Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния проблемы современных приводов трубопроводной арматуры 15
1.1 Анализ аварий и отказов трубопроводной арматуры 15
1.2 Анализ механических дефектов зубчатого зацепления в планетарной передаче 18
1.3 Анализ функциональных возможностей современной трубопроводной арматуры и требования эксплуатации 28
1.4 Мехатронные аспекты проектирования приводов трубопроводной арматуры 33
1.5 Выводы по первой главе 45
ГЛАВА 2. Конструкторско-технологические методы повышения надежности механических трансмиссий мехатронных приводов ТПА 46
2.1. Обзор схем планетарной передачи 46
2.2 Сравнительные массогабаритные, кинематические и силовые параметры мехатронных приводов 49
2.3. Обоснование выбора схемы планетарного редуктора 55
2.4 Динамические особенности эксплуатации планетарного редуктора 60
2.5. Конструкция опор сателлитов с применением гибких подшипников 71
2.6 Технологические методы обработки элементов редуктора 73
2.6.1 Выбор материала 73
2.6.2 Термохимическая обработка элементов редуктора
2.6.2.1 Термическая обработка элементов редуктора в вакууме 75
2.6.2.2 Обработка поверхности детали методом «Взрыва» 77
2.7 Использование погрешностей изготовления для модификации профиля зуба 77
2.7. Аддитивные технологии 84
2.8. Выводы по второй главе 86
ГЛАВА 3. Повышение надежности мехатронных приводов с планетарным редуктором 87
3.1 Предотвращение отказов на стадии проектирования 89
3.2 Вероятность безотказной работы по критерию сопротивления контактной усталости 94
Выводы по третьей главе 102
ГЛАВА 4 Экспериментальная часть 103
4.1 Экспериментальное получение модификации зубьев (квазибочкообразности) методом «Изменения технологической базы» 104
4.1.1 Подтверждение эксперимента 108
4.2 Методика предотвращения отказов механических трансмиссий мехатронного привода ТПА на стадии проектирования 115
4.2.1 Использование ремонтно - востаносительных составов в качестве смазки 119
4.2.2 Аддитивный способ изготовления опытного образца 120
4.2.3 Создание виброакустического паспорта и дальнейший мониторинг механической трансмиссии 122
Выводы по четвертой главе 126
Заключение 128
Список литературы 130
- Анализ функциональных возможностей современной трубопроводной арматуры и требования эксплуатации
- Мехатронные аспекты проектирования приводов трубопроводной арматуры
- Конструкция опор сателлитов с применением гибких подшипников
- Методика предотвращения отказов механических трансмиссий мехатронного привода ТПА на стадии проектирования
Введение к работе
Актуальность темы.
Одной из актуальных задач, стоящих в современных условиях перед нефтегазовой, энергетической, химической и другими отраслями народного хозяйства, как следует из положений Энергетической стратегии России до 2030 года, Стратегии инновационного развития Российской Федерации до 2020 года, Государственной программы Российской Федерации «Охрана окружающей среды» на 2012–2020 гг. и Климатической доктрины Российской Федерации является повышение эксплуатационной надежности трубопроводной арматуры (ТПА), в том числе таких важных ее элементов как механические трансмиссии мехатронных приводов.
Основными причинами и факторами, способствующими возникновению аварийных ситуаций на трубопроводах, являются: 1) рост исходных дефектов (заводской брак), не выявленный в ходе испытаний при вводе в эксплуатацию оборудования, 2) нарушение нормативных условий эксплуатации, в результате т.н. «человеческого фактора». Рост влияния последнего фактора выражается в характере аварийных ситуации, которые на рассматриваемых видах производств могут привести к серьезным техногенным катастрофам, для исключения которых необходимо использовать мехатронные приводы.
Диссертация базируется на работах Э.Б. Айрапетова, В.Л. Басенюка,
О.В. Береснева, К.Н. Войнова, В.И. Гольдфарба, В.Л. Дорофеева,
В.Н. Кудрявцева, Ф.И. Плеханова, К.В. Подмастерьева, В.Я. Распопова,
А.И. Сандлера, П.Г. Сидорова, Г.А. Снесарева, В.Е. Старжинского,
Ю.Н. Сухорукова, Б.П. Тимофеева, И.Т. Тер-Матеосянца, В.В. Шульца, так и зарубежных ученых - К. Арнаудова, К. Минкова, П. Парушева (Болгария), Э. Калленбаха, Г. Винера (Германия), М. Чеккарелли (Италия), З. Домбека, В. Олексюка (Польша).
