Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Задачи работы 12
1.1. Основные особенности работы механизмов ПТМ и применяемых в них зубчатых передач 12
1.2. Предпосылки применения спироидных передач в механизмах ПТМ 16
1.3. Виды отказов передач червячного класса 22
1.4. Задачи работы 26
2.. Экспериментальные исследования теплонапряженного состояния спироидных редукторов 29
2.1. Анализ существующих конструкций стендов, предназначенных для исследования эксплуатационных показателей передач червячного класса 29
2.2. Конструкция испытательного стенда 34
2.3. Программа и методика исследований 39
2.3.1. Программа натурных исследований спироидных редукторов 39
2.3.2. Подготовка редукторов к испытаниям и их обкатка 39
2.3.3. Методика исследований и определения КПД спироидных редукторов...40
2.4. Исследование температурного состояния редукторов при различных нагрузках 42
2.5. Исследование распределения температуры по элементам редуктора 45
Выводы 47
3. Оценка КПД спироидного зацепления при помощи метода роликовой аналогии 48
3.1. Обоснование применения метода роликовой аналогии для определения коэффициента трения в спироидном зацеплении 48
3.2. Расчет параметров узла трения при моделировании 50
3.3. Конструкция роликового стенда 53
3.4. Методика проведения экспериментальных исследований и обработки их результатов 58
3.5. Оценка КПД и коэффициента трения спироидного зацепления по результатам проведенных экспериментов 60
Выводы 64
4. Разработка метода теплового расчета спироидных редукторов 65
4.1. Определение сил в зацеплении спироидной цилиндрической передачи .65
4.2. Основные положения теплового расчета спироидных редукторов 68
4.2.1. Коэффициент теплопередачи корпуса спироидного редуктора 70
4.2.2. КПД спироидного редуктора 76
Выводы 82
5. Конструктивные приемы, обеспечивающие снижение потерь мощности в редукторах со спироидными передачами 83
5.1 Устройства для подачи жидкой смазки в зацепление передачи 83
5.2 Устройство для подачи твердой смазки в зацепление передачи 86
Выводы 87
Заключение 88
Список литературы 90
- Предпосылки применения спироидных передач в механизмах ПТМ
- Исследование температурного состояния редукторов при различных нагрузках
- Оценка КПД и коэффициента трения спироидного зацепления по результатам проведенных экспериментов
- Коэффициент теплопередачи корпуса спироидного редуктора
Введение к работе
Актуальность темы. Подавляющее большинство механизмов подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин имеют в своем составе двигатель и зубчатые передачи в виде одного или системы редукторов. Вопросам проектирования и исследования механизмов этих машин посвящено большое количество работ Айрапетова Э.Л., Волкова Д.П., Гольдфарба В.И., Дроздова Ю.Н., Иванова М.Н., Крайнева А.Ф., Кудрявцева В.Н., Решетова Д.Н., Снесарева Г.А., Терехова А.С., Часовникова Л.Д., Чернавского С.А. и др. ученых, в которых рассмотрены вопросы выбора типов передач, геометрического и силового расчета, расчета на прочность и долговечность, разработки методов исследования и определения основных эксплуатационных показателей и многих других. В этих работах проектные расчеты отдельных узлов строятся на основе расчета на прочность, определения показателей надежности и долговечности. При всем этом закладываемые коэффициенты запаса прочности, определяемые эмпирическим путем, гарантируют безотказную работу механизмов подъемно-транспортных машин (ПТМ) в течение заданного промежутка времени.
