TERMÉNYBETAKARÍTÓ GÉPEKEN ALKALMAZOTT ÉKSZÍJAK ÉLETTARTAM NÖVELÉSÉNEK EGYES KÉRDÉSEI

Átírás

1 Szent István Egyetem TERMÉNYBETAKARÍTÓ GÉPEKEN ALKALMAZOTT ÉKSZÍJAK ÉLETTARTAM NÖVELÉSÉNEK EGYES KÉRDÉSEI Doktori értekezés tézisei Kátai László Gödöllő, 2001.

2 A doktori program címe: A mezőgazdasági gépészet alapjai vezetője: Dr. Szendrő Péter egyetemi tanár a mezőgazdasági tudomány doktora Témavezető: Dr. Szendrő Péter egyetemi tanár a mezőgazdasági tudomány doktora programvezető témavezető 2

3 Tartalomjegyzék 1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK A KUTATÓMUNKA SORÁN ALKALMAZOTT ESZKÖZÖK ÉS MÓDSZEREK A vizsgálati paraméter és a faktorok meghatározása az ékszíj vizsgálatnál A vizsgálat során alkalmazott eszközök A VIZSGÁLATOK EREDMÉNYEI A szíjcsúszás vizsgálata Ékszíjhajlítgatási vizsgálat A hajlítgatási vizsgálat hőmérséklet-emelkedés függvényei Az ékszíj belső súrlódási tényezőjének meghatározása Új tudományos eredmények AZ EREDMÉNYEK HASZNOSÍTÁSA ÉS A KUTATÓMUNKA TOVÁBBVITELÉRE VONATKOZÓ ELKÉPZELÉSEK ÖSSZEFOGLALÁS SUMMARY AZ ÉRTEKEZÉS TÉMAKÖRÉVEL KAPCSOLATOS SAJÁT ÉS TÁRSSZERZŐS PUBLIKÁCIÓK

4 Fontosabb alkalmazott jelölések Jelölés Megnevezés Mértékegység A keresztmetszet [mm 2 ] d p az ékszíjtárcsa jellemző átmérője [mm] E rugalmassági modulus [N/mm 2 ] f szíjfrekvencia [1/min] F H előfeszítő erő [N] F t kerületi erő [N] h az ékszíj szelvény magassága [mm] i ismétlések száma - j a komplex szám képzetes egysége - K az ékszíj keresztmetszeti tényezője [mm 3 ] P teljesítmény [W] R az ékszíjtárcsa sugara [mm] s csúszás [%] t idő [s], [üó] T hőmérséklet [ o C], [K] T k környezeti hőmérséklet [ o C], [K] v szíjsebesség [m/s] α felületi hőátadási tényező [J/m 2 K] δ a semleges szál távolsága [mm] ε fajlagos nyúlás [%] ε' horonyhatással növelt feszültségi - viszony φ q időegység alatti felületi hőátadás [J/s] η az ékszíj belső súrlódási tényezője - ϕ az ékszíjkeresztmetszet hajlítás során [rad] bekövetkező szögelfordulása ϕ i a ϕ(t) függvény Fourier együtthatói [rad] µ súrlódási tényező - µ' horonyhatással növelt súrlódási - tényező ρ az ékszíj sűrűsége [kg/m 3 ] súrlódási félkúpszög [ o ] σ mechanikai feszültség [N/mm 2 ] ω körfrekvencia [1/s] 4

5 1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK A mezőgazdasági gépeken igen széles körben alkalmazzák az ékszíjhajtást. Viszonylag bonyolult hajtáselrendezések is megvalósíthatók, nagy tengelytávolságokat is át lehet hidalni és a hajtás kialakítása különösebb szerkezeti elemeket nem igényel. A teljesítmény-átvitel erőzáráson alapszik, ami néhány előnyös, de ugyanakkor bizonyos hátrányos tulajdonságot is okoz. Az erőzárás lényegéből fakad, hogy a teljesítmény-átvitelt a súrlódó erő eredményezi. Mivel hajtóelem rugalmas anyagokból épül fel, a hajtás rugalmas lesz, kisebb terhelési csúcsok alakulhatnak ki, túlterhelés esetén megcsúszással védi a hajtott oldalt. A mezőgazdasági gépeken történő alkalmazás esetén erre igen sok esetben szükség is van. Az erőzárás ugyanakkor azt eredményezi, hogy a szlip miatt az áttétel, tehát a hajtott berendezés fordulatszáma bizonyos határok között ingadozhat, így csak olyan helyen alkalmazható, ahol ez hátrányt nem jelent. Az alkalmazás helyétől függően eltérőek az ékszíjak érő környezeti hatások, és a kívánt élettartammal szemben is más-más követelményt támasztanak (1. táblázat). 1. táblázat: Az alkalmazási területtől függő ékszíj élettartam elvárások Ipari alkalmazás h Háztartási gépek h Mezőgazdasági gépek h Kertészeti gépek h Járművek h Ahhoz, hogy az előzőekben említett előnyös tulajdonságokat az ékszíjhajtás biztosítsa, a gyártás, tervezés és üzemeltetés során megfelelő követelményeket kell teljesíteni. Rendkívül fontos a szíjak gyártás utáni ellenőrzése, vizsgálata, hiszen így lehet megállapítani, hogy az adott szíj minősége megfelelő-e, milyen körülmények között alkalmazható és mennyi a várható élettartama. Továbbá ezek a vizsgálatok adnak alapot a gyártás és gyártmányfejlesztéshez is. Mindezek alapján értekezésemben az ékszíjhajtások vizsgálatával kapcsolatban eddig végzett kutató tevékenységem összegzéseként az alábbi részterületek tanulmányozására vonatkozó célkitűzések fogalmazhatók meg: 5

