Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из направлений совершенствования механизмов, улучшения их массогабаритных, энергетических и многих других технических характеристик является замена трения скольжения трением качения. Это, на первый взгляд, очевидное направление не исчерпывается только использованием подшипников качения во вращательных кинематических парах. Существует целый класс устройств, которые не содержат (или почти не содержат) никаких кинематических пар, кроме центроидных кинематических пар (пар качения). Это концентричные и эксцентричные бессепараторные подшипники, фрикционные и зубчатые планетарные передачи и другие механизмы. Они представляют собой или содержат в качестве основной составной части замкнутую систему тел качения (ЗСТК). Помимо снижения трения конкретные механизмы, построенные на базе ЗСТК, могут иметь достоинства, связанные с упрощением конструкции, возникающим благодаря совмещению функций, устранению нетехнологичных деталей, повышением общей нагрузочной способности и т.д. Решение этих задач особенно остро стоит в условиях жесткой конкуренции машиностроительной продукции, как на отечественном, так и мировом рынках.
В настоящее время известны сотни разнообразных устройств, которые следует отнести к классу ЗСТК. Большинство из них появились как изобретения в различных предметных областях при решении конкретных инженерных задач. Однако направленному, комплексному научному исследованию этот класс механизмов до сих пор не подвергся – не построено стройной теории, позволяющей систематизировать эти механизмы и решать задачи их структурного и параметрического синтеза. Следовательно, глубокое изучение, совершенствование и широкое практическое использование механизмов, построенных на базе ЗСТК, систематизация и синтез новых схем ЗСТК, приводящих к повышению технических характеристик многих машин, является актуальной проблемой.
Цель исследования: Повышение технических характеристик машин на основе разработанной систематики и методологии синтеза новых схем фрикционных и зубчатых механизмов, содержащих замкнутые системы тел качения.
Задачи исследования.
В первой части работы решаются общие теоретические задачи, относящиеся ко всему многообразию плоских замкнутых систем с круглыми телами качения:
анализ структурных и параметрических свойств, присущих всем ЗСТК, в том числе: условий кинематической и геометрической совместимости звеньев, условий замкнутости кинематических пар ЗСТК;
разработка единого подхода к формализации структуры механизмов, содержащих ЗСТК, и соответствующего метода ее компактного отображения;
разработка принципиального алгоритма структурного синтеза ЗСТК.
систематизация известных механических систем, являющихся разновидностями ЗСТК, в соответствии с принятой формализацией их структуры.
Во второй части работы стереотипные задачи структурного синтеза, параметрического анализа и синтеза, разработки конструкций и проверки их работоспособности решаются для конкретных структурно-функциональных групп (семейств) механизмов:
бессепараторных подшипников;
эксцентриковых подшипников и механизмов, построенных на их базе;
фрикционных и зубчато-фрикционных планетарных передач;
безводильных зубчатых планетарных передач;
рабочих механизмов объемных гидромашин, строящихся на базе планетарной системы с двумя плавающими сателлитами.
Объектом исследования являются фрикционные и зубчатые механизмы, построенные на базе замкнутых систем тел качения (ЗСТК).
Предмет исследования – общие структурные свойства и условия существования ЗСТК, принцип формализации структуры механизмов на базе ЗСТК, систематизация и методы их структурно-параметрического анализа и синтеза.
Методы исследования базируются на основных положениях классической теории механизмов и машин, а также теории зубчатых зацеплений, системного анализа, методах дискретной математики, аналитических методах кинематического и силового анализа механизмов. При проведении экспериментальных исследований использовалось стендовое оборудование предприятий, на которых внедрялись результаты работы.
Достоверность результатов работы подтверждается корректностью постановки задач и применяемых методов теории механизмов и машин и теории зубчатых зацеплений, адекватностью построения формальных моделей реальным механизмам, соответствием синтезируемых структур известным техническим решениям, экспериментальной проверкой работоспособности и практическим внедрениям разработанных механизмов.