Узлами и элементами, от работы которых в наибольшей степени зависит надежность и долговечность механизма ПТМ в целом, являются зубчатые передачи. Рассчитав по принятым в проектировании методикам критерии их надежности и долговечности, гарантируют бесперебойную работу механизмов на определённый промежуток времени. Однако при всем этом плохо поддаётся учёту процесс нагрева элементов зубчатых передач, работающих, главным образом, в условиях повышенного трения. Особую актуальность эта проблема приобрела в редукторах червячного класса, которые нашли широкое применение в механизмах, где скорости перемещения рабочих органов, как правило, невысоки, а тенденция применения высокооборотных малогабаритных двигателей требует применения зубчатых передач, реализующих большие передаточные числа. При работе они часто выходят из строя по причине заедания, возникающего из-за пре-
вышения допустимой температуры в зоне зацепления передачи. Известны случаи, когда в такой ситуации происходил разрыв масляной пленки в контакте и передача выходила из строя в результате интенсивного износа зубьев колеса. В связи с этим, вопрос расчета передач червячного класса на нагрев на стадии их проектирования требует к себе такого же внимания, как и расчеты на прочность и долговечность.
В настоящее время все большее применение в ПТМ находит новая разновидность передач червячного класса - спироидная. По технологии изготовления она аналогична червячным цилиндрическим, а значит, более технологична по сравнению с глобоидными передачами. В ней значительно более полно реализуются большие коэффициенты перекрытия, что делает ее предпочтительнее гипоидных и червячных цилиндрических передач. Спироидная передача является высоконагруженной передачей червячного класса. Она имеет меньшие габариты по сравнению с такой же червячной цилиндрической передачей при одинаковых передаваемых вращающих моментах на валу колеса. Для спироидного редуктора вопрос теплоотвода от поверхности корпуса становится чрезвычайно актуальным.
Таким образом, использование спироидных передач в механизмах ПТМ является весьма перспективным, а исследования, направленные на разработку метода расчета их на нагрев, являются актуальными.
Цель работы: Разработка метода теплового расчета редукторов со спиро-идными передачами.
Идея работы заключается в учете теплового режима работы редукторов на основе спироидных передач при проектировании механизмов ПТМ.
Задачи исследований:
Натурные испытания спироидных редукторов ПТМ для определения их эксплуатационных показателей.
Оценка метода роликовой аналогии с целью определения коэффициента трения в зацеплении при проектировании спироидных передач.
3. Разработка метода теплового расчета спироидных редукторов и создание новых технических решений, направленных на снижение трения в зацеплении.
Методы исследований. Стендовые испытания натурных образцов и исследование коэффициента трения спироидного зацепления на физической модели, применение основных положений законов теплофизики и теории трения, а также численных методов линейной алгебры для решения уравнений, полученных при использовании теории подобия.
Основные научные положения:
1. Нагрузочную способность спироидных редукторов механизмов ПТМ с
углом подъема винтовой линии витков червяка у < 7, работающих при высокой
продолжительности включения и непрерывном режиме, необходимо определять с учетом термической мощности.
С целью получения достоверных результатов КПД и термической мощности спироидных редукторов ПТМ на этапе их проектирования коэффициент трения в зацеплении целесообразно определять методом роликовой аналогии.
Коэффициент внутренней теплоотдачи для схем с верхним расположением червяка и смазкой окунанием зависит от внешнего диаметра венца и среднего радиуса окружности спироидного колеса, глубины его погружения в масло, высоты зубьев, частоты вращения, характеристик и количества масла в корпусе. Для повышения термической мощности тяжело нагруженных спироидных редукторов при работе на номинальном моменте требуется дополнительная подача масла в зону зацепления и применение 4 группы трансмиссионных легированных масел 18 класса вязкости.
Достоверность научных результатов подтверждена достаточным объемом натурных испытаний спироидных редукторов для механизмов ПТМ в условиях близких к эксплуатационным и исследований на модели, имитирующей
спироидное зацепление; применением современной аппаратуры и методов обработки результатов.
Научная новизна заключается в следующем:
Установлена зависимость КПД спироидных редукторов от делительного угла подъема винтовой линии витков червяка. Определена группа трансмиссионного масла, обеспечивающего минимальные потери на трение в зацеплении.
Предложен метод физического моделирования тепло напряже иного контакта спироидного зацепления, позволяющий определять коэффициент трения в передаче на стадии рабочего проектирования редуктора.
Разработан метод теплового расчета редукторов со спироидными передачами. Предложены технические решения для дополнительной подачи смазки в зацепление передачи и обеспечения ее повышенной противозадирной стойкости.
