Разработка методов и средств повышения эффективности передач с промежуточными телами качения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Введение.

Список сокращений, принятых в тексте.

1. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА СУЩЕСТВУЮЩИХ ПЕРЕДАЧ ПО ОСНОВНЫМ ТЕХНИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ.

1.1. Выбор и обоснование критериев сравнения существующих передач по основным техническим характеристикам.

1.2. Сравнительный анализ передач с промежуточными телами качения по критериям эффективности.

1.3. Выводы.

2. СИНТЕЗ ПЕРЕДАЧИ С РАЗГРУЖЕННЫМ СЕПАРАТОРОМ ПО КИНЕМАТИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ.

2.1. Разработка кинематической схемы передачи с разгруженным сепаратором.

2.2. Описание геометрии и кинематический анализ передачи с разгруженным сепаратором.

2.3. Кинематический анализ передачи с разгруженным сепаратором.

2.4. Опгамгоапщ 11ЕРС по скоростям проскальзывания в зацепление.

2.5. Прогнозирование параметров, обеспечивающих работоспособность ПЕРС, на ранних стадиях проектирования.

2.6. Выводы.

3. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИЛОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕРС.

3.1. Разработка методики расчета усилий в зацеплении ПЕРС.

3.2. Определение внутренних напряжений и площади сечения профильного колеса.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Применяемость механических передач обусловлена функционированием их во многих современных механических и электромеханических устройствах. Выбор той или иной механической передачи с такими техническими характеристиками, как передаточное число, коэффициент полезного действия, передаваемая мощность, габаритные размеры, во многом определяет потребительские свойства всего изделия.

В настоящее время все более широкое применение находят передачи с промежуточными телами качения (ПТК), как наиболее перспективные с точки зрения обеспечения необходимых технических характеристик. Механизмы с этими передачами используются при производстве транспортных средств, водоподготовке, в робототехнике, космической, горно-шахтной, нефтегазовой, теплоэнергетической, пищевой промышленности. Эти передачи обеспечивают высокую нагрузочную способность, увеличение крутящего момента и передаточного числа при уменьшении габаритов, продолжительный срок службы, плавность и бесшумность работы. Однако известные передачи не лишены недостатков: нагрев передачи под нагрузкой до температуры 80 - 120°С, вызванный наличием в зацеплении трения скольжения, приводит к износу несущих деталей и снижению КПД. Так коэффициент полезного действия одной ступени передачи с промежуточными телами качения составляет 0,75 - 0,86, что увеличивает энергопотребление всего механизма в целом.

В устройствах с повышенными требованиями к КПД, габаритным размерам, массе и энергопотреблению (в мобильных системах, переносных устройствах и космической технике) существующие конструкции передач с ПТК не удовлетворяют предъявляемым требованиям. Для устранения этих недостатков необходимо создать новые типы компактных передач с уменьшенным трением скольжения в зацеплении, а также развиать и 5 совершенствовать существующие с целью повышения эффективности их функционирования.

Решению этих задач посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов, но, несмотря на это, практически отсутствуют теоретические основы и практические рекомендации по проектированию передач с улучшенными техническими характеристиками. Поэтому решение проблемы, объединяющей вопросы синтеза профильных колес, геометрических, силовых и прочностных расчетов, конструирования передаточных механизмов на базе новой передачи с промежуточными телами качения является весьма актуальным.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Создание и проектирование передачи с промежуточными телами качения, заключенными между двумя колесами с циклоидальными профилями для повышения эффективности передач с ПТК за счет замены трения скольжения в зацеплении трением качения.

В соответствии с целью работы сформулированы следующие основные задачи исследования: сравнительный анализ существующих схем передач с промежуточными телами качения (их достоинства и недостатки); создание новой передачи с промежуточными телами качения, заключенными между двумя колесами с циклоидальными профилями (далее передача с разгруженным сепаратором); разработка геометрии зацепления, определение закономерности движения центров тел качения между профильными колесами и получение уравнений циклоидальных профилей колес; расчет и исследование кинематики передачи с разгруженным сепаратором; определение и исследование силовых параметров передачи с разгруженным сепаратором; 6 подтверждение выполненных расчетов на модели и экспериментальном образце редуктора на базе передачи с разгруженным сепаратором. разработка методики проектирования передач с разгруженным сепаратором.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Общая методика исследований базируется на положениях теории зубчатого зацепления, теории механизмов и машин, теории упругости, математического моделирования, численных методах и методах системного анализа. Достоверность результатов проверялась экспериментально в лабораторных, производственных условиях и моделированием на ЭВМ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1. Создана передача с промежуточными телами качения, заключенными между двумях колесами с циклоидальными профилями.