6 az ékszíjhajtások működésével, vizsgálati módszereivel és az élettartamot befolyásoló tényezők hatásával kapcsolatos elméleti alapok tisztázása és ezek alapján mérési módszer és eljárás kidolgozása az élettartam vizsgálatokhoz; az ékszíjhajtásoknál alkalmazott különböző szíjkeresztmetszetek és keresztmetszet konstrukciók esetén, a terhelés, a csúszási és hőmérsékleti jellemzők közötti kapcsolat kísérleti úton történő meghatározása, a kapcsolatot leíró matematikai modell kidolgozása; egy új vizsgálati módszer kidolgozása, valamint vizsgálóberendezés tervezése az ékszíjban a hajlításból származó hiszterézis veszteség által okozott hőterhelés meghatározására; laboratóriumi vizsgálatokkal az ékszíj belső disszipációját jellemző csillapítóképességének a meghatározása, valamint az egyes hajtásjellemzők hőfejlődésre gyakorolt hatásának elemzése. A dolgozat az előbbiekben megfogalmazott célkitűzésekhez kapcsolódó - a Szent István Egyetem (korábban Gödöllői Agrártudományi Egyetem) Géptani Intézetében folytatott - kutatómunka eredményeinek összegzése. A doktori értekezésben megfogalmazott eredmények alapjául szolgáló kutatómunkám során Dr.Szendrő Péter témavezető professzorom, valamint a Géptani Intézetben, illetve a Gépészmérnöki Kar más tanszékein dolgozó kollégák és felkért opponenseim szakmai segítsége, tudományos elkötelezettsége, bíztatása és folyamatos kritikája, értékelése nélkülözhetetlen volt. Külön köszönetet szeretnék mondani azért a lehetőségért, hogy kutatómunkám egy részét Németországban a Claas KgaA, a Gates Co. vállalatoknál folytathattam, valamint azért, hogy az Arntz Optibelt KgaA kutató laboratóriumában saját vizsgálatokat is végezhettem. Meggyőződésem, hogy témavezető professzorom, valamint kollégáim személyes közreműködése, szakmai tapasztalatuk, valamint a különböző tudományos fórumokon és vitákon kifejtett hasznos tanácsaik nélkül ez az értekezés nem készülhetett volna el. Ezért valamennyiüknek köszönettel tartozom. Bízom benne, hogy a későbbiekben is megtisztelnek bizalmukkal és további közös kutatásaink során alkalmam nyílik majd támogató munkájuk viszonzására. 6

7 2. A KUTATÓMUNKA SORÁN ALKALMAZOTT ESZKÖZÖK ÉS MÓDSZEREK Az ékszíjhajtások vizsgálatára, az irodalmi elemzések tapasztalatai alapján dinamikus vizsgálati eljárást alkalmaztam, azaz olyan próbapadon végeztem a kísérleteket, amely lehetőséget ad a terhelés, előfeszítés, valamint a vizsgált ékszíjkeresztmetszet változtatására. A vizsgálatok során arra kerestem a választ, hogy a hajtásban a különböző terhelések hatására bekövetkező csúszás milyen módon növeli az ékszíj hőmérsékletét, valamint, hogy a hőmérséklet emelkedés vizsgálatával megállapítható-e üzemi állapotnak még elfogadható csúszáshatár. Az élettartamot befolyásoló tényezők szakirodalmi elemzése alapján megállapítást nyert, hogy az ékszíj hőmérsékletének növekedésével a várható élettartam csökken. A vizsgálatokat Németországban az Arntz Optibelt KG ékszíjgyártó cég kísérleti laboratóriumában végeztem. A vizsgálatokba "A" 13-as keresztmetszetű, valamint "B" 17-es keresztmetszetű ékszíjakat vontam be poliészter illetve aramid kordszálas kivitelben. Aramid kordszállal csak a "B" szelvényű szíjakat vizsgáltam, mert a gyártó cégnél alacsonyabb méretkategóriában ezt a kordszálat nem alkalmazzák. A vizsgálatok során a terhelés fokozatos növelésével növekvő szlip értékeket állítottam be. Egy-egy adott értéken 5 percig járattam az ékszíjat, és mértem a hőmérsékletet. Ez a futtatási idő a vizsgálatok szerint elegendő volt ahhoz, hogy a hőmérséklet állandósuljon. A kísérleti terv elkészítésére, az eredmények feldolgozására, kiértékelésére, valamint a matematikai modell kidolgozására a Box Wilson kísérlettervezési módszert (faktoros terv) alkalmaztam, az alábbiakban ismertetetteknek megfelelően A vizsgálati paraméter és a faktorok meghatározása az ékszíj vizsgálatnál Az ékszíjak élettartamát igen sok tényező befolyásolja, ezek közül az egyik jelentős, a hőmérséklet. Ennek azért is van kiemelt szerepe, mert értékét nagyban befolyásolják az adott hajtás beállítási paraméterei, azaz egy jól megtervezett hajtásnál is jelentős hőmérséklet-emelkedés tapasztalható, helytelen szerelés, vagy 7