Личный вклад автора состоит в постановке и проведении экспериментов по исследованию процесса нагрева спироидных редукторов с различными передаточными числами, физическому моделированию зацепления передачи; в обработке и анализе полученных экспериментальных данных; в создании новых технических решений, обеспечивающих надежную смазку зацепления передачи с верхним расположением червяка.
Практическая ценность работы заключается в создании стенда для проведения исследований спироидных редукторов с целью определения их эксплуатационных показателей, а также экспериментального стенда для исследования коэффициента трения в спироидном зацеплении на модели; в разработке метода теплового расчета редукторов ПТМ на основе спироидных передач; в создании новых технических решений, обеспечивающих надежную смазку зацепления передачи при использовании жидких смазочных материалов (патенты РФ на полезную модель №42606, №46826).
Реализация работы в промышленности. Результаты работы использованы при проектировании кабелесборочного механизма электропогрузчиков со спироидным редуктором для ООО «Новосибирская Электро - Техническая Ком-
пания», а также при разработке технического проекта лебедки пассажирского лифта грузоподъемностью 420 кг.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях Новосибирского государственного технического университета (Новосибирск, 2002, 2003 гг.); на научно-технических конференциях СГУПСа (Новосибирск, 2002, 2004 гг.); на 10-й и 11-й международных научно-практических конференциях "Современные техника и технологии" (Томск, ТПУ, 2004, 2005 гг.); на научно-технической конференции "Теория и практика зубчатых передач" (Ижевск, ИжГТУ, 2004 г.); на научно-технической конференции, посвященной 60-летию Института горного дела СО РАН (Новосибирск, 2004 г.); на 5-м Международном симпозиуме по трибофатике (Иркутск, ИрГУПС, 2005 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ (в том числе 2 патента на полезную модель и 1 патент на изобретение).
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Содержит 98 страниц машинописного текста, включая 21 рисунок, 18 таблиц и список литературы из 95 наименований.
Предпосылки применения спироидных передач в механизмах ПТМ
Анализ информации, относящейся к вопросу применения передач зацеплением в ПТМ показал, что наибольшее применение находят цилиндрические и конические передачи, а также передачи червячного типа: червячные цилиндрические, глобоид-ные и спироидные [1, 6-9, 17, 21, 25, 27, 29, 33, 40, 48, 50, 59, 61, 67-68, 73, 75, 80 и др. Несмотря на высокие эксплуатационные показатели спироидных передач их применение в механизмах ПТМ явно недостаточно.
Червячные передачи применяют в механизмах подъема, передвижения и вращения башенных и портальных кранов, в лифтах и лебедках, талях и других устройствах [1, 17,48,57].
В настоящее время известно значительное количество типов цилиндрических червячных передач: с линейчатыми червяками; с нелинейчатыми червяками, витки которых профилируются коническими инструментами; с червяками, имеющими вогнутый профиль витков [37, 51, 82, 85]. Следует отметить, что по несущей способности они отличаются незначительно [82].
Решая задачу выбора типа передачи, необходимо принимать во внимание не только эксплуатационные показатели, но и то обстоятельство, каким образом они достигаются (технологичность, применяемые материалы, стоимость изготовления и др.). В условиях рыночной экономики это обстоятельство имеет решающее значение. При выборе типа передачи решающее значение приобретает обеспечение надежности и долговечности в условиях, характерных для режима работы механизмов ПТМ.
