Введение к работе
Актуальность. Одним из приоритетных направлений научных исследований в машиноведении является обеспечение работоспособности механических приводов различных видов машин. Создаваемые и проектируемые цикловые машины, с весьма сложными законами движения рабочих органов, должны обеспечивать выполнение заданных функций с требуемыми параметрами используя особые конструкторские решения.
Одним из таких решений является применение исполнительного звена рабочего органа механического привода машины, созданного на базе эксцентрикового подшипника качения (ЭПК), у которого в качестве промежуточных тел используется шарики или ролики с различными диаметрами, находящиеся в постоянном контакте с дорожками качения. Достоинством ЭПК является возможность реализовать в одном цикле редукцию скорости и преобразование движения от входного к выходному звену. Использование ЭПК в механических приводах различных цикловых машин позволяет упростить их конструкцию за счёт уменьшения количества нетехнологических деталей и использования гладкого входного вала, а также при минимальном числе подвижных звеньев обеспечить функциональные характеристики и возможность реализации задаваемого закона движения выходного звена, что повышает эффективность выполняемых машинами операций.
Для большинства существующих схем эксцентриковых подшипников и механизмов нет методики, позволяющей однозначно определять номинальные размеры геометрических параметров их звеньев, а различными авторами предлагается выполнять подбор размеров тел качения разного диаметра, используя метод их селективной подборки. Нет исследований влияния величины эксцентриситета на основные кинематические, силовые и прочностные параметры.
Таким образом, создание методики расчёта для обеспечения работоспособности при проектировании с определением геометрических размеров, применительно к различным кинематическим схемам и значений силовых параметров эксцентрикового подшипника качения, является актуальной задачей.
Объект исследований. Эксцентриковый подшипник с телами качения разного диаметра в составе механического привода цикловых машин.
Идея исследований. Разработка методик расчёта геометрических, кинематических и силовых параметров эксцентрикового подшипника качения для механического привода рабочих органов цикловых машин.
Цель работы. Обеспечение работоспособности эксцентрикового подшипника качения в составе механического привода цикловых машин.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Проведён анализ существующих конструкций эксцентриковых подшипников и механизмов, а также методов их расчёта применительно к механическим приводам машин.
-
Выполнен анализ и обоснование построения кинематических схем ЭПК, с определением взаимозависимостей его геометрических, кинематических и силовых характеристик для обеспечения работоспособности.
-
Разработана математическая модель кинематики ЭПК.
-
Определена нагрузочная способность и коэффициент полезного действия ЭПК.
-
Созданы опытные образцы ЭПК и проведен эксперимент по определению его работоспособности в составе механического привода различных цикловых машин.
Методы исследования основаны на положениях дифференциальной геометрии, теории матриц, теории механизмов и машин, деталей машин, теории эксперимента и обработки результатов, с использованием компьютерного моделирования, аналитических и численных методов анализа, а также пакетов прикладных (CAD и CAM) программ для ПК.
Научная новизна:
-
Разработан алгоритм и решена задача метрического синтеза для возможных схем исполнения эксцентрикового подшипника качения.
-
Разработана математическая модель кинематики ЭПК, применимая для всех возможных схем его исполнения, позволяющая решать задачи кинематического анализа.
-
Получены зависимости, определяющие распределение внешней нагрузки по телам качения ЭПК и их количество в области нагружения.
-
Получена зависимость для определения величины предельной внешней нагрузки на эксцентриковый подшипник качения, исходя из геометрических размеров и условия контактной прочности тела качения минимального радиуса.
-
Экспериментально доказана работоспособность эксцентрикового подшипника качения, спроектированного на основе проведённых исследований.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Аналитические зависимости по расчёту геометрических размеров звеньев для всех возможных схем построения ЭПК с алгоритмом определения общего количества тел качения.
-
Математическая модель кинематики эксцентрикового подшипника качения для определения координат положения и скоростей подвижных точек.
-
Закон движения выходного звена ЭПК и зависимости для определения передаточного отношения.
-
Зависимости, определяющие распределение внешней нагрузки по телам качения и их количество в областях нагружения.
-
Зависимости, определяющие величину предельной внешней нагрузки на ЭПК и коэффициент полезного действия подшипника.
-
Результаты экспериментальных исследований по определению КПД, с подтверждением работоспособности при использовании ЭПК в механическом приводе различных цикловых машин.
Теоретическая значимость работы заключается в получении и установлении
зависимостей, определяющих взаимосвязи геометрических, кинематических и силовых параметров для всех возможных схем исполнения ЭПК с телами качения различных диаметров.
