Синтез асинфазных многопоточных зубчатых передач для ресурсосберегающих силовых приводов машин

Актуальность работы. Инновационный план развития российской экономики, разработанный Правительством Российской Федерации, предусматривает ускоренное перевооружение отечественного машиностроения, модернизацию производства, импортозамещение и создание современных высококонкурентных российских машин мирового уровня (и выше).

Образ машины нового поколения во многом определяется типом, техническим уровнем и конструктивным совершенством её привода. Высоко-моментный редукторный электропривод был и остаётся важнейшим элементом энерговооружённых машин. Определяющая роль в создании электроприводов нового технического уровня принадлежит прикладной науке — машиноведению. Однако кризисные явления последних 20-ти лет затормозили её перманентное развитие. На основе действующей, хоть и фундаментальной методологии проектирования и производства уже трудно создавать современные технические решения на приводы и машины в целом.

Проблема создания новой методологии и инструментария проектирования энергонасыщенных, и в то же время ресурсои энергосберегающих приводов особенно остро стоит сейчас, при вступлении России в ВТО, в условиях жёсткой конкуренции с зарубежной машиностроительной продукцией как на внутреннем, так и на мировом рынках.

Существующие типы силовых трансмиссий на основе многозвенных рядовых и планетарных трёхсателлитных синфазных зубчатых механизмов практически исчерпали потенциал улучшения габаритно-массовых параметров. Поэтому совершенствование концепции многопоточного подвода механической энергии к технологическим машинам различного отраслевого назначения, создание на её основе методов структурного образования многопоточных передач и новых технических решений на их конструкции, включая инструментарий для проектирования, становятся приоритетными направлениями развития машиноведения как науки и машиностроения как практики производства машин во всех индустриально развитых странах, и Россия не является исключением.

Поэтому глубокое изучение особенностей и закономерностей строения и функционирования многопоточных передач, выявление отличия их от планетарных механизмов в многосателлитном исполнении чрезвычайно важны, а разработка принципиально новых перспективных высокоэффективных конструкций редукторных приводов является актуальной научно-технической проблемой большой государственной значимости.

Объектом исследования являются силовые многопоточные зубчатые трансмиссии планетарного типа в структуре редукторных приводов машин различного отраслевого назначения.

Предмет исследования — образование простейших многопоточных планетарных передач, закономерности формирования силовых потоков в них, разработка принципиально новых перспективных высокоэффективных конструкций редукторных электроприводов и методологии их проектирования.

Цель работы: повышение технического уровня, качества, конструктивного совершенства и конкурентоспособности механических приводов и машин российского производства на новых принципах многомерного синтеза многопоточных передач с многопарными асинфазными зубчатыми зацеплениями.

Идея работы состоит в том, что требуемые по прогнозу уровни производительности, энерговооружённости и конструктивного совершенства различных отраслевых машин при жёстких ограничениях на габариты и материалоёмкость обеспечиваются применением в структуре их механических систем малогабаритных многопоточных асинфазных зубчатых трансмиссий без избыточных связей при условии, что их кинематические схемы, универсальные конструкции и основные параметры удовлетворяют условиям функционирования последних.

Работа выполнялась в рамках: научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» Министерства образования РФ, подпрограмма 001 «Производственные технологии» (2000;2002 г. г., гос. per. 01.02.22 889, 01.200.113 813) — программы фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (2005;2006 г. г., № 3392р/5788) — грантов губернатора Тульской области в сфере науки и техники (2000 г., ГШ 72/Д0014, 2004 г., 65-К-9/305) — государственного контракта с администрацией Тульской области (2006;2008 г. г., 60-К-1/38) — комплексного проекта с участием российского вуза (2010;2011 г. г., 13. G25.31.0056) — НИР по заданию Министерства образования и науки РФ (2011 г. гос. per. 1 201 155 309) — госбюджетных тем (2001;2005 г. г., гос. per. 01.200.118 113 и 2006;2010 г. г., гос. per. 01.200.607 116), а также ряда хоздоговорных тем с предприятиями Тульской обл. (ОАО «Кран-УМЗ», ЗАО «Тулажелдормаш», ЗАО «Тяжпромарма-тура», ООО «Стройтехника») и др.

