Введение к работе
Актуальность работы. Обеспечение надежности и безопасной эксплуатации транспортно-технологических машин является актуальным научно-техническим направлением в развитии современного машиностроения. В конструкциях транспортно-технологических машин широко применяются карданные передачи, включающие карданные шарниры неравных угловых скоростей, которые в силу множества конструктивных и эксплуатационных факторов часто выходят из строя.
Разработке теории проектирования и конструкций карданных передач с целью повышения надежности и долговечности, как передач, так и транспортно-технологических машин и оборудования посвящены исследования Гайдара С. М., Голубева И. Г., Дегтярева М. Г., Дьякова И. Я., Егорова Л. А., Ереско С. П., Ереско Т. Т., Ерохина М. Н., Ефимцева А. В., Иванова С. Н., Кожевникова С. Н., Лапшина С. А., Лысова М. И., Лялякина В. П., Малаховского Я. Э., Меновщикова В. А.,Пастухова А. Г., Сигаева А. М., Тимашова Е. П., Флика Э. П., Харазия Л. В., Цитовича И. С., Черноиванова В. И., Чудакова Е. А. и др.
Статистика и характер отказов карданных передач с шарнирами неравных угловых скоростей в эксплуатации выявили наиболее слабое звено, а именно карданные шарниры с игольчатыми телами качения. Анализ результатов эксплуатационных и стендовых испытаний указанных шарниров выявил наличие секторного износа рабочих поверхностей крестовины карданного шарнира, обусловленного кинематикой возвратно-вращательного относительного движения трущихся поверхностей. Поэтому в подшипниковых узлах карданных шарниров неравных угловых скоростей реализуется лишь 30…60% их потенциального ресурса по критерию износа, а значит разработка мероприятий, направленных на доиспользование этого потенциального ресурса, является перспективным направлением.
Основные результаты диссертационного исследования получены автором при выполнении государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации № 9.447.2014/к в качестве исполнителя в сроки обучения в очной аспирантуре ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет науки и технологий имени М.Ф. Решетнева». Таким образом, задача повышения долговечности карданных передач за счет совершенствования конструкции карданных шарниров и способа технического обслуживания карданных передач, является актуальной
Степень разработанности проблемы. Известные методики проектирования карданных передач до настоящего времени не учитывали существенные конструктивно-режимные факторы, влияющие в итоге на точность расчетов при проектировании, такие как соотношение параметров длины, угла излома карданного вала и его угла закручивания при работе под действием нагрузочных моментов, и не позволяли исследовать равнопрочность конструкции карданной передачи в целом. Патентные исследования показывают, что совершенствование конструкций карданных
передач и способов их технического обслуживания интенсивно продолжается.
Цель исследования - совершенствование конструкции и методов проектирования карданных передач с шарнирами неравных угловых скоростей, а также способа их технического обслуживания.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи исследования:
-
Усовершенствовать методику расчета и оптимизации конструктивно-режимных параметров карданных передач с шарнирами неравных угловых скоростей за счет учета неучтенных факторов, а именно угла закручивания карданного вала в сочетании с переменным углом излома карданной передачи, переменной длинной, передаваемым вращающим моментом и частотой вращения карданного вала в условиях ступенчатого нагружения переменным тормозным моментом.
-
Провести экспериментальные исследования по выявлению влияния длины карданной передачи, угла излома карданной передачи, тормозного момента, частоты вращения карданной передачи на угол закручивания вала карданной передачи с получением соответствующих регрессионных моделей для введения их в усовершенствованную методику расчета карданных передач.
-
На основе экспериментально-теоретических исследований вывести зависимости для определения коэффициента полезного действия карданной передачи, как критерия оптимизации ее конструктивно-режимных параметров.
-
Разработать комплекс программ для расчета и оптимизации конструктивно-режимных параметров карданных передач.
-
Оптимизировать конструктивно-режимные параметры серийных карданных передач исходя из принципа соблюдения равнопрочности конструкции.
-
Разработать практические предложения по совершенствованию конструкций карданных передач и их элементов, а также способов их технического обслуживания.
7. Провести прогнозные расчеты долговечности и предельного ресурса
предлагаемых новых конструктивных решений карданных передач и способа
их технического обслуживания.
Объектом исследования является карданная передача с карданными шарнирами неравных угловых скоростей на игольчатых подшипниках, широко применяемая в трансмиссиях транспортно-технологических машин.
Предметом исследования является процесс проектирования и эксплуатации карданной передачи с шарнирами неравных угловых скоростей транспортно-технологических машин.