С этой точки зрения при выборе типа передачи следует прежде всего ориентироваться на геометрические параметры зацепления: суммарную длину контактных линий и их расположение на контактирующих поверхностях зубьев, приведенные радиусы кривизны в контакте, и на кинематические показатели зацепления - скорости скольжения и движения контактных линий по сопряженным поверхностям, характеризующие несущую способность, износостойкость и противозадирную стойкость передачи. Из семейства цилиндрических червячных передач в подъемно-транспортном машиностроении больше применяются передачи, боковые поверхности витков червяка которых линейчатые. Технологии их изготовления проще, чем червячных передач, червяки которых имеют вогнутый профиль витков. Цилиндрические червячные передачи с линейчатыми червяками - архимедовыми (вида ZA), конволютными (ZN1 и ZN2), эвольвентными (ZI) - равноценны между собой по несущей способности [48, 49, 82]. Тем не менее, несколько большее применение находят передачи с эвольвентными червяками из-за их большей технологичности, благодаря возможности шлифования боковых поверхностей витков плоской стороной шлифовального круга [56]. С указанными передачами по эксплуатационным показателям сравнимы передачи, червяки которых обрабатываются коническими инструментами. У таких передач сравнительно просто достигается идентичность поверхностей витков червяка и червячной фрезы и, следовательно, высокая точность изготовления передачи. В судовых подъемно-транспортных механизмах применяются также цилиндрические червячные передачи с червяками, имеющими вогнутый профиль витков [48, 49]. По несущей способности и КПД эти передачи близки к червячным глобоидным, но превышают по названным показателям цилиндрические червячные передачи, боковые поверхности витков которых линейчатые [56]. Червячные передачи с червя ками имеющими вогнутый профиль трудоемки в изготовлении и по этой причине широкого применения в ПТМ не находят. Определенную нишу в подъемно-транспортном машиностроении занимают глобоидные червячные передачи. Существенные преимущества их перед другими видами червячных передач достигаются благодаря большему коэффициенту перекрытия и благоприятному расположению контактных линий по отношению к вектору скорости скольжения, в результате чего в зацеплении создаются лучшие условия для образования между контактирующими поверхностями масляного клина [34]. Следует отметить, что объем использования глобоидных редукторов в ПТМ существенно уменьшился. Основные причины заключаются в следующем. Серийно выпускающий глобоидные редукторы завод «Красная гвардия» оказался за рубежом (г. Одесса, Украина), кроме этого данные редукторы требуют специализации производства из-за необходимости применения дефицитного металлорежущего оборудования, оснастки и инструмента, а также высокой квалификации инженерно-технического персонала. Следует также указать на еще одно обстоятельство: теоретически высокий коэффициент перекрытия на практике должен обеспечиваться качественной сборкой и надлежащим техническим обслуживанием редуктора. В процессе эксплуатации из-за износа подшипниковых узлов происходит перемещение червяка в осевом направлении, что и уменьшает фактический коэффициент перекрытия. Сложностью изготовления и эксплуатации глобоидных редукторов лифтовых лебедок, а также ссылкой на зарубежный опыт объясняют Г.Г. Архангельский, Д.П. Волков и др. (МИСИ им. В.В. Куйбышева) целесообразность возврата к цилиндрическим червячным передачам в лифтостроении [57]. В последние годы все большую известность и применение в технике находят спироидные передачи. Они являются одной из прогрессивных и перспективных разновидностей зубчатых передач. По технологии изготовления эти передачи относятся к передачам типа червячных, по внешним геометрическим признакам - к гипоидным. Первые патенты на спироидную передачу и способ ее изготовления, принадлежащие фирме Illinois Tool Work (ITW) Inc, появились в 50-х годах прошлого столетия. В последующие годы интерес к спироидным передачам со стороны исследователей, производителей и потребителей постоянно увеличивается благодаря таким достоинствам как: - повышенная нагрузочная способность, надежность и долговечность, обусловленные улучшенными показателями геометрии и кинематики зацепления; - способность надежно работать при использовании в качестве материала колеса стали и чугуна вместо бронзы; - высокая стойкость к ударным, вибрационным нагрузкам и кратковременным перегрузкам; - технологичность изготовления и сборки; - компактность, бесшумность работы, пониженная виброактивность. Основными производителями спироидных передач, редукторов и мотор-редукторов в мире являются: ITW (США), SEW Eurodrive (Германия), SPIROPLAN (Англия), Neptun S.A. (Румыния); в России ООО УНПЦ "Механик" (г. Ижевск) -лидер по количеству и номенклатуре; ОАО "ЭЗТМ" (г. Электросталь, Московская обл.), ОАО НИТИ "Прогресс" (г. Ижевск). Научным координатором исследований является Институт механики ИжГТУ (г.Ижевск). В настоящее время накоплен положительный опыт применения спироидных передач в конечных изделиях как в России, так и за рубежом.