Методы исследования базируются на основных положениях классической теории зубчатых зацеплений и профилирования режущего инструментатеории планетарных зубчатых передач и сложных зубчатых механизмовмеханики материалов, теории математического моделирования и матриц. Используется теория алгоритмов и методы машинной графики и компьютерного моделирования, программные продукты кафедры ПМДМ ТулГУ по геометрическому синтезу эвольвентных зубчатых зацеплений, а также различное стендовое оборудование ресурсных испытаний механических приводов предприятий ЗАО «Тулаэлектропривод», ОАО «Майкопский редуктор-ный завод» (ЗАРЕМ) — ОАО «Кран-УМЗ» и др.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается корректностью постановки задач и применяемых методов исследования, адекватностью математических моделей реальным физическим процессам, протекающим в многопоточных приводах, проверкой всех основных научных положений компьютерным моделированием и совпадением результатов расчётов и компьютерной визуализации объектов, известными экспериментально проверенными техническими решениями, серийно выпускаемыми промышленностью, результатами экспериментальных исследований и промышленных испытаний предложенных технических решений и, наконец, -соответствием научных выводов классической теории проектирования многопоточных зубчатых передач, созданной трудами выдающихся учёных Н. Ф. Руденко, В. А. Гавриленко, Н. И. Колчина, Ф. Л. Литвина, С. И. Лашнева, Л. Н. Решетова, Д. Н. Решетова, В. Н. Кудрявцева, Ю. Н. Кирдяшева, Э.Л. Ай-рапетова, М. Л. Ерихова, И. А. Болотовского, А. Ф. Крайнева, Э. Б. Булгакова, П. Г. Сидорова и многих других.

На защиту выносятся:

1. Усовершенствованный метод структурного образования простейших неделимых планетарных механизмов, отличающийся тем, что схемы на основе известных групп дополнены новыми группами, которые позволили образовать новые планетарные и многопоточные рычажно-зубчатые передачи, включая многовариантный механизм «3к -2gк» (патент 1Ш № 2 402 707).

2. Расширенная классификация простейших неделимых планетарных механизмов в однои многосателлитном исполнениях, отличающаяся тем, что она впервые классифицирует планетарные передачи не только по числу центральных колёс, но и по числу активных сателлитов, числу планетарных ступеней и числу подвижных звеньев, что расширяет область существования планетарных передач и позволяет вести направленный поиск новых технических решений на их конструкции.

3. Метод формирования асинфазных силовых потоков в многопоточных зубчатых передачах, позволяющий системным подбором чисел зубьев зубчатых звеньев и коэффициента перекрытия увеличивать число потоков и равномерно распределять их по развёртке выходного зубчатого звена.

4. Уточнённый метод многомерного синтеза одноступенчатых многопоточных передач с многорядными сателлитами, с передаточными числами и^ =5.7 и нагрузочными моментами до 200.250 кНм в диаметральном габарите 600.700 мм, отличающихся повышенной нагрузочной способностью за счёт организации асинфазных движений в силовых потоках.

5. Комплекс новых технических решений на конструкции и параметры многопоточной квазидифференциальной двухступенчатой передачи с выходом на большое центральное колесо и её варианты, отличающиеся равенством сумм чисел зубьев центральных колёс в двух ступенях, широким диапазоном воспроизводимого передаточного числа (иJ ^ =20.120 и более), возможностью построения развёрнутых параметрических рядов по скорости и моменту в одном заданном габарите, многопоточностью (до 20 асинфазных потоков), малыми габаритами и удельной массой (не превышающей 0,015 кг/Н-м), равными углами во всех рабочих зацеплениях и другими важными свойствами.

6. Взаимосвязи между кинематическими, силовыми и энергетическими характеристиками новой передачи «3к -2 g — h» и характеристиками её зубчатых звеньев и рабочих зацеплений, впервые позволяющие варьировать параметрами одной ступени при неизменных параметрах другой и создавать таким образом универсальные унифицированные приводы многовариантного назначения в одном габарите.

7. Метод построения габарита трансмиссии (aw = const), обоснование семи габаритов и семи параметрических рядов на числа зубьев и передаточные числа первой и второй планетарных ступеней и передачи в целом, позволяющие на стадии проектирования многопоточных передач квалифицированно назначать числа зубьев зубчатых звеньев, суммарное число зубьев центральных колёс, общее передаточное число и его разбивку по ступеням таким образом, что мощностные потоки в приводах передаются на больших скоростях при малых моментах и формируются окончательно в последней ступени на одном выходном звене.

