Česká zemědělská univerzita Technická fakulta
Transcript of Česká zemědělská univerzita Technická fakulta
Česká zemědělská univerzita
Technická fakulta
Návrh krmného závěsného valníku
Semestrální práce – Konstruování s podporou počítačů I
1
1. Úvod ................................................................................................................................... 2
2. Krmný valník ...................................................................................................................... 2
2.1 Popis ................................................................................................................................. 2
2.2 Základní požadavky ..................................................................................................... 3
2.3 Metodika práce ............................................................................................................ 4
3. Postup ..................................................................................................................................... 4
3.1 Vstupní podmínky ............................................................................................................ 4
3.2 Postup konstrukce jednotlivých komponent .................................................................... 4
3.2.1 Podvozek ................................................................................................................... 4
3.2.2 Pákový mechanismus ................................................................................................ 9
3.2.3 Zásobník .................................................................................................................... 9
3.2.4 Řetězové převody .................................................................................................... 10
3.2.4.1 Výpočet kol a hřídelů ....................................................................................... 12
3.2.5 Ostatní prvky ........................................................................................................... 21
4. Závěr ................................................................................................................................. 22
Použitá literatura: ..................................................................................................................... 22
Seznam obrázků ....................................................................................................................... 23
2
Bohumil Pechr
2011/2012
1. Úvod
Cílem semestrální práce z předmětu Konstruování s podporou počítačů je samostatně
navrhnout a zkonstruovat mechanismus či zařízení, nebo vylepšit již vyrobené, tak, aby toto
zařízení či vylepšení zlepšilo, zrychlilo, nebo zjednodušilo práci v zemědělství a příbuzných
oborech.
K návrhu a konstrukci musí být použit 3D software a další programy, které jsou k tomu
potřeba.
2. Krmný valník
2.1 Popis
Tento nápad vznikl po úvaze, co by se dalo zlepšit v zemědělství. Nakonec je tato práce
zaměřena na obor myslivectví a to konkrétně na zásyp krmelců zrním v zimě.
V mysliveckém spolku na Praze 9 se krmení provádí pomocí traktoru se závěsem a
závěsného valníku. Ten se vždy naplní a pak se rozváží po honitbě. Smyslem tohoto zlepšení
je urychlení a zjednodušení práce při nakládání a vykládání. Tedy aby se „lopata nebrala
dvakrát do ruky“.
Navržen byl závěsný krmný valník. Ten se dělí na hlavní části:
Podvozek – za ní je taženo traktorem a na je všechno přiděláno.
Zásobník – zásobník na zrní, či pšenici. Odhadovaný objem 0,6 m3.
Výsypné zařízení – umožnuje jednoduše vyprázdnit zásobník bez použití lopaty.
Toho je dosaženo pomocí rotačního závěsu a vysunovacího žlabu, který je součástí
závěsu.
3
Pákový mechanismus – na něm je přidělán zásobník. Umožňuje přesunout
zásobník na zem kvůli lepšímu plnění.
Řetězové převody – slouží jako ruční pohon pákového mechanismu a tím i
zásobníku.
Obr. 1 Valník
2.2 Základní požadavky
Na závěsný valník jsou kladeny tyto požadavky:
Jednoduchost – žádné zbytečné součásti. Jednoduchá rozebiratelnost a oprava,
vycházející z dostupných prostředku v mysliveckém sdružení.
Odolnost – mechanismy dimenzovány na velká namáhání. Valník musí vydržet
hrubé zacházení, jízdu po poli apod.
Ruční pohon – k pohonu řetězového převodu a pákového mechanismu použít
lidskou sílu.
4
2.3 Metodika práce
Valník byl nejdříve navrhnut rukou na papír. K vlastnímu modelování byl použit program
Autodesk Inventor 2012 professional. Během konstruování byla vymýšlena další vylepšení a
konstrukční návrhy až do konečné současné podoby. K pomocným výpočtům bylo použito
programu MathCad 14.