8 üzemeltetés miatt. Éppen ezért a vizsgálatoknál a kísérleti paraméternek a hőmérsékletet tekintem t := y. A hőmérséklet értékét a következő faktorok befolyásolják: szlip [s]; ékszíj magasság, tárcsaátmérő viszony [h/d]; szíjfrekvencia [f]; előfeszítő erő [F H ]; terhelés [M]; az ékszíj és a tárcsa érintkezési felületének nagysága; az ékszíj típusa, belső szerkezete. A vizsgálat célkitűzése annak megállapítása, hogy a csúszási viszonyok hogyan befolyásolják a szíj melegedését, ezen keresztül pedig az élettartamot. Ennek alapján ajánlás tehető, hogy milyen szlip érték mellett üzemelhet egy adott hajtás és milyen érték az, ami az élettartamot jelentősen csökkenti. Az előfeszítő erő a hajtás beállítás fontos paramétere. A hajtás működése szempontjából fontos annak megállapítása, hogy az előfeszítő erő változása hogyan hat a szíj hőmérsékletére. A vizsgálat során, a szlip okozta hőmérséklet-emelkedés tekinthető mértékadó információnak. Ez az a jellemző, amely általános következtetések levonását teszi lehetővé, több hajtáskialakításra is kiterjeszthető. Amennyiben nem a hőmérséklet abszolút értékét, hanem a hőmérséklet-emelkedést vizsgáljuk, több faktor hatásától eltekinthetünk. Egy-egy hajtás esetén értelmezhetünk egy ún. alaphőmérsékletet (T o ), amely megközelítőleg 0%-os szlip mellett adott környezeti hőmérsékletnél és konstrukciós kialakításnál (állandó szíjfrekvencia) a hajtást jellemzi. Ehhez viszonyítva vizsgálhatjuk a hőmérséklet-változást ( T=T-T o ). Mindezen szempontok figyelembevételével a hőmérséklet-változást ( T) nem befolyásolja: az ékszíj magasság tárcsaátmérő viszony; a szíjfrekvencia (a vizsgálatokat állandó szíjfrekvencia mellett végeztem); az érintkezési felület nagysága; a terhelés változása a szlip változását okozza, így ennek hatása áttételesen érvényesül. A fentebb említetteknek megfelelően a következő faktorok hatását vizsgálom: szíjcsúszás (szlip), amelyet a terhelés változtatásával lehet befolyásolni; s := x 1 előfeszítő erő, a feszítő csavarorsóval különböző értékeket lehet beállítani; F H := x 2 y=f(x 1, x 2 ). 8

9 Ékszíj hajlítgatási vizsgálat Doktori értekezés tézisei Az ékszíjak élettartamát jelentősen meghatározza az üzemi körülmények között beálló hőmérséklet. A szíjban keletkező hőmérséklet egyik fontos összetevője a szíjnak a tárcsára történő hajlításakor keletkező hiszterézis veszteség miatti hőmérséklet-emelkedés. Ennek a komponensnek a mérésére egy vizsgálóberendezést készítettem, amely kiviteli formájánál fogva - a tárcsában sugárirányban elhelyezett csavarral - alkalmas az ékszíjnak a tárcsához történő hozzárögzítéséhez. Ez a módszer lehetővé teszi a csúszás kiküszöbölését és a vizsgált ékszíjdarabon a tárcsába hajlítás hatására keletkező hőterhelés mérését. Ezzel a vizsgálattal a három fontos tényező hatását - előfeszítés, tárcsaátmérő, valamint hajlítgatási frekvencia - szeretném kimutatni. Az eredmények könnyebb kiértékelése érdekében a hőmérséklet-emelkedést egy tényező változtatásával (a két másik tényező rögzítése mellett) az eredmények síkbeli ábrázolásával vizsgálom. Ezzel a módszerrel pontosan kimutatható egy adott tényező hatása, egyértelmű következtetések vonhatók le. Az alábbi válaszfüggvényeket határozom meg: t = f f frekvencia függvény; ( ) ( ) t = f tárcsaátmérő függvény; d p ( ) t = f F H előfeszítőerő függvény. Az ékszíj viszkoelasztikus modellje és a hajlítgatási vizsgálatra meghatározott gerjesztőfüggvény segítségével az ékszíj belső veszteségi teljesítménye számítható. A vizsgálati körülményekre jellemző hőegyensúlyi állapot alapján az ékszíj belső súrlódási tényezője számítható A vizsgálat során alkalmazott eszközök A szíjcsúszás vizsgálata A korábban említetteknek megfelelően a csúszás hatására bekövetkező hőmérséklet-növekedéssel kapcsolatos vizsgálatokat az Arntz Optibelt KG ékszíjgyártó cég kutató laboratóriumában végeztem. A kísérletek céljára egy elektromos fékpaddal ellátott ékszíjvizsgáló berendezést bocsátottak a rendelkezésemre. A berendezés alkalmas volt különböző előfeszítések és terhelésértékek beállítására, a tárcsák cseréjével pedig eltérő ékszíjtípusok vizsgálatára. A vizsgált ékszíjjal egy zárt hajtásrendszer keletkezett, amelyet egy elektromos motor hajtott meg, és az elektromos fékpad a zárt hajtáslánc előfeszítését tette lehetővé. Ez az elv biztosította, hogy nagy terhelő nyomatékot is viszonylag kis hajtó teljesítménnyel elő lehetett állítani. 9

