zmian napięć w cięgnie.
Podobny charakter zmian napięć w pasie obserwuje się przy obciążeniach cyklicznie zmiennych.
Rys. 6. Siły w cięgnie So = 600 N Rys. 7. Siły w cięgnie przy So = 300 N
Asymetria zmian w części czynnej i biernej cięgna wywołuje zmianę wartości składowych poziomej Wh i pionowej Wv obciążenia całkowitego podpór. Zmiany wartości Wh rejestrowane w przypadku obciążeń liniowo narastający i obciążeń sinusoidalnie zmiennych przy różnych wartościach napięcia wstępnego przedstawiono na rysunkach 8 i 9.
Otrzymane wyniki ujawniają bardzo silny wpływ wartości napięcia wstępnego pasa na wielkość zmian obciążeń wałów i łożysk przekładni.
Rys. 8. Obciążenie kół - So = 650; 400 i 250 N. Rys. 9. Obciążenie kół przy So = 600 i 300 N.
Przykładowe zapisy przebiegów wartości współczynnika poślizgu efektywnego uzyskane podczas badań przy napięciu wstępnym pasa równym 150 N oraz przy częstotliwości zmian obciążenia równej 0,5 Hz i różnych prędkościach obrotowych koła czynnego przekładni przedstawiono na rys. 10. Charakterystyki oznaczone numerami 1, 2, 3, 4 uzyskano przy prędkościach 500, 1000, 1500 i 2000 obr/min.
Rys. 10. Charakterystyki współczynnika poślizgu pe – So = 150 N i f = 0,5 Hz
Uzyskane przebiegi wartości Dn2 przy różnych prędkościach obrotowych, napięciu wstępnym pasa równym 300 N i częstotliwości obciążenia 0,5 Hz są przedstawione na rys. 11. Charakterystykę oznaczoną liczbą 20 uzyskano przy prędkości 2000 obr/min i odpowiednio charakterystykę 17 przy n1 = 500 obr/min.
Rys. 11. Przebiegi zmian prędkości obrotowej koła biernego – So = 300 N i f = 0,5 Hz
1. Badania wykazały przewidywany bardzo istotny wpływ cyklicznych zmian obciążenia na podstawowe charakterystyki pracy przekładni pasowej.
2. Na podstawie wyników badań można stwierdzić bardzo silny wpływ wartości napięcia wstępnego pasa na poślizg efektywny, siły w cięgnie oraz obciążenie podpór, niezależnie od charakteru zmian obciążenia.
3. Badania wykazują występowanie znacznej asymetrii zmian wartości sił w części czynnej i biernej cięgna. Asymetrię obserwuje się w szerokim zakresie zmian napięcia wstępnego pasa. Maleje ona ze wzrostem napięcia wstępnego. Całkowity zanik asymetrii występuje dopiero przy dużej wartości napięcia, znacznie przekraczającej zalecaną dla danego przekroju pasa.
4. Występowanie większych przyrostów sił w części czynnej w stosunku do zmian w części biernej cięgna powoduje zwiększenie obciążeń wałów i łożysk. Obserwuje się szczególnie duże zmiany wartości składowej poziomej reakcji w podporze.
5. Charakter zmian poślizgu efektywnego pasa badanego jest zgodny z przebiegiem zmian obciążenia cyklicznego.
6. Amplituda poślizgu jest zależna od napięcia wstępnego pasa. Jej wartość maleje wraz ze wzrostem napięcia wstępnego.
7. Wyniki badań wykazują istotny wpływ prędkości obrotowej kół na poślizg pasa. Wzrost prędkości przy zachowaniu stałego napięcia wstępnego pasa i częstotliwości obciążenia przekładni wywołuje znaczne zmniejszenie wartości współczynnika poślizgu efektywnego oraz istotne zwiększenie bezwzględnej wartości poślizgu pasa. Prawidłowość ta potwierdza się przy różnych rodzajach obciążeń w badanym zakresie zmian prędkości i napięcia wstępnego pasa.
