Введение к работе
Актуальность темы. В приводах многих машин находят широкое применение сцепные самоуправляемые муфты - механизмы свободного хода (МСХ), которые, как правило, являются одними из наиболее нагруженных элементов. Их использование позволяет упростить кинематику и повысить функциональные возможности приводов машин. Потребность в МСХ в Российской Федерации измеряется десятками миллионов штук в год.
Использование новых технологий расширяет возможные области применения МСХ. Например, разработаны автомобильные гибридные энергосиловые установки, в которых МСХ необходимы для исключения противовра-щения вала теплового двигателя при работе электродвигателя.
При этом недостаточная нагрузочная способность и долговечность МСХ может являться основным фактором, лимитирующим работоспособность приводов машин в целом. Например, число отказов храповых МСХ в промысловом оборудовании (лебедки типа ЛЭ-31 и -33, шпили типа ШЭР) составляет 16,2-44,1 % от общего числа отказов их элементов.
МСХ с цилиндрическими и эксцентриковыми роликами, рабочие элементы которых образуют только высшие кинематические пары, также отличаются недостаточной долговечностью, а в ряде случаев, и нагрузочной способностью. Кроме того, их изготовление с необходимым качеством можно обеспечить только в условиях специализированных производств (в основном зарубежных).
Как показали испытания импульсных вариаторов типа ИВА, долговечность установленных в них серийных роликовых МСХ составляла 56-82 ч.
Таким образом, возрастает актуальность задачи повышения нагрузочной способности и долговечности МСХ, снижения расходов при их производстве и эксплуатации. Решение данной задачи, прежде всего, связано с совершенствованием конструктивных схем МСХ и повышением эффективности процесса их проектирования.
Важным резервом увеличения нагрузочной способности и долговечности МСХ является применение в них рабочих поверхностей, образующими которых являются окружности, так как они позволяют реализовать между контактирующими элементами низшие кинематические пары. Такие поверхности рациональны и с точки зрения технологичности их изготовления.
Среди механизмов с такими рабочими поверхностями следует выделить эксцентриковые МСХ, которые отличаются повышенной нагрузочной способностью и могут быть изготовлены при отсутствии специализированных производств.
Однако известные к настоящему времени методики расчёта эксцентриковых МСХ не позволяют обеспечивать на этапе проектирования их необходимые эксплуатационные характеристики, в связи с чем увеличивается время на доработку конструкций, в том числе, на стадии производства.
Существующее противоречие между практической потребностью в эксцентриковых МСХ, с одной стороны, и ограниченными возможностями существующих методик их проектирования, с другой, определяет актуальность исследований в этом направлении.
Работа выполнялась в период с 1989 по 2011 гг. в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (государственный контракт № 16.740.11.0397 от 01.12.2010 г.), плана научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «КГТУ» и договоров с предприятиями Калининградской области.
Тематика диссертации соответствует п. 2.3.5 «Научные методы создания машин и робототехнических систем» Перечня приоритетных направлений фундаментальных исследований, утвержденного Правительственной комиссией РФ по научно-технической политике от 28.05.1996 г. и уточненного Постановлением РАН от 13.01.1998 г.
Цель работы заключается в увеличении нагрузочной способности и долговечности эксцентриковых МСХ посредством повышения достоверности расчетов и разработки научно-обоснованной методики проектирования на основе уточненных физико-математических моделей.
Для достижения поставленной цели сформулирована научная задача. разработка и совершенствование физических и математических моделей эксцентриковых МСХ, описывающих геометрию зацепления, их нагрузочную способность, напряженно-деформированное состояние и триботехнические характеристики. При этом необходимо:
разработать расчетные схемы, выполнить математическое описание и анализ геометрических характеристик мелкомодульных храповых зубьев эксцентриковых МСХ и способов их изготовления;
выполнить математическое описание триботехнических характеристик эксцентриковых МСХ в период заклинивания;
разработать расчетные схемы и провести исследование напряженно-
деформированного состояния (НДС) рабочих элементов эксцентриковых
МСХ с применением компьютерного твердотельного моделирования и мето
да конечных элементов (МКЭ), выполнить математическое описание полу
ченных результатов;
выполнить экспериментальную проверку достоверности полученных теоретических результатов и предложенной методики проектирования;
выполнить эксплуатационную проверку разработанных эксцентриковых МСХ в производственных условиях.
Объектом исследования являются эксцентриковые МСХ нефрикционного и фрикционного типов. Предметом исследования являются: геометрия зацепления мелкомодульных храповых зубьев и методы их изготовления; триботехнические характеристики; напряженно-деформированное состояние; нагрузочная способность; эксплуатационные характеристики.
Научная новизна заключается в установлении и математическом описании закономерностей влияния комплекса конструктивных параметров на нагрузочную способность, напряженно-деформированное состояние и трибо-технические характеристики механизмов. При этом:
впервые получены аналитические зависимости, описывающие геометрию мелкомодульных храповых зубьев с рациональным профилем, обеспечивающим их контакт в зацеплении по поверхности для эксцентриковых МСХ нефрикционного типа;
впервые теоретически получены и экспериментально подтверждены зависимости, описывающие триботехнические характеристики в контакте цилиндрических рабочих поверхностей эксцентриковых МСХ фрикционного типа;
впервые установлен характер и получены эмпирические зависимости, позволяющие определить влияние геометрических параметров рабочих элементов на нагрузочную способность и напряженно-деформированное состояние эксцентриковых МСХ нефрикционного и фрикционного типов;
получены новые экспериментальные данные о характере изменения и величинах эксплуатационных характеристик эксцентриковых МСХ (нижней границы наработки на отказ, относительного поворота, радиальной деформации, массового износа; долговечности; потерь на трение при свободном ходе; уровне шума).