10 A vizsgálóberendezés elvi vázlatát a 1. ábra szemlélteti ábra: A csúszás vizsgálatoknál alkalmazott próbapad vázlata. A berendezés fő egységei: 1. kapcsoló és szabályozó szekrény; 2. hajtó motor; 3. vizsgált ékszíj; 4. feszítő szerkezet; 5. fékberendezés. A mérésnél csak a rendelkezésemre bocsátott eszközöket használhattam, így hajtó és hajtott oldal fordulatszámát manuális fordulatszámmérővel, a hőmérsékletet a hajtás leállítása után a szíj és a tárcsa között a felületen 0,5 C 0 pontosságú kontakthőmérővel mértem. Ékszíjhajlítgatás vizsgálata Az ékszíj hajlítgatás hatására bekövetkező hőmérséklet-emelkedést egy saját tervezésű és kivitelezésű próbapadon végeztem. A próbapad felépítése a 2. ábrán látható, és a következőkben leírtak szerint működik. A vizsgált ékszíjdarabot acélhuzal segítségével végtelenítettem. A csúszás hatásának a kiküszöbölésére az ékszíj a tárcsában rögzítésre került. A rögzítést a szíj átfúrása után egy, a tárcsában sugárirányban elhelyezett csavarral oldottam meg. A fent említetteknek megfelelően végtelenített hajtást a bovdentárcsa, billenőpont körül történő rögzítésével, csavarorsós mechanizmussal elő lehetett feszíteni. A forgattyús mechanizmus segítségével a berendezés a hajtott tengelyen alternáló mozgást állított 10

11 elő, ennek megfelelően a megfeszített ékszíjat a mozgás első periódusában a tárcsára hajlítja, majd az ellentétes irányú mozgáskor az ékszíj ismét kiegyenesedik. Ezzel a mozgással az ékszíj valóságos hajtásban bekövetkező alakváltozását lehet modellezni, és mérhető a hajlítás hatására jelentkező hőmérséklet-emelkedés. A vizsgálóberendezés több paraméter változtatását is lehetővé teszi. A hajtó motor fordulatszámát frekvencia-szabályozóval lehet állítani, így az ékszíj hajlítgatási frekvenciája változtatható. A hajtott tengely végén lévő ékszíjtárcsa egyszerű cseréjével a vizsgálatban alkalmazott tárcsaátmérő változtatására is lehetőség van. Végezetül az előzőekben említett csavarorsóval az előfeszítés, azaz az ékszíjat terhelő feszítő erő változtatható. A hőmérséklet mérésére érintkezés nélküli infravörös hőmérsékletérzékelőt használtam. Az Impac IN 3000 típusú hőmérséklet-érzékelő o C-os mérési tartományban használható, 0,1 o C pontossággal. A hőmérséklet-érzékelőt 20 mm távolságra állítottam a vizsgált ékszíjtól, ami azt jelentette, hogy 9 mm átmérőjű felületet, azaz csak az ékszíj felületét érzékelte. 11

12 ábra: Az ékszíjhajlítgatást vizsgáló berendezés vázlata A vázlatnak megfelelően, a berendezés az alábbi elemekből áll: 1. hajtómotor; 2. forgattyús mechanizmus hajtó tárcsája; 3. forgattyús mechanizmus hajtott tárcsája; 4. ékszíjtárcsa; 5. hajtórúd; 6. vizsgált ékszíj; 7. feszítő orsó; 8. erőmérő cella; 9. bovden tárcsa; 10. csapágyazott hajtott tengely; 11. hőmérsékletérzékelő. A mérési eredmények rögzítését és feldolgozását egy Apple Macintosh számítógép és a hozzá csatolt DMC 9012A mérőerősítő segítségével végeztem. Az említett 12

13 konfigurációhoz a BEAM 3.1 mérőprogramot használtam, amely lehetővé tette az adatok rögzítését, valósidejű követését és a kívánt értékek listázását is. A fentiek szerint egy háromtényezős kísérleti beállítást terveztem, amely vizsgálattal az értekezés bevezetőjében megfogalmazott célkitűzéseknek megfelelően arra kerestem a választ, hogy a hajlítgatási frekvencia, az előfeszítés és a tárcsaátmérő hogyan befolyásolják az ékszíjban kialakuló hőmérsékletet. A viszkoelasztikus modellként kezelt ékszíj hajlítgatási vizsgálatával meghatározható a belső súrlódási tényező. Ezek a paraméterek már a hajtás tervezés fázisában rendelkezésre állnak, így hatásukat már ekkor figyelembe lehet venni. A vizsgáló berendezés és módszer továbbá alkalmas az egyes gyártmányfejlesztések értékelésére is, segítségével meghatározható az egyes ékszíjkeresztmetszet konstrukciók hajlítgatással szembeni viselkedése. 13