Научная новизна. Усовершенствованная методика расчета проектных параметров карданных передач, реализованная в разработанном впервые комплексе программ, учитывает угол закручивания карданного вала и угол излома карданной передачи в сочетании с переменными параметрами длины,
нагружающего момента и частоты вращения, а также принцип равнопрочности всех элементов конструкции карданной передачи, реализованный применением специализированных программ конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния всех элементов конструкции, как стандартизированных передач, так и передач авторской конструкции, запатентованных и имеющих мировой приоритет по технической новизне.
Разработанное автором и использованное в работе экспериментальное оборудование, защищенное патентами на полезные модели и изобретения, позволило ввести новые неучтенные ранее конструктивные параметры, такие как угол закручивания и угол излома карданной передачи и получить новую регрессионную зависимость коэффициента полезного действия карданной передачи от длины карданной передачи, угла излома карданной передачи, частоты вращения карданного вала и тормозного момента.
На основе исследований предложены новые конструкции элементов карданных передач и новый способ их технического обслуживания, защищенные патентами на полезные модели и изобретения.
Разработан уникальный комплекс программ для проектирования карданных передач всего типоразмерного ряда и их элементов, а также для оптимизации конструктивно-режимных параметров карданных передач, в зависимости от нагрузок и условий эксплуатации.
Практическая значимость и реализация. Результаты работы получены и использованы при выполнении исследований по государственному заданию "Совершенствование конструкций и методов проектирования систем приводов транспортно-технологических машин" на 2013-2016 годы (номер 9.447.2014/к, руководитель проекта Ереско С. П.). Результаты научных исследований использованы в учебном процессе кафедры «Основы конструирования машин» Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева, а также разработана конструкция экспериментального стенда для изучения работы трансмиссий, который также внедрен в учебный процесс.
Методы исследований. Поставленные задачи решены проведением теоретических и экспериментальных исследований с использованием положений системного анализа, планирования эксперимента, регрессионного анализа, известных соотношений теории прочности и сопротивления материалов, а также применением сертифицированной программы «EREGRE», специализированных пакетов программ APM WinMachine, APM FEM, КОМПАС-3D и авторских программ оптимизации конструктивно-режимных параметров карданных передач, выполненных в среде LabView, авторское стендовое оборудование и автоматизированные калиброванные измерительные средства с записью данных на персональный компьютер.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Усовершенствованная методика расчета и оптимизации конструктивно-режимных параметров карданных передач с серийными и усовершенствованными шарнирами неравных угловых скоростей, за счет
учета неучтенных факторов, а именно угла закручивания карданного вала, в сочетании с переменным углом излома карданной передачи, переменной длинной, передаваемым вращающим моментом и частотой вращения карданного вала в условиях ступенчатого нагружения переменным тормозным моментом, а также оптимизации конструктивных размеров сменных шипов крестовины.
2. Регрессионные модели угла закручивания вала карданной передачи
и коэффициента полезного действия, зависящие от параметров: длины
карданной передачи, угла излома карданной передачи, тормозного момента и
частоты вращения карданной передачи.
-
Регрессионная модель эквивалентных напряжений в опасном сечении сопряжения сменного шипа с корпусом крестовины, зависящие от размеров сечения шестигранника Х1 (размер под ключ) и Х2 (длина) сменного шипа крестовины, полученная на основе вычислительного эксперимента по определению напряженно-деформированного состояния в среде APM WinMachine, с использованием модуля APM FEM.
-
Комплекс программ для расчета и оптимизации конструктивно-режимных параметров элементов карданных передач, разработанный в среде визуального программирования LаbView с выводом файлов обмена с пакетами прикладных программ КОМПАС-3D для построения 3D моделей карданных передач, в зависимости от задаваемых проектных параметров карданной передачи, назначаемых материалов и условий эксплуатации.
Данные научные положения отвечают пп. 1, 2, 3, 5, 7 области исследований формулы научной специальности: 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы.
Достоверность научных результатов обеспечивается сходимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований, использованием методологических принципов и фундаментальных положений механики, теории планирования эксперимента, статистической обработкой экспериментальных данных и их регрессионным анализом, подтверждающем адекватность полученных регрессионных моделей и относительную погрешность аппроксимации не превышающую 9%, а также применением численных методов, реализованных в сертифицированных пакетах прикладных программ APM WinMachine и программ разработанных автором на основе полученных адекватных регрессионных моделей и совпадением расчетных данных с экспериментальными данными других исследователей.
Апробация работы и результатов. Основные результаты исследований докладывались, обсуждались и одобрены на ежегодных международных научных конференциях: «Решетневские чтения», «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» (2012-2018), Механики XXI (2017). По теме диссертации опубликовано 62 печатные работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов по работе и списка литературы из 147
наименований и 4 приложений. Основная часть работы изложена на 170 страницах, содержит 117 формул, 46 рисунков и 29 таблиц.