В работах указанных авторов изложены, в основном, традиционные подходы к проектированию и производству редукторов (зубчатых передач, опор), однако развитие современной науки требуют внесения существенных корректив, отражающих как текущее состояние техники и технологии, так и перспектив их развития.
Вопросы обеспечения безопасности магистральных трубопроводов приобрели в последнее время особую актуальность в связи с реализацией новых масштабных проектов, характеризующихся максимальными значениями давлений рабочей среды, диаметрами трубопроводов и сложными условиями окружающей среды. Так, строящийся магистральный нефтепровод «Восточная Сибирь – Тихий Океан» будет проходить через районы с высокой сейсмической опасностью, где температура может опускаться до минус 60 0С. В настоящее время в эксплуатации находится значительное число трубопроводов ещё советской постройки. Отсюда износ основных фондов составляет: по линейной части магистральных трубопроводов более 60%. Кроме того, идет широкомасштабное строительство газо- и нефтепроводов («Северный поток-2», «Сила Сибири» и другие), где в большом масштабе используются мехатронные
приводы. Отсюда задача исследования причин возникновения аварийных ситуаций и повышения качества трубопроводной арматуры, в том числе массово используемых мехатронных приводов, является актуальной.
Область исследования. Содержание диссертационной работы
соответствует паспорту специальности 05.02.18 – Теория механизмов и машин:
п.1. Методы кинематического и динамического анализа (в том числе
математического моделирования и экспериментального исследований)
механизмов; п.2. Синтез (в том числе автоматизированное проектирование) структурных и кинематических схем механизмов и обобщенных структурных схем машин, оптимизация параметров.
Задачи исследования: настоящей работы являются разработка
конструкторско-технологических методов повышения надежности
разрабатываемых приводов, за счет повышения точности, снижения
массогабаритных параметров, нагрузки в зацеплении и на опорах сателлитов,
что в итоге приведет к повышению конкурентоспособности и
импортозамещению приводов ТПА.
Объектом исследования является планетарный редуктор мехатронного привода трубопроводной арматуры.
Предметом исследования являются конструкторско-технологические методы повышения надежности планетарного редуктора мехатронного электропривода трубопроводной аппаратуры.
Цель исследования – синтез планетарного редуктора мехатронного
привода трубопроводной арматуры и разработка конструкторско-
технологических методов повышения его надежности, а также создание методики предупреждения отказов механических трансмиссий мехатронных приводов ТПА на этапе их проектирования.
Для достижения поставленной цели и задач были выполнены следующие этапы:
– произведен анализ причин аварий и отказов трубопроводной арматуры в части дефектов механических компонентов приводов с выявлением причин дефектов, приводящих к отказам;
– проанализированы структурные и кинематические схемы с целью получения минимальных массогабаритных параметров при максимальном передаточном отношении, который привел к синтезу многопоточных планетарных редукторов;
– на основе анализа динамических особенностей эксплуатации зубчатого зацепления разработаны методы использования погрешностей изготовления для модификации их профиля, повышение точности колес, а также предложена конструкция гибких опор сателлитов,
– разработана методика предотвращения отказов планетарных редукторов мехатронных приводов трубопроводной арматуры на этапе их проектирования (учет возможных повреждений зубьев при выборе материалов, назначении технологий зубонарезания и с учетом условий эксплуатации на основе фотоэталонов по ГОСТ 31381-2009).
Методы исследования. Работа выполнена с использованием таких методов исследования как системный анализ, вероятностный метод, метод математического моделирования. Экспериментальные исследования проведены с использованием серийного и опытно-экспериментального технического и технологического оборудования.