Исследование температурного состояния редукторов при различных нагрузках
При исследовании теплового режима работы и оценки потерь, связанных с нагревом элементов спироидных редукторов, необходимо обеспечить постоянство характера нагружений зубьев, точность измерения вращающих моментов на валах передачи и температуры в характерных точках редуктора. Рассмотрим основные достоинства и недостатки схем стендов, приведённых в таблице 2.1 с учетом перечисленных требований.
Сущность метода нагружения с замкнутым контуром (см. таблицу 2.1, п. 1) заключается в том, что испытываемые редукторы 8 включаются в замкнутый контур, по которому обеспечивается непрерывная циркуляция энергии. Таким образом, прошедшая через них энергия снова поступает к ведущему валу редуктора через двухпоточныи цилиндрический редуктор 3, а электродвигатель 1 лишь пополняет неизбежные потери на трение в зацеплении передач, в подшипниковых узлах, на перемешивание масла и т.д. Характерная особенность таких стендов заключается в способе нагружения их силами упругости звеньев.
Нагружение в стендах с замкнутым контуром может быть предварительным и на ходу. В первом случае присутствуют муфты, имеющие различное конструктивное исполнение, во втором - стенды выполняют с различными нагружателями: с винтовыми или поворотными корпусами, с перемещаемыми в окружном или продольном направлении колесами, с гидравлическими или пневматическими механизмами и т.д. [28, 70]. Стенды с замкнутым контуром относительно просты по конструкции и в обслуживании, но их применение с точки зрения поставленных целей нецелесообразно из-за присущих им недостатков - пуском под нагрузкой и возможностью снижения нагрузки в процессе испытаний.
Сущность метода нагружения с разомкнутым контуром заключается в том, что вся энергия, развиваемая двигателем, проходя через испытываемый редуктор, направляется в нагружающее устройство, где полностью переводится в тепло. Этот метод имеет ряд недостатков. Прежде всего, сам принцип нагружения предполагает значительный расход электроэнергии и перегрев нагружателей. При испытании зубчатых передач большой мощности требуются электродвигатели с мощностью, равной мощности испытываемой передачи, и громоздкие тормозные устройства со специальным охлаждением.
Наряду с недостатками, разомкнутый метод нагружения имеет существенные достоинства - позволяет выполнить испытательный стенд простым по конструкции и универсальным, приспособленным к испытаниям редукторов самых разнообразных конструкций и типоразмеров, что весьма важно при индивидуальном производстве и испытаниях опытных образцов, а также обеспечивает измерение вращающих моментов с необходимой точностью. Поэюму для проведения исследований был принят этот метод нагружения.
