ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕЛИЧИНЫ СКРУЧИВАНИЯ ВАЛА УСТРОЙСТВА СОПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕДНЕЙ И ЗАДНЕЙ БАБКИ НАМОТОЧНОГО СТАНКА

​АННОТАЦИЯ

Данная статья посвящена методике исследования величины скручивания длинного вала устройства сопряжения передней и задней бабки намоточного станка с использованием программного обеспечения SolidSimulation. При модернизации намоточного оборудования потребовалось провести теоретические и имитационные расчеты для подтверждения выбранной концепции устройства сопряжения. Современные средства моделирования и CAE анализа позволяют с высокой точностью выполнять практические и теоретические изыскания и внедрять полученные конструкции в производство.

ABSTRACT

This article is devoted to the method of studying the amount of twisting of the long shaft of the headstock and tailstock interface of the winding machine using the SolidSimulation software. During the modernization of the winding equipment, it was necessary to carry out theoretical and simulation calculations to confirm the chosen concept of the interface device. Modern modeling and CAE analysis tools make it possible to carry out practical and theoretical research with high accuracy and introduce the resulting designs into production.

Ключевые слова: устройство сопряжения, величина скручивания, длинные валы, шпоночное соединение, намоточный станок, SolidSimulation.

Keywords: interface device, amount of twist, long shafts, keyed connection, winder, SolidSimulation.

В настоящее время актуален вопрос модернизации существующего намоточного оборудования для повышения его эксплуатационных характеристик. Данная статья посвящена использованию современного программного обеспечения SolidSimulation для исследования величины скручивания длинного вала устройства сопряжения передней и задней бабки намоточного станка. Устройство сопряжения потребовалось для передачи крутящего момента со шпинделя передней бабки на вращающийся центр задней бабки. Перед инженером-конструктором была поставлена задача разработки и внедрению данного узла. Было принято решение первоначально провести имитационное моделированиие для подтверждения выбранной концепции в программном обеспечении SolidSimulation.

Трехмерная модель для исследования усройства сопряжения пердней и задней бабки станка представлен на рисунке 1. Устройство сопряжения состоит из элеемнтов конструкци передней бабки, элементов конструкции задней бабки и вала нижнего, который закреплен неподвижно относительно элементов передней бабки и имеет возможность поступательного перемещения по элементам задней бабки в заданном диапазоне 0…200 мм.

Рисунок 1. Модель устройства сопряжения для исследования

Элементы передней бабки представлены следующими деталями: втулка передней бабки переходная (2 шт.), подшипник 47х20х14 (2 шт.) (см. рисунок 2).

Рисунок 2. Элементы передней бабки

Элементы задней бабки представлены следующими деталями: вал переходной стационарный, стопор вала, подшипник 47х20х14 (2 шт.) (см. рисунок 3)

Рисунок 3. Элементы задней бабки

Для облегчения проведения процедуры расчета будем использовать следующую трехмерную модель, которая состоит из: вала нижнего, вала переходного стационарного, стопора вала (см. рисунок 4).

Рисунок 4. Облегченная модель для исследования

Исключенные детали будут являться либо элементами закрепления, либо заданы виртуально.

Моделирование подвижного шпоночного соединения устройства синхронизации передней и задней бабки будем моделировать в программном обеспечении Solid Simulation [1].

Процесс моделирования необходимо начать с задания материалов элементов, входящих в исследуемую сборочную единицу. Материалы деталей – легированная сталь 40Х13 ГОСТ 5632-72 (см. рисунок 5).

Рисунок 5. Материалы деталей

Самым важным этапом исследования является грамотное задание контактов между деталями. В нашем случае они определены следующими параметрами. Между деталями «Стопор вала» и «Вал переходной стационарный» наложен контакт «Связанные» (см. рисунок 6). Это позволяет сказать, что эти детали соединены как одно целое (имитация винтового соединения).

Рисунок 6. Контакт между деталями «Стопор вала» и «Вал переходной стационарный» (Связанные)

Между поверхностями деталей «Вал нижний» и «Вал переходной стационарный» наложен контакт «Нет проникновения». Это говорит о том, что детали не проникают друг в друга при исследовании, не имеют общей сетки. Не связаны жестко. Таким образом «Вал нижний» может поступательно перемещаться по детали «Вал переходной стационарный» (см. рисунок 7)

Рисунок 7. Контакт между деталями «Вал нижний» и «Вал переходной стационарный»

Между поверхностями деталей «Стопор вала» и «Вал нижний» наложен контакт «Нет проникновения» (см. рисунок 8).