Научной новизной обладают следующие положения, выносимые на защиту:
– синтез структурных и кинематических схем планетарного редуктора для снижения массогабаритных и нагрузочных параметров;
– методы создания квазимодификации профилей зубьев и повышения точности зубчатых колес (исключения кромочного контакта и кромочного удара посредством квазибочкообразности профилей зубьев (за счет использования погрешности изготовления, для корректировки пятна контакта и повышения точности колеса с целью уменьшения виброактивности и повышения плавности зацепления, снижения нагрузки в зацеплении, повышения КПД);
– методика предотвращения отказов планетарных редукторов
мехатронных приводов трубопроводной арматуры на этапе их проектирования (учет возможных повреждений зубьев при выборе материалов, назначении технологий зубонарезания и с учетом условий эксплуатации на основе фотоэталонов по ГОСТ 31381-2009 и с использованием перспективных технологий).
Практическая значимость. Ценность результатов данной работы
заключается: в повышении качества (надежности, точности (по нормам
кинематической точности, плавности, контакта и бокового зазора
ГОСТ 1643-81), снижение виброакустических характеристик зацепления и массогабаритных параметров), уменьшении себестоимости и сокращения сроков производства мехатронного привода в целом.
Достоверность результатов. Достоверность и обоснованность
полученных результатов подтверждается теоретическим обоснованием,
экспериментальной оценкой эффективности разработанных методов,
результатами внедрения в практику.
Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы
использованы: в рамках инновационной научно-технической программы Минобразования РФ «Прогрессивные зубчатые передачи» (1999-2003) и в цикле работ по выполнению договора о сотрудничестве между Университетом ИТМО и Институтом механики металлополимерных систем НАН Беларуси для повышения конкурентоспособности и импортозамещения приводов ТПА; при разработке стандартов (ГОСТ 31381-2009 «Колеса зубчатые. Виды повреждений» и ГОСТ 13755-2015 «Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные. Исходные контуры», разработанных Объединенным институтом машиноведения НАНБ (Минск) - ИММС НАНБ (Гомель), в приложениях по модификациям профилей зубьев); в отчете ТулГТУ по НИР, выполненным в 2011 г. по заданию Минобрнауки России; при разработке программы «Моделирование процесса обработки зубчатого колеса червячной зуборезной фрезой при любых комбинациях конструктивных параметров конволютных,
архимедовых и эвольвентных фрез» (НИР № 610538 «Разработка программно-
аппаратного комплекса коррекции и диагностики состояния опорно-
двигательной системы человека» Университет ИТМО, кафедра Мехатроники,
2016 г.); при совершенствовании программного обеспечения (создание
модификаций зубьев) для «печати» зубчатых колес из металлозаменяющих
пластмасс на ООО «Политех-Инжиниринг»; использованы для
совершенствования технологии зубофрезерования в ООО «СпецПриводМаш» (СПб); в учебном процессе кафедр «Компьютерного проектирования и дизайна» и «Мехатроники» Университета ИТМО (СПб); для введения дополнений и корректив в квалификацию мехатронных объектов рекомендации комиссии по терминологии Международной федерации по продвижению науки о механизмах и машинам в области мехатроники.
Использование результатов работы подтверждено актами внедрения.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной
работы докладывались и обсуждались на 22 научных конференциях и
семинарах различного уровня: XXXIX-XLIII, XLV научная и учебно-
методическая конференция НИУ ИТМО (2010-2014, 2016, Санкт-Петербург);
The 7th International scientific conference Research and Development of Mechanical
Elements and Systems (2011, Zlatibor, Serbia); 8-й Международный конгресс
«Машины, технологии и материалы» (2011, Варна, Болгария); Международной
конференции «Поликомтриб» (2011, Гомель, Беларусь); 1-я Международная
конференция по приводам ТПА (2011, Тула); Международная конференция
«Зубчатые передачи» (2013, Севастополь); Международная конференция
«Теория и практика зубчатых передач» (2014, Ижевск); Международный
семинар в рамках 25-го Рабочего заседания постоянной комиссии по
терминологии Международной федерации по ТММ (2014, Санкт-Петербург);
4-я Международная научно-практическая конференция «Современное
машиностроение. Наука и образование» (2014, Санкт-Петербург); IFToMM Workshop on History of Machine and Mechanism Science – HMMS (2015, Saint-Petersburg); Межвузовские семинары на кафедре «Мехатроники» Университета ИТМО (2013-2016, Санкт-Петербург).
Личный вклад автора. Все исследования, расчеты и полученные в диссертационной работе результаты получены автором при консультации его научным руководителем.