В свою очередь стенды с разомкнутым методом нагружения бывают с электрическим, гидравлическим и механическим тормозными устройствами (см. таблицу 2.1, п.2). В качестве электрических тормозных устройств применяются [70]: 1) машины постоянного тока с независимым возбуждением, в которых момент регулируют реостатом в цепи возбуждения; 2) асинхронные электродвигатели с фазным ротором, в которых момент регулируют реостатом в цепи ротора; 3) индуктивные тормоза, работающие по принципу вихревых токов (торможение осуществляется магнитными полями); 4) порошковые электромагнитные тормоза, в которых рабочей средой служит железный порошок, оказывающий под действием магнитного потока сопротивление сдвигу тем более, чем он сильнее намагничен {см. таблицу 2.1, п. 2.3). В стендах с тормозным генератором постоянного тока, наиболее часто применяющихся при испытании редукторов червячного типа, регулируя напряжение в цепи возбуждения генератора, можно плавно, в широких пределах, изменять нагрузку, а, регулируя напряжение возбуждения приводного двигателя, выбирать нужную скорость вращения ротора. Энергия, вырабатываемая тормозным генератором, поглощается реостатными устройствами или же передаётся в электросеть. Стенды, в которых вырабатываемая электроэнергия поглощается реостатными устройствами, являются неэкономичными и возникают проблемы с отводом тепла. Стенды с тормозными генераторами, подключёнными к электросети, представляют собой стенды с знері є і ически замкнутой мощностью и, следовательно, потребляют энергию в количествах, необходимых только для восполнения потерь в узлах, включая электродвигатель и генератор. Их применение весьма перспективно в сравнении со стендами, в которых энергия гасится реостатными устройствами, однако все они имеют одни и те же недостатки— высокую стоимость и низкую точность измерения вращающего момента Т2 из-за наличия в схеме мультипликатора. Использование порошковых тормозов в стендах ограничено из-за нагрузочного момента, связанного с типоразмерным рядом тормозов, выпускаемых промышленностью, и их высокой стоимостью. В стендах с гидравлическими нагружателями (см. таблицу 2.1, п.2.2) в качестве тормозных устройств используют гидронасосы, рабочей средой которых служит гидравлическая жидкость или масло. Нагружение испытываемого редуктора осуществляется путём установки регулируемого вентиля, позволяющего дросселировать рабочую жидкость нагнетательного трубопровода гидронасоса и, таким образом, создавать давление в нагнета і ел ьной полости. Недостатком стендов данного вида является низкая точность измерения вращающего момента Т2, быстрый нагрев рабочей жидкости, в связи с чем требуется её охлаждение в масляном баке (соответственно увеличиваются габариты стенда и его стоимость). Недостаток стендов с механическим тормозом (см. таблицу 2.1, п.2.4) заключается в повышенном износе и нагреве тормозного шкива при высоких частотах вращения. Кроме этого при испытании передач большой мощности стенды имеют громоздкие тормозные устройства, а, следовательно, это приводит к увеличению их габаритов и массы. Достоинством таких с і ендов является их невысокая стоимость по сравнению со стендами других видов. В данном случае испытываемые передачи имеют небольшую передаваемую мощность, поэтому с этой точки зрения целесообразно использовать именно такой вид нагрузочного устройства. При этом данная схема не имеет в своём составе мультипликатора, она более компактна, по сравнению с другими схемами сіендов, и обладает достаточно высокой точностью измерения вращающего момента 7У На основе анализа рассмотренных схем с точки зрения поставленных задач, было принято решение спроектировать стенд с разомкнутым контуром и использовать в качестве нагружающего элемента механический тормоз дискового типа.
Оценка КПД и коэффициента трения спироидного зацепления по результатам проведенных экспериментов
Трансформатор ТСТ-5, работающий в комплексе с тиристорным блоком, имеет повышенное значение напряжения короткого замыкания (10 ІІн), что обеспечивает ограничение токов короткого замыкания на уровне (9-13)Уя Резисторы СПЗ-4АМ обеспечивают регулирование частоты вращения якорей электродвигателей в пределах 30 - 2350 об/мин.
Масло нагревается до заданной температуры трубчатым электронагревателем типа НММ. Охлаждение масла при необходимости производится окружающим воздухом. Конструкция стенда позволяет производить предусмотренные методикой измерения: контроль нагрузки в контакте, вращающего момента на валу ролика, температуры смазки в масляном картере и частоты вращения образцов. Нагрузка в контакте измерялась специальным приспособлением, прикреплённым к раме стенда. Приспособление имеет вид П-образной стойки 10 (см. рисунок 3.2), на которой закреплён динамометр типа ДПУ-ОД-2 ГОСТ 13837-79 (диапазон измерения 0 - 1000Н, погрешность измерения ±0,1%). Измерительный конец динамометра в момент измерения нагрузки взаимодействует с валом привода ролика, за счет чего нагрузка, создаваемая грузом, передаётся на динамометр, по шкале которого определяется её значение. Значения вращающих моментов на валу ролика определяли путём измерения реактивных моментов балансирно установленного электродвигателя. Частота вращения образцов контролировалась электронным счетчиком импульсов ОВЕН СИ8. Такой блок позволял производить измерения с точностью до 0,5 об/с. Целью проведенных на роликовом стенде исследований было определение коэффициента трения скольжения между образцами, моделирующими зацепление спироидной передачи кабелесборочного механизма электропогрузчиков при использовании различных смазочных материалов.