Dimenzování rozměrů během konstrukce se provádělo odhadem. Zpětně byla provedena
kontrola, hlavně hřídelí. Pokud něco nevyhovovalo, znovu se to upravilo v programu
Inventor.
3. Postup
3.1 Vstupní podmínky
Výška závěsu valníku je hv = 0,5 m. Toto je výška závěsu na traktoru.
Závěsné oko musí mít rozměr takový, aby souhlasil s rozměry traktoru.
Všechny výpočty dimenzovány na hmotnost plného zásobníku m = 500 kg.
3.2 Postup konstrukce jednotlivých komponent
V další části jsou uvedena konstrukční řešení jednotlivých hlavních částí krmného
valníku tak, jak byly po sobě konstruovány a sestaveny.
3.2.1 Podvozek
Podvozek je vyroben z oceli 11 600. Je dimenzována na drsné podmínky.
5
Obr. 2 Podvozek
Při konstrukci podvozku se vycházelo z podmínky, že valník musí být kompatibilní
s traktorem v mysliveckém sdružení. Ten má závěsné zařízení ve výšce 0,5 m nad zemí a je
realizováno čepem o průměru dt = 60 mm. Výška tohoto závěsu je 40 mm. Závěsné oko (P4)
bylo zkonstruováno dle těchto podmínek.
Obr. 3 Závěsné oko
6
Součástí kostry jsou kola (P1).Ta zajišťují pohyb valníku a vymezují požadovanou
výšky valníku. Hlavní částí jsou kola (4) o průměru 1110 mm. Ta jsou přichycena šrouby
M20 x 70 (5) k úchytům na disky (3), které jsou nalisovány na hřídel(1) (viz. obr. 4).
Z důvodu menšího opotřebení hřídele jsou ve vedení hřídele vložena bronzová pouzdra (2),
které mají lepší kluzné vlastnosti než ocel.
Obr. 4 Sestava kola
Vložený rám (P3) zajišťuje větší tuhost konstrukce. Zároveň vymezuje mezní polohu
pákového mechanismu.
Vedení hřídele (P2) je zde z důvodu velkého ohybového napětí působící na tuto hřídel.
7
Pevnost konstrukce:
K ověření pevnosti podvozku valníku byla použita pevnostní analýza FEM,
implementovaná do programu Inventor. Tyto výsledky jsou však pouze orientační.
Obr. 5 Vstupní podmínky pro analýzu pevnosti podvozku
Vstupní podmínky:
1. Těžiště
2. Tažná síla traktoru. Orientačně zvolena hodnota 10 kN.
3. Kroutící moment od řetězového kola (viz. obr. 5). Zvoleno 76,25 Nm.
4. Kroutící moment od řetězového kola (viz. obr. 5). Zvoleno 2000 Nm.
5. Kroutící moment od řetězového kola (viz. obr. 5). Zvoleno 345,5 Nm.
6. Ohybová síla od řetězu. Zvoleno 5 kN (viz. obr. 5).
7. Síla v uložení od pákového mechanismu. Zvoleno 1340 kN (viz. obr. 5).
8
Výsledky:
Von Misses napětí:
Obr. 6 Podvozek – napětí Von Misses
Posuv:
Obr. 7 Podvozek – hodnoty posuvu
9
Je patrné, že hodnoty napětí a posuvu nejsou veliké, konstrukce z pevnostního
hlediska vyhovuje.
3.2.2 Pákový mechanismus
Pákový mechanismus zde slouží jako podpěra, na které drží zásobník. Zároveň ale
zjednodušuje práci při nakládání zrní, protože přes tento mechanismus se dá zásobník položit
na zem.
Pro ruční pohon tohoto mechanismu byl použit řetězový převod (viz. 3.2.4)
Pákový mechanismus se skládá ze dvou ramen. Jedno rotační, který zajišťuje samotný
pohyb při nakládce. Druhé rameno je upevňovací. Je opatřeno zuby, do kterých zapadne
zásobník a zamezí se tak jeho pohybu. Styk těchto dvou ramen je zajištěn pomocí čepu a
zároveň vodícího čepu na upevňovacím rameni a válcové plochy na rotačním rameni. Vodící
čep a tato plocha jsou ve vzájemném tangenciálním bod-přímka. To zajišťuje, že upevňovací
rameno při rotaci rotačního ramena zůstane po celou dobu rovnoběžně s podložkou. To je
důležité hlavně při zvedání plného zásobníku, kdy se obsah nevysype. K zajištění
mechanismu ve svislé poloze je použit čep ve spodní části rotačního rámu (viz. obr 12–čep 2 )
Obě ramena jsou vyrobena z oceli 11 500.
3.2.3 Zásobník
Pro uskladnění materiálu je využit zásobník. Jeho tvar umožňuje úplné vyprázdnění
bez použití externích prostředků, jako lopaty apod.
Materiál zásobníku je vysokopevnostní plast. Volba tohoto materiálu byla kvůli menší
hmotnosti, než má ocel, a zároveň kvůli vyhovujícím vlastnostem, tedy že zásobník váhu
materiálu vydrží.
Objem zásobníku je přibližně 0,6 m3, což při hustotě pšenice 750 kg.m
-3 dává
hmotnost cca 500 kg. Na tuto hmotnost jsou dimenzovány všechny hřídele, čepy a řetězový
převod.
10
Zásobník je na upevňovacím rámu spojen pomocí děr, do kterých zapadnou zuby na
rámu. Tím je zajištěn zásobník proti posuvu, např. při brždění, nebo prudké akceleraci.
Zároveň tyto zuby umožňují do budoucna případný vývoj dalších prvků, které by se dali na
valník připevnit. Jde tedy o univerzální řešení spoje.
Spodní část zásobníku je osazena rotačním prvkem, který rotuje kolem společné osy
s vyprazdňovací dírou zásobníku. Tento rotační prvkem dovoluje snadnou manipulaci a tím si
i přesněji nasměrovat, kam materiál vysypat. Otvor zásobníku je zakryt výsuvnou deskou,
která je zajištěna v zavřené poloze páčkou se závitem. Samotnou dopravu materiálu na místo
zprostředkovává výsuvný žlab. Jedná se o sadu tří žlabů, které jsou posuvně spojeny. Dosah
žlabu je cca 1,5 m. Jeho poloha v přepravní poloze je opět zajištěna páčkou se závitem, aby
při jízdě nevyskočil z plochy určené pro přepravní polohu žlabu.
3.2.4 Řetězové převody
Aby bylo možné zásobník přes pákový mechanismus položit na zem, bylo nutné
sestrojit mechanismus, pomocí kterého člověk může s tímto zásobníkem hýbat. Nakonec se
dospělo k závěru, že nejlepší z hlediska převodového poměru a jednoduchosti bude řetězový
převod.
Jako vstupní údaj pro výpočet se bere 10 kN. Je to síla pro zvednutí zásobníku
v poloze na zemi. Tuto sílu musí být řetěz schopen přenést, stejně jako hřídele musí pevnostně
vydržet. Také je podmínka, že konečná síla, kterou působí člověk, musí být malá. Z toho
důvodu jsou zde 2 řetězové převody.
Použitý řetěz: ISO 16 A-1. Síla na přetržení: 64,75 kN.
První soustavou prvků je navinovací kolo a volně uložené řetězové kolo. Řetěz je
připevněn k rotačnímu rámu. Odtud vede přes volně uložené řetězové kolo k navinovacímu
kolu (viz. obr. 8).
11
Obr. 8 Řetězový převod 1
Na stejné hřídeli je umístěno řetězové kolo 3. To je přes řetěz spojeno s kolem 5 na další
hřídeli (viz. obr. 9).
Obr. 9 Řetězový převod 2
12
Posledním spojením je převod mezi kolem 6 a kolem 5 na hřídeli 7 (viz. obr. 10). Na
hřídeli 7 je už samotná páka pro ruční pohon.
Obr. 10 Řetězový převod 3
3.2.4.1 Výpočet kol a hřídelů
Převodové poměry:
Obr. 11 Silové účinky
13
Síla na zvedání:
Vychází se z převodových poměrů a jednotlivých kroutících momentů. Předpokládá se
síla 10 kN. Ta přes volně uložené kolo působí na navíjecí kolo. To má průměr 0,4 m.
Kroutící moment je tedy Mk6 = 4000 Nm. Mezi hřídeli kolem 3 a kolem 5 je převodový
poměr i1 = 6,15. Z toho Mk5 = 650 Nm. A nakonec mezi kolem 6 a kolem 5 je
převodový poměr 4,46, kroutící moment je kole 7 je tedy 146 Nm.
Hřídel 7 je zároveň i páka o délce 0,4 m. Ze vzorce M = F. a, kde F je síla v [N] a a je
délka v [m]ramena, vyjádříme potřebnou sílu na zvednutí zásobníku. Tato síla je 365 N. To je
síla člověkem vyvinutelná.
Kontrola hřídelů a návrh per:
Při navrhování hřídelů se postupovalo opačným způsobem, než je běžný. Nejdříve se
hřídele sestrojily a až pak se zkontrolovaly, zda vyhovují. Zároveň se navrhlo i pero, které
přenese moment na hřídeli a náboji. Tato pera jsou v souladu s normou ČSN 02 2507.
Hridel 4 - mat. 11 600
d4 60 mm
Krut - nekontroluje se, řetězové kolo je na hřídeli volně uloženo
Ohyb
do 160 MPa Dovolené napětí v ohybu
F 10000 N Ohybová síla
14
l4 300 mm Délka ramene
Mo4 Fl4
2 Ohybový moment
Mo4 1.5 106
Nmm
Wo4
d43
32
Wo4 2.121 104
4
Mo4
Wo4
4 70.736 MPa
VYHOVUJE
Hridel 5 - mat. 11 600
Pero
Pro průměr 50 mm
pd 100 MPa
šířka pera
b5 16 mm
h5 10 mm výška pera
Lp5
4 Mk5
pd d5 h5
Lp5 55.28 mm
Délku pera volím 60 mm
15
d5 50 mm
t5 6.2 mm Hloubka drážky pera v hřídeli
Krut
dk 75
Mk5 691000 Nmm
Wk5
d5 t5 3
16
Wk5 1.65 104
4
Mk5
Wk5
MPa 4 41.882
Vyhovuje
Ohyb - je zde zanedbatelný, nepočítá se
Hridel 6 - mat. 11 600
Pero
Pro průměr 50 mm
pd 100 MPa
šířka pera b6 22 mm
h6 14 mm výška pera
Lp5
4 Mk6
pd d6 h6
Lp5 142.857 mm
Délku pera volím 150 mm
16
Ohyb
do 160 MPa
F6 10000 N
Mo6 F6
l6
2
Mo6 2.15 106
Nmm
Wo6
d6 t6 3
32
Wo6 3.589 104
6
Mo6
Wo6
4 70.736 MPa
VYHOVUJE
Krut
d6 80 mm
l6 430 mm
Hloubka drážky pera v hřídeli t6 8.5 mm
dk 75
Mk6 4000000 Nmm
Wk6
d6 t6 3
16
Wk6 7.177 104
6
Mk6
Wk6
6 55.733 MPa
Vyhovuje
17
Kombinace Krut + ohyb
3 Konstanta pro HMH podmínku pevnosti
pt 600 MPa
red61
Wo6
Mo62
2Mk6
2
red6 113.614 MPa
Vyhovuje
Hridel 7 - mat. 11 600
Pero
Pro průměr 50 mm
pd 100 MPa
b7 16 mm
h7 10 mm
Lp5
4 Mk7
pd d7 h7
Lp5 12.16
Délku pera volím 63 mm
18
Wk7
d7 t7 3
16
Wk7 1.65 104
m3
7
Mk7
Wk7
7 9.213 MPa
Vyhovuje
Ohyb - zanedbatelný
Krut
d7 50 mm
l7 40 mm
dk 75
t7 6.2
Mk7 152000 Nmm
19
Čepy:
Obr. 12 Uložení čepů 1
Čep 1 - materiál 11 600
Kontrola na střih
dc1 60 mm
ds 35 MPa
Fs1 5000 N Střižná síla .. předimenzováno
Sc1
dc12
4
Sc1 2.827 103
mm2
c1
Fs1
Sc1
c1 1.768 MPa
Vyhovuje
20
Čep 2 - materiál 11 600
dc3 40 mm
ds 35 MPa
Fs3 22000 N Střižná síla .. předimenzováno
Sc3
dc32
4
Sc3 1.257 103
mm2
c3
Fs3
Sc3
c3 17.507 MPa
Vyhovuje
Čep 3 - materiál 11 600
dc2 25 mm
ds 35 MPa
Fs2 5000 N Střižná síla .. předimenzováno
Sc2
dc22
4
Sc2 490.874 mm2
c2
Fs2
Sc2
c2 10.186 MPa
21
Obr. 13 Uložení čepů 2
3.2.5 Ostatní prvky
Náboje na hřídelích jsou jištěny pojistnými kroužky dle ČSN 02 2930:86.
Disk kola je přidělán pomocí šroubů dle DIN EN ISO 4015.
Hřídele jsou pojištěny proti axiálnímu posuvu závlačkami dle JIS B 1351.
22
4. Závěr
Na základě vstupních podmínek byl zkonstruován krmný valník. Tento valník je
z převážné většiny z oceli (kromě zásobníku).
Rám dle FEM analýzy pevnostně vyhovuje, stejně tak hřídele na základě kontroly
výpočtem.
Do budoucna je potřeba vyřešit krokování při zvedání zásobníku. Znamená to umístit na
poslední řetězové kolo nějaký krokovač, tedy pacičku, která by zajišťovala kolo při každém
pootočení. Zároveň ale aby se dala uvolnit při spouštění zásobbíku.
Dále je možné na tento valník zkonstruovat další moduly. Místo zásobníku by se na
tomto valníku dalo převážet další věci díky zubovému provedení na rámu.
Z hlediska modelování je potřeba dopracovat model funkčního řetězu tak, aby se navíjel
na navíjecí kolo. To se ukázalo jako největší problém při modelování.
Použitá literatura:
1. Doc. Ing. Ladislav Zachariáš, CSc., Části strojů, ISBN 80-213-1342-0, 2005
2. Doc. Ing. Ladislav Zachariáš, CSc., Části strojů - Přílohy
Ing. Pavel Vavra a kol., Strojnické tabulky, Praha 1984
23
Seznam obrázků
Obr. 1 Valník .............................................................................................................................. 3
Obr. 2 Podvozek ......................................................................................................................... 5
Obr. 3 Závěsné oko .................................................................................................................... 5
Obr. 4 Sestava kola ..................................................................................................................... 6
Obr. 5 Vstupní podmínky pro analýzu pevnosti podvozku ........................................................ 7
Obr. 6 Podvozek – napětí Von Misses ....................................................................................... 8
Obr. 7 Podvozek – hodnoty posuvu ........................................................................................... 8
Obr. 8 Řetězový převod 1 ........................................................................................................ 11
Obr. 9 Řetězový převod 2 ........................................................................................................ 11
Obr. 10 Řetězový převod 3 ...................................................................................................... 12
Obr. 11 Silové účinky ............................................................................................................... 12
Obr. 12 Uložení čepů 1 ............................................................................................................ 19
Obr. 13 Uložení čepů 2 ............................................................................................................ 21