8. Комплекс технических решений на основе трансмиссии «Зк -2gh» на кинематические схемы и параметры асинфазных многопоточных приводов стационарных технологических и транспортных отраслевых машин наземного, воздушного и водного базирования, позволяющий благодаря мно-гопоточности поднять технический уровень, качество, конструктивное совершенство и конкурентоспособность машин российского производства до мирового уровня.

Научная новизна состоит в установлении закономерностей формирования и функционирования многопоточных передач как многопарных зубчатых зацеплений, разработке новых методов их структурного, геометрического и кинематического синтеза и методологии проектирования, позволяющих создавать технические решения и промышленные образцы приводной техники высокого мирового уровня и проектировать их в сжатые сроки.

Практическая полезность работы заключается в создании классификации, методологии проектирования и отдельных видов многопоточных передач, а также семи габаритов с пяти-, девяти, двенадцати-, шестнадцатии двадцатипоточным исполнением, что позволяет правильно выбрать поточность и нагрузочную способность привода для конкретных условий работы, обосновать его минимальные габариты, массу, передаточное число и его диапазон дискретного изменения, обосновать унификацию деталей привода и определить область его возможного универсального применения, упростить систему комплектации и сервисного обслуживания привода в целом.

Реализация результатов работы выразилась:

— во внедрении девятипоточной одноступенчатой асинфазной трансмиссии в привод рабочего органа шнекового комбайна РКУ-13 мощностью 315 кВт, подтвердившем высокую нагрузочную способность передачи (с моментом до 250 кН • м в диаметральном габарите 650 мм) — во внедрении комбинированного шестипоточного (в выходной ступени) асинфазного электропривода РКМ-315 в структуру щебнеочистительной машины ЩОМ 1200 ПУ;

— во внедрении трёхступенчатого шестипоточного (в выходной ступени) приводного блока РПМ-250 в структуру трёхдвигательного скребкового конвейера СПЦ-271А с возможностью размещения двигателей мощностью 160 — 250 кВт вдоль и поперек конвейера;

— во внедрении двух образцов пятипоточной двухступенчатой асинфаз-ной трансмиссии в электропривод «мотор-редуктор» РПМ-80/31, РП-80/62 механизма передвижения мостового крана 20/5-А5−22,5−12,5/14УЗ;

— во внедрении девятипоточного двухступенчатого асинфазного электропривода 7МРЭП-88/115 в запорную арматуру трубопроводного транспорта;

— в привязке асинфазных многопоточных передач к высокоэффективным силовым приводам стационарных технологических и транспортных отраслевых машин наземного, воздушного и водного базирования;

— в использовании ряда положений диссертации и программ расчёта в учебном процессе ТулГУ по дисциплинам подготовки магистров по направлению «Технологические машины и оборудование».

Апробация работы.

Материалы исследования докладывались на первой Международной научно-технической конференции «Современные проблемы и методология проектирования и производства силовых зубчатых передач» (Тула, 2000 г.), второй Международной научно-технической конференции «Проектирование, технологическая подготовка и производство зубчатых передач» (Тула, 2005), отчетной конференции-выставке по подпрограмме «Производственные технологии — 2001» (Москва, 2002), 2-й Международной конференции «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (Тула, 2002 г.), 3-й Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития горнодобывающей промышленности Подмосковного бассейна» (Тула, 2002 г.), I и П-м Тульских экономических форумах (2006, 2007 г. г.), I и П-й Всероссийских научно-методических конференциях «Основы проектирования и детали машин — XXI век» (Орел, 2007, 2010 г. г.), Всероссийской научно-технической конференции «Машиноведение и детали машин (к 100-летию Д.Н. Решетова)» (Москва, 2008 г.), Международной научно-технической конференции «Актуальные задачи машиноведения, деталей машин и триботехники» (к 100-летию со дня рождения В.Н. Кудрявцева) (Санкт-Петербург, 2010 г.), на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (1985;2011 г. г.). Отдельные разделы докладывались на НТС ряда предприятий («Тулаэлектропривод», «Майкопский редукторный завод» (ЗАРЕМ) — «Кран-УМЗ», «Стройтехника»).

Практические результаты исследований представлялись на выставках «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (Петербург, 2004 г.), 57-й Международной выставке изобретений «ПЗЧА-2005» (Германия, г. Нюрнберг, 2005 г.), Московской выставке-ярмарке «Приводы, узлы, детали машин и механизмов Моз0пуе-2010» (Москва, 2010 г.) и др.