Практическая значимость. Получены зависимости для обоснования выбора кинематических схем и установлены закономерности, позволяющие проектировать ЭПК с требуемыми функциональными параметрами и обеспечением его работоспособности в составе механического привода.
Разработано программное обеспечение, позволяющее провести расчёт геометрии, кинематики и силовых взаимодействий между элементами конструкции эксцентрикового подшипника качения при проектировании.
Достоверность результатов подтверждается корректностью постановки задач
и обеспечивается использованием апробированных современных методов вычислений;
обоснованным применением методов и общепринятых допущений классических положений
деталей машин и родственных областей наук; проверкой достоверности полученных
зависимостей условиям их вырождения в существующие классические зависимости;
подтверждается согласованием результатов теоретических исследований
с экспериментальными данными; подтверждается работоспособностью образцов ЭПК в механическом приводе различных цикловых машин и устройств, что подтверждается актами использования результатов научных исследований.
Соответствие паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует научной специальности 05.02.02 – Машиноведение, системы приводов и детали машин. Из формулы научной специальности 05.02.02: «…наука, изучающая объекты машиностроения и процессы, влияющие на техническое состояние этих объектов; разрабатывающая теорию, методы расчётов систем приводов, узлов и деталей машин независимо от их отраслевой принадлежности и назначения с целью совершенствования существующих и создания новых машин и механизмов высокой производительности, надежности, технологичности, обладающих конкурентоспособностью…». Области исследований: теория и методы проектирования машин и механизмов, систем приводов, узлов и деталей машин; методы исследования объектов машиностроения, в том числе на основе компьютерного моделирования; повышение точности и достоверности расчетов объектов машиностроения; испытания и изготовления объектов машиностроения.
Апробация. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались
и обсуждались на: Всероссийской НПК с международным участием «Достижения науки
и техники – развитию сибирских регионов» (г. Красноярск); V Всероссийской НТК
конференции «Политранспортные системы» (г. Красноярск, 2007); VII и VIII Всероссийской
НТК с международным участием «Механики 21 веку» (г. Братск, 2008 и 2009); VI VII, VIII, IX
и Х Всероссийской с международным участием НТК «Молодежь и наука» и «Проспект
свободный» (г. Красноряск, 2010-2016); V международной НТК «Проблемы механики
современных машин» (г.Улан-Удэ, 2012); Международной НПК «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2012» (г. Одесса, 2012); IV Международной НПК «Наука и образование» (г. Мюнхен, Германия, 2013); а также на НТС ФГАОУ ВО СФУ по специальности 05.02.02 (г. Красноярск, 20012018).
Публикации. Основные положения опубликованы в монографии; 30 научных работах из которых 10 в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ; 1 патенте на изобретение и 1 свидетельстве о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Реализация результатов исследований. По результатам исследований разработаны методики, алгоритм и пакет прикладных программ для определения геометрических, кинематических и силовых параметров ЭПК. Теоретические положения диссертации и результаты исследований используются в учебном процессе ФГАО ВО СФУ при изучении курса «Прикладная механика», а также были использованы студентами и магистрами различных специальностей ПИ и ИНиГ СФУ при выполнении ими НИР и дипломных работ. Для АО «Информационные спутниковые системы» им. академика М. Ф. Решетнёва разработан технический проект на инженерный образец устройства типа «гексапод», создаваемого на базе ЭПК, в приводе позиционирования по 6-ти степеням свободы подвижной платформы для антенны космического аппарата связи. Результаты научных исследований использованы при разработке насадки для операции шлифования; в производственной деятельности предприятий Красноярского края: «ООО БРИЗ-Центр» в приводе механического демаркатора разметки с асфальтобетонных поверхностей; ГПКК «Большемуртинское ДРСУ» в вибраторе инерционного грохота дробильно-сортировочного комплекса; ГПКК «Лесосибирск-Автодор» при модернизации электрического смесителя, что подтверждается соответствующими актами.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования и решению всех вопросов, касающихся основных положений, выносимых на защиту. Представленные в диссертации результаты получены лично автором и при его непосредственном участии в работах. Более 50% результатов исследований в совместных публикациях принадлежат автору.
Автор выражает признательность научному руководителю д.т.н., профессору Сильченко П.Н., сотрудникам кафедры «Прикладная механика» ПИ СФУ, д.ф-мат.н., проф. Еркаеву Н.В., за неоценимые консультации, содействие и помощь в становлении, обсуждении и окончательном оформлении диссертационной работы.
Объём и структура диссертации. Материалы диссертационной работы представлены на 173 страницах машинописного текста и состоят из введения, 5 разделов, 70 рисунков, 7 таблиц и списка использованных источников из 194 наименований, условных обозначений и приложений.