Публикации. По материалам диссертационных исследований
опубликовано 11 печатных работ, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК. По результатам исследований получено 1 свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, пяти приложений. Общий объем диссертации составляет 165 страницы, включая 58 рисунков, 7 таблиц. Список литературы включает 208 наименований.
Анализ функциональных возможностей современной трубопроводной арматуры и требования эксплуатации
При проведении анализа причин отказов мехатронных приводов ТПА были использованы рекламационные акты НТЦ «Редуктор» и ООО «СпецПриводМаш», отчёты и акты по результатам исследования деталей, агрегатов, изделий, досрочно снятых с эксплуатации. Материалы анализа систематизируются: по количеству неисправностей планетарных редукторов мехатронных приводов ТПА; по причинности и последствиям; по отказам, выявленным при техническом обслуживании; по характеру и количеству повторяющихся отказов и повреждений.
На рисунок 1.3. приведены типовые отказы и повреждения планетарных редукторов мехатронных приводов ТПА, где видно, что при выходе из строя механической части привода на первом месте находятся подшипники опор сателлитов, а на втором сателлиты [44]. 160
Из диаграммы видно, что в большинстве отказам подвержены сателлиты и их опоры. Опираясь на опыт эксплуатации потребителей мехатронных приводов с применением планетарных редукторов можно сделать вывод, что одной из основных причин выхода из строя сателлитов и их опор является механическое изнашивание, обусловленное ошибками изготовления. Величина механическое изнашивание представляет собой всякое изменение геометрии поверхности зубьев, включающее в себя удаление или перемещение материала с взаимодействующих поверхностей при механическом воздействии. Изменения основных параметров планетарного редуктора мехатронного привода приводят к процессам с постепенными отказами (механическое изнашивание и с внезапным отказом трещины, разрушение зуба) [1,9 - 10, 19, 21, 37, 59, 66, 82-84, 141, 159, 166 -167, 173 - 175].
Величина механического изнашивания приводит к увеличению шума и вибрации. Так, например, низкочастотная вибрация носит преимущественно гармонический характер, так как одной из ее характерных причин является неуравновешенность, отклонение валов от соосности, нарушение геометрии узлов. Колебания среднечастотного диапазона обычно связаны с обусловленными нелинейностью системы, нарушениями геометрии кинематических пар и динамическим взаимодействием элементов привода между собой. В диапазоне высоких частот колебания привода представляют собой упругие волны, распространяющиеся по неоднородным конструкциям. Механическое изнашивание определяется в единицах длины, объема и массы. Механическое изнашивание является результатом механического воздействия друг на друга взаимно перемещающихся поверхностей зубьев, а также абразивного воздействия на них отделившихся продуктов износа (рисунок 1.4.), которое может привести к полированию, питингу [59, 82, 159].
Покажем развитие механического изнашивания, опираясь на фотофиксацию процесса эксплуатации зубчатых передач (полученную из практики взаимодействия с предприятиями, являющиеся потребителями мехатронной приводной техники (приложении №1) [66].
Изменение первоначальной формы зубьев под влиянием высоких нагрузок, вызывающих возникновение напряжений, которые превышают предел упругости материала ведет к повреждению зубчатых колес, которое представляет собой остаточную деформацию. Она может наблюдаться на рабочей поверхности зуба или под ней при высоких контактных напряжениях или на галтели (у основания) зуба при высоких изгибных напряжениях. (рисунок 1.5.).
Под действием поверхностных и подповерхностных развивающихся напряжений многократно возникающих в процессе контактного взаимодействия зубьев возникает контактная усталость. Она характеризуется удалением металла в результате хрупкого разрушения и образованием раковин на поверхностях зубьев (рисунок 1.6, 1.7) [37].
Изнашивание при взаимном внедрении профилей зубьев характеризуется износом на головке зуба одного из сопряженных колес и (или) на ножке зуба другого сопряженного колеса, вызванным избытком материала на головках зубьев зубчатого колеса и на ножках зубьев сопряженного колеса. В результате происходит царапание и износ как головок зубьев одного из колес, так и ножек зубьев сопряженного колеса, вызывающий заострение головок и закругление ножек зубьев [37].
Данный вид изнашивания наблюдается при неправильном сопряжении зацепляющихся зубьев из-за их неправильного изготовления или неправильного взаимного положения зубчатых колес передачи.
