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).


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.


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


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


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


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


Pero

Pro průměr 50 mm

pd 100 MPa

b7 16 mm

h7 10 mm

Lp5

4 Mk7

pd d7 h7

Lp5 12.16


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


dc3 40 mm

ds 35 MPa


Sc3

dc32

4

Sc3 1.257 103

mm2

c3

Fs3

Sc3

c3 17.507 MPa

Vyhovuje


dc2 25 mm

ds 35 MPa


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

Česká zemědělská univerzita Technická fakulta

Documents

Transcript of Česká zemědělská univerzita Technická fakulta