Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Методы проектирования приводов машин с реечными передаточными механизмами 17
1.1. Технологические машины с поступательно перемещаемыми рабочими органами и основы проектирования их приводов 17
1.1.1. Основные типы технологических машин с поступательными РО 17
1.1.2. Методология проектирования привода РО технологического обрабатывающего модуля 23
1.2. Обзор конструкций и методик проектирования реечных передаточных механизмов 48
1.2.1. Конструкции реечных ПМ 48
1.2.2. Расчеты и исследования реечных ПМ 61 '-
1.3. Методы проектирования исполнительных механизмов автоматизированных электроприводов для поступательных перемещений РО 79
1.3.1. Приводы поступательных перемещений 79
1.3.2. Взаимодействие привода перемещения РО с несущей системой 85
1.4. Проблемы создания приводов подач с реечными механизмами 91
Раздел 2. Исследование характеристик зубчатых реечных передаточных механизмов 95
2.1. Геометрические и кинематические характеристики 95
2.1.1. Геометрия ортогональных реечных передач 95
2.1.2. Кинематика ортогональных реечных передач 108
2.2. Силовой анализ реечных передаточных механизмов 114
2.2.1. Силовое взаимодействие звеньев 114
2.2.2. Коэффициент полезного действия 117
2.3. Характеристики упругой системы в реечном приводе РО 123
2.3.1. Модели упругих систем приводов 123
2.3.2. Синтез устройств выбора зазоров в приводах 135
2.4. Моделирование контактного взаимодействия шестерни с рейкой в ортогональном зацеплении 144
2.4.1. Формирование твердотельных моделей элементов передачи 144
2.4.2. Расчетная модель передачи в программном комплексе ANSYS 145
Раздел 3. Проектирование исполнительных механизмов приводов с зубчатыми реечными передачами ... 154
3.1. Проектирование механического привода для перемещения РО 154
3.1.1. Управление проектированием привода 154
3.1.2. Подготовка исходных данных к проектированию привода... 160
3.2. Методика проектирования зубчатого реечного механизма 165
3.2.1. Критерии работоспособности зубчатых реечных передач 165
3.2.2. Методика расчета на контактную выносливость 166
3.2.3. Методика расчета на изгибную выносливость 177
3.2.4. Методика расчета на прочность при максимальной нагрузке... 180
3.3. Алгоритм проектирования конечного звена привода 183
3.3.1. Выбор материалов, термической и другой обработки, шероховатости рабочих поверхностей зубьев 184
3.3.2. Расчет допускаемых напряжений контактной и изгибной прочности и выносливости 184
3.3.3. Проектировочный расчет размеров шестерни и рейки 185
3.3.4. Поиск оптимальных значений параметров конструкции конечного звена 185
3.3.5. Проверочный расчет передачи на выносливость и прочность 191
3.4. Проектирование исполнительного механизма привода 191
3.4.1. Кинематический расчет привода подач 191
3.4.2. Синтез кинематической схемы привода 198
3.5. Программный модуль для синтеза зубчатой реечной передачи 199
Раздел 4. Проектирование и исследование характеристик червячно-реечной передачи с гидростатической смазкой 202
4.1. Методология проектирования механического привода с ЧРПГС... 202
4.1.1. Основы проектирования опор и передач с гидростатической смазкой 202
4.1.2. Конструкция и геометрия ЧРПГС 205
4.2. Исследование технических характеристик ЧРПГС 210
4.2.1. Расчет технических характеристик 210
4.2.2. ЧРПГС как конечное звено привода 220
4.2.3. Критерии работоспособности передачи 226
4.2.4. Особенности технологии производства элементов передачи, обеспечивающей ее работоспособность 228
4.3. Проектирование механического привода с ЧРПГС 229
4.3.1. Выбор конструктивной схемы привода 229
4.3.2. Кинематический расчет привода подач 231
Раздел 5. Расчетные и экспериментальные исследования электромеханических приводов с реечными передачами 235
5.1. Расчетные исследования динамической системы стационарно установленного привода стола 235
5.1.1. Динамическая система привода стола 235
5.1.2. Расчет вынужденных колебаний стола на холостом ходу 241
5.2. Расчетные исследования подвижного привода, установленного на рабочем органе 243
5.2.1. Динамическая система привода, установленного на подвижной стойке 243
5.2.2. Исследование динамической системы привода 248