14 3. A VIZSGÁLATOK EREDMÉNYEI 3.1. A szíjcsúszás vizsgálata A szíjcsúszással kapcsolatos vizsgálatokat kétféle ékszíjkeresztmetszet - "A" illetve "B" szelvény - valamint kétféle kordszál típusra végeztem el. A korszál anyagok poliészter és aramid voltak. Aramid kordszálas ékszíj a gyártónál "A" szelvény esetén nem állt rendelkezésre, így csak "B" szelvényű szíjakat tudtam az említett kordszállal is vizsgálni. A szakirodalomból ismeretes, hogy a feszes és a laza szíjágban jelentkező erőkülönbség miatt, a két szíjágban eltérő mértékű nyúlás keletkezik, ami a tárcsa felfekvési íve mentén kiegyenlítődve rugalmas csúszást okoz. A terhelés növelésével, ez tényleges csúszásba vált át, ami a hőmérséklet növekedését vonja maga után. Vizsgálataimban arra kerestem a választ, hogy milyen szlip határnál következik be az említett váltás. Amennyiben a teljes mérési intervallumot a rugalmas és tényleges csúszási határt jellemző részintervallumokra bontjuk, a részintervallumokban különkülön illeszthetünk függvényt. A továbbiakban azt vizsgáltam, hogy a részintervallumokban illeszthetünk-e elsőfokú függvényt, hiszen így egyszerű modellel a jelenség leírható, és az előálló törési pont, a rugalmas és tényleges csúszás határát is kijelöli. Korreláció analízissel meghatároztam az alsó és a felső intervallum határát kijelölő, a legjobb illesztésekhez tartozó, ún. csúszási határpontot. Ez a határpont poliészter kordszálas ékszíjaknál 2% körüli csúszás értékre, aramid kordszálas ékszíjaknál pedig 1% körüli értékre tehető. A vizsgált ékszíj keresztmetszet típusokra meghatároztam az alsó és a felső intervallumban a csúszás és előfeszítés által okozott hőmérséklet-emelkedés függvényt. Egy adott vizsgálati esetre jellemző függvényt mutat a 3. ábra. 14

15 3. ábra: A mérési pontok alapján illetve az illesztéssel kapott görbék összehasonlítása (17x2050 poliészter, F H =940N) 3.2. Ékszíjhajlítgatási vizsgálat A vizsgálatokat a 2. fejezetben ismertetett saját tervezésű és kivitelezésű próbapadon végeztem. A vizsgálóberendezésen ismételt hajlítgatásnak kitett ékszíjban keletkező hőmérsékletet az ébredő névleges feszültség és a hajlítás frekvenciája határozza meg: ( σ f ) T o C = f ;. A berendezésen a névleges feszültséget az előfeszítés (F H ), a tárcsaátmérő (d p ) kombinálásával lehet beállítani, azaz: ( ) σ = f F H ; d p A hajlítgatási vizsgálat hőmérséklet-emelkedés függvényei A mérések alapján meghatároztam a hőmérséklet-emelkedést a frekvencia függvényében állandó tárcsaátmérő mellett. A frekvencia függvény az alábbi formában adható meg: 15

16 T = mf + b [ o C]. A ferkvencia vizsgálati tartománya: 160 1/min f 320 1/min, (dp=const). Az együtthatók értékét az adott vizsgálati körülményre meghatároztam. A tárcsaátmérő függvény állandó szíjfrekvencia esetén az alakban írható fel: e T = c +.[ o C] d p - a hajtásban alkalmazott tárcsaátmérő ( mm), (f=const). Az adott beépítési körülményekre jellemző "c" és "e" konstansok értékét a vizsgálatok eredményei alapján meghatároztam. A 4. ábra egy előfeszítési beállításhoz tartozó tárcsaátmérő függvényt szemléltet különböző frekvencia szinteken. 2 d p 4. ábra: A hőmérséklet-emelkedés a tárcsaátmérő függvényében különböző frekvencia szinteken Az ékszíj belső súrlódási tényezőjének meghatározása A 2. fejezetben ismertetett saját tervezésű és kivitelezésű vizsgálóberendezésen (2. ábra) egy x hosszal jellemzett ékszíjszakasz hajlítását vizsgáltam. A szíjszakasz hajlítása során, az adott szakaszhoz tartozó középponti szög, azaz a hajlítás szöge az alábbiak szerint változik (5. ábra). 16

17 5. ábra: A hajlítás szögének ( ϕ) változása az idő függvényében Az így meghatározott gerjesztő függvény Fourier sorba fejtésével, valamint az ékszíj viszkoelasztikus modelljének felhasználásával a hajlítás hatására bekövetkező veszteségi teljesítmény felírható. Az adott mérési beállításra érvényes hőegyensúlyi állapotban a veszteségi teljesítmény és a felületi hőátadás egyenlő. Az egyensúlyi állapot az alábbi összefüggéssel jellemezhető: α K ker Φ = P K x 2 2 ( T T ) x = η ω i k A mérési adatok alapján a belső súrlódási tényező a fenti összefüggés segítségével meghatározható. q 1 2 i ϕ 2 i 3.3. Új tudományos eredmények 1. Az ékszíjakban a teljesítmény átvitel során bekövetkező hőmérséklet növekedés oka a csúszás, valamint a hajlítás hatására fellépő hiszterézis veszteség. Mérési módszert dolgoztam ki, állandó szíjfrekvencia mellett a csúszás és az előfeszítés változtatásával a csúszás hatására fellépő hőmérsékletemelkedés meghatározására. A vizsgálatok alapján megállapítottam, hogy a hőmérséklet-emelkedést leíró görbében a rugalmas és tényleges csúszás határán törési pont mutatható ki. Meghatároztam a rugalmas, valamint a tényleges csúszási tartományban a hőmérséklet-emelkedést leíró függvényt. 17