Научную новизну представляют:
объединение многообразия замкнутых механических систем тел качения (ЗСТК) в особый класс механизмов на основании выявленных общих структурных свойств и параметрических условий существования;
принцип формализации, составляющий теоретическую основу систематики и структурного синтеза зубчатых и фрикционных механизмов на базе ЗСТК, и метод компактного отображения их структуры с использованием свойства структурной симметрии объектов;
метод структурного синтеза механизмов на базе ЗСТК, включающий в себя этапы генерации структурных формул и структурных чисел;
новые структурные схемы механизмов различного функционального назначения, полученные с помощью предложенного метода;
критерии оценки работоспособности фрикционных механизмов, построенных на базе ЗСТК с «гладкими» звеньями;
метод геометрического расчета зубчатых ЗСТК по условиям сборки, основанный на решении систем уравнений, соответствующих замкнутым контурам;
теорема о полюсе заменяющего механизма зубчатого эксцентрикового подшипника;
способ модификации закона движения ведомого звена механизмов, содержащих ЗСТК, по принципу сложения двух гармоник.
Практическую ценность работы составляют:
алгоритмы структурного синтеза ЗСТК, относящихся к конкретным структурно-функциональным семействам;
упорядоченные массивы структур механизмов, содержащих ЗСТК;
конструкции механизмов, содержащих ЗСТК, защищенные авторскими свидетельствами СССР, патентами РФ на изобретения и полезные модели, в том числе:
рациональные конструкции бессепараторных подшипников с «гладкими» телами качения;
конструкции фрикционных планетарных механизмов, обладающих повышенной тяговой способностью;
конструкции безводильных зубчатых планетарных передач, отличающиеся от аналогов повышенной нагрузочной способностью, компактностью и др. компоновочными и технологическими достоинствами;
ряд конструкций зубчатых эксцентриковых подшипников (ЗЭП), обладающих различными передаточными отношениями и обеспечивающими максимальный эксцентриситет;
конструкции рычажных механизмов, содержащих ЗЭП, обеспечивающие модификацию закона движения ведомого звена сложением двух гармоник;
принципиальное устройство и конструкции многорядного планетарного редуктора для скважинного оборудования;
конструкции рабочих механизмов шестеренных гидрообъемных машин, обладающих увеличенным полезным объемом и улучшенной герметичностью рабочих полостей;
разработанные методики геометрического, кинематического, силового, прочностного расчетов упомянутых выше механизмов.
На защиту выносятся:
предложение выделить устройства, содержащие ЗСТК, в единый класс механизмов. Систематизация и результаты комплексного изучения структурных особенностей, условий существования и критериев работоспособности ЗСТК с «гладкими» и зубчатыми телами;
метод формализованного отображения структуры механизмов, представляющих собой ЗСТК. Сформированные на базе этого метода массивы схем ЗСТК, относящиеся к различным структурно-функциональным семействам механизмов;
наиболее перспективные новые схемы ЗСТК и конструкции механизмов, построенных на их основе.
методы параметрического анализа и синтеза ЗСТК, относящиеся к конкретным семействам механизмов.
Апробация работы. Основные положения работ докладывались на Всесоюзном (1988 г.) и межгосударственных (1993, 1997г.г.) симпозиумах по теории реальных передач зацеплением в Кургане; на Всесоюзном семинаре по ТММ им. академика И.И. Артболевского (Ленинград, 1989 г.); на Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных представителей «Машиноведение и детали машин» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана – 2008 г.), на научно-технических конференциях с участием зарубежных представителей «Теория и практика зубчатых передач и редукторостроения» (Ижевск, ИжГТУ–1998, 2008 гг.); на международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в автоматизированном машиностроении и арматуростроении» (Курган, 2010г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 59 научных работ, в том числе 32 в изданиях, рекомендуемых ВАК (из них 10 – статьи в рецензируемых журналах, 10 – авторские свидетельства СССР, 12 – патенты РФ на изобретения).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы (270 наименований) и приложения; включает 151 рисунок, 19 таблиц; общий объем – 300 страниц.
