Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности работы подъёмно-транспортных машин, содержащих зубчатые передачи с заданным ресурсом по износу 20
1.1. Редукторы приводов подъёмно-транспортных машин, условия их нагружения и предъявляемые к ним требования 20
1.2. Подходы к оценке ресурса червячных передач 30
1.3. Предпосылки применения спироидных передач в механизмах подъёмно-транспортных машин 40
1.3.1. К вопросу о выборе типа передачи с перекрещивающимися осями 40
1.3.2. Особенности геометрии и кинематики зацепления спироидных передач 47
1.4. Процесс проектирования спироидных передач 52
1.4.1. Постановка задачи проектирования... 52
1.4.2. Этапы процесса проектирования спироидных передач 56
1.4.3. Компьютерная система SPDIAL 63
1.5. Задачи работы 68
2. Натурные исследования эксплуатационных показателей спироидных передач 73
2.1. Анализ методов экспериментальной оценки износа зубьев колёс в зубчатых передачах 73
2.2. Испытательное оборудование для проведения натурных испытаний. Методика испытаний 77
2.3. Обоснование выбора метода измерения износа и критерия
оценки износостойкости зубьев спироидных колёс 83
2.4. Результаты натурных испытаний спироидных передач
приводов ПТМ 89
2.4.1. Оценка эксплуатационных показателей спироидных передач 89
2.4.2. Оценка величины износа зубьев спироидных колёс 93
Выводы 97
3. Физическое моделирование процессов изнашивания зубьев колёс спироидных передач 99
3.1. Обоснование применения метода роликовой аналогии для моделирования процесса изнашивания в спироидных передачах 99
3.2. Выбор схемы и параметров узла трения роликового стенда 100
3.3. Конструкция роликового стенда 104
3.4. Результаты исследований на роликовом стенде 109
3.4.1. Методика проведения экспериментальных исследований 109
3.4.2. Методика обработки результатов исследования износостойкости и коэффициентов трения 118
4. Разработка метода расчёта ресурса спироидных передач по износу 129
4.1. Математическая модель геометрии и кинематики спироидного зацепления 129
4.2. Силовые показатели зацепления спироидных передач 139
4.3. Обоснование выбора подхода к оценке ресурса спироидных передач по износу 143
4.4. Метод расчёта ресурса спироидных передач по износу 147
4.5. Примеры использования разработанного метода при проектировании механизмов ПТМ 152
5. Создание механизмов подъёмно-транспортных машин на основе спироидных передач с заданным ресурсом по износу 158
5.1. Разработка конструкции и испытание механизма подъёма специального монтажного крана 158
5.2. Разработка механизма подъёма передвижного консольного крана линии сборки кассет энергетического реактора ВВЭР-1000 171
5.3. Создание механизма намотки кабеля электропогрузчика 175
5.4. Разработка приводов со спироидными передачами машин непрерывного транспорта 182
6. Создание унифицированных механизмов подъёма магнитных транспортёров с одно - и двухвенцовыми цилиндрическими спироидными передачами 189
6.1. Основные типы транспортных устройств для перемещения радиоактивных материалов 189
6.2. Создание типоразмерного ряда механизмов подъёма для транспортёров типа ТВМВ 195
6.3. Основные результаты испытаний механизмов подъёма транспортёров типа ТВМВ с червячной и спироидными передачами 200
6.4. Разработка и испытание опытно-промышленного образца
механизма подъёма для транспортёра типа ТВМБ 204
6.5. Разработка конструкции механизмов подъёма верхних
магнитных транспортёров со стопорным устройством 208
Выводы 213
7. Разработка и исследование спироидных редукторов приводов подъёмно - транспортных машин, работающих в экстремальных условиях 214
7.1. Анализ способов обеспечения работоспособности зубчатых передач, работающих в экстремальных условиях 214
7.2. Разработка и исследование спироидных редукторов с ротапринтной смазкой зацепления 218
7.3. Разработка и исследование спироидного редуктора с магнитопорошковым методом смазывания зацепления 230
Выводы 236
Заключение 237
Список литературы 241
Приложение 264
- Подходы к оценке ресурса червячных передач
- Испытательное оборудование для проведения натурных испытаний. Методика испытаний
- Выбор схемы и параметров узла трения роликового стенда
- Силовые показатели зацепления спироидных передач
Введение к работе
Актуальность темы. Среди разнообразных машин технологического назначения значительное место занимают подъемно-транспортные машины (ПТМ). Достаточно сказать, что существует отдельная отрасль машиностроения - подъемно-транспортное машиностроение, чтобы подчеркнуть значение этого вида техники.
