Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Бытовое обслуживание является одной из социально значимых сфер экономики, обеспечивает удовлетворение потребностей населения в разнообразных видах сервисных услуг и играет значительную роль в создании комфортных условий для жизни, работы и отдыха жителей.
Для создания комфортных условий для жизни и работы используются машины бытового назначения (швейные, стиральные и др.).
Большинство машин бытового назначения имеют механические передачи, которые занимают промежуточное положение между двигателем и исполнительным органом. Для экономии энергии, повышения качества продукции и увеличения производительности технологического оборудования, наиболее полного приспособления коммунальных машин (снегоуборочные и мусороуборочные машины и др.) к условиям движения передачи должны в достаточно широком диапазоне дозировать механическую энергию. Для машин бытового назначения, используемых в сфере услуг (швейные и стиральные машины, центрифуги), особенно актуальна проблема плавного запуска и регулирования частоты вращения, которая решается в настоящее время путем применения достаточно сложных электромеханических устройств. В то же время в смежных областях можно найти достаточно примеров, подтверждающих, что возможности механических передач далеко не исчерпаны и использование бесступенчатых передач является наиболее перспективным в решении проблемы плавного запуска и регулирования частоты вращения исполнительного органа.
Совершенствование конструкций бесступенчатых передач – вариаторов – продолжается уже около ста лет, и за это время было создано три класса механических вариаторов – фрикционные, импульсные и зубчатые. Особую актуальность задача создания совершенного вариатора приобрела в связи с повышением требований к экологичности и экономичности транспортных и технологических систем, работающих в условиях городов и других населенных пунктов.
Современные фрикционные и импульсные вариаторы имеют ряд недостатков. Главный недостаток импульсных вариаторов – большая виброактивность механизма и ненадежная работа муфты свободного хода, являющейся механическим выпрямителем высокочастотных колебаний. Главный недостаток фрикционных вариаторов – невозможность передачи с помощью тангенциальных сил трения, имеющих нестабильную природу, достаточно плотного потока энергии. Кроме того, фрикционные вариаторы требуют применения трансформатора момента, так как не могут обеспечить передаточного отношения, равного бесконечности, когда выходной вал неподвижен при подвижном входном (режим запуска).
В 70-е годы было сделано несколько попыток разработки дифференциальных зубчатых вариаторов, содержащих дифференциал и нагружающее или регулирующее устройство, в качестве которого использовался червячный редуктор с управляющим приводом. Исследования показали, что дифференциальный вариатор принципиально отличается от всех известных, поскольку не требует трансформатора момента или даже сцепления. Тем не менее КПД такого вариатора очень низок, поскольку половина энергии выделяется на тормозном устройстве в виде тепла, а использование червячного редуктора в качестве сервопривода еще и усложняет конструкцию, сводя на нет преимущества зубчатого вариатора.
Современное технологическое оборудование, применяемое в сфере коммунального хозяйства, требует все более точного дозирования мощности и момента в приводных устройствах, поэтому, несмотря на вышеуказанные трудности, применение вариаторов практически всех известных систем постоянно расширяется. Требует своего решения и без сомнения привлекательная задача создания дифференциального вариатора, не получившая развития по причине отсутствия достаточно эффективного генератора момента. Решение этой задачи открывает заманчивые перспективы в области точного управления механизмами коммунального хозяйства и всей машиностроительной отрасли в целом, поскольку в большинстве технологических процессов на самом деле необходимо регулировать именно момент, а не частоту вращения.
Соответствие диссертации плану работы ЮРГУЭС и целевым комплексным программам. Исследования выполнены в соответствии с госбюджетной НИР кафедры «Прикладная механика и конструирование машин» «Разработка, исследование и совершенствование рабочих органов, приводов и систем управления машин», государственным контрактом по программе УМНИК «Разработка механизмов и программно-аппаратных средств транспортных и технологических машин», государственным контрактом № 7234р/10119 2009 г.; государственным контрактом на производство научно-технической продукции в рамках ЕЗН по теме «Разработка теоретических основ проектирования устройств вариации скорости и мониторинга критических состояний фрикционных систем транспортных средств» (ЮРГУЭС 2.10.Ф) 2010 г.; государственным контрактом № 9586р/14222 по программе УМНИК «Проведение исследований в области новых материалов, информационных и живых систем с целью разработки современных инновационных технологий» 2011 г.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка вариатора для приводов коммунальных машин и оборудования сферы услуг, позволяющего плавно регулировать движущий момент и изменять передаваемую мощность.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:
проанализировать конструкции силовых приводов коммунальных машин и существующих конструкций вариаторов и установить причины, препятствующие использованию дифференциальных вариаторов момента в составе приводов;
исследовать конструкции и свойства замкнутых стендов для испытания зубчатых колес в плане возможностей их применения в качестве нагрузочных устройств вариаторов;
разработать и исследовать планетарное нагрузочное устройство на базе замкнутого стенда для испытания зубчатых колес;
определить регулировочные характеристики планетарного нагружателя и обосновать принципы его функционирования;
исследовать влияние смазки, материалов зубчатых колес и скоростей их вращения на регулировочные характеристики вариатора;
разработать и изготовить экспериментальный образец вариатора момента с дифференциалом неравных моментов для приводов коммунальных машин;
провести комплексное теоретико-экспериментальное исследование экспериментального образца вариатора момента и оценить его работоспособность и технические характеристики.