5.3. Экспериментальные исследования гидростатической червячно- реечной передачи в приводе стола станка модели 6М61 ОФЗ 253
5.3 1. Эффективность передачи при контурном фрезеровании 254
5.3.2. Экспериментальная оценка технических характеристик привода 257
5.4. Разработка рекомендаций по совершенствованию и применению ЧРПГС в тяжелых станках 268
Раздел 6. Синтез реечных передаточных механизмов с промежуточными звеньями 272
6.1. Устройства линейного перемещения на базе волновой реечной передачи (ВРП) 272
6.1.1. Области применения и требуемые характеристики УЛП 273
6.1.2. Классификация УЛП на основе ВРП 277
6.2. Геометрический и кинематический синтез зацепления роликового толкателя с зубьями рейки 278
6.2.1. Синтез зацепления роликовых толкателей с зубьями рейки 279
6.2.2. Синтез закона перемещения толкателя ; 286
6.3. Силовой анализ ВРП 292
6.3.1. Силовой анализ ВРП с роликовыми толкателями 293
6.3.2. ВРП с зубчатыми толкателями 306
6.3.3. Выбор зазораи создание натяга в зацеплении 317
6.4. Экспериментальные исследования опытных образцов ВРП с промежуточными звеньями 318
6.4.1. Экспериментальный стенд и методика исследований 319
6.4.2. Экспериментальные исследования ВРП с роликовыми толкателями 326
6.4.3. Экспериментальные и теоретические исследования приводных модулей на основе ВРП 334
Заключение 340
Библиографический список 344
Приложения 1
- Обзор конструкций и методик проектирования реечных передаточных механизмов
- Силовой анализ реечных передаточных механизмов
- Методика проектирования зубчатого реечного механизма
- Проектирование механического привода с ЧРПГС
Введение к работе
Актуальность исследований.
Поступательные приводы широко применяются в металлорежущих станках, промышленных роботах, различных видах технологического оборудования, транспортных и других автоматизированных машинах.
В качестве преобразователей вращательного движения в поступательное преимущественно используются шариковые винтовые передачи (ШВП), либо передачи винт-гайка скольжения или червяк-рейка скольжения. В тяжелых многоцелевых станках, рабочие органы (РО) которых перемещаются на величину более 3-х метров, где шариковые винтовые передачи (ШВП) неэффективны, а линейные электроприводы экономически не оправданы, альтернативы применения реечных передач (РП) не существует.
Технические параметры РП, их надежность существенно влияют на характеристики качества приводов. Особо высокие требования предъявляются к механизмам следящих приводов, используемых в оборудовании с автоматизированным приводом, эксплуатируемого по схеме «безлюдной технологии». Приводы машин с РП должны отвечать современным требованиям по тяговому усилию, быстроходности, точности, отсутствию люфтов, долговечности, жесткости, виброустойчивости, высокого к.п.д. и др.
Имеющаяся ограниченная информация по РП не дает возможности конструкторам и эксплуатационникам квалифицированно разрабатывать поступательные приводы, в короткие сроки создавать конкурентоспособное технологическое оборудование. Возникает необходимость систематического изложения информационного, методического и справочного материала, а также создания программных продуктов по расчету и конструированию приводов с РП, предназначенных для использования в современном металлообрабатывающем и другом оборудовании тяжелого машиностроения, а также в проектируемых мехатронных станочных системах.
Решение проблем проектирования зубчатых реечных преобразователей движения, червячно-реечных передач с гидростатической смазкой и волновых реечных передаточных механизмов и приводов подач РО на их основе, направленное на совершенствование разрабатываемых конструкций и их методов расчета, ускорение процессов подготовки производства машин, на восполнение имеющихся пробелов по научно-методическим рекомендациям, касающихся проектирования реечных передач для тяжелых и других машин с автоматизированным приводом, является актуальной задачей.
Объектом исследования являются реечные передачи, осуществляющие рабочий процесс при поступательном перемещении рабочих органов машин с автоматизированным приводом.
Предмет исследования - процесс проектирования приводов с реечными передачами и реечных передаточных механизмов, их параметрического синтеза в соответствии с функциональными требованиями технологических модулей.
Цель диссертационной работы - разработка теории и методов проектирования реечных передаточных механизмов поступательных приводов автоматизированных машин.
Задачи исследования:
определение основных требований и параметров технических характеристик, предъявляемых к реечным передаточным механизмам (ПМ) в составе следящих приводов проектируемых крупных многоцелевых технологических модулей;
разработка теории расчета реечных передач: геометрических, кинематических и прочностных характеристик косозубого ортогонального и неортогонального реечных зацеплений, к.п.д., жесткости зубчато-реечных приводов с устройством выбора зазора и создания предварительного натяга в кинематической цепи, статических и динамических характеристик приводов при установившемся движении, учитывающих действие вектора сил в разомкнутом реечном зацеплении, уточняющей и дополняющей известные методы расчета цилиндрических зубчатых передач;
- теоретический и экспериментальный анализ впервые создаваемого
образца червячно-реечной передачи с гидростатической смазкой для
использования в приводе подачи опытно-промышленного образца тяжелого
станка с контурной системой ЧПУ;
- теоретические и экспериментальные исследования впервые создаваемых
волновых реечных передач и разработка рекомендаций по проектированию на
их основе автономных электромеханических модулей линейного перемещения;
разработка рекомендаций по управлению проектированием поступательных механизмов следящих реечных приводов с автоматизированным приводом на основе использования в средах CAD/CAM/CAE разработанных программных модулей, позволяющих сократить сроки конструкторско-технологической подготовки производства, оптимизировать параметры машин на стадии конструирования и моделирования.
Методы исследований:
При решении поставленных в работе задач применялись:
известные положения теоретической механики, сопротивления материалов, деталей машин, теории колебаний, технологии машиностроения, методов численного и конечно-элементного анализа в программных комплексах Ansys, CosmosWorks, MathCad, SolidWorks - при разработке математических моделей реечных передаточных механизмов;
- экспериментальные исследования реечных передаточных механизмов и
приводов на специально спроектированных и изготовленных стендах;
- производственные и экспериментальные исследования опытно-
промышленных образцов реечных передач и следящих реечных приводов при
производственных испытаниях станков с автоматизированным
электроприводом с использованием современного измерительного
оборудования;
Новые научные результаты
1. Впервые систематизированы и уточнены базовые технические
показатели исполнительного механизма реечного поступательного следящего
привода на основе анализа взаимодействия в рабочем процессе подсистем
технологических обрабатывающих модулей (ТОМ) многоцелевых тяжелых
станков.
-
Разработаны математические модели зубчатых механизмов, обеспечивающие выбор параметров зубчатого реечного зацепления и формирование программных комплексов для автоматизированного расчета зубчатых реечных и волновых реечных передач поступательного перемещения рабочих органов (РО) технологических модулей, отличающихся от параметров цилиндрических зубчатых передач.
-
Разработаны программы расчета на ЭВМ, защищенные свидетельствами Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам №2008612284 «Программный комплекс для проектирования, профилирования и создания твердотельной 3D модели кулачка для волнового реечного механизма с кулачковым приводом», №2007610858 «Программный комплекс для проектирования и анализа волнового реечного механизма с эксцентриковым приводом», №2008615056 «Программный комплекс для проектирования ортогональных и неортогональных реечных передач с возможностью создания прямозубой и косозубой шестерни реечного привода», № 2009613278 «Программный модуль по расчету динамики привода к программе Rack&Gear».
4. Впервые выведены аналитические зависимости для определения к.п.д.
реечных передач на основе учета действия сил в разомкнутом зацеплении
ведущего звена с рейкой и анализа системы коэффициентов потерь в
зацеплении, подшипниковых опорах приводной шестерни (червяка) и
направляющих поступательно перемещаемого РО.
4. Разработаны математическая модель и методика расчета устройства
выбора зазоров в реечном приводе, учитывающие, в отличие от известных
моделей замкнутых зубчатых механизмов, упругую связь в реечном зацеплении
и упругость натяжного устройства, позволяющие при проектировании
определять требуемую суммарную жесткость привода по заданным внешнем
воздействии и допустимом смещении РО, минимальную и максимальную
величину силы предварительного натяжения в зацеплении.
5. Разработана математическая модель контактного многопарного
взаимодействия в зацеплении консольной шестерни и рейки, учитывающая
поперечную и крутильную жесткость шестерни и позволяющие выявлять
характер распределения и величину контактных напряжений от действия сил,
приложенных к рейке, уточнять на их основе величину расчетного
коэффициента нагрузки в зубчатом реечном зацеплении по ГОСТ 21354-87.
6. Впервые в отечественной практике создана совместно с НПО ЭНИМС
конструкция безызносной червячно-реечной передачи с гидростатической
смазкой (ЧРПГС) и системой подвода смазки через вращающийся червяк и
рейками с полимерным покрытием рабочих профилей, примененная в приводе
подачи стола многоцелевого станка с ЧПУ, и отработана технология ее производства, позволившие организовать опытно-промышленный выпуск тяжелых станков с ЧПУ и их успешную эксплуатацию в оборонной промышленности, получившая рекомендацию к централизованному производству для станкостроения.
7. Впервые научно обоснована и создана волновая реечная передача (ВРП), преобразующая возвратно-поступательное перемещение дискретных толкателей, взаимодействующих с кулачковым валом, в равномерное поступательное перемещение рейки, предназначенная для создания на ее основе автономных электромеханических мехатронных линейных вводов движения, включая ввод в герметичное пространство. Положения, выносимые на защиту:
-
Система базовых технических показателей исполнительного механизма реечного поступательного следящего привода, полученная на основе анализа взаимодействия в рабочем процессе подсистем технологических обрабатывающих модулей многоцелевых тяжелых станков.
-
Математические модели механизмов поступательного перемещения, обеспечивающие, выбор параметров зубчатого реечного зацепления, отличающиеся от параметров цилиндрических зубчатых передач, и позволяющие формировать программные комплексы для автоматизированного расчета зубчатых реечных передач.
-
Расчетные зависимости для определения к.п.д. реечных передач на основе анализа системы коэффициентов потерь в зацеплении, подшипниковых опорах приводной шестерни (червяка) и направляющих, учитывающих действие сил в разомкнутом зацеплении ведущего звена с рейкой.
4. Методика расчета устройства выбора зазоров и создания натягов в
реечном приводе, учитывающая упругую связь в реечном зацеплении и
упругость натяжного устройства, позволяющая определять требуемую
суммарную жесткость привода, по заданным внешней нагрузке и допустимой
деформации, минимальную и максимальную величину силы предварительного
натяжения в зацеплении.
-
Конечно-элементная модель контактного многопарного взаимодействия в зацеплении консольной шестерни и рейки, учитывающие поперечную и крутильную жесткость шестерни, позволяющая выявлять характер распределения и величину контактных напряжений от действия сил, приложенных к рейке и уточнять на их основе величину расчетного коэффициента нагрузки в зубчатом реечном зацеплении по ГОСТ 21354-87.
-
Конструкция червячно-реечной передачи с гидростатической смазкой (ЧРПГС) с системой подвода смазки через вращающийся червяк и рейками с полимерным покрытием рабочих профилей, примененная в приводе подачи стола многоцелевого станка с ЧПУ.
-
Созданная волновая реечная передача (ВРП), преобразующая возвратно-поступательное перемещение дискретных толкателей, взаимодействующих с кулачковым валом, в равномерное поступательное перемещение рейки. Разработана конструкция и выполнены теоретические и
экспериментальные исследования по созданию нового типа реечного механизма с промежуточными звеньями, предназначенного для автономного электромеханического мехатронного линейного ввода, включая ввод в герметичное пространство.
Реализация и практическая значимость работы.
-
Разработаны методики проектирования механических систем следящего привода поступательного движения РО с зубчатым реечным преобразователем, а также с ЧРПГС, включающие разработку технического задания (ТЗ), подготовку исходных данных на основе ТЗ, кинематический расчет привода с подбором широкорегулируемого электропривода, синтезом кинематической и конструктивной схемы механической системы с устройствами выбора зазоров.
-
Разработаны рекомендации по управлению проектированием поступательных механизмов следящих реечных приводов рабочих органов машин с автоматизированным электроприводом на основе использования разработанных программных модулей САПР Rack&Gear в средах CAD/CAM/CAE, позволяющих оптимизировать параметры конечного звена зубчатого реечного привода по критерию максимального значения парциальной частоты его колебаний, сократить сроки конструкторско-технологической подготовки производства.
-
Разработанная и освоенная в производстве конструкция и технология производства ЧРПГС, защищенная охраноспособными документами, внедрена на Минском предприятии «МЗОР» (станки моделей 6М610ФЗ,6М612ФЗ, 6М616ФЗ), Ульяновском предприятии «УЗТС» (станок модели 6620МФ4) и рекомендована НТС отрасли станкостроения к организации серийного производства, с учетом доработки конструкции для повышения ее быстродействия и жесткости. Станки «МЗОР» с ЧРПГС в приводах РО уже около 30 лет успешно эксплуатируются, обеспечивая паспортную точность, на предприятии ЗАО «АВИАСТАР-СП» г. Ульяновск.
-
Разработанные методики расчетов динамических характеристик приводов при установившемся движении РО тяжелых станков, приводимых в движение зубчатой реечной передачей с выбором зазоров в зацеплении и безлюфтовой червячно-реечной передачей с гидростатической смазкой, позволяют определить амплитудно-частотные характеристики системы при переменном положении центра масс и расчетных инерционно-массовых, упругих и демпфирующих параметрах на стадии проектирования;
5. Разработанная методика расчета и синтеза ВРП, защищенная охраноспособными документами, позволила выполнить проектирование и изготовление для предприятия п/я Г-4147 и некоторых других конструкцию манипулятора- перегрузчика.
Апробация работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались на IV Всесоюзном совещании по робототехническим системам (Киев, 1987); Краевой научно-технической конференции «Устройства и системы автоматики автономных объектов» (Красноярск, 1987); Краевой научно-технической конференции «Молодежь и наука -третье тысячелетие» (Красноярск, 1999); IV международном конгрессе
«Конструкторско-технологическая информатика - 2000» (Москва, 2000); 7-й
международной конференции «Системы проектирования, технологической
подготовки производства и управления этапами жизненного цикла
промышленного продукта, (CAD/CAM/PDM-2007)» (Москва,2007); 5-й
Российской научно-технической конференции «Математическое
моделирование и компьютерный инженерный анализ» (Екатеринбург, 2008);
научно-практической конференции «Российское инновационное
станкостроение. Комплексные технологии. Наука. Производство» и 10-й Международной выставке "Металлообработка 2008" (Москва,2008г.); XXIX Российской школе, посвященной 85-летию со дня рождения академика В.П.Макеева «Наука и технологии» (Миасс, 2009); на заседаниях технических советов предприятий станкостроения и семинарах кафедры ПиЭММ СФУ.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 61 научная работа, включая 9 работ по списку ВАК, 13 патентов и авторских свидетельств на изобретения, 11 свидетельств о регистрации программ для ЭВМ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, списка библиографических источников, приложений.
Объем работы 387 страниц, в том числе 365 страниц основного текста, 198 рисунков, 34 таблицы, 237 библиографических источников.
Обзор конструкций и методик проектирования реечных передаточных механизмов
Рассмотрим конструктивные особенности и некоторые характеристики реечных ПМ с приводными цилиндрическими зубчатыми колесами. В классической схеме зубчатого реечного ПМ ось реечного зубчатого цилиндрического колеса перпендикулярна (ортогональна) направлению движения рейки. Ортогональные зубчатые реечные ПМ (ОЗРПМ) используются в металлорежущих станках, промышленных роботах, различных видах технологического оборудования, транспортных и других машинах.
Основной кинематической характеристикой реечного ПМ является его передаточное отношение. В работе [33] предложена характеристика передаточного отношения выходного звена привода: где Vn - скорость РО; пв - частота вращения выходного звена; t = Dd - ход винта или величина; nd — длина делительной окружности приводной шестерни. Такая характеристика противоречит принятой в теории механизмов и машин зависимости [220], согласно которой в качестве передаточного отношения следует рассматривать отношение скоростей входного звена а)мех к линейной скорости Vn выходного звена.
В качестве передаточного отношения ім в ОЗРПМ следует принять зависимость Зависимость (1.12) показывает, что редукция в ОЗРПМ обратно пропорциональна величине радиуса делительной окружности ведущего звена. Скорость поступательного перемещения рабочего органа в этом случае следует рассчитывать по формуле где пд - частота вращения двигателя (об/мин); Up — передаточное число редуктора.
Среди положительных качеств ОЗРПМ, кроме неограниченной величины перемещения РО, следует отметить обеспечение постоянства характеристик жесткости, приведенной к РО, независимо от его положения на направляющих неподвижного основания; высокую скорость перемещения РО; большое значение тягового усилия; высокий КПД; низкую стоимость изготовления и сборки; долговечность.
К недостаткам ОЗРПМ можно отнести малую редукцию; низкую много-парность в прямозубом зацеплении звеньев передачи; разомкнутость силовой схемы зацепления звеньев передачи.
Направляющие перемещаемого рабочего органа и основание машины испытывают силовые воздействия в результате взаимодействия звеньев в разомкнутой схеме зацепления реечной передачи. Силы в зацеплении реечной передачи вызывают деформации в несущей системе, что вносит искажение в программное координатное положение РО или инструмента, если в программе не вводится необходимая компенсация возникающих ошибок.
Обеспечение требования устранения зазоров и создания натяга в цепи привода подач, плавности и чувствительности перемещений РО наряду с применением конструктивных и технологических решений диктует необходимость повышения точности при изготовлении реечных передач. Современное оборудование и технология позволяют достигать высокой кинематической точности в передаче. Швейцарская компания Gudel AG, например, выпускает зубчато-реечные передачи (ЗРП) с модулем 0,6-10 мм, в которых обеспечивается точность, указанная в табл. 1.5.
Уровень точности отечественных зубчато-реечных передач, устанавливаемых ГОСТ 10242-81, уступает лучшим зарубежным производителям. По ГОСТ 10242-81 накопленная кинематическая погрешность шага на длине рейки 1 м при 7-й степени точности составляет 135 мкм, что вдвое превышает норму, устанавливаемую компанией Gudel AG.
Основным недостатком ОЗРПМ является малая редукция в передаче, обусловленная большими размерами конечного звена - реечного зубчатого колеса. Так, в приводе тяжелого фрезерного станка используется реечное зубчатое колесо, развернутая длина делительной окружности которого равна 1 658 мм [24]. Для сообщения рабочему органу малых скоростей подач в конструкцию привода необходимо встраивать редуктор с большим передаточным отношением. Такой привод обладает большой величиной зазоров в кинематической цепи и малой жесткостью. Для уменьшения радиальной составляющей тягового усилия в разомкнутой схеме реечной передачи иногда применяют уменьшенный угол исходного профиля зуборезного инструмента (рис. 1.13).
В следящих приводах подач машин используются редукторы с двумя выходными реечными шестернями, в которых применяется устройство выбора зазоров в передачах и подшипниках за счет осевого перемещения ведущего вала, оснащенного шестернями с разным направлением зубьев (рис. 1.14).
В приводах столов продольно-строгальных, строгально-фрезерных и продольно-шлифовальных станков используются неортогональные зубчатые реечные ПМ.
Силовой анализ реечных передаточных механизмов
В зацеплении косозубой шестерни с рейкой на радиусе делительной окружности шестерни действуют три составляющие нормального усилия. Тяговое усилие на рейке Ft, являющееся также окружным усилием F0K на шестерне, создает нормальное усилие в зацеплении: Тяговое усилие создает также боковое (осевое) усилие, действующее на рейку и приводную шестерню, и радиальную (распорную) силу где р = a tan( ,) - угол трения в зацеплении. Указанные составляющие окружной, нормальной и боковой сил воспринимаются, с одной стороны, опорами ведущего звена, с другой - направляющими подвижного звена, несущего рейку. В вертикальной плоскости, где расположена нормальная сила Fn, в зацеплении шестерни с рейкой действуют также силы трения скольжения зубьев, направленные по касательной к поверхности зуба рейки (рис. 2.10). Силы трения в зацеплении не создают осевого воздействия на ведущее звено и бокового воздействия на рейку. Особенностью винтовой зубчато-реечной передачи (ВЗРП) является наличие значительного усилия, направленного вдоль оси приводного звена. В зависимости от схемы зацепления оно может составлять 50-80 % от величины тягового усилия. По этому показателю ВЗРП приближаются к передачам винт-гайка. На рис. 2.11 приведена схема скоростей и сил в ВЗРП. Введем обозначение сил в зацеплении, как и в ортогональной зубчато-реечной передаче. Окружное усилие F0K на шестерне складывается из двух составляющих: проекции тягового усилия/ (отрезок ОТ) и проекции силы трения / (отрезок ОЕ) в зацеплении. По известному тяговому усилию на рейке Ft нормальное усилие в зацеплении определим по формуле где (Зр - угол наклона зубьев рейки. Окружное усилие на ведущем звене определяется как сумма составляющих от тягового усилия и силы трения в зацеплении: Тяговое усилие и сила трения создают боковое усилие, действующее на рейку, величину которого определим по зависимости Осевую силу, действующую на ведущее звено, определим в зависимости от окружного усилия и угла установки ведущего звена: КПД ортогональной зубчатой РП может быть оценен по сумме потерь на трение в зацеплении, в подшипниковых опорах ведущего звена и в направляющих ведомого звена. Потери на перемешивание масла можно не учитывать из-за малой частоты вращения ведущего звена, а также из-за отсутствия в ряде конструкций РП масляной ванны, т. к. смазка — струйная, а частота вращения шестерни - малая. Коэффициент потерь в зацеплении гр3 можно определять, как и для цилиндрических зубчатых передач, по методике В. Н. Кудрявцева, Ю. Н. Кирдя-шева,Е. Г. Гинзбурга [115, 116]: С ростом скорости поступательного перемещения рабочих органов (в диапазоне 3-10 000 мм/мин) коэффициент потерь в зацеплении гр3 для реечных передач уменьшается на 12 % (рис. 2.12). Коэффициент потерь в подшипниковых опорах качения ведущего звена можно определять по известным эмпирическим соотношениям моментов трения и передаваемых крутящих моментов [115].
Методика проектирования зубчатого реечного механизма
В условиях эксплуатации реечные передачи в приводах перемещения рабочих органов многоцелевых машин подвержены действию широкого диапазона нагрузок, постоянному изменению направления действия нагрузок при реверсировании движения, изменению характера взаимодействия звеньев в широком диапазоне относительно низких скоростей перемещения РО (0,000016-ОД 6 м/с). В то же время силовая реверсивная нагрузка в передачах достигает 80 и более кН с возможными кратковременными перегрузками в технологическом процессе обработки. В приводах подач технологических машин с автоматическим управ лением необходимо достижение высокой точности перемещения РО и ее сохранение в течение всего срока службы.
Зубчатые реечные передачи обычно относят к передачам открытого типа, т. е. к передачам со слабой степенью защищенности от воздействия внешней среды, в частности от попадания абразива в зону зацепления. Реечное зацепление, используемое в приводах рабочих органов тяжелых станков, частично защищено от влияния внешней среды заводского цеха щитками телескопического типа. Кроме того, смазка зоны зацепления осуществляется струей масла, предварительно отфильтрованного в централизованной станции смазки. В этих условиях такие реечные передачи можно отнести к передачам закрытого типа, но с возможностью попадания в зону зацепления мелкой взвешенной абразивной пыли на участках реек, относительно редко участвующих в работе привода.
Учитывая перечисленные требования и условия эксплуатации, критериями работоспособности зубчатых реечных передач для тяжелых многоцелевых машин с автоматическим управлением, эксплуатируемых с выбором зазоров и натягом в зацеплении, следует считать: - контактную выносливость рабочих поверхностей зубьев; - выносливость зубьев при изгибе с реверсивной нагрузкой; - прочность зубьев при кратковременных пиковых перегрузках. Режим нагружения реечной передачи для многоцелевой машины — переменный, как по передаваемой нагрузке, так и по частоте вращения шестерни. При проектном и проверочном расчетах целесообразно принять режим нагружения в виде типового по ГОСТ 21354-87 (рис. 3.2). В качестве типового для зубчато-реечной передачи привода подачи РО в соответствии с рекомендациями [210, 191] следует принять средний равноверо ятный режим. В табл. 3.2 приведены значения коэффициентов приведения по контактным напряжениям и напряжениям изгиба для типовых режимов.
Для широкорегулируемого реечного привода суммарное число циклов нагружения шестерни рекомендуется определять по зависимости [126] где пр1 - расчетная частота вращения шестерни; Lh - заданный срок службы передачи, ч. По данным НПО ЭНИМС [15] в качестве расчетной частоты в приводах с диапазоном регулирования D = — SPMHH принимают верхнее значение частоты вращения из нижней трети диапазона частот. Если известна ориентировочная величина делительного диаметра шестерни d0, то Так, при диапазоне скоростей рабочего органа D = 10 000 значении минимальной скорости VspMHH = 0,001 м/мин и d0 = 150 мм, расчетная частота вращения шестерни пр1 7 об/мин (максимальная частота вращения шестерни в приводе рабочего органа при VycK = 10 м/мин пртпах = 21,2 об/мин). Суммарное число циклов нагружения зубьев рейки при расчете контактных напряжений определим по зависимости (3.5), заменив в ней частоту вращения пр1 на приведенную условную частоту пр2, получим (3.7) где Lx - расчетная минимальная длина перемещения рабочего органа машины, мм. При Lx — 4 000 мм для рассматриваемого случая получим пр2 = 0,825. Для реечных передач по аналогии с расчетом цилиндрических зубчатых передач в качестве расчетной следовало бы применить схему контакта цилиндра радиуса і? С плоскостью в полюсе зацепления. В этом случае максимальное напряжение в зоне контакта по Герцу при действии нормальной силы Fn будет следующим: где Uj, "i - коэффициент Пуассона и модуль упругости материалов шестерни и рейки; bzmin - суммарная минимальная длина контактных линий; рпр - приведенный радиус кривизны в контактной точке, определяемый по зависимости (2.5). Однако в качестве расчетных для реечных зубчатых передач следует принять точки контакта по линии зацепления, соответствующие вершинам зубьев рейки. Это предложение основывается на исследованиях зубчатых передач с большим передаточным числом [160], а также на расчетных значениях контактных напряжений вдоль линии зацепления (табл. 3.3), подтвержденных результатами моделирования для первой пары контакта зубьев (см. рис. 2.32, а). Рассмотрим изменение приведенного радиуса кривизны при перемещении точки контакта по линии зацепления для реечных передач, в которых число зубьев колеса, а следовательно, и передаточное число равно бесконечности. В точке М0 входа шестерни в зацепление с рейкой (рис. 2.1)
Проектирование механического привода с ЧРПГС
Конструктивные схемы привода РО с использованием ЧРПГС могут быть двух типов: с неподвижно установленным конечным звеном и с конечным звеном, установленным на перемещаемом РО.
На рис. 4.12 приведена схема стационарного привода, установленного на станине. Редуктор с двигателем и предохранительной муфтой при этом уста навливается в конечной точке хода РО. В этом варианте может быть использован стандартный редуктор с минимальной величиной углового люфта. Система питания гидростатических опор удобно располагается на неподвижном рабочем органе. Недостатком схемы является длинный трансмиссионный вал, соединяющий редуктор с конечным звеном. Вал обладает значительным моментом инерции, что отрицательно сказывается на работе следящего привода.
Схема привода подачи, установленного на перемещаемом рабочем органе (рис. 4.13) обладает лучшими динамическими характеристиками, чем стационарный привод. Однако он конструктивно более сложен, имеет более протяженную кинематическую цепь. Система питания гидростатических карманов в этом случае также должна быть размещена на подвижном рабочем органе. Недостатком схемы является открытое положение прецизионной червячной ре ки, для которой требуется устройство защиты.
К исходным данным РО относятся: перемещаемая масса тро, максимальное требуемое тяговое усилие Ft, максимальная рабочая скорость VsPMaKC, скорость ускоренного перемещения VycK.
К исходным данным конечного звена привода относятся: приведенный момент инерции на оси червяка от расчетной массы РО /Пр(іооо момент инерции червяка Д, максимальный рабочий крутящий момент Ттах, внешний крутящий момент холостого хода Твну, частота вращения червяка максимальная рабочая nls , частота ускоренного вращения п1тах.
К исходным данным элементов привода относятся: момент инерции трансмиссионного вала и редуктора J2, момент инерции ротора двигателя Jdp, Sjp — коэффициент увеличения момента инерции двигателя от деталей, установленных на его оси, номинальный крутящий момент двигателя Тн, А — перегрузочная способность двигателя по моменту, номинальная частота вращения ротора двигателя щп.
Методика подбора двигателя немного отличается от изложенного в п. 2.4.2 и состоит из следующих этапов.