Параметры передачи с ип-11, условия контакта которой воспроизводились на стенде, приведены в таблице 2.2. Приведенный радиус кривизны контактирующих поверхностей /f соответствовал радиусу ролика гр рп-17мм, поскольку радиус кривизны плоского диска равен бесконечности, а длина единичной линии контакта равнялась ширине ролика Ьр=3,5мм.
Роликовые образцы и звенья спироидных пар были изготовлены из одних и тех же материалов и испытывались с маслами из одной упаковки. Параметры шероховатости рабочей поверхности ролика и боковых поверхностей витков спироидных червяков соответствовали одному и тому же классу. Промытые в бензине, высушенные и протертые салфетками, смоченными этиловым спиртом, образцы устанавливали на шпиндели приводов, проверяли по краске их касание в контакте. Если касание образующей цилиндрической поверхности ролика к торцевой поверхности диска было не по всей длине, положение оси ролика регулировали.
Объем масла, заливаемого в картер, составлял 0,65л. При этом зона трения установленных образцов погружалась в масло и находилась на 3 - 5мм ниже его уровня. Обкатка образцов проводилась в течение 0,5ч с нагрузкой, составляющей 20% номинальной, с целью формирования начальной микрогеометрии и структуры рабочих поверхностей. Для исключения разноса электродвигателей стенда, имеющих последовательное соединение, роликовые образцы предварительно нагружали, а затем приводили во вращение до необходимой частоты.
Контролируя нагрузку, ступенчато увеличивали ее до значений 25%; 50% и 75% номинальной. На каждой ступени нагружения образцы прирабатывались не менее часа. Приработка считалась законченной при стабилизации вращающего момента на валу привода ролика. При этом на торцевой поверхности диска формировалась полоса, ширина которой равнялась длине линии контакта образцов.
Для проведения дальнейших экспериментов заменяли масло и производили тарировку системы измерения вращающего момента привода ролика. При этом статор электродвигателя уравновешивался набором гирь.
Температура масла в картере роликового стенда задавалась равной tM=I00C, как наиболее стабильная и характерная температура внутри спироидного редуктора, определяющая его тепловое состояние при непрерывном режиме работы [79]. После прижатия ролика к диску с требуемой силой, контролируемой по шкале динамометра, им плавно задавали необходимые частоты вращения.
Вращающие моменты на валу ролика определяли в установившемся режиме работы с помощью рычажной системы балансирно установленного электродвигателя. Их измеряли дважды: первый раз при наличии трения скольжения между образцами, когда V\ V2, второй - задав одинаковые окружные скорости V]=V2, исключив этим погрешности сопротивления качению образцов, подшипниковых узлов шпинделя ролика и якоря электродвигателя, трения щёток и балансирно установленного статора электродвигателя.
В ходе исследований были использованы те же сорта масел, с которыми проводились натурные исследования теплонапряженного состояния спироидных редукторов. Число опытов при определении коэффициента трения на каждом масле равнялось 10. Интервалы измерения вращающих моментов в процессе эксперимента составляли не менее 20мин. Методика обработки результатов исследований коэффициентов трения включала вычисление по зафиксированным значениям вращающих моментов на валу ролика Тиші и Тизм2, и силы нормального давления ролика к диску Q значений fa для каждого опыта и определение среднего значения (таблица 3.4).