К механическому изнашиванию также относят изнашивание при интерференции (взаимном внедрении) профилей зубьев и изнашивание в период пуска под нагрузкой.
Изнашивание в период пуска под нагрузкой - это специфический вид изнашивания, проявляющийся при чисто металлическом контакте поверхностей зубьев в условиях отсутствия смазочной пленки в момент пуска передачи под нагрузкой (рисунок 1.8.). При избыточной нагрузке в момент пуска на поверхностях зубьев наряду с изнашиванием может развиваться заедание. Подобная избыточная нагрузка может появляться при создании напряженно-деформируемого состояния в самом зацеплении или в подшипниковом узле.
Мехатронные аспекты проектирования приводов трубопроводной арматуры
Для предотвращения отказов механической части мехатронного привода, выполненной на базе планетарного редуктора необходимо правильно подобрать схему планетарного редуктора, которая позволила бы произвести уменьшение нагрузки на опоры сателлитов и сами сателлиты, особенно в старт-стопных режимах.
Существует значительное число различных вариантов исполнения зубчатых передач планетарного типа. История планетарных редукторов насчитывает более 150 лет [148], но для решения задач ТПА по безаварийной эксплуатации приводной техники ведет к дальнейшему развитию проектирования мехатронных приводов ТПА. Появляются новые технические решения с улучшенными свойствами преведущих конструкций.
Анализ возможностей планетарных передач с позиций обеспечения минимальных габаритных размеров при максимальном передаточном отношении показал, что к наиболее перспективным из них можно отнести зубчатые планетарные механизмы внутреннего зацепления с малой разностью зубьев, имеющие по сравнению с внешним зацеплением существенно меньшие потери на трение в зацеплении.
Исследуем планетарную передачу по массо-габаритным размерам. Так как по своим массогабаритным размерам и геометро-кинематическим параметрам они наиболее удовлетворяют требованиям предъявляемым к мехатронным приводам (многопоточность, передаточные числа, габариты, возможность соединения нескольких ступеней) [122].
На рисунке 2.1 представлены распространенные схемы передач 2k-h, у которых колеса а и Ъ при остановленном водиле вращаются в противоположные стороны, в этом случае передаточному отношению передачи с остановленным водилом і" присваивается знак минус, то есть. і" 0. Основными звеньями планетарного механизма 2к-И являются два центральных колеса (2к) и водило (h).
Обобщенные схемы планетарных передач типа 2k-h с і" 0 Если направления вращения основных звеньев передачи с остановленным водилом совпадают, то ее передаточное отношение і" имеет знак плюс. На рисунке 2.2 приведены некоторые схемы планетарных передач 2k-h, у которых ih 0 [122]. Рисунок 2.2 - Обобщенные схемы планетарных передач типа 2k-h с ih 0 На рисунок 2.3 дана принципиальная схема передачи k-h-v, состоящей из одного центрального колеса, водила и соосного с ним звена v. JT
Специальное устройство с передаточным отношением, равным единице, называемое механизмом w, передает момент с сателлита звену v (трехподвижные за счет 3-х подвижных шарниров) [122].
В схемах планетарных передач на рисунке 2 .4 основными звеньями являются три центральных колеса, поэтому они обозначаются Зк. Водило в этих передачах не является основным звеном и представляет собой конструктивный элемент, необходимый для поддержания осей сателлитов.
При необходимости получить большие значения передаточных отношений формируются двух-, трех- и т. п. планетарные передачи [122].
Оперируя модулем и числом зубьев можно добиться равенства межосевых расстояний, что является условием работы планетарного механизма [146]. Основным недостатком силовых трансмиссий на основе планетарных передач с выходом на водило является узкий диапазон воспроизводимой передаточной функции в одной ступени, что ограничивает область их применения и требует использования многопоточных трансмиссий [144, 187].
Из опыта работы ООО «Механика» (Ижевск), специализирующегося на изготовлении спироидных передач, применение силовых трансмиссий на основе червячных передач не имеют значительных перспектив в современных многооборотных приводах - из-за их низкого к.п.д. при передаточных числах выше 15, требований высокой точности изготовления и монтажа, отсутствия доступной нормативно-расчетной базы на проектирование [65]. Доказано, что массогабаритные характеристики в традиционном исполнении известных серийных редукторных электроприводов, используемые в мировом арматуростроении, практически исчерпали свои возможности по энерго- и ресурсосбережению, надежности и нагрузочной способности и необходимо искать новые пути для совершенствования мехатронных приводов ТПА [32, 33].