Известно, что все ПТМ подразделены на: 1) машины периодического
Ф действия, предназначенные для подъема грузов, работающие в повторно-
кратковременном режиме с различной степенью периодичности и временной загрузки в зависимости от отраслевой принадлежности и различных эксплуатационных условий; 2) машины непрерывного действия, - как правило, машины для транспортировки грузов (конвейеры, транспортеры, эскалаторы и другие), работающие в непрерывном режиме в течение заданного длительного
промежутка времени (в ряде случаев круглосуточно) при постоянных уровнях и
режимах нагружения. Не останавливаясь здесь на конкретных примерах,
отметим, что для подавляющего большинства указанных ПТМ обязательным
элементом является привод, в составе которого всегда имеются двигатель и
зубчатая передача в виде редуктора или мультипликатора (значительно чаще
редуктора), определяющие в целом надежность, долговечность и многие
технические и экономические показатели ПТМ. Вопросам проектирования,
структурного синтеза, исследования ПТМ посвящено большое количество
работ [27, 28, 43, 95, 132, 134, 135, 144, 145, 173, 178, 193, 200-202, 205, 206,
215 и др.], в которых рассмотрены вопросы выбора рабочих органов,
геометрического и силового расчета, исследования нагруженности и прочности,
разработки методов исследования и определения основных эксплутационных
показателей и многих других.
Из упомянутых работ следует, что основные виды расчета на прочность,
* определение показателей надежности и долговечности связаны с анализом
различного напряженного состояния элементов конструкции ПТМ. Именно на
этой основе строятся проектные расчеты отдельных узлов, работающих при
различных условиях нагружения. При этом закладываемые в расчеты коэффициенты запаса прочности гарантируют безотказную работу элементов конструкции в течение заданного промежутка времени. Однако при этом плохо поддаётся учету факт естественного износа рабочих органов, элементов кинематических пар, работающих в условиях повышенного трения. Имеющий место износ трущихся поверхностей приводит к появлению зазоров в кинематических парах, следствием чего являются повышенные динамические нагрузки, удары, резко понижающие прочностные характеристики элементов конструкции ПТМ. В связи с этим при проектировании вопросам расчета ресурса по износу следует уделять не меньшее внимание, чем проблемам прочности элементов ПТМ.
К узлам и элементам ПТМ, которые в наибольшей мере подвержены износу и ресурс которых может в целом определять ресурс ПТМ, относятся зубчатые передачи. Следовательно, проблема оценки ресурса по износу зубчатых передач, нашедших применение в приводах ПТМ является одной из важнейших, решение которой позволит на стадии проектирования правильно оценивать их ресурс по износу.
Скорости перемещения рабочих органов ПТМ, как правило, не высоки. Это обстоятельство вместе со сложившейся тенденцией применения высокооборотных малогабаритных двигателей, обеспечивающих необходимые моменты, предполагает необходимость применения зубчатых передач, реализующих большие передаточные отношения. Последнее возможно либо путем применения многоступенчатых передач, либо планетарных и волновых передач, конструктивная и технологическая сложность которых не всегда приемлема с технической и с экономической точек зрения. В связи с этим во многих приводах ПТМ нашли применение червячные передачи: цилиндрические и глобоидные . Несмотря на возможности реализации в них большого передаточного отношения в одной паре - до 100 и более [129, 201, 222], первые имеют ряд недостатков, обусловленных условиями зацепления, вторые - сложны в технологическом отношении.
Перспективным является применение в приводах ПТМ еще одной разновидности передач типа червячных - спироидных [30, 33, 35, 61], которые по технологии изготовления аналогичны червячным цилиндрическим передачам, а по геометрическим признакам - расположению зоны зацепления, схожи с гипоидными передачами. Первое обстоятельство обусловливает значительно более высокую технологичность спироидных передач по сравнению с червячными глобоидными, второе - делает их предпочтительнее червячных цилиндрических благодаря заметно лучшим условиям зацепления. Таким образом, использование спироидных передач в различных механизмах и узлах ПТМ является весьма перспективным, а исследования, направленные на совершенствование методов их расчета, в особенности на разработку методов оценки их ресурса по износу, которых до настоящего времени нет, являются актуальными.
Исследования выполнены как составная часть научно-исследовательских работ СвердНИИхиммаша, отдела-филиала 15 СвердНИИхиммаша, Научно-исследовательского и конструкторско-технологического бюро Новосибирского завода химконцентратов (регистрационные номера тем У09427, У27568, У46715, 0350016, 0350010 и др.) и в рамках программы по решению научно-технической проблемы 0.54.07 "Разработать и внедрить прогрессивные системы и механические средства промышленного транспорта", утвержденной постановлением Государственного Комитета СССР по науке и технике и Госплана СССР от 12.12.80 №472/248. В 90-е и последующие годы работа проведена при выполнении хоздоговорных работ с предприятиями г. Новосибирска.
Цель работы. Обеспечение надёжности подъёмно-транспортных машин, работающих главным образом в экстремальных условиях, путём разработки приводов на основе спироидных передач с гарантированным ресурсом по износу.
Идея работы заключается в создании приводов ПТМ со спироидными передачами и обеспечении их гарантированного ресурса путём разработки и применения расчетных методов его оценки на основе взаимосвязанного
11 использования экспериментальных методов определения интесивности
изнашивания;, физического и математического моделирования силовых,
геометрических и кинематических параметров зацепления.