8. Przeprowadzane próby wykazują dużą dokładność i powtarzalność uzyskiwanych wyników badań oraz potwierdzają pełną przydatność komputerowego systemu prowadzenia badań w warunkach obciążeń zmiennych. Umożliwia on realizację złożonych zadań badawczych z zakresu przekładni cięgnowych.
Przebieg badań doświadczalnych
Przed przystąpieniem do badań należy zapoznać się z obsługą stanowiska badawczego, a zwłaszcza układu sterowania pracą silnika i hamownicy oraz układu pomiarowego (zapoznać się z instrukcjami obsługi wykorzystywanej podczas ćwiczenia aparatury pomiarowej). Przed rozpoczęciem badań należy również ustalić parametry geometryczne badanej przekładni (wymiary pasa i kół).
W celu ustalenia wpływu obciążenia użytecznego przekładni na poślizg efektywny pasa oraz na wielkość obciążenia wałów i łożysk należy wykonać kolejno następujące czynności:
1. Podłączyć stanowisko badawcze do sieci elektrycznej (za pomocą przełącznika głównego i przełącznika typu WIS – umieszczonego w pulpicie sterowniczym).
2. Włączyć komputer oraz aparaturę pomiarową (mostek tensometryczny powinien być włączony co najmniej na pół godziny przed rozpoczęciem pomiarów, a bezpośrednio przed pomiarami musi być wyzerowany).
3. Zainstalować odpowiednie oprogramowanie.
4. Ustalić wszystkie parametry prób, tj. prędkości obrotowe silnika, rodzaj i wielkość obciążenia, prędkość jego narastania, wartości napięcia wstępnego pasa i inne.
5. Przeprowadzić eksperyment zgodnie z zaleceniami podanymi przez prowadzącego.
Po zakończeniu badań należy wyłączyć wszystkie urządzenia w kolejności odwrotnej w stosunku do tej jaka obowiązywała podczas uruchomienia stanowiska.
Uwagi dotyczące sprawozdania
W sprawozdaniu należy zamieścić wyniki pomiarów w postaci wykresów oraz wynikające z przeprowadzonych badań wnioski.
Na wykresie Pc = f(F) należy ustalić graniczne wartości współczynnika napędu i odpowiadające im wartości poślizgu efektywnego przy różnych napięciach wstępnych pasa. Sprawozdanie powinno zawierać krótkie omówienie otrzymanych wyników badań, ze szczególnym zwróceniem uwagi na wpływ napięcia wstępnego pasa na zdolność napędową przekładni, wzajemne położenie krzywych poślizgu oraz wielkość obciążenia wałów i łożysk. W sprawozdaniu należy omówić wpływ prędkości obrotowej na poślizg bezwzględny i względny pasa przekładni. Ponadto należy przedstawić ocenę dokładności przeprowadzonych pomiarów oraz omówić wyniki badań.
Obowiązujący zakres wiadomości do zaliczenia ćwiczenia
1. Zależności geometryczne przekładni pasowej.
2. Napięcia w cięgnie i nacisk pasa na koło.
3. Kinematyka przekładni pasowej.
4. Naprężenia wywołane w cięgnie siłą odśrodkową i zginaniem pasa na kołach.
5. Sprzężenie pasa z kołem.
6. Sprawność przekładni pasowej.
7. Sposoby regulacji napięcia wstępnego pasa – ich zalety i wady.
8. Dobór napięcia wstępnego pasa w zależności od sposobu jego regulacji.
Literatura
1. Z. Osiński, W. Bajon, T. Szucki, Podstawy konstrukcji maszyn, Warszawa, PWN, 1986.
2. H. Popko, Przekładnie pasowe, Lublin, WU, 1979.
3. B. Ponder, Metoda badań eksperymentalnych podstawowych parametrów pracy przekładni pasowych, Wisła, IX Sympozjum PKM, 1979.
4. B. Ponder, J. Piotrowski, Sposób i układ do pomiaru poślizgu przekładni pasowej, Warszawa, PAT. 168796, WUP 04/96, 1996.
borowik61