Диссертация в целом докладывалась на расширенном заседании кафедры «Проектирование механизмов и деталей машин» Тульского государственного университета (2011 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 36 научных работ, среди которых монографий — 2, патентов — 2- статей в рецензируемых журналах, входящих в «Перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук» , — 18- статей в различных сборниках научно-технических работ — 14.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, основных выводов и библиографического списка из 154 наименований. Объём работы — 360 стр., в том числе 86 рисунков и 21 таблица.

Основные выводы и результаты работы состоят в следующем:

1. Все простейшие планетарные зубчатые передачи относятся к ры-чажно-зубчатым механизмам и содержат в своей структуре два неделимых механизма: двухзвенный рычажный механизм первого класса по Ассуру-Артоболевскому «стойка-водило» и зубчатый механизм — планетарную группу, смонтированную на одном их общем подвижном рычажном звеневодиле.

2. Как неделимые структурные образования, простейшие планетарные рычажно-зубчатые механизмы образуются из рычажного механизма первого класса путём наслоения на первом этапе на его ведущее звено — рычаг к г центральных колёс и j активно влияющих на кинематику сателлитов с образованием второго зубчатого механизма — планетарной группы «¿-к — jg» на подвижном основании к с одной степенью относительной свободы, а затем присоединения входа механизма либо к независимому источнику движения (дифференциальное исполнение), либо к стойке (рядовое планетарное исполнение). Следовательно, структурообразующими звеньями любого простейшего планетарного рычажно-зубчатого механизма являются: водило к, центральные зубчатые колёса с внешними или внутренними зубьями кги сателлиты с внешними зубьями gi, — а поэтому целесообразно планетарные механизмы обозначать по проф. В. Н. Кудрявцеву, но в соответствии с количеством всех структурообразующих звеньев как «ik — jg — h» .

3. Известные в науке и технике технические решения на схемы простейших планетарных механизмов, классифицируемые по проф. В. Н. Кудрявцеву только по числу центральных колёс на механизмы k-h, 2k-h и и.

Зк-h (3кае), содержат в своей структуре только один активно влияющий на кинематику сателлит, а поэтому не охватывают всей возможной их гаммы. Новая неделимая двухступенчатая планетарная передача «Зк -2g — h», содержащая в своей структуре два активно влияющих на кинематику сателлита, дополняет и расширяет классификацию простейших планетарных рычаж-но-зубчатых механизмов.

4. Главным показателем технического уровня современного редук-торного привода в технологических машинах нового поколения является его низкая удельная масса (0,005.0,015 кг/Н м) при величинах воспроизводимого крутящего момента на выходе до 5 • 106 Н • м и общем передаточном числе в диапазоне 30.80 (150). Реализовать такие показатели можно только при многопоточном исполнении редукторного привода.

5. Многопоточность зубчатой передачи может быть достигнута мно-горядностью передачиновыми схемами передач на базе планетарных механизмов, позволяющими увеличить число потоков мощностииспользованием многопарных асинфазных зацеплений в высших центроидных кинематических парах.

6. Планетарные и многопоточные передачи в многосателлитном исполнении могут быть синфазными и асинфазными. Асинфазность передач гарантирована, если числа зубьев их звеньев некратны числу сателлитов и не имеют общих множителей. Асинфазность передачи увеличивает число пото.

0 и ков мощности в еа раз и в е^ уменьшает ее размеры. Соответственно уменьшается удельная масса и обеспечивается конкурентоспособность приводов и машин на их основе.

7. Возможность установки сателлитов на низшие кинематические пары третьего класса делает передачу «3к -2gИ» инвариантной к изменению числа потоков мощности, нечувствительной к точности изготовления, монтажа и упругим деформациям при работе.

8. Важнейшим преимуществом новой передачи является возможность строить параметрические ряды выходных параметров по скорости и моменту в одном заданном габарите, то есть при неизменных параметрах водила, корпуса редуктора и зубчатых звеньев выходной ступени.