Задачи исследований:
1. Анализ условий нагружения и эксплуатации приводов ПТМ,
обоснование необходимости и целесообразности использования в их приводах
спироидных передач, работающих в экстремальных условиях.
2. Экспериментальная оценка величины фактического износа зубьев,
# КПД, температурного режима спироидных передач, работающих в условиях,
близких к эксплуатационным для приводов ПТМ непрерывного и повторно-кратковременного действия.
3. Разработка метода и средств физического моделирования процесса
изнашивания зацепления в спироидной передаче, с целью получения
количественной информации о коэффициенте трения в зацеплении и
Ф интенсивности изнашивания при различных сочетаниях материалов и смазок.
4. Создание расчетно-экспериментального метода оценки ресурса по
износу спироидных передач, сопоставление результатов проектной оценки их
износостойкости с полученными результатами натурных испытаний.
5. Проектирование, разработка, изготовление и проведение
промышленных испытаний ПТМ различного отраслевого и функционального
применения на основе спироидных передач с заложенным проектным ресурсом
по износу.
6. Разработка и обоснование методов проектирования и конструирования
спироидных передач ПТМ, работающих в экстремальных условиях на основе
нетрадиционных подходов.
Методы исследований. При выполнении работы использованы методы
классической теории зубчатых зацеплений, аналитической и
дифференциальной геометрии, линейной алгебры, основные положения теории
трения и износа, а также численные методы решения дифференциальных и
интегральных уравнений.. Экспериментальные исследования проведены на специально созданных для этих целей стендах, оснащенных аттестованными
системами измерений и поверенными приборами. Результаты экспериментальных исследований обработаны с использованием методов теории вероятностей и математической статистики.
Основные научные положения, защищаемые автором:
1. Многопарный линейный контакт зубьев спироидных передач, увели
ченный приведенный радиус кривизны зацепляющихся поверхностей, большие
передаточные отношения в одной паре, стойкость к динамическим и ударным
# нагрузкам обеспечивают эффективное использование их в приводах ПТМ ма-
лой и средней мощности с жесткими требованиями по массогабаритным характеристикам.
2. Интенсивность изнашивания элементов спироидной передачи опреде
ляется режимом работы, а ее максимальное значение достигается при непре
рывном режиме, возрастает с увеличением ПВ в повторно-кратковременном и
Ф не зависит от времени наработки в пределах нормированного износа.
Физическое моделирование, выполненное методом роликовой аналогии, позволяет достоверно, при минимальных затратах времени и средств, воспроизвести условия контакта спироидного зацепления в широком диапазоне нагрузок, температур, геометрических и кинематических характеристик, марок конструкционных материалов и сортов масел.
В границах поля зацепления линии контакта правых и большая часть линии контакта левых поверхностей витков с боковыми поверхностями зубьев колеса имеют близкое к радиальному направление, длина поля зацепления равна длине зацепляющейся части червяка, значения приведенного радиуса кривизны зависят в наибольшей степени от углов профиля, межосевого расстояния и передаточного числа.
Интенсивность изнашивания определяется главным образом сортом масла и его вязкостью, а ее меньшее значение достигается при использовании
высоковязких масел.
Достоверность научных результатов подтверждается натурными испытаниями спироидных передач при нагрузках, близких к эксплуатационным; сравнением и сопоставлением полученных результатов с ранее опубликован-ными результатами теоретических и натурных исследовании; проведением экспериментальных исследований на аттестованном оборудовании, оснащенном поверенной аппаратурой и приборами контроля; промышленной эксплуатацией ПТМ с приводами на основе спироидных передач.
# Новизна научных положений заключается:
в установлении критерия разрушения активных поверхностей зубьев спироидных колес и кинетики (закономерности) процесса утраты работоспособности в режимах работы ПТМ;
в разработке физической модели спироидного зацепления, создании стенда для экспериментальных исследований и получении количественной ин-
0 формации об интенсивности изнашивания и коэффициентах трения в зацепле-
нии для различных комбинаций конструкционных и смазочных материалов;
в разработке математической модели изменения геометрических и кинематических параметров спироидного зацепления для передачи общего вида, которая явилась основой для разработки методов моделирования процесса изнашивания, расчета ресурса по износу и характеристик контакта взаимодейст-вующих зубьев;
в создании (в соавторстве с профессором Ю.Н. Дроздовым) метода расчета ресурса спироидных передач по износу, в том числе методики определения значения параметров, входящих в расчетные зависимости, и в разработке модуля оценки ресурса спироидных передач, встроенного в систему автоматизированного проектирования Института механики ИжГТУ;
в реализации результатов исследований в приводах ПТМ различного назначения, разработке типоразмерного ряда механизмов подъема магнитных
транспортеров, работающих в экстремальных условиях с повышенными уров-
нями радиации, являющегося основой отраслевого стандарта ОСТ 95.603-78 "Транспортеры верхние магнитные. Типы и основные параметры".