Новизна технических решений подтверждается 11 патентами РФ.
Практическая ценность и реализация результатов. Предложены рекомендации, зависимости и алгоритмы, представленные в виде методики проектирования, позволяющей проводить полный расчет конструктивных параметров эксцентриковых МСХ. Использование алгоритмов обеспечивает возможность многовариантности проектирования при применении современных программ MathCAD, MatLAB, AutoCAD, T-FLEX CAD и др.
Применение полученных результатов обеспечит экономический эффект за счет: сокращения сроков разработки новых эксцентриковых МСХ; повышения их нагрузочной способности и долговечности; снижения массо-габаритных характеристик; уменьшения производственных и эксплуатационных затрат.
Результаты диссертации использованы:
при проектировании эксцентриковых МСХ, внедренных в приводы:
промысловых машин (ОАО «Матео» - 10 шт.); стартеров (ОАО «Зодиак» -
3 шт., ОАО «Автоколонна №1359» - 17 шт.); импульсных вариаторов (ОАО
«Тралфлот» и ФГБОУ ВПО «КГТУ» - 21 шт.); металлорежущих станков
(ООО «Балтийский завод напольного транспорта» - 3 шт.);
в учебном процессе ФГБОУ ВПО «КГТУ» при изучении дисциплин
«Детали машин», «Бесступенчатые передачи приводов пищевых машин» и
«Основы конструирования промысловых машин».
Ряд предлагаемых конструктивных решений и методов расчета представлен в общем виде, что расширяет область их приложения и позволяет использовать научные результаты диссертации при модернизации и создании колодочных тормозов мобильных машин, клиновых и храповых МСХ, колодочных центробежных и зубчатых сцепных муфт радиального действия.
Достоверность результатов обусловлена тем, что они получены с использованием: базовых методов теории механизмов и машин, машиноведения, конечно-элементного анализа, теории эксперимента, математического и физического моделирования; современных программных комплексов Т-FLEX CAD и MathCAD, а также совпадением теоретических, экспериментальных и эксплуатационных результатов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
аналитические зависимости для расчета геометрических параметров мелкомодульных храповых зубьев с рациональным профилем и режущих инструментов для их изготовления;
аналитические зависимости для расчета приведенного коэффициента трения в сопряжении рабочих элементов эксцентриковых МСХ фрикционного типа;
результаты вычислительных экспериментов по исследованию НДС эксцентриковых МСХ и эмпирические зависимости для расчета нагрузочной способности, прочности и жесткости для любого типоразмера механизмов;
алгоритмы расчета конструктивных параметров эксцентриковых МСХ;
результаты модельных и натурных экспериментальных исследований основных эксплуатационных характеристик эксцентриковых МСХ.
Личный вклад соискателя заключается в: разработке расчетных схем и математическом описании предлагаемого зацепления и инструментов для его изготовления, методики определения рационального профиля зацепления и режущего инструмента; математическом описании взаимосвязи характера распределения давления и приведенного коэффициента трения; планировании и анализе результатов вычислительных экспериментов, математическом описании взаимосвязи геометрических характеристик механизмов с их нагрузочной способностью и напряженно-деформированным состоянием; планировании модельных и натурных физических экспериментов и анализе их результатов; разработке алгоритмов расчета и методики проектирования механизмов.
Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались:
на Международных научно-технических конференциях и симпозиумах:
по инерционно-импульсным механизмам, приводам и устройствам (Влади
мир, 1992); «Повышение эффективности использования технической базы
регионов: олыптынского и калининградского» (Калининград, 1994); «Бессту
пенчатые передачи, приводы машин и промысловое оборудование» (Кали
нинград, 1997); «Прогрессивные технологии, машины и механизмы в маши
ностроении» (Калининград, 1998, 2000, 2002); «Современные проблемы про
ектирования и производства зубчатых передач» (Тула, 2000); «Машины и ме-
ханизмы ударного, периодического и вибрационного действия» (Орел, 2000); «Современные технологии, материалы, машины и оборудование» (Могилев, 2002); «Power transmissions-03» (Varna, Bulgaria, 2003); «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии» (Могилев, 2004, 2009, 2010); «Mechanical engineering technologies-04» (Varna, Bulgaria, 2004); «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2004, 2008, 2010); «Trans&Motauto-05» (Veliko Tarnovo, Bulgaria, 2005); «Математические методы в технике и технологиях» (Воронеж, 2006; Псков, 2009; Саратов, 2010, 2011); «Инновации в науке и образовании» (Калининград, 2003, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010);
на Всероссийской научно-технической конференции «Механика и процессы управления моторно-трансмиссионных систем транспортных машин» (Курган, 2003).
Публикации. Основные положения работы опубликованы в 90 печатных работах, в том числе: 1 монография, 12 работ по списку ВАК, 11 патентов на изобретения и полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и основных результатов, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 388 с, в том числе: 338 с. основного текста, включающего 172 рисунка и 28 таблиц; 15 с. приложений; список использованных источников из 392 наименований.