Коэффициент теплопередачи корпуса спироидного редуктора
Спироидная передача с ротапринтной смазкой зацепления (рисунок 5.4) содержит колесо 1 и червяк 2 из антифрикционного материала, например, бронзы или латуни, содержащий винтовые канавки 3 с запрессованным в них твердым смазочным материалом, например, графитом или дисульфидом молибдена. Канавки имеют такое же направление винтовой нарезки, что и вин ювая нарезка червяка, а угол их наклона ср выбирается из условия: (р = Кф у, где у - угол наклона винтовой нарезки червяка; Кф - коэффициент: Кф =(1,75...3) для самотормозящей сиироидной передачи; Кф 0,75 для несамотормозящей передачи. При эгом меньшим значениям угла у соответствуют большие значения коэффициента Кф. При таких условиях выдавливания твердой смазки из канавки не происходит, так как реакция Rn от нормальной силы в зацеплении (рисунок 5.5) в момент контакта элементов передачи действует под углом к винтовой нарезке канавки, способствуя нанесению смазки на зубья спиро-идного колеса.
Выполнен анализ наиболее распространенных схем спироидных редукторов и показано, что наиболее распространенным является вариант с верхним расположением червяка, поскольку он наиболее удобный для спироидных мотор-редукторов с точки зрения минимизации их габаритов и массы.
Разработаны устройства для дополнительной подачи как жидкой, так и твердой смазки в зону зацепления спироидной передачи. Получено 2 патента РФ на полезную модель (№42606 и №46826) и 1 патент РФ на изобретение (свидетельство о выдаче патента №2005116095/11(018408)).
Использование разработанных конструктивных решений позволит снизить доли относительных потерь мощности на трение в узлах спироидного редуктора и, следовательно, повысить его КПД, а также улучшить условия смазки зацепления, исключив преждевременный выход из строя спироидных редукторов по причине заедания рабочих поверхностей элементов передачи.
В диссертации изложен научно обоснованный метод расчета редукторов на основе спироидных цилиндрических передач на нагрев, имеющий существенное значение для повышения надежности и долговечности механизмов ПТМ в целом, заключающийся, в отличие от ранее известных методов расчета, наличием информации о КПД спироидных редукторов в интервале делительных углов подъёма линий витков червяка 2 - 20, коэффициенте внутренней теплоотдачи от масла к внутренней стенке корпуса, полученного с помощью теории подобия и размерностей, а также в предложении использовать для определения коэффициента трения в зацеплении передачи метод роликовой аналогии.
Основные научные и практические результаты заключаются в следующем: 1. Создан испытательный стенд для оценки теплового режима работы спироидных редукторов с межосевым расстоянием 31,5 мм и различными передаточными числами, который в автоматическом режиме позволяет измерять вращающие моменты Tt и 7 , температуру по восьми каналам, обрабатывать и отображать полученные результаты в режиме реального времени. 2. Получены зависимости нагрева трех основных групп масел. Установлено, что наилучшую теплоотдающую способность имеет масло 4 группы 18 класса вязкости. На основе экспериментальных данных по нагрузочной способности впервые построена зависимость КПД спироидных редукторов от угла подъема линии витков червяка, позволяющая прогнозировать их КПД при проектировании механизмов ПТМ в интервале углов подъёма линий витков червяка 2 - 20. 3. Создан испытательный стенд для исследования коэффициента трения в спироидном зацеплении методом роликовой аналогии, который позволяет производить предусмотренные методикой измерения: контроль нагрузки в контакте, вращающего момента на валу ролика, температуры смазки в картере и частоты вращения образцов в интервале от 30 до 2360 об/мин. 4. Проведенные на роликовом стенде исследования доказали эффективность использования метода роликовой аналогии при расчете на нагрев с точки зрения достоверности получаемых результатов. Полученные значения коэффициентов трения являются важнейшей информационной базой, используемой при определении КПД и действующих в передаче сил. 5. Обобщив результаты натурных экспериментов, впервые получено критериальное уравнение, описывающее внутренний теплообмен в спироидных редукторах с верхним расположением червяка и смазкой окунанием. Разработан метод расчета их на нагрев. 6. Получено два патента на устройства для дополнительной подачи смазки в зацепление спироидных передач. Результаты работы использованы при проектировании кабелесборочного механизма электропогрузчиков со спироидным редуктором для ООО «Новосибирская Электро - Техническая Компания» и при разработке технического проекта лебедки пассажирского лифта грузоподъемностью 420кг.