Личный вклад автора. Автор внес определяющий вклад в постановку, обоснование и осуществление представленной работы. Он является автором основных идей и выводов, изложенных в работе, непосредственным разработчиком экспериментальных стендов, установок и методик исследований, лично им написаны статьи, заявки на изобретения и сделаны выступления на НТС, семинарах и конференциях, в том числе международных. Автор непосредственно участвовал в создании всех устройств и механизмов ПТМ, представлен-ных в работе, и внедрении их в производство, им обработаны и проанализированы полученные экспериментальные результаты.
Практическая ценность работы заключается в том, что обоснована и
экспериментально доказана эффективность применения спироидных передач в
важной области техники - в подъемно-транспортном машиностроении, обеспе-
щ чивающем механизацшо погрузочно-разгрузочных и складских работ во всех
отраслях промышленности.
Спроектировано и изготовлено автоматизированное стендовое оборудо
вание для проведения натурных исследований, а также для исследования на
модели износостойкости, противозадирной стойкости и коэффициентов трения
в зацеплении спироидных передач. На этом оборудовании получена уникальная
информация, характеризующая процессы трения в спироидном зацеплении.
Разработаны конкретные, в том числе оригинальные, устройства и механизмы
подъемно-транспортных (грузоподъемных и транспортирующих) машин раз
личного назначения, на основе спироидных передач (А. с. № № 626002, 757430,
757455, 838208, 918648, 1118127,1195795). Отработана технология изготовле
ния одно - и двухвенцовых спироидных передач применительно к механизмам
ПТМ и обобщена в виде отраслевого руководящего документа РД 57.11-78.
«Передачи спироидные цилиндрические. Методы изготовления».Созданы уни-
версальные механизмы подъема для специальных подъемно-транспортных уст-
ройств отраслевого назначения, на основе которых разработан стандарт ОСТ 95.603-78 «Транспортеры верхние магнитные. Типы и основные параметры».
Реализация работы в промышленности. Разработан типоразмерный ряд механизмов подъема верхних магнитных транспортеров для атомной промышленности, существенно улучшающих условия труда обслуживающего персонала, надежность и безопасность в эксплуатации. На основе выполненной работы разработан отраслевой стандарт ОСТ 95.603-78 "Транспортеры верхние магнитные. Типы и основные параметры".
На основе спироидных передач спроектированны и внедрены в производ-
_ ство: механизмы подъема специального мостового монтажного и передвижного
консольного кранов, механизм намотки кабеля электропогрузчиков грузоподъемностью 1-2 т, а также приводы конвейеров линии по производству гранулированных материалов.
Технический и экономический эффект от внедрения результатов работы
обусловлен повышением надёжности механизмов ПТМ, уменьшением их ме-
щ таллоёмкости и габаритов, детерминированной оценкой ресурса по износу.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на
научно-технических конференциях Ижевского государственного технического
университета (1974-2002г.г.), на республиканском семинаре «Опыт повышения
нагрузочной способности редукторов общего назначения» (г. Киев, 1978г.), на
Всесоюзном научно-техническом совещании «Перспективы развития и исполь-
зования спироидных передач» (г. Ижевск, 1979г.); на второй научно-
технической конференции «Проблемы внутризаводского транспорта» (г.
Свердловск, 1977г.); на научно-технической конференции «Автоматизирован
ное проектирование механических передач» (г. Ижевск, 1982г.); на научно-
технических семинарах кафедры деталей машин КМИ (г. Курган, 1986-87г.г.);
на научном семинаре по трению и износу в машинах Института машиноведе
ния им. А.А. Благонравова (г. Москва, 1986г.), на международной научной
конференции «APPLICATION OF MECHANICS & BIOMECHANICS IN
MECHATRONICS» (September 12-16, 1992, Varna, Bulgaria), на научно-
практическом семинаре по проблемам арматуростроения (г. Санкт-Петербург, 1994г.), на второй международной конференции «STROJNE INZINIERSTVO-
16
99» (BRATISLAVE, 1999г.), на международной научно-практической конфе
ренции по проблемам обеспечения надежности и качества зубчатых передач
«GEAR TRANSMISSION-2000» (г. Санкт-Петербург, 2000 г.), на научном се
минаре учебно-научного центра зубчатых передач и редукторостроения
(Ижевск-Москва, 2000г.), на международном научном семинаре «Современные
информационные технологии. Проблемы исследования, проектирования и про
изводства зубчатых передач (Ижевск, 2001г.), на международной конференции
«Динамика и прочность горных машин» (Новосибирск, 2001г.), на научно-
# практической конференции "Актуальные проблемы Трансиба на современном
этапе" (Новосибирск, 2001г.), на научно-технической конференции, посвященной 50 летию ИжГТУ (Ижевск, 2002г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 работы, (в том чис
ле 7 авторских свидетельств) и выпущено 9 научно-технических отчетов о НИ-
ОКР, имеющих государственную регистрацию.
Ф Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, семь
глав, заключение, список литературы 270 источников и приложения. Объем диссертации без приложений 263 страницы, включая 78 рисунков, 18 таблиц.