18 A rugalmas csúszási tartományban, állandó szíjfrekvencia esetén felírható matematikai modell az alábbi alakban adható meg: ahol: s - a csúszás [%] (0 s 2) T = a s [ o C] A tényleges csúszási tartományban a matematikai modell általános alakja: T = a + b s + c F H [ o C] ahol: s - a csúszás [%] (2 < s 4) F H - előfeszítés [N] "A" keresztmetszet esetén: (340 F H 560) "B" keresztmetszet esetén: (560 F H 940) Aramid kordszállal készült ékszíjakra a függvény az alábbi intervallumokban érvényes: s - a csúszás [%] a rugalmas csúszási tartományban: (0 s 1) a tényleges csúszási tartományban: (1 < s 4) F H - előfeszítés [N] (560 F H 940) Az adott vizsgálati körülményekre a konstansok értékét meghatároztam. Megállapítottam, hogy az előfeszítő erő együtthatója a kordszál rugalmassági tulajdonságától függ, és kevésbé merev anyag esetén (poliészter) a rugalmas csúszás tartományában nem szignifikáns. 3. Az ékszíj hajlításából származó hiszterézis veszteség miatt fellépő hőterhelés meghatározására. egy saját fejlesztésű próbapadot készítettem és mérési eljárást dolgoztam ki. A hajlítgatási frekvencia (f), az előfeszítőerő (F H ) és a tárcsaátmérő (d p ) változtatásával, vizsgáltam a hajlításnak kitett szíjdarab hőmérsékletét. Megállapítottam hogy az általam kifejlesztett berendezés és módszer alkalmas a hajlítgatás hatására bekövetkező hőmérséklet-emelkedés, valamint az ékszíj belső súrlódási tényezőjének a meghatározására. 4. Az állandó tárcsaátmérő mellett végzett szíjfrekvencia kísérletek eredményeként meghatároztam a hőmérséklet-emelkedést leíró matematikai modellt. 18

19 T = mf + b, [ o C] ahol: f - a szíjfrekvencia [1/min] (160 f 320); d p =const. (tárcsaátmérő). Az "m" és "b" konstansokat az adott üzemi viszonyokra meghatároztam. 5. Egy adott hajtáskonstrukció szempontjából igen fontos az alkalmazható legkisebb tárcsaátmérő. A hajlítgatási vizsgálatok során - állandó szíjfrekvencia mellett - meghatároztam a tárcsaátmérő hőmérsékletemelkedésre gyakorolt hatását. Az eredmények alapján az alábbi matematikai modell értelmezhető: b T = a +, [ o C] ahol: d p - a tárcsaátmérő [mm] (80 d p 200); f=const. (szíjfrekvencia). A vizsgálati intervallumban meghatároztam a modell konstans értékeit. 6. Elméleti összefüggést dolgoztam ki a az ékszíj viszkoelasztikus modellje és a vizsgálat során alkalmazott gerjesztőfüggvény segítségével a veszteségi teljesítmény számítására. A vizsgálati körülményekre jellemző hőegyensúlyi állapot alapján az ékszíj hiszterézis veszteségét jellemző belső súrlódási tényezőjét az alábbi alakban határoztam meg: 2 α K ker ( T Tk ) x η =. [Ns/m 2 ] K c ω i ( cosiπ 1) x i= 1 T 2 d p 2π i T A kidolgozott eljárás és mérési módszer alkalmas különböző ékszíj keresztmetszet konstrukciókat jellemző belső veszteségi teljesítmény meghatározására, így a gyártmányfejlesztés fontos eszköze lehet. 2 19

20 4. AZ EREDMÉNYEK HASZNOSÍTÁSA ÉS A KUTATÓMUNKA TOVÁBBVITELÉRE VONATKOZÓ ELKÉPZELÉSEK Az értekezésben összegzett kutatói munka a Szent István Egyetem (korábban a Gödöllői Agrártudományi Egyetem) Géptani Intézetében eltöltött több mint egy évtizedes tevékenységemhez kapcsolódik. Az ékszíjhajtások vizsgálatával kapcsolatos egyes eredményeimről az említett időszakban rendszeresen beszámoltam a különböző szakmai fórumokon, illetve a szaksajtóban. A mezőgépiparon belül a betakarítógépek műszaki színvonala, műszerezettsége az automatizáltság foka rendkívül sokat fejlődött. Ezen nagy értékű gépek megbízható működése igen lényeges kérdés. Mivel a betakarítógépeken nagy számban alkalmazzák az ékszíjhajtást, mint teljesítményátviteli megoldást, fontos feladatot jelent ezen hajtáselemek megbízhatóságának a növelése. A kutatómunkám során kifejlesztett vizsgálati eljárások alkalmasak annak feltárására, hogy az említett gépeken alkalmazott hajtáselemek diagnosztikai berendezésekkel figyelt működése mikor tartozik az optimális tartományba, az eltérő ékszíjkonstrukciókra külön-külön megadható ez a tartomány, ami a megfelelő kihasználást, és ugyanakkor az optimális élettartamot és megbízhatóságot is eredményezi. A meghatározó mezőgépgyártó cégek már egyedi igények támasztanak a saját gépeiken alkalmazott hajtáselemek gyártásával kapcsolatban is. A betakarítógépek megbízhatóságát az adott célfeladatra szánt hajtáselem egyedi tervezésével és - az ugyan szabványosított hajtáselem (ékszíj) - egyedi gyártásával szeretnék növelni. Az általam kidolgozott ékszíjhajlítgatási vizsgálati eljárás és berendezés, valamint az abból származó eredmények kiegészíthetik a hajtástervezés folyamatát, már a tervezési fázisban számítással közelíthető az ékszíjban várható hőmérséklet, ami az élettartam szempontjából meghatározó. Továbbá a vizsgálati eredmények felhasználhatók a gyártmányfejlesztés folyamán, az új keresztmetszet konstrukciók hajlítgatási vizsgálata fontos információt jelent. Figyelembe véve azt, hogy az ékszíjhajtások vizsgálata továbbra is az egyik fontos kutatási feladatomat fogja képezni a további munkák az alábbi kérdések megválaszolására irányulhatnak: 20

21 Az ékszíjak rugalmas tulajdonságai jelentősen meghatározzák üzemközbeni viselkedésüket. A terhelés és a deformáció kapcsolata igen fontos, hiszen ez határozza meg, hogy az adott keresztmetszet konstrukció az adott feladatra alkalmas-e, a nyúlási és zsugorodási tulajdonságai miatt. Az ékszíjnak, mint viszkoelasztikus elemnek a vizsgálatával különböző keresztmetszet konstrukciókra meghatározható a csillapítási tulajdonság, aminek ismeretében az alkalmazható szíjfrekvencia tartományra is ajánlás tehető. A hajlítgatási vizsgálatot ki lehet terjeszteni valamennyi alkalmazott ékszíj keresztmetszetre, azok összehasonlító értékelése fontos információt szolgáltat az egyes ékszíjtípusokkal kialakított hajtások tervezéséhez. Az eltérő keresztmetszet geometriák mellett igen fontos a keresztmetszet konstrukciók vizsgálata is, egyes típusokhoz a vizsgálatok segítségével egyedileg lehetne meghatározni az alkalmazható hajlítgatási frekvencia és tárcsaátmérő intervallumot. Mivel az ékszíj anyaga rossz hővezető, a felszínen mért hőmérséklet közvetetten ad információt a hőmérséklet mezőről. További vizsgálatokkal és numerikus módszerek segítségével készített hőtérkép további információt adhat a tönkremenetelt elindító hőállapotokról. További vizsgálatokkal célszerű kidolgozni, hogy adott ékszíjkeresztmetszet konstrukció illetve típus esetén hogyan hangolható össze a szíjfrekvencia és az alkalmazott tárcsaátmérő a szíj optimális kihasználása érdekében. 21

22 5. ÖSSZEFOGLALÁS Az ékszíjhajtás igen elterjedten alkalmazott hajtóelem a mezőgazdasági gépeken - ezen belül is különösen a betakarítógépeken - mivel az adott célterületen jelentkező speciális igényeket - nagy tengelytávolság, rövid idejű túlterheléssel szembeni érzéketlenség, minimális karbantartási igény stb. - megfelelően teljesíti. A hajtást széles teljesítmény és kerületi sebesség intervallumokban lehet alkalmazni. Kutatómunkám során arra kerestem a választ, hogy milyen speciális vizsgálati eljárásokkal és módszerekkel lehet az élettartamot jelentősen meghatározó hőmérsékleti viszonyokat meghatározni és a működési körülményekkel összefüggést felállító matematikai modellt kidolgozni. Ennek összefoglalásaként dolgozatomban az alábbi eredmények ismertetése vált lehetővé: A hazai és nemzetközi szabványokban a hőmérsékleti viszonyokkal kapcsolatosan nincsenek vizsgálati eljárások rögzítve. Vizsgálataim során egy olyan mérési eljárást fejlesztettem ki, amely alkalmas bizonyos üzemi tényezők függvényében az ékszíjban kialakuló hőmérséklet-emelkedés vizsgálatára. A mérések eredményeként matematikai modellt dolgoztam ki, amely megmutatja a szlip és az előfeszítés függvényében a hőmérséklet-emelkedést. Az ún. mozgó csúszási határpont módszerével lehetővé vált a hőmérséklet-emelkedés mérésével a rugalmas nyúlásból származó csúszás, és a tényleges csúszás határpontjának a meghatározása különböző ékszíjkeresztmetszet konstrukciók esetére. A hőmérsékleti viszonyok szempontjából meghatározó jelentőségű az ékszíj tárcsára történő hajlításakor jelentkező hiszterézis veszteség. Az ebből származó hőmérséklet-emelkedés mérésére egy saját tervezésű próbapadot készítettem, amely alternáló mozgást állít elő, és az ékszíj tárcsában történő rögzítésével az előzőekben említett hőmérséklet a csúszás kiküszöbölése mellett mérhető. A berendezés fontos eszköze lehet a gyártmányfejlesztésnek, hiszen az eltérő keresztmetszet konstrukciók egy újabb szempont szerint vizsgálhatók. Az ékszíjat viszkoeleasztikus modellként kezelve az adott vizsgálati körülményekre meghatároztam a veszteségi teljesítményt. A veszteségi teljesítmény és a vizsgálatok során jellemző felületi hőátadás egyensúlyából meghatároztam az ékszíj belső disszipációját jellemző belső súrlódási tényezőjét. A hajlítgatási vizsgálatok eredményeként meghatároztam a frekvencia (dp=const.) és a tárcsaátmérő (f=const.) függvényében a hőmérséklet-emelkedés matematikai modelljét. 22