2. Впервые определен закон движения центров тел качения между двумя профильными колесами и выведены уравнения циклоидальных профилей колес.

3. Впервые получена универсальная аналитическая зависимость определения числа циклоидальных профилей колес от передаточного отношения для дифференциальной схемы передачи с разгруженным сепаратором.

4. Разработан алгоритм оптимизации кинематических характеристик передачи с разгруженным сепаратором.

5. Разработана методика проектирования механизмов на базе передач с разгруженным сепаратором.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.

1. Применение разработанной передачи позволяет улучшить эффективность передач с промежуточными телами качения.

2. Применение математической модели и программ автоматизированного расчета позволяет на ранних стадиях проектирования 7 спрогнозировать схему работоспособной передачи, обеспечивающую минимальные габаритные размеры при максимальной передаваемой мощности, а также сократить время проектирования передачи с разгруженным сепаратором.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы были использованы в организации ФГУП «НИИ Технотрон» при создании привода поворота спутниковой антенны и привода перемешивателя бурового раствора. Силовой расчет передачи с разгруженным сепаратором для перемешивателя бурового раствора производился по программе автоматизированного расчета передачи, что позволило сократить время проектирования механизма в целом. Полученные материалы были использованы при выполнении дипломных работ студентами кафедры «Компьютеризация машиностроения» машиностроительного факультета Томского политехнического университета. Материал по передачам введен в курс лекций «Оборудование автоматизированного производства».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на российско-корейской международной конференции KORUS 2001 г. Томск 2001г.; V всероссийской конференции «Современные технологии в машиностроении» г. Пенза 2002г.; региональной конференции г. Юрга 2001г.; научно-практических конференциях в г. Томске -«Современные техника и технологии» в 1998, 1999, 2000, 2001, 2002гг. Материалы диссертационной работы полностью доложены и обсуждены на научных семинарах кафедр «Теоретическая и прикладная механика», «Компьютеризация машиностроения», объединенном научном экспертном семинаре кафедр «Компьютеризация машиностроения», «Теоретическая и прикладная механика», «Точного приборостроения» и «Автоматизация и роботизация в машиностроении» Томского политехнического университета.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 статей. 8

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, изложенных на 126 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 45 наименований.

Основные результаты исследований заключаются в следующем:

1. Найдены пути повышения эффективности передач с промежуточными телами качения и создана передача с разгруженным сепаратором, в которой уменьшено трение в зацеплении.

2. Выведены уравнения циклоидальных профилей колес из условия нахождения между ними промежуточных тел качения.

3. Определены кинематические зависимости передачи с разгруженным сепаратором и выведена аналитическая зависимость числа профилей колес в дифференциальной схеме передачи от передаточного отношения.

4. Проведены исследования оптимизации передачи с разгруженным сепаратором по скоростям проскальзывания в зацеплении и даны рекомендации по проектированию передачи с учетом скоростей проскальзывания: при отношении радиуса производящей окружности (г2) к числу тел качения (Zuj) меньше, либо равно 2,5, проскальзывание существует на всем угле зацепления; при отношении г2/Zm > 2,5, на угле зацепления возникает момент, когда тело качения обкатывается по профилю без скольжения;

118 при увеличении числа тел качения, при прочих равных входных параметрах, среднее значение скорости проскальзывания уменьшается, поэтому с целью оптимизации передачи по скорости скольжения целесообразно использовать как можно большее количество промежуточных тел (на сколько позволяют габаритные размеры передачи и всего механизма).

5. Разработаны и сформулированы условия работоспособности передачи с разгруженным сепаратором через исходные параметры передачи: f

180° г (ryx-Sin

1К Z, условие соседства тел качения;

Гтк)" условие неналожения профилей колес.