Структурно работа состоит из двух разделов. В первом разделе,
включающем в себя первые четыре главы, приводятся основы теории создания
спироидных приводов с гарантированным ресурсом по износу. Ключевым
моментом этого раздела являются: научное обоснование применения
спироидных передач в приводах подъемно-транспортных механизмов с учетом
особенностей их работы и критериев потери работоспособности; обоснование
метода, создание средств и реализация моделирования процессов трения и
изнашивания спироидного зацепления с накоплением экспериментальных
данных по работоспособности передач, интенсивности изнашивания и
коэффициенту трения скольжения; разработка расчетно-экспериментального
метода оценки ресурса спироидных передач по критерию износа.
Второй раздел, состоящий из 3 глав, посвящен разработке и
исследованию подъёмно-транспортных механизмов специального отраслевого назначения - главным образом для работы в атомной промышленности,
созданию ряда нормативных документов, разработке некоторых оригинальных устройств.
Главы содержат следующую информацию.
В первой главе диссертации рассмотрены особенности работы основных
механизмов подъёмно-транспортных машин, обоснованы повышенные
требования к долговечности, надёжности и прочности их узлов, в особенности
зубчатых передач - основных элементов приводов ПТМ, обращено внимание на
необходимость проектирования приводов с учетом заданного ресурса,
Ф проанализированы различные подходы к оценке ресурса зубчатых передач по
износу активных поверхностей зубьев с акцентом на передачи гиперболоидного
вида, показаны преимущества спироидных передач и обоснована
целесообразность их использования в ПТМ, дана структура процесса
проектирования спироидных передач, сформулированы цель и задачи
исследований.
« Во второй главе работы содержатся итоги натурных исследований
эксплуатационных показателей спироидных передач. Дано описание
разработанного автором испытательного трехсекционного стенда для оценки
эксплуатационных показателей спироидных передач, проанализированы
наиболее распространённые методы измерения износа зубьев колёс, выбран
метод оценки износостойкости. Получены значения КПД исследованных
передач в непрерывном и повторно - кратковременном режимах. Установлены
закономерности изнашивания зубьев спироидных колёс, венцы которых
изготовлены из бронзы. Показано, что интенсивность изнашивания зубьев
колёс мало изменяется по мере наработки ресурса и, следовательно, ресурс
передачи с достаточной точностью может быть спрогнозирован по полученным
данным. На основе полученной информации сделан вывод, что необходимо
проводить тепловой расчет редукторов в случае большого редуцирования
частоты вращения в передаче.
В третей главе, основываясь на результатах натурных исследований
спироидных передач, обоснована целесообразность применения метода моделирования (роликовой аналогии) для получения информации, содержащей
сведения об износостойкости и коэффициентах трения в зацеплении
спироидных пар. Основываясь на разработанной физической модели контакта в
спироидном зацеплении рассмотрены вопросы выбора параметров и схемы
узла трения роликового стенда. Дано описание собственной конструкции
роликового стенда и методики исследований износостойкости передачи на
модели и коэффициентов трения в зацеплении. Приведены результаты
исследований на модели износостойкости и коэффициентов трения для
одиннадцати сочетаний конструкционных и смазочных материалов. Выполнено
# сопоставление полученных результатов об износостойкости на модели с
результатами натурных испытаний передач.
Четвёртая глава посвящена разработке метода расчёта спироидных
передач на прочность по критерию износа активных поверхностей зубьев. При
разработке метода использована принципиальная схема расчета
кинематических пар по износу, предложенная проф. Ю.Н. Дроздовым. На
Ф основе математической модели спироидного зацепления, характера силового
взаимодействия зацепляющихся звеньев передачи, а также выполненных исследований по оценке ресурса зубчатых передач по износу разработан метод расчёта спироидных передач, базирующийся на использовании геометрических, силовых и скоростных параметров зацепления. Даны рекомендации по расчёту и определению координат расчётной точки, суммарной длины контактных линий, приведённого радиуса кривизны, коэффициента перекрытия, результирующей силы в зацеплении, интенсивности нагрузки, величины допустимого износа, скоростей качения и скольжения в расчетной точке.
В пятой главе нашли отражение вопросы, связанные с практической
реализацией результатов теоретических и экспериментальных исследований
диссертационной работы. На основе спироидных передач разработана гамма
приводов ряда грузоподъёмных машин и машин непрерывного транспорта:
механизмов подъёма специального монтажного и передвижного консольного
кранов для атомной промышленности, привода узла намотки кабеля для
электропогрузчиков и приводов конвейеров линии изготовления гранулированных материалов. С целью эффективного применения спироидных
передач в различных отраслях промышленности разработан отраслевой руководящий документ РД 57.11.-78 "Передачи спироидные цилиндрические. Методы изготовления."
В шестой главе отражены итоги создания унифицированных механизмов подъёма магнитных транспортёров с одно - двухвенцовыми цилиндрическими спироидными передачами. Показано, что в сравнении с используемыми в промышленности, разработанные механизмы обеспечивают назначенный ресурс и безопасность в эксплуатации. Конструкции разработанных механизмов защищены авторскими свидетельствами.
