Návrh krmného závěsného valníku

Transkript

1 Česká zemědělská univerzita Technická fakulta Návrh krmného závěsného valníku Semestrální práce Konstruování s podporou počítačů I

2 1. Úvod Krmný valník Popis Základní požadavky Metodika práce Postup Vstupní podmínky Postup konstrukce jednotlivých komponent Podvozek Pákový mechanismus Zásobník Řetězové převody Výpočet kol a hřídelů Ostatní prvky Závěr Použitá literatura: Seznam obrázků

3 Bohumil Pechr 2011/ 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 m 3. Výsypné zařízení umožnuje jednoduše vyprázdnit zásobník bez použití lopaty. Toho je dosaženo pomocí rotačního závěsu a vysunovacího žlabu, který je součástí závěsu. 2

4 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. 3

5 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 h v = 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 Podvozek Podvozek je vyroben z oceli Je dimenzována na drsné podmínky. 4

6 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 d t = 60 mm. Výška tohoto závěsu je 40 mm. Závěsné oko (P4) bylo zkonstruováno dle těchto podmínek. Obr. 3 Závěsné oko 5

7 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. 6

8 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). 7

9 Výsledky: Von Misses napětí: Obr. 6 Podvozek napětí Von Misses Posuv: Obr. 7 Podvozek hodnoty posuvu 8

10 Je patrné, že hodnoty napětí a posuvu nejsou veliké, konstrukce z pevnostního hlediska vyhovuje 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 ) 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 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 m 3, což při hustotě pšenice 750 kg.m -3 dává hmotnost cca 500 kg. Na tuto hmotnost jsou dimenzovány všechny hřídele, čepy a řetězový převod. 9

11 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 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). 10

12 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 11

13 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 Výpočet kol a hřídelů Převodové poměry: Obr. 11 Silové účinky 12

14 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 M k6 = 4000 Nm. Mezi hřídeli kolem 3 a kolem 5 je převodový poměr i 1 = 6,15. Z toho M k5 = 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 Hridel 4 - mat d 4 60 mm Krut - nekontroluje se, řetězové kolo je na hřídeli volně uloženo Ohyb do 160 MPa Dovolené napětí v ohybu F N Ohybová síla 13

15 l mm Délka ramene l 4 M o4 F Ohybový moment 2 M o Nmm 3 d 4 W o4 32 W o M o4 W o MPa VYHOVUJE Hridel 5 - mat Pero Pro průměr 50 mm p d 100 MPa b 5 16 mm šířka pera h 5 10 mm výška pera L p5 4 M k5 p d d 5 h 5 L p mm Délku pera volím 60 mm 14

16 d 5 50 mm t mm Hloubka drážky pera v hřídeli Krut dk 75 M k Nmm 3 d 5 t 5 W k5 16 W k M k5 W k MPa Vyhovuje Ohyb - je zde zanedbatelný, nepočítá se Hridel 6 - mat Pero Pro průměr 50 mm p d 100 MPa b 6 22 mm šířka pera h 6 14 mm výška pera L p5 4 M k6 p d d 6 h 6 L p mm Délku pera volím 150 mm 15

17 Ohyb do 160 MPa F N l 6 M o6 F 6 2 M o Nmm 3 d 6 t 6 W o6 32 W o M o6 W o MPa VYHOVUJE Krut d 6 80 mm l mm t mm dk 75 M k Nmm Hloubka drážky pera v hřídeli 3 d 6 t 6 W k6 16 W k M k6 W k MPa Vyhovuje 16

18 Kombinace Krut + ohyb 3 Konstanta pro HMH podmínku pevnosti pt 600 MPa red6 M W o6 o6 2 M k6 red MPa Vyhovuje Hridel 7 - mat Pero Pro průměr 50 mm p d 100 MPa b 7 16 mm h 7 10 mm L p5 4 M k7 p d d 7 h 7 L p Délku pera volím 63 mm 17

19 Krut d 7 50 mm l 7 40 mm dk 75 t M k Nmm 3 d 7 t 7 W k7 16 W k m 3 7 M k7 W k MPa Vyhovuje Ohyb - zanedbatelný 18

20 Čepy: Obr. 12 Uložení čepů 1 Čep 1 - materiál Kontrola na střih d c1 60 mm ds 35 MPa F s N Střižná síla.. předimenzováno 2 d c1 S c1 4 S c mm 2 c1 F s1 S c1 c MPa Vyhovuje 19

21 Čep 2 - materiál d c3 40 mm ds 35 MPa F s N Střižná síla.. předimenzováno 2 d c3 S c3 4 S c mm 2 c3 F s3 S c3 c MPa Vyhovuje Čep 3 - materiál d c2 25 mm ds 35 MPa F s N Střižná síla.. předimenzováno 2 d c2 S c2 4 S c mm 2 c2 F s2 S c2 c MPa 20

22 Obr. 13 Uložení čepů Ostatní prvky Náboje na hřídelích jsou jištěny pojistnými kroužky dle ČSN :86. Disk kola je přidělán pomocí šroubů dle DIN EN ISO Hřídele jsou pojištěny proti axiálnímu posuvu závlačkami dle JIS B

23 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 , Doc. Ing. Ladislav Zachariáš, CSc., Části strojů - Přílohy Ing. Pavel Vavra a kol., Strojnické tabulky, Praha

24 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 Obr. 9 Řetězový převod Obr. 10 Řetězový převod Obr. 11 Silové účinky Obr. 12 Uložení čepů Obr. 13 Uložení čepů