В таблице 2.1 представлены сравнительные массогабаритные, кинематические и силовые параметры на выходном валу мехатронных приводов отечественного и импортного производства. Таблица 2.1. Сравнительные массогабаритные и кинематические и силовые параметры на выходном валу мехатронных приводов отечественного и импортного производства Фирма -производитель Модель электропривода Номин альный момент на выходномвалу,Нм Скорость вращения выходноговала,об/мин Габаритные размеры привода,мм Масса, кг «ZPAPecky», Чехия MON500/690-40 414 40 777 382 455 93 ЗАО «Тулаэлек-тропривод» ЭП4 РВ-В-630-45(с электронныминтеллектуальныммодулем) 315 45 851 432 769 94 AUMA, Германия SA14.5 AUMANORM 250 45 720 375 420 57 «ZPAPecky», Чехия MON630/945-35 567 35 777 382 455 97 ЗАО «Тулаэлек-тропривод» ЭП4РВ-В-1000-32(с электронныминтеллектуальныммодулем) 500 32 851 432 769 90 AUMA, Германия SA 16.1 AUMA NORM 500 32 864 422 470 86 ТулГУ и ОАО МЗП 7МРЭП -110 -00/280 580 48 0396 428 50 ТулГУ и ОАО МЗП 7МРЭП -110 -00/280 700 40 0396 428 50 ТулГУ и ОАО МЗП 7МРЭП -110 -00/280 1725 16 0396 428 50 ЗАО «Тулаэлек-тропривод» ЭП4РВ-Г-2000-11с электронныминтеллектуальныммодулем 1000 11 851 432 769 90 AUMA, Германия SA 30.1 AUMA NORM 1400 11 922 400 630 190 Из таблицы 2.1 видно, что характеристики приводов отечественного производства не только не уступают импортным фирмам, а даже превосходят их [206].
Наиболее удачной, является схема, разработанная совместно с ТулГУ и заводом «Прогресс» (г.Мичуринск), с соосным расположением осей исполнительного двигателя и выходного звена электропривода 7МРЭП-110-00/280 [153]. Минимизация масса - габаритных характеристик привода позволяет схема, представленная на рисунке 2.5, однако требует применения исполнительного двигателя с полым валом для прохода выдвижного штока арматуры.
Конструкция опор сателлитов с применением гибких подшипников
Кинематическая схема комбинированной трансмиссии на базе планетарного редуктора содержит новую двухступенчатую квазидифференциальную передачу (Зк 2g - h) с входом на водило h и выходом на большое центральное колесо b2 и быстроходную рядовую зубчатую передачу ZrZ2. Последняя необходима ввиду того, что электродвигатель располагается не соосно, а параллельно оси редуктора для возможности прохода винта задвижки, что позволяет улучшить компоновочные возможности.
Передаточные числа и в таких трансмиссиях находятся в пределах: 15 u 150, наиболее часто востребованных приводной техникой, а наиболее нагруженными элементами в планетарной группе (Зк - 2g) являются внутренние зацепления "bj - gn" сателлитов gn на входе группы и зацепления "g2i - Ъ2" сателлитов g2i на её выходе. Причем сателлит gu выполняет функцию зубчатого колеса во внутренних зацеплениях "bl gli" (ускоряющая передача), а сателлит g2i - функцию шестерни во внутренних зацеплениях "g2i-b2" (замедляющая передача).
Передача обеспечивает выпукло-вогнутый контакт в наиболее нагруженных зацеплениях трансмиссии, повышенный коэффициент перекрытия, характеризующий плавность работы зацеплений и, при асинфазности зацеплений в кинематических потоках, - повышенную многопоточность и разгрузку сопряженных профилей как во внутренних "b g", так и во внешних "a gi" рабочих зацеплениях.