Результаты работы использованы при разработке отраслевого стандарта ОСТ 95.603-78 "Транспортёры верхние магнитные. Типы и основные параметры"
В седьмой главе на основе анализа способов обеспечения работоспособности зубчатых передач, работающих в экстремальных условиях, предложены конструкции передач и спироидных редукторов, предназначенные для этой области применения, что значительно расширило масштабы использования спироидных передач в различных отраслях промышленности. Испытания разработанных конструкций показали эффективность предложенных технических решений.
Подходы к оценке ресурса червячных передач
Как уже отмечалось, в большом количестве приводов ПТМ широкое применение находят червячные цилиндрические передачи. Хотя геометро кинематические показатели их зацепления [74, 96, 98, 127-129, 136, 137, 179, 213, 222] (характер расположения контактных линий, приведённые радиусы кривизны, коэффициент перекрытия и др.) уступают аналогичным показателям червячных глобоидных передач, применение последних резко ограничивается трудностями технологического характера при их изготовлении и сборке. Последнее обстоятельство, например, явилось решающим при выборе типа червячной передачи для грузовых и пассажирских лифтов. Предпочтение отдано червячной цилиндрической передаче [159]. При использовании червячных передач в редукторных приводах их передаточное отношение, как правило, более 30, поскольку при меньших значениях используют другие типы передач (цилиндрические, планетарные, комбинированные), так как решающим фактором является более высокий КПД последних. Практика испытаний и эксплуатации червячных передач показывает, что при высоких значениях передаточных отношений, ухудшающих условия зацепления передач, причиной выхода их из строя преимущественно является повреждения рабочих поверхностей зубьев червячного колеса. Поломка зубьев червячного колеса наблюдается крайне редко, хотя иногда такие случаи имеют место. ЇІзлом зуба происходит либо как результат уменьшения поперечного сечения у основания зуба при значительном износе, либо как следствие перегрузки зубчатой пары. В последнем случае наиболее часто выламывание зуба происходит в приводах машин циклического действия из-за перегрузок в периоды трогания с места и торможения. Специфические условия работы передач типа червячных предопределяют Ф соответствующий подбор материалов червячной пары, обладающих высокими антифрикционными свойствами. Общепризнанно, что наилучшими материалами для условий работы червячных передач является применение для венцов червячных колёс высокооловянистых бронз в сочетании с закалёнными стальными червяками, витки которых шлифованы и полированы [98, 116, 128, 222]. Однако, в последнее время прослеживается тенденция всё большего применения менее дорогих малооловянистых (5-6% олова) и безоловянистых бронз. Дня высокооловянистых бронз (более 6% олова) характерным видом повреждения считается усталостное выкрашивание (питтинг), реже - износ. Для бронз с низким содержанием олова критерием выхода из строя в зависимости от условий эксплуатации может быть либо усталостное выкрашивание, либо износ. Второй вид разрушения наблюдается чаще, чем первый. В передачах с колёсами их безоловянистой бронзы преобладает износ зубьев колеса. Несущая способность зацепления червячной передачи зависит от ряда факторов: а) геометрии передачи, в частности, вида винтовой поверхности червяка [41, 151, 163, 229]; б) сочетания материалов звеньев передачи; в) твёрдости и шероховатости рабочих поверхностей витков червяка; г) используемой смазки [222, 223]. Весьма важным из перечисленных факторов является оптимальный выбор смазочного материала. Для нефтяных масел большое значение имеет вязкость при рабочей температуре [193, 198]. При использовании нефтяных масел с присадками, синтетических и полусинтетических смазочных материалов существенное влияние оказывают их физико-химические свойства, обусловленные наличием в них поверхностно активных и химически активных компонентов [198, 222]. Свойства смазочного
Материала оказывают решающее влияние на интенсивность изнашивания зубьев червячных колёс. При оптимальном подборе смазки ресурс передачи увеличивается в несколько раз. Существенное влияние на несущую способность червячного зацепления оказывает скорость скольжения. Изменение этой скорости вызывает двойной эффект: увеличение скорости в скольжения нежелательно с точки зрения неизбежного увеличения потерь на трение, термонапряженности контакта и опасности заедания рабочих поверхностей; с другой стороны, с увеличением скорости скольжения одновременно возрастают те составляющие кинематических показателей зацепления, которые способствуют повышению давления в слое смазки, разделяющем контактирующие поверхности, и увеличению несущей способности масляного клина. В методиках расчета червячных передач на прочность, как и для цилиндрических зубчатых передач, используют решение Г. Герца [222, 227]: rH=0,418jqr-Ev/pnp, (1.3) здесь тн - расчетное нормальное контактное напряжение; # qr — погонная нагрузка в зацеплении; Е„р — приведённый модуль упругости материалов червяка и колеса; Рщ — приведённый радиус кривизны зацепляющихся поверхностей. Таким образом, несущая способность зацепления во всех случаях оценивается по величине нормальных контактных напряжений. Допускаемое контактное напряжение при эквивалентном числе циклов напряжений NE [223]: [о-н] = [ ти]ф07/мЕ, (1.4) здесь [(ffj - допустимое контактное напряжение при эквивалентном числе циклов напряжений N=107. Поскольку зависимость (1.3) не в полной мере отражает условия взаимодействия звеньев в червячной передаче, значения [ац} устанавливаются опытным путём. Например, для оловянистых бронз, работающих в сочетании с закалённым, шлифованным и полированным червяком [ fnj=0,9ae [180, 222], где 7е - предел прочности материала при растяжении. Величина [о н] принимается не зависящей от скорости скольжения и сорта масла Для безоловянистых бронз допускаемые напряжения назначают существенно ниже предела выносливости из-за опасности возникновения ускоренного износа или заедания. Существует, на наш взгляд, обоснованное мнение, что "износ колеса не следует рассматривать как отрицательный фактор, если он не превышает допустимого предела и не является причиной преждевременного выхода передачи из строя" [123]. При таком подходе открываются новые возможности: выбор допускаемых контактных напряжений может быть согласован с назначенным ресурсом работы передачи. Однако возможность варьировать ресурс передачи уровнем контактных напряжений весьма ограничена. Интенсивность изнашивания зубьев червячного колеса от значений контактных напряжений зависит существенно меньше, чем от свойств смазки [192, 197, 222, 223]. Из приведённых в работе [223] данных следует, что выбор оптимального сорта смазки позволил увеличить ресурс передачи почти в четыре раза против принятого за базу при сравнении.
Испытательное оборудование для проведения натурных испытаний. Методика испытаний
Необходимым условием для получения достоверных результатов является соблюдение ряда требований, вытекающих из целей исследования: а) испытательное оборудование должно быть снабжено приборами и устройствами, гарантирующими высокую точность задания и измерения контролируемых параметров (вращающих моментов на ведущем и ведомом валах редуктора, частоты вращения вала электродвигателя, температуры масла и окружающей среды и др.); б) метод оценки износа должен гарантировать получение информации о закономерностях изнашивания зубьев в характерных точках активных поверхностей; в) задание и отсчёт времени наработки необходимо обеспечить для всех режимов работы; г) производительность исследований и степень их автоматизации должны соответствовать достигнутому уровню развития техники; д) временные и материальные затраты на проведение исследований должны быть снижены до минимальных. Сформулированные требования реализованы в трёхсекционном стенде, кинематическая схема секции и общий вид которого изображены на рис. 2.1. и 2.2. В каждой секции стенда испытывается один редуктор. Следовательно, на стенде, имеющем единую систему управления, одновременно проводятся испытания трёх редукторов. Блоки стенда выполнены по разомкнутой схеме нагружения. Как уже отмечалось, использование такой схемы целесообразно для испытания передач типа червячных с моментом на выходном валу до 20 кН-м, в частности, передач, обладающих эффектом самоторможения. Каждый блок состоит из балансирно установленного электродвигателя постоянного тока (диапазон регулирования 300 - 3000 /мин) _1 испытываемого редуктора - 4, нагрузочного тормоза типа ПТ-{6), тахогенератора ТМГ-ЗСП- (9), муфт 3 и 5.
Измерительные системы стенда предусматривают контроль моментов на входном и выходном валах редуктора, частоты вращения вала электродвигателя, температуры окружающей среды и масла в редукторе, фиксацию числа циклов нагружения в период машинного времени работы каждого из блоков стенда.
Момент на ведущем валу редуктора измеряется с помощью балансирно установленного двигателя, статор которого выполнен подвижным на подшипниках качения. Момент на статоре, равный моменту на роторе, уравновешивается грузами. Точность измерения момента не грубее ±1%. Частота вращения вала двигателя измеряется при помощи тахогенератора ТМГ-ЗОП и вольтметра, шкала которого проградуирована в "Хин .
Момент на тихоходном валу редуктора задаётся порошковым электромагнитным тормозом ПТ-40М. Конструкция тормоза основана на принципе действия электромагнитных муфт, т.е. на эффекте возникновения сопротивления сдвигу в свободном ферромагнитном порошке при наложении на него магнитного поля. Железный порошок оказывает сопротивление сдвигу тем больше, чем он сильнее намагничен. Порошковые тормоза обладают стабильностью и точностью управления моментом, малой зависимостью момента от скорости, долговечны и имеют небольшие габариты [171, 194]. Момент измерялся механическим динамометром с индикатором часового типа ИЧ-5 кл.1 ГОСТ-577-68. Диапазон регулирования момента 0-392 Н-м. Для расшифровки показаний индикатора использовался тарировочный график, отражающий связь между деформацией упругого элемента динамометра и нагрузочным моментом тормоза. Точность измерения момента 0,5-1%.
Число циклов нагружения фиксировали при помощи счётчика импульсов, установленного на тихоходном валу редуктора. С помощью счётчика измеряли суммарное число оборотов (циклов) в интервале между контролем износа зубьев, а также за весь период испытаний. Температуру масла и окружающей среды измеряли хромель-копелевыми термопарами. Для автоматической записи температуры использовали потенциометры КСП-4-41.130.85.232 кл. 0,5. Ф Система управления стендом работает в двух режимах: дистанционном и автоматическом. Стенд оборудован специальной сигнализацией. В случае перегрева масла выше допустимой температуры (95 С) оператору подаются звуковой и световой сигналы. Управление и контроль блоков стенда осуществляется с пульта. На нём установлены приборы контроля работы электродвигателей и порошковых тормозов. Работу каждого блока можно « контролировать в процессе работы, не выключая электродвигателя и не сбрасывая нагрузку. Программа натурных исследований включала: 1. Определение ограничиваемой нагревом нагрузочной способности спироидных редукторов в непрерывном режиме работы путём нахождения наибольшего значения нагрузочного вращающего момента при допустимом температурном перепаде масла и окружающей среды, исследование износостойкости активных поверхностей звеньев передачи, температурного режима, определение КПД. 2. Определение износостойкости спироидных передач, температурного режима и КПД в повторно-кратковременном режиме при ПВ 15%; 25% и 40%. Нагрузочный момент соответствовал ограничиваемому нагревом масла до температуры 95 С при непрерывном режиме работы, так как в сравнении с этим режимом оценивались эксплуатационные показатели передачи. Были исследованы спироидные передачи с цилиндрическими червяками. Основные параметры передач в соответствии с ГОСТ 22850-77: аЧ1=50мм; тх=2мм; с1аі=34мм; 1 =160мм; di2=l 15мм; Ь]=34мм; Ві=28,4мм.
Выбор схемы и параметров узла трения роликового стенда
Выбор схемы и параметров узла трения при моделировании находится втесной взаимосвязи с условиями контакта взаимодействующих в зацепленииактивных поверхностей зубьев спироидной передачи. Основными параметрамиявляются нагрузка, приходящаяся на единицу длины линии контакта, окружныескорости VbV2 и скорость скольжения V5, расположение линии контакта по отношению к скорости скольжения и приведённый радиус кривизны (f [79].
В таблице 3.1 представлены схемы узлов трения роликовых машин, применяемых для исследования на моделях процессов трения и изнашивания. Кроме возможных схем узла трения моделирующих машин в таблице содержатся в отдельных столбцах данные о предпочтительных областях применения (предпочтительные виды передач) тех или иных схем, а также недостатки отдельных схем.Схемы узлов трения машин для испытания передачзацеплением на трение и износ103 Изменяя размеры и скорости движения элементов пары трения, можно моделировать как геометрические, так и кинематические параметры зацепления. Различные положения указанных элементов позволяют учитывать специфичные для той или иной передачи особенности зацепления.
При выборе конкретной схемы следует принимать во внимание возможность оперативного изменения геометрических и кинематических параметров зацепления для моделирования зацепления передач, имеющих различные размеры при различных значениях передаточного отношения.
Для исследования износостойкости и коэффициента трения в зацеплении спироидных передач предпочтительной на наш взгляд является схема №4, представленная диском и роликом. Сообщив диску и ролику независимые вращения от индивидуальных приводов, можно обеспечить любую по величине скорость Vs относительного движения (скорость скольжения). При заданных угловых скоростях (0\ и 2 вращения ролика и диска можно достаточно просто изменять значение Vs путём изменения положения ролика вдоль его оси. Изменяя радиус гр ролика, можно получать соответствующее значение приведённого радиуса рп кривизны контактирующих поверхностей в общем нормальном сечении, перпендикулярном к контактной линии. Величина рп, являющегося одним из важнейших геометрических показателей зацепления, в данном случае равна гр (радиус кривизны плоского диска в указанном сечении равен бесконечности). Наконец, изменяя ширину ролика и силу его прижатия к диску, можно моделировать различные по длине контактные линии и различные силы трения в зацеплении.
Выбранная схема имеет и другое преимущество: форма образцов такова, что они технологичны в изготовлении и, следовательно, стоимость их в сравнении с натурной передачей существенно снижается. И, наконец, простые по форме образцы предоставляют возможность измерять износ с помощью универсальных измерительных приборов, обеспечивая высокую точность измерений. Время проведения опытов резко сокращается, растёт производительность исследований, что обеспечивает существенную экономию материальных затрат.
В ходе изучения и анализа технической информации, отражающей состояние вопроса в области создания конструкций машин для испытания материалов на трение и износ, установлено, что отечественная промышленность не выпускает машин трения, позволяющих надёжно моделировать спироидное зацепление. Для моделирования зацепления зубчатых цилиндрических передач используются серийно выпускаемые промышленностью машины трения МИ-1М, СМЦ-2 и СМТ-1, в которых зубчатое зацепление моделируется двумя цилиндрическими роликами. Эти машины непригодны для моделирования зацеплений, отличающихся увеличенными приведенными радиусами кривизны, а также зацеплений червячных цилиндрических, глобоидных и спироидных передач.
Используя дисково-роликовую схему узла трения (см. табл. З.1., схема № 4) нами разработан специальный стенд собственной конструкции (рис. З.1., 3.2.), предназначенный для исследования износостойкости, коэффициентов трения и противозадирной стойкости зубчатых передач с перекрещивающимися осями [28].
На роