Введение к работе
Актуальность работы. Актуальность диссертационного исследования определяется все более высокими требованиями, предъявляемыми к высокоточным приводам различного технологического назначения, необходимостью дальнейшего развития вопросов точности зубчатых передач в реальных условиях эксплуатации, а также рассмотрением проблемы научно обоснованного выбора типа зубчатой передачи с люфтовыбиранием для конкретного привода. Исследования в данном направлении при участии автора начались в конце 70-х годов в МГТУ им. Н.Э. Баумана, когда под руководством профессора Попова П.К. по постановлениям ВПК проводились работы по выбору типов зубчатых передач высокой точности и динамичности для астрофизических инструментов оборонного назначения. Дальнейшее развитие работа получила при разработке по заданию^ ЭНИМС приводов для станков с ЧПУ, при проведении работ по созданию военной и конверсионной техники в Российском Федеральном Ядерном центре - Всероссийском научно-исследовательском институте технической физики имени академика Е.И. Забабахина (РФЯЦ-ВНИИТФ), а также в ряде других организаций, что подтверждено актами о внедрении результатов работы. Таким образом, тема докторской диссертации является актуальной.
Цель работы. На основании сравнительного анализа различных типов зубчатых передач с люфтовыбиранием дать научное обоснование оптимального выбора типа зубчатой передачи в привод высокоточного механизма.
Методы исследований. Теоретическая часть работы базируется на теории размерных цепей, теории вероятностей, теории колебаний, методах сопротивления материалов, математического моделирования и спектрального анализа. В экспериментальной части использовались методы кинема-тометрии и тензометрирования. Для описания процессов возникновения стационарной динамико-кинематической погрешности исследуемых передач применено априорное представление о необходимости учета параметрических колебаний, которое в ходе исследования подтверждено серией компьютерных экспериментов, проведенных с использованием специально разработанного пакета моделирующих программ. Для подтверждения адекватности математических моделей применялись методы статистического компьютерного моделирования в сочетании с лабораторными экспериментами.
Достоверность результатов. Достоверность полученных в работе результатов обусловлена корректным использованием фундаментальных положений математики и механики и подтверждена хорошим совпадением
численных расчетов с экспериментальными данными и результатами эксплуатации.
Научная новизна. Впервые разработаны и предложены основанные на векторно-вероятностном представлении первичных погрешностей изготовления и монтажа, кинематическом и параметрическом возбуждении колебаний обобщенные математические модели расчета кинематической погрешности, стационарной динамико-кинематическои погрешности и возмущающих моментов, а также их спектральных составляющих для цилиндрических, конических, волновых, червячных и многоступенчатых зубчатых передач с люфтовыбиранием.
Впервые установлена аналитически и подтверждена экспериментально связь между кинематической погрешностью и возмущающим моментом, что позволяет, задаваясь одной величиной, оценивать другую и вводить коррекцию в систему автоматического управления приводом.
Разработана принципиально новая концепция, методика, алгоритмы неоригинальное программное обеспечение для компьютерного моделирования точностных характеристик зубчатых передач с люфтовыбиранием.
Научная новизна работы заключается также в том, что впервые в научно-технических исследованиях в идентичных условиях при сопоставимых кинематических и прочностных параметрах проведено сравнительное ' исследование качественных характеристик (кинематической точности, крутильной жесткости, возмущающих моментов, моментов трогания и хо-лостого'хода/движущих моментов и КПД) различных типов зубчатых передач с люфтовыбиранием и даны рекомендации к проведению оптимизационного выбора типа зубчатой передачи в приводы высокоточных механизмов.
На основании теоретических моделей, подтвержденных экспериментально, с целью снижения кинематической погрешности была предложена конструкция регулируемого генератора волн, имеющая пониженную радиальную жесткость дисков и защищенная авторским свидетельством . Ш 929930 "Регулируемый генератор волновой передачи".
Практическая ценность работы. Практическая ценность работы заключается в том, что результаты проведенного исследования позволяют на стадии проектирования по заданным качественным характеристикам корректно выбрать тип зубчатой передачи с люфтовыбиранием для встраивания е.е в высокоточный привод, а разработанные обобщенные математические модели расчета кинематической погрешности, стационарной динамико-кинематическои погрешности и возмущающих моментов, а также их спектральных составляющих позволяют на основе конструкторской документации научно обоснованно проводить оценку качества изготовления и сборки передач, выявлять локальные дефекты, оценивать вклад каждой зубчатой пары в суммарную погрешность передачи, рационально
назначать степени точности зубчатых колес и классы точности поддерживающих колеса деталей.
Материалы диссертации легли в основу руководящего документа отрасли РД 92-0249 "Передачи волновые зубчатые высокомоментные повышенной точности. Расчет кинематической погрешности", утвержденного КБСМ, (г. Санкт-Петербург) в 1989 году и разосланного по заявкам более чем 100 предприятий страны.
Результаты работы приняты к внедрению в РФЯЦ-ВНИИТФ, его дочернем предприятии ГУП "СПЕКТР", а также ряде других организаций в виде технических предложений по выполнению конструктивных схем привода с червячной передачей с пружинным люфтовыбирающим устройством для телескопического механизма выдвижения антенны из корпуса высокоскоростного летательного аппарата; исследований кинематической погрешности, моментов трогания и холостого хода для приводов автоматической линии раскатки осесимметричных деталей газотурбинных двига- . телей; методик расчета дииамико-кинематической погрешности и моделирования точности позиционирования и синхронизации раскатных головок и валков на стане для пакетной прокатки интерметаллидных листов; рекомендаций по проектированию привода натяжителя с многорежимным электроприводом для высокотемпературной клети прокатки интерметаллидных сплавов. Разработанные математические модели и созданное на их основе программное обеспечение позволило на стадии проектирования рекомендовать типы передач и их конструктивные схемы для высокоточных приводов сканера и стола пациента отечественного рентгеновского компьютерного томографа РКТ-1. Использование указанных результатов позволяет повысить качество проектирования и обеспечить задаваемые в ' техническом задании точностные параметры, сократить затраты на лабора-торно-конструкторскую отработку проектируемых механизмов, уменьшить вспомогательное время на настройку силовых агрегатов и повышает точность составления управляющих программ.
Материалы диссертационной работы используются автором при чтении студентам СФТИ-МИФИ курсов лекций: "Теория, расчет и проектирование приборов"; "Расчет и конструирование спецприборов"; при выполнении курсовых .и дипломных проектов.
,, Апробация работы. Основные положения работы докладывались на всесоюзных и республиканских конференциях: "Конструкция, расчет и производство волновых зубчатых передач", г. Свердловск, УПИ, 1983; "Проблемы разработки и внедрения гибких автоматизированных производств и систем автоматизированного проектирования в машиностроении", Йошкар-Ола, МПИ, 1984; "Расчет и конструирование волновых зубчатых передач", г. Свердловск, УПИ, 1986; "Прогрессивные технологии в машиностроении", Челябинск, ЮУрГУ, 1998; Научно-техническая конференция
"Дни науки - 99", Озерск., ОТИ-МИФИ, 1999; Межотраслевая научно-практическая конференция Снежинск и наука, Снежинск, СФТИ-МИФИ, 2000; на Международной научной конференции, посвященной 15-летию Института сверхпластичности металлов РАН "Современное состояние теории и практики сверхпластичности материалов", Уфа, 2000; международной научно-практической конференции "Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики", Новочеркасск, 2000; на кафедре "Детали машин" МГТУ им Н.Э. Баумана в 1984 г., на Ученом совете СФТИ-МИФИ, 1998, 2000; кафедре "Теория машин и механизмов" Омского государственного технического университета в 2000 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 работы, в том числе, авторское свидетельство, 4 рукописи научно-технических отчетов, выпущен руководящий материал отрасли.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы из 210 наименований и изложена на 266 страницах машинописного текста, включая 86 рисунков и 14 таблиц.