Водило играет роль входного звена. Оно одновременно раздает передаваемую механическую энергию на два ряда параллельно установленных сателлитов gn и g2i, кинематически связанных между собой двухвенцовым промежуточным малым центральным колесом а в единую планетарную ступень (группу "Зк - 2g - h") последовательно соединенных зубчатых звеньев "Ы gli а12 g2i -Ь2"с четырьмя активными рабочими зацеплениями: "bl gli", "gli al", "а2 g2i", и "g2i ЪТ. Причем два активных зацепления "Ы - gli" и "gli - аГ, работают как планетарная ступень и преобразуют параметры мощности, поступающей на сателлиты gn, в новые параметры мощности для того, чтобы передать её на сателлиты второго ряда g2i наряду с мощностью, поступающей с водила на эти сателлиты. Два потока мощности на сателлитах g2i суммируются активным зацеплением "a2-g2i" и через активное зацепление "g - Ъ? передаются на выходное колесо Ъ2. Передача мощности со входа на выход осуществляется на входной скорости щ, а изменения параметров мощности (скорости юЬ2 и момента ТЬ2) выполняются на выходном зубчатом звене. Трансмиссия идеально выполняет требования концепции многопоточного подвода энергии [153].
Передаточное число привода u (формула 2.1) определяется в соответствии с формулой Виллиса h 1 1 Z zh z„ u = uX2u\ =u12 r = u12- — = ,(2.1). Ub\h 1 иЪфх Z\ Zb Zcx ZbxZc При равенстве сумм чисел зубьев центральных колес Za1+Zb1 = Za2 + Zb2 = const, заданных в одном габарите и расположенных в двух плоскостях движения, углы в четырех активных рабочих зацеплениях равны между собой и могут назначаться в пределах 18 awa1g1 = awg1b1 = otwa2g2 = ocwg2b2 30 поэтому зубчатые передачи с углом зацепления в 20 удовлетворяют этому требованию [153].
Указанный выше интервал углов зацепления позволяет использовать конструкцию гибких подшипников [118,119], которая подробнее описывается в параграфе 2.5. Это позволяет расширить область применения таких опор с волновых редукторов на многопоточные планетарные передачи. Кроме того, вариативность угла зацепления так же является признаком мехатронности согласно работе [96]. Таким образом, налицо квазидифференциальный принцип раздачи и суммирования энергии. На таком принципе не работает ни одна из известных в современной технике трансмиссия. Благодаря замыканию рычажно-зубчатых цепей в потоках трансмиссия работает как единое и неделимое целое [99]. Замыкание нагрузок на основных звеньях трансмиссии позволяет максимально разгрузить её опоры, а вопросы подбора и проектирования опор полностью подчинить конструктивным и технологическим соображениям. Именно эти соображения позволяют применить так называемые гибкие подшипники [118], чему в работе посвящен отдельный параграф 2.5. Наружные габариты корпуса трансмиссии определяются модулем зацепления и суммой чисел зубьев рабочего зацепления «сателлит - выходное центральное колесо». Габарит электропривода в таком конструктивном дизайне, при параллельной установке электродвигателя, во многом зависит от размеров электродвигателя. При воспроизводимом передаточном числе иЫый 45, моменте на выходе ТЬ2 3500Нм и мощности Рда = 2,0кВт диаметральный габарит редуктора не превышает 300мм.
Методика предотвращения отказов механических трансмиссий мехатронного привода ТПА на стадии проектирования
Одним из определяющих факторов качества оборудования является надежность, проблемы которой решаются на всех стадиях их жизненного цикла (применение CALS - технологии). Надежность закладывается на стадиях исследования, расчетов и проектирования, обеспечивается в процессе изготовления путем подбора технологии и контроля качества, сохраняется при хранении и транспортировке на основе соблюдения установленных правил и поддерживается при эксплуатации, техническом обслуживании и ремонте.
Необходимо на стадии проектирования закладывать конструктоско-технологические методы, которые ведут к повышению надежности [171-175]. Надежность элементов следует оценивать вероятностью безотказной работы по внезапным отказам вследствие достижения критического состояния и распределения вероятности наработки до отказа вследствие развития усталостных повреждений.
Процесс прогнозирования надежности привода включает следующие основные стадии: - определение требований к надежности; - построение структурной схемы надежности; - построение динамической модели системы, выполнение анализа нагруженности и оценка возможных вариантов с целью обеспечения рациональных динамических характеристик; - нормирование требований к надежности; - определение режима нагружения отдельных элементов; - расчетное определение вероятностных характеристик надежности и долговечности; - определение наиболее эффективных путей повышения надежности элементов, лимитирующих надежность привода; - прогнозирование надежности привода с учетом взаимной корреляции между отказами его элементов; - оценка надежности проектируемого привода. Первый в СССР стандарт по прогнозированию надежности изделий при проектировании [41, 42] был разработан в Институте надежности машин Национальной Академии наук Беларуси. Надежность отдельных элементов сложной технической системы по установленным нормам надежности всей системы является одной из основных задач ресурсного проектирования. При ресурсном проектировании нагрузочный режим может быть смоделирован одним из следующих способов: статистической обработкой экспериментальных данных эксплуатационных испытаний модели-прототипа; - статистической моделью распределения удельных усилий, полученной на основании анализа эксплуатации привода аналогичного назначения; - статистической динамической моделью движения проектируемого привода.
Для нормирования надежности привода могут быть использованы различные аналитические и статистические модели и методы: равномерного распределения надежности, весовых коэффициентов, минимизации затрат, динамического программирования, неопределенных множителей Лагранжа.
Распределение динамических нагрузок может быть описано нормальным, логарифмически нормальным распределением или распределением экстремальных значений. Для описания распределения длительно действующих эксплуатационных нагрузок применяются нормальное, логарифмически нормальное или распределение Вейбулла.
Для прогнозирования надежности отдельных деталей используется линейная теория накопления повреждений [14, 16 -17, 20 -21, 86 - 87, 124, 143].
Прогнозирование надежности приводов осуществляется на стадиях разработки технического задания, эскизного и технического проектов. Для оценки надежности деталей и узлов планетарных редукторов мехатронных приводов ТПА широко используют закон Вейбулла, экспонициальный и логарифмический нормальный закон (рисунок 3.1). 2001 ІШ ММ шиЩ Рисунок 3.1 - Теоретические кривые плотностей вероятностей распределения наработок до отказа/ элементов привода: 1- коническая шестерня; 2 - коническое колесо; 3 - сателлит; 4 - эпицикл; 5 - подшипник; 6 - гибкий элемент подшипника. Подчинение законам: кривые 1, 2, 4 - Вейбулла; 3 и 6 - экспоненциальный; 5 - логарифмически нормальный. Стадии проектирования с показателями надежности и методы их определения приведены в таблице 3.1.
Стадии проектирования Определяемые показатели Методы определения Техническое задание и эскизный проект P(t) и средняя наработка до отказа Тср Расчетные и экспериментально-расчетные методы с использованием опытно-статистические данных по изделиям-аналогам, экспертная оценка
Технический проект Показателибезотказностиуточнение),долговечности иремонтопригодности, комплексныепоказатели Расчетные методы с учетом предельного состояния деталей, режимов нагружения, кинематических и динамических характеристик, внешнего воздействия; методы исследовательских испытаний
Развитие того или иного характерного вида повреждения определяется комплексным влиянием целого ряда факторов — геометрией зубчатой передачи, условиями зацепления зубьев, величиной и распределением контактного давления, прочностными характеристиками материала зубчатых колес, условиями смазывания и характеристиками смазочного материала, а также условиями эксплуатации [81].
Моделирование состояния отказов можно описать как переход из состояния в состояние. То есть процесс изменения технического состояния изделия при эксплуатации механической части мехатронного привода описывается рядом состояний {Е}=Е0, El, Е2..., Еп = Е , где Е0- исправное состояние изделия, Е], Е2 - состояния узлов планетарного редуктора с одной или несколькими неисправностями, Еп= Е - состояние отказа планетарного редуктора. При таком описании процесса простые модели будут иметь всего два состояния: Е0— Ei=E ; последовательные модели будут отражать процесс накопления повреждения: Е0 Е1 Е2 ... ЕП=Е ; параллельные модели предполагают параллельное, независимое развитие нескольких отказов: Е0 Е1=Е (а) Е0 Е2=Е (б) Е0 — Ех —» Е2 = Е (в) где (а)- выход из строя зубчатого колеса, (б)- выход из строя подшипника, (в)- отказ механической трансмиссии.