Modifica del design della scatola del cambio della mietitrice di mais per una migliore durata a fatica

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 15576 (2022) Citare questo articolo

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Il cambio ha il vantaggio di poter modificare la coppia e la velocità di rotazione in base al rapporto di trasmissione e ha un'elevata efficienza di trasmissione della potenza trasmettendo la potenza attraverso il contatto della coppia di ingranaggi. Quando si valuta la resistenza e la durata a fatica di un riduttore utilizzando un carico di progetto o un carico equivalente, esiste la possibilità che i risultati siano molto diversi da quelli effettivi. Pertanto, in questo studio, la distribuzione della durata del carico (LDD) costruita in base al carico di lavoro effettivo è stata utilizzata per valutare in modo affidabile la resistenza e la durata a fatica del cambio. Come risultato della valutazione della resistenza e della durata a fatica del cambio utilizzando LDD, è stato confermato che il cambio esistente non soddisfaceva la durata prevista nell'ambiente operativo. Pertanto, sono state analizzate le ragioni di questi risultati e la modifica del progetto è stata eseguita sulla base dei risultati analizzati. Come risultato della modifica progettuale, la deflessione dell'albero è diminuita riorganizzando i cuscinetti, da un tipo a sbalzo a un tipo a cavalcioni, migliorando così la durata a fatica di ingranaggi e cuscinetti. Infine, la distribuzione del carico che agisce sulla superficie dei denti degli ingranaggi è stata migliorata attraverso la modifica della microgeometria degli ingranaggi.

Un ingranaggio è un elemento della macchina nella trasmissione di potenza ampiamente utilizzato in vari campi1. Un cambio è un sistema di trasmissione di potenza costituito da ingranaggi, alberi, cuscinetti e alloggiamenti; e la potenza assorbita dall'albero viene trasmessa all'ingranaggio condotto (qui, ingranaggio) attraverso l'ingranaggio conduttore (qui, pignone). Inoltre, quando la potenza viene trasmessa utilizzando una coppia di ingranaggi, poiché il rapporto di trasmissione modifica la velocità di rotazione e la coppia, sorge il vantaggio di controllare la velocità di rotazione e la coppia modificando il rapporto di trasmissione. Le prestazioni di un cambio possono essere valutate in base a parametri quali la durata a fatica, il rumore, le vibrazioni e l'efficienza della trasmissione di potenza. Nel caso della vita a fatica, poiché determina se il cambio funziona o meno, è necessario prevedere e valutare in modo affidabile la vita del cambio2.

Per prevedere e valutare in modo affidabile le prestazioni del cambio, è necessario definire con precisione il carico che agisce sul cambio. L'entità del carico che agisce sul cambio, la durata sotto carico e l'intervallo di fluttuazione del carico sono determinati in base allo scopo e all'ambiente di utilizzo del cambio. Tuttavia, è difficile definire numericamente il carico che agisce sul riduttore. Pertanto, molti ricercatori hanno utilizzato la teoria del danno da fatica cumulativo basata sulla regola di Palmgren-Miner e hanno previsto e valutato le prestazioni del cambio in condizioni di carico equivalenti utilizzando il concetto di medie3,4. Sebbene l'utilizzo del carico equivalente nella valutazione delle prestazioni del riduttore possa ridurre il tempo di calcolo, c'è lo svantaggio di non poter considerare l'effetto della fluttuazione del carico e del carico di picco che agisce sul riduttore. Inoltre, l'esponente del danno a fatica utilizzato per ricavare il carico equivalente è un valore che varia a seconda della modalità di guasto di ciascun elemento costituente il riduttore. In fase di progettazione, l'esponente del danno da fatica non può essere determinato con precisione perché le principali modalità di guasto del cambio non sono disponibili in anticipo5,6,7.

Dong et al.8 hanno condotto uno studio sull'effetto della fluttuazione della velocità del vento sulla fatica da contatto degli ingranaggi di un riduttore di una turbina eolica. La fatica da contatto degli ingranaggi è stata analizzata utilizzando un totale di 11 diverse velocità del vento, disponibili in letteratura, per implementare le fluttuazioni della velocità del vento. Tuttavia, poiché questa analisi non rifletteva l’ambiente pratico in cui viene effettivamente utilizzato il riduttore della turbina eolica, c’era un limite all’affidabilità dei risultati dell’analisi. Patel e Joshi9 hanno eseguito un'analisi di progettazione e fatica del supporto del cambio e hanno confermato che la sua durata a fatica cambiava a seconda del materiale e della forma. Tuttavia, l’analisi soffriva delle stesse limitazioni dello studio precedente, oltre all’ulteriore limitazione di essere eseguita in una sola condizione di carico. Du et al.10 hanno condotto uno studio per prevedere la durata a fatica del cambio di un veicolo cingolato utilizzando un test di simulazione di corsa. È stato simulato l'ambiente in cui funzionava il cambio e, utilizzando i risultati della simulazione, è stato ricavato il carico agente sul cambio. Inoltre, la durata a fatica del riduttore è stata valutata utilizzando il carico derivato. Tuttavia, poiché il carico derivato non è stato convalidato, esisteva un limite all’affidabilità dei risultati della simulazione. Kim et al.11 hanno costruito un modello di simulazione della trasmissione di un trattore utilizzando un software commerciale e hanno sviluppato un modello in grado di valutare la durata a fatica degli ingranaggi conici a spirale. Inoltre, è stato misurato il carico generato nell'ambiente operativo ed è stata prevista la durata a fatica dell'ingranaggio a spirale costruendo uno spettro di carico basato sui dati misurati. Il metodo della distribuzione della durata del carico (LDD) è stato concepito per prevedere le prestazioni degli ingranaggi e dei cuscinetti12; questo studio ha previsto in modo errato le loro prestazioni con lo spettro di carico utilizzando l'algoritmo di conteggio del flusso di pioggia. Allo stesso modo, nella maggior parte degli studi condotti in vari campi per prevedere e valutare le prestazioni del cambio, la definizione dell’ambiente operativo era insufficiente. Wang et al.13 hanno condotto ricerche sulla progettazione, modellazione e analisi delle trasmissioni delle turbine eoliche offshore. È stata presentata una procedura di progettazione iterativa per ridurre al minimo il peso e il volume durante la progettazione della trasmissione di una turbina eolica e il modello è stato convalidato confrontando il modello di simulazione multicorpo progettato con il modello sviluppato in precedenza. Tuttavia, esiste una limitazione nel fatto che durante la progettazione e la convalida della trasmissione della turbina eolica è stato utilizzato il carico di progetto anziché il carico ambientale effettivo. Yoo et al.14 hanno sviluppato un modello di simulazione del riduttore della turbina eolica per confermare le prestazioni del set di ingranaggi planetari a cui è stato applicato il perno flessibile. La simulazione è stata eseguita utilizzando software commerciale. Come risultato dello studio, è stato confermato che la condivisione del carico e la distribuzione del carico tra gli ingranaggi planetari sono migliorate quando sono stati applicati perni flessibili al set di ingranaggi planetari. Tuttavia, vi è una limitazione nel fatto che per eseguire le prestazioni del gruppo di ingranaggi planetari si è presupposto l'ambiente in cui viene utilizzato il riduttore della turbina eolica.