23 SUMMARY V-belt drive is a widely used drive system on agricultural machines - within this mainly on harvesting equipment - because it meets properly the special requirement of this specific area, e.g.: large centre distance, insensibility to short time overload, minimal maintenance requirements. The drive system can be used in a wide power and speed interval. It is very important to control and test the V-belts after the production, because that is the way to determine the belt quality, the circumstances of operation and the estimated life- time. During the scientific research I would like to find an answer to the following questions: what kind of specific test procedure is suitable for determination of temperature conditions of V-belts, which is a determinative factor of life-time and what is the proper mathematical model to describe these conditions. As a summary in my dissertation I can outline the following results: In the national and international standards there is no description of specific test method to determine temperature conditions. During the tests I developed such kind of measurement procedure, which is suitable for examination of temperature increase in function of certain operation factors. As a result of the tests I have worked out a mathematical model, which describes the temperature increase, in function of slip. With the help of so called moving slip-border method I could determine the border point of belt creep and the real slip for various V-belt cross-section constructions. In point of view of temperature conditions the hysteresis loss, caused by bending the V-belt on the sheave is very important. To measure the temperature increase caused by the above mentioned effect I have developed a special test equipment, which creates an alternate motion. By fixing the V-belt in the sheave it is possible to eliminate the slip and to measure the temperature increase. This equipment can be an important tool of production development, because the various cross-section constructions can be tested according to a new approach. During the bending test I have determined the belt temperature in function of belt frequency and sheave diameter. I have analysed these factors separately (analysing one while fixing the others). As a result of these measurements I have worked out a mathematical model, which shows the effect of the analysed factors to the temperature increase. 23

24 AZ ÉRTEKEZÉS TÉMAKÖRÉVEL KAPCSOLATOS SAJÁT ÉS TÁRSSZERZŐS PUBLIKÁCIÓK 1. SZENDRŐ P. - KÁTAI L.: Mezőgazdasági ékszíjak igénybevételi viszonyai, és az élettartam növelésének lehetőségei. MTA-MÉM Agrár Műszaki Bizottság Tudományos tanácskozás Gödöllő, p. 2. SZENDRŐ P. - KÁTAI L.: Mezőgazdasági ékszíjak élettartam vizsgálata MTA-MÉM Agrár Műszaki Bizottság Tudományos tanácskozás Gödöllő, p. 3. KÁTAI L. et. al.: Variátor ékszíjak összehasonlító vizsgálata FM Műszaki Intézet, p. 4. KÁTAI L. et. al.: Elemekből összeállítható és hagyományos ékszíj összehasonlító vizsgálata FM Műszaki Intézet, p. 5. SZENDRŐ P. - KÁTAI L.: Mezőgazdasági ékszíjak élettartam vizsgálata Járművek, Építőipari és Mezőgazdasági Gépek 38. évf. 1991/ p. 6. KÁTAI L. - SZENDRŐ P.: Equipment design for V-belt testing. The 8 th Danubia-Adria Symposium p. 7. KÁTAI L. et. al.: A kerekeskúttól a kombájnokig. Mezőgazdasági Technika XXXIII. évfolyam szám, p. 8. KÁTAI L. - SZENDRŐ P.: Ékszíjminősítő vizsgálópad. MTA AMB Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, Gödöllő, p. 9. KÁTAI L.: Ékszíjak vizsgálata MTA AMB Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, Gödöllő,

25 10. KÁTAI L.: Az ékszíjak rugalmas tulajdonságainak vizsgálata MTA AMB Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, Gödöllő, KÁTAI L.: Ispitivanje vijeka trajanja klinastog remenja koje se koristi u poljoprivredi Aktualni Zadaci Mehanizacije Poljoprivrede Proceedings p. Opatija, Grand Hotel Adriatic, február KÁTAI L.: Ékszíjak dinamikai és élettartam vizsgálata próbapadon MTA AMB Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, Gödöllő, SZENDRŐ P. - KÁTAI L.: The Questions of Turn of Millennium in Creative Engineering Education. ASEE Annual Conference, Proceedings 3260/4 Milwaukee, Wisconsin USA, KÁTAI L.: Összehasonlító ékszíjvizsgálatok az alkalmazott teherviselő elem alapján, Mezőgazdasági Technika, 39. évf sz. p KÁTAI L.: Összehasonlító ékszíjvizsgálatok az alkalmazott teherviselő elem alapján XXVII. Óvári Tudományos Napok, Agrárműszaki szekció, VI. kötet p. Mosonmagyaróvár, szeptember KÁTAI L.: Rugalmas hajtások tervezése. In: SZENDRŐ et.al.: Elemi tervezéstan. Egyetemi jegyzet, Gödöllő, p. 17. KÁTAI L.: Ékszíjhajtások. In: NAGY J. et.al.: GÉPSZERK21 Multimédiás oktatócsomag és CD. GENIUS Szövetkezet, Gödöllő, KÁTAI L.: A hajlítás hatására fellépő hőterhelés vizsgálata ékszíjhajtások esetén, MTA AMB Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, Gödöllő,