Объектом исследования являются приводы коммунальных машин и оборудования сервиса с дифференциальным зубчатым вариатором момента
Предметом исследования являются принципы функционирования и силомоментные характеристики дифференциального зубчатого вариатора момента и планетарного нагружателя в составе привода коммунальных машин и оборудования сервиса.
Методология и методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовались основные методы физики, теории механизмов и машин, математической статистики, а также метод электромеханических аналогий и экспериментально-аналитический метод исследований. При обработке результатов экспериментов использовались методы математической статистики, математического моделирования, поискового конструирования.
Научная новизна:
предложена новая концепция вариатора момента для приводов коммунальных машин, позволяющего изменять движущий момент при постоянном кинематическом передаточном отношении;
разработаны теоретические принципы функционирования планетарного нагружателя, или генератора момента в составе вариатора, основанные на инверсии регулировочных характеристик в характеристики сопротивления; установлено соотношение между активными и реактивными составляющими его полного механического сопротивления;
в результате экспериментальных исследований определены и формализованы зависимости характеристики сопротивления генератора момента и диапазона регулирования вариатора в целом от смазок, материалов зубчатых колес и скоростей их вращения.
Практическая значимость работы:
разработаны и запатентованы технические и схемные решения зубчатых вариаторов момента с симметричным дифференциалом и дифференциалом неравных моментов;
разработаны и внедрены в производство и в учебный процесс методика расчета и конструирования зубчатого вариатора момента и рекомендации по его практическому применению
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, представленных в диссертации, подтверждается результатами экспериментальных исследований, а также испытанием экспериментального образца зубчатого вариатора момента.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно- технических конференциях Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (г. Шахты, 2008-2012 гг.), на научно-технических конференциях Южно-Российского государственного технического университета (г. Новочеркасск, 2009-2011 гг.), на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса: образование, наука, производство» (РГУПС г. Ростов-на-Дону, 2009 г.), на VI международной научно-технической конференции «Научное пространство Европы - 2010» (Польша, 2010 г.), на VI международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» (г. Пенза, 2010 г.), на V Всероссийской конференции «НАЦИОНАЛЬНОЕ ДОСТОЯНИЕ РОССИИ» (г. Москва, 2011 г.), на III Межрегиональной научно-практической конференции «Научный потенциал молодежи – будущему России» (г. Волгодонск, 2012 г.).
Разработка экспонировалась на выставках разного уровня, в том числе на «I Молодёжном инновационном конвенте Южного федерального округа» (г. Ростов-на-Дону, 2009 г.), VIII специализированной выставке инноваций «ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ XXI ВЕКА» (г. Ростов-на-Дону, 2011 г.), «Молодёжном инновационном конвенте Ростовской области» (г. Ростов-на-Дону, 2011, 2012 гг.); на Всероссийском конкурсе научно-технических проектов «ЭВРИКА 2011» (г. Новочеркасске, 2011 г.) и на III Всероссийском конкурсе научно-технических проектов «УМНИК на СТАРТ» (г. Рязань, 2012г.)
Полностью работа обсуждалась и рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры «Прикладная механика и конструирование машин» ЮРГУЭС с участием ведущих преподавателей кафедр «Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения» и «Математика», а также представителей других вузов и организаций.
Внедрение результатов диссертационной работы.
Результаты диссертационной работы приняты к использованию в проектно-конструкторской деятельности ООО НПО «Зубчатые трансмиссии» г. Рязань при разработке новых бесступенчатых приводов для металлорежущих станков, технологических машин и оборудования сферы сервиса.
Материалы диссертации использованы в учебном процессе при изучении дисциплины «Конструкторский расчет и потребительские свойства изделия», в Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено два патента на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложений и содержит 185 страниц машинописного текста, 70 рисунков, 45 таблиц, и список источников из 124 наименований.
Диссертация выполнена на кафедре «Прикладная механика и конструирование машин» Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса.