Рисунок 8. Контакт между деталями «Вал нижний» и «Стопор вала»

Следующим этапом моделирования является задание поверхностей закрепления модели в пространстве. В нашем случае будем считать, что поверхность детали «Вал переходной стационарный», на которой насажено колесо задней бабки будет жестко зафиксирована в пространстве, то есть будем считать, что оно как бы заклинено, а на него со стороны передней бабки оказывается максимальный крутящий момент от двигателя. Процесс закрепления представлен на рисунке 9.

Рисунок 9. Поверхность жесткого закрепления

Поверхности, на которые насажены подшипники будут иметь тип крепления «Зафиксированный шарнир». Процесс задания на поверхностях задней бабки представлен на рисунке 10, на передней бабке – на рисунке 11.

Рисунок 10. Поверхности с зафиксированным шарниром задней бабки

Рисунок 11. Поверхности с зафиксированным шарниром передней бабки

К поверхности установки зубчатого колеса передней бабки на валу нижнем необходимо приложить крутящий момент 4Нм. Именно это значение крутящего момента считается максимальным для двигателя BLCD MY 1020, который используется в качестве двигателя главного движения. Процесс задания крутящего момента представлен на рисунке 12.

Рисунок 12. Приложение крутящего момента

После приложения всех ограничений, внешней нагрузки и контактов необходимо сгенерировать сетку конечных элементов. Параметры сетки КЭ представлены на рисунке 13.

Рисунок 13. Сетка конечных элементов

После проведения необходимых расчетов необходимо проанализировать получившиеся результаты.

Первоначально рассмотрим эпюру напряжений (см. рисунок 14).

Рисунок 14. Эпюра напряжений

По данной эпюру видно, что максимальное напряжение, которое возникает в конструкции равно 105,895 МПа, что существенно ниже предела текучести для стали 40Х13 ГОСТ ГОСТ 5632-72 (предел текучести равен 420 МПа, предел прочности равен 550 МПа). Зона возникновения максимальных напряжений – внутри шпоночного соединения. Рассмотрим данную область более детально с помощью операции сечения (см. рисунок 15).

Рисунок 15. Зона возникновения максимальных напряжений

Более детально рассмотрим распределение напряжений в детали «Стопор вала» (см. рисунок 16).

Рисунок 16. Распределение напряжений в детали «Стопор вала»

По данной эпюру видно, что максимальные напряжения в детали «Стопор вала» равны 68,93 МПа, что существенно ниже предела текучести для стали 40Х13 ГОСТ ГОСТ 5632-72 (предел текучести равен 420 МПа, предел прочности равен 550 МПа). Таким образом, зона возникновений максимального напряжения находится на детали «Вал нижний». Рассмотрим эпюру распределения напряжений по данной детали «Вал нижний» (см. рисунок 17).

Рисунок 17. Распределение напряжений в детали «Вал нижний»

По данной эпюре наглядно видно, что напряжения не возникают за пределами стопора вала, что говорит о правильности расчета.

Определим величину перемещения, которой возникает при действии максимального крутящего момента 4Нм и застопоривании зубчатого колеса задней бабки. Эпюра представлена на рисунке 18.

Рисунок 18. Перемещения точек конструкции

По эпюре перемещений видно, что максимальное значение равно 0,065 мм, что соответствует углу закручивания – 20 угловых минут (см. рисунок 19).

Рисунок 19. Угол закручивания при максимальном удалении задней бабки

Вывод по результатам исследования: по результатам проведенныго исследования прочности и жесткости шпоночного соединения узла сопряжения передней и задней бабки станка намотки можно сказать, что максимальное напряжение, которое возникает в конструкции 105,895 МПа (105,47 МПа) существенно ниже предела текучести для стали 40Х13 ГОСТ 5632-72 (предел текучести равен 420 МПа, предел прочности равен 550 МПа). Таким образом, конструкция работоспособная с точки зрения прочности. Угол закручивания вала нижнего находятся в диапазоне 20’ угловых минут, что находится в рамках существующего технического задания (максимальный угол рассинхронизации передней и задней бабки – не более 1⁰). Таким образом, конструкция работоспособная с точки зрения жесткости.

В результате проведенного исследования было доказано, что предложенная конструкция узла сопряжения работоспособна и может быть использована при модернизации намоточного оборудования. Методика расчета величины скручивания длинных валов может быть использована на аналогичные конструкции станков и устройств иного назначения.

Список литературы:

1. SOLIDWORKS SimulationHelp: официальный сайт. – URL: http://help.solidworks.com/2018/english/solidworks/cworks/idc_help_helptopics.htm (дата обращения: 10.12.2022)