Введение к работе
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.
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 ресурсо- и 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 метода 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.
Следовательно, глубокое изучение особенностей и закономерностей строения и функционирования могопоточных 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 отечественных машин 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 ресурсо- и энергосберегающих многопоточных асин- фазных зубчатых трансмиссий без избыточных связей при условии, что их кинематические схемы, универсальные конструкции и основные параметры удовлетворяют условиям функционирования приводов.
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. рег. 01.02.022889, 01.200.113813); 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. рег. 01201155309.); госбюджетных тем (2001-2005 г.г., гос. рег. 01.200.118113 и 2006-2010 г.г., гос. рег. 01.200.607116), 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 инструмента, теории планетарных зубчатых передач и сложных зубчатых механизмов, механики материалов, теории математического моделирования. 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 редукторный 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. Вулгакова, П.Г. Сидорова и многих других.
На защиту выносятся:
-
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 - 2g - h" (патент RU № 2402707).
-
Расширенная классификация простейших неделимых планетарных механизмов в одно- и 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.
-
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.
-
Уточнённый метод многомерного синтеза одноступенчатых многопоточных передач с многорядными сателлитами, с передаточными числами
u^ah 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.
-
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 (и^ ^ =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/Нм), равными углами во всех рабочих зацеплениях и другими важными свойствами.
-
Взаимосвязи между кинематическими, силовыми и энергетическими характеристиками новой передачи "3к - 2g - 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.
-
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.
-
Комплекс технических решений на основе трансмиссии "Ък -2g - h" 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 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-, шестнадцати- и 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 кНм 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-А5-22,5-12,5/14У3;
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 II-м Тульских экономических форумах (2006, 2007 г.г.), I и II-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 экспонировались на выставках "Высокие технологии. Инновации. Инвестиции" (Петербург, 2004 г.), 57-й Международной выставке изобретений "IENA-2005" (Германия, г. Нюрнберг, 2005 г.), Московской выставке-ярмарке «Приводы, узлы, детали машин и механизмов MosDrive-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.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту докт. техн. наук, проф. Петру Григорьевичу Сидорову за научно-методическую помощь в работе, а также коллегам за создание условий для подготовки диссертации.