9. Важной отличительной особенностью многопоточных редуктор-ных приводов с двухступенчатой силовой трансмиссией «3к — 2g — к» является постоянство основного габарита (межосевого расстояния ам> - аЦ! т = 0,25г^т = сот^ во всех рабочих зацеплениях, что позволяет, не нарушая контактной и изгибной прочности зубьев в высших кинематических парах, пропорционально изменять суммарное число зубьев центральных колёс в ступенях и модуль их рабочих зацеплений при сохранении постоянства их произведения и увеличивать или сохранять число силовых потоков в заданном габарите при расширении или сохранении диапазона изменения передаточного числа. Уменьшение модуля зацепления положительно сказывается на производстве и работе зубчатой передачи.

10. На основе проведённых исследований разработаны программные продукты анализа и синтеза рабочих зацеплений и редукторного привода в целом, которые позволяют конструктору на стадии проектирования не только визуализировать синтезируемый объект, но и воздействовать на его параметры для выполнения качественных и конструктивных требований.

11. Разработанная методология и программные продукты использованы на предприятиях: ОАО «Кран-УМЗ» (г. Узловая Тульской обл.) при создании многопоточного привода 3 РПМ-250 скребкового конвейера СПЦ-271 АЗАО «Тулажелдормаш» при создании многопоточного привода РКМ-315 щебнеочистительного комплекса ЩОМ 1200 ПУОАО «Тяжпромарматура» (г. Алексин Тульской обл.) при создании мультипликатора момента РП-130/8- ЗАО «Тулаэлектропривод» при создании мультипликатора момента РП-32/460 и корректировки зацеплений серийного планетарного привода типа АОАО «Стройтехника» (г. Донской Тульской обл.) при создании многопоточного привода передвижения мостового крана МРЭП-80/31- ОАО «Майкопский редукторный завод» (ЗАРЕМ) при изготовлении и испытании многопоточных редукторов 5РПМ-80/31, 5РП-80/62- в ООО НТЦ «Инт-КЛАСС» (г. Тула) при создании управляемого многопоточного электропривода МРЭП-1500/62 для запорной арматурыНОЦ «Приводная техника» (ТулГУ) при создании интеллектуального многопоточного привода запорной арматуры 7МРЭП-88/115. Стендовые и промышленные испытания указанной приводной техники подтвердили её работоспособность и преимущества предлагаемого инструментария её проектирования.

12. Новая многопоточная передача универсальна и может быть внедрена в структуру высокоэффективных приводов технологических и транспортных машин различного отраслевого назначения, открывая возможности глубокой унификации редукторных приводов как самостоятельных машиностроительных изделий и уменьшая их разновидности и номенклатуру.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

Представленная диссертация является законченной научной квалификационной работой, в которой на базе системных теоретических и экспериментальных исследований, лично выполненных автором, а также НИР и НИОКР, выполненных при личном участии автора, содержится новое решение актуальной приоритетной научной проблемы обоснования параметров и создания принципиально новых многопоточных асинфазных зубчатых передач, включая инструментарий их синтеза и проектирования, широкое внедрение которых в редукторные приводы различных технологических машин российского производства имеет исключительно большое значение.

Полученные результаты включают: усовершенствованный метод структурного образования простейших планетарных механизмов и созданные на его основе новые патентозащищённые многовариантные механизмы «3к -2? — /г» и их разновидности «3к — - И», «4к — Зg — /г» — новую расширенную классификацию простейших неделимых планетарных механизмовинструментарий формирования асинфазных силовых потоков в многопоточной передачеуточнённый метод многомерного синтеза одноступенчатых многопоточных передач с ограниченными передаточными числами и нагрузочными моментамикомплекс новых технических решений на конструкции и параметры многопоточной квазидифференциальной двухступенчатой передачи с выходом на большое центральное колесо и её варианты, включая методологию многомерного синтеза и проектированияустановленные закономерности функционирования и взаимосвязи между кинематическими, силовыми и энергетическими характеристиками передачи, параметрами её зубчатых звеньев и рабочих зацепленийметод построения габаритов трансмиссиисемь габаритов и семь параметрических рядов на числа зубьев и передаточные числа первой и второй ступенейкомплекс технических решений на кинематические схемы и параметры многопоточных редукторных приводов технологических машин наземного, подземного, воздушного и водного базирования с встроенными многопоточными передачами «3к — 3g — к» .

Результаты исследований взаимоувязаны и обобщены в рамках решённой научно-технической проблемы единой методологией многомерного синтеза и проектирования редукторных зубчатых приводов, что позволяет квалифицировать их как обоснование параметров и создание асинфазных многопоточных зубчатых передач для силовых редукторных приводов технологических машин различного отраслевого назначения.