6. Разработана методика силового расчета передачи с разгруженным сепаратором с применением ПЭВМ, что позволило сократить время проектирования механизма. Методика была использована при разработке и проектировании привода перемешивателя бурового раствора мощностью 30 кВт.

7. На основе разработанного математического обеспечения созданы программные модули комплексной системы расчета передачи с разгруженным сепаратором: модуль расчета координат профилей колес для изготовления их на оборудовании с числовым программным управлением; модуль кинематического расчета передачи; модуль определения исходных параметров, обеспечивающих работоспособность передачи; модуль силового расчета передачи.

8. На основе результатов выполненных исследований разработан экспериментальный образец привода поворота наземной спутниковой антенны и проведены его испытания, дающие основание говорить о правильности и достоверности результатов исследований.

120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой завершенный этап научной работы, разработанные автором теоретические положения, которые в совокупности можно назвать методикой проектирования передач с разгруженным сепаратором, внедрение ее в различных областях техники внесет значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса и позволит создать новые конкурентоспособные машины, обладающие большей эффективностью и имеющие спрос на рынке.

В конце каждой главы представлены основные результаты исследований. Приведем ряд выводов, имеющих общее значение.

1. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1995. С. 560.

2. Ан И-Кан, Беляев А.Е. Синтез планетарных передач применительно к роторным гидромашинам. Новоуральск: НПИ МИФИ, 2001. С. 92.

3. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя: в 3-х томах. Tl. М.: Машиностроение, 1979. С. 728.

4. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя: в 3-х томах. Т2. М.: Машиностроение, 1979. С. 610.

5. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя: в 3-х томах. ТЗ. М.: Машиностроение, 1979. С. 480.

6. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1988. С. 640.

7. Беляев А.Е. Механические передачи с промежуточными телами повышенной точности и долговечности. Томск: ТПИ, 1986 С. 60.

8. Громыко П.Н. Способы минимизации механических потерь в зацеплении при создании новых видов механических передач. // Трение и износ. 1995. 16, N3. С. 568 -573.

9. Гусак А.А. Высшая математика. Т 1. Минск: ТерраСистем, 2001. С. 544.

10. Данко П.Е., Попов А.Г., Кожевникова Т.Я. Высшая математика в упражнениях и задачах. Ч. 1. М.: Высшая школа, 1999. С. 304.

11. Детали машин. Справочник материалов по расчету и конструированию. Под ред. Ачеркана Н.С. Кн. 1. М.: МАШГИЗ, 1953. С. 656.

12. Допуски и посадки /В.Д. Мягков, М.А. Палей, А.Б. Романов, В.А. Брагинский. Л.: Машиностроение, 1982. 41. С. 543.121

13. Ефременков Е.А. Исследование работоспособности передачи с промежуточными телами качения. Труды V областной научно-практической конференции. Современные техника и технологии. Томск, 1999г. С. 237-238.

14. Ефременков Е.А., Боголюбова М.Н.; Численное моделирование структурных схем редукторов с промежуточными телами качения. VI международная научно-практическая конференция молодых ученых СТТ 2000. Томск, 2000 г. С. 224-225.

15. Ефременков Е.А., А.К. Мартынов. Анализ передачи с промежуточными телами качения. Городская научно-техническая конференция по приборостроению. Томск, 2001 г. С. 64-65.

16. Ефременков Е.А., Родионова У.В. Оптимизация проектирования передач с ПТК. Городская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых научных сотрудников по приборостроению. Томск, 2001 г. С. 66.

17. Ефременков Е.А. Определение скоростей проскальзывания в зацеплении передачи с промежуточными телами качения. Труды научно-практической конференции. Юрга, 2001 г. С. 144-149.

18. Ефременков Е.А. Исследование изменения скоростей скольжения в новой передаче с промежуточными телами качения. Изд. ТГУ Сб. Аппаратно- программные средства автоматизации технологический процессов. Томск, 2001 г. С. 194-201

19. Ефременков Е.А., А.К. Мартынов. Разработка механической передачи с разгруженным сепаратором. V Всероссийская научно122практическая конференция «Современные технологии в машиностроении». Пенза 2002. С. 132-135.

20. Ефременков Е.А., Н.В. Захаркин, С.А. Килин. Автоматизация определения усилий в зацеплении передачи с разгруженным сепаратором. VIII международная научно практическая конференция, ССТ 2002. Т1. Томск. С. 216-218.

21. Ефременков Е.А., А.В. Скориков. Расчет контактных напряжений в передаче с разгруженным сепаратором. VIII международная научно практическая конференция. ССТ 2002, Т1. С. 183-185.

22. Ефременков Е.А., А.К. Мартынов. Определение передаточного отношения и числа зубьев передачи с разгруженным сепаратором. VIII международная научно практическая конференция. ССТ 2002, Т1, г. Томск. С. 187-189.

23. Заявка на изобретение №99127942/28(029438) Ефременков Е.А., Ан И-Кан, Панкратов Э.И.

24. Карманов В.Г. Математическое программирование. М.: Наука. 1986. С. 480.

25. Кудрявцев В.Н. Планетарные передачи. М.: М/с, 1966. С. 308.

26. Мальцев П.Т., Корняков О.Г. Кинематический синтез типовых планетарных механизмов. Учебно-методические указания для студентов очного и заочного обучения всех факультетов. Томск: ТПИ, 1991. С. 34.

27. Машнев М.М., Красковский Е.Я., Лебедев П.А. Теория механизмов и машин и детали машин. Л.: Машиностроение, 1980. С. 512.

28. Моисеев Н.И., Иванилов Ю.П., Столяров Е.М. Методы оптимизации. М.: Наука. 1978. С. 298.

29. Отчет о НИР. Разработка редуктора повышенной точности и долговечности на базе передач с промежуточными телами. УДК 621.833.1. Инв. номер гос. гегистрации № 0187.0034075. 1987. С. 38.

30. Панкратов Э.Н. Передача с промежуточными звеньями. Патент №2029167.123

31. Панкратов Э.Н. Проектирование механических систем автоматизированных комплексов для механообрабатывающего производства. Практикум лидера-проектировщика. Томск: ТГУ, 1998. С. 296.

32. Перель Л.Я., Филатов А.А. Подшипники качения. Справочник. М.: Машиностроение, 1992. С. 608.

33. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Основы системного анализа: Учебное пособие 2-е изд. Доп. Томск: изд-во НТЛ. 1997. С.

34. Планетарные передачи. Справочник. Под ред. В.Н. Кудрявцева и Ю.Н. Кирдяшева. Л.: Машиностроение, 1977. С. 536.

35. Проспект фирмы CYCLO Getriebebau

36. Соловьев А.И. Коэффициент полезного действия механизмов и машин. М.: Машиностроение, 1966. С. 180.

37. Тищенко О.Ф. Элементы приборных устройств. Курсовое проектирование. Часть 1. М.: Высшая школа, 1978. С. 328.

38. Тищенко О.Ф. Элементы приборных устройств. Курсовое проектирование. Часть 2. М.: Высшая школа, 1978. С. 328.

39. Устюгов И.И. Детали машин. М.: Высшая школа, 1981. С. 400.

40. Яковлев А.Ф., Лобастов В.К. Определение контактной податливости высших пар зацеплений планетарных циклоидальных редукторов и гидромоторов./7 Вестник машиностроения. 1996. № 9. С. 3 -7.124

41. Bachmann Otto Getriebe mit einem konstanten I Jbersetzun gsverhaltnis, vorzugsweise ins langsame, das als Ubertragungselement zylindrische Rollen aufweist. Patent DE № OS 4107477.

42. Distin Jr., Robert G., Shafer E., James E. Epicyclic transmission having free rolling roller driving elements. Patent US № 4584904.

43. Egor Ephremenkov, Anatoly Martynov CALCULATION of SPEEDS of a SLIPPAGE In a LINKAGE of TRANSMISSION With INTERMEDIATE BODIES of a ROLLING. KORUS 2001, Tomsk 2001.

44. УТВЕРЖДАЮ: Директор ФГУП "НТШ Технотрон", / к.т.н. Панкратов Э.Н.2002г.2002г./ /

45. Зам. директора по коммерции и экономике1. Главный конструктор1. Карасев Р.Н.1. Экономист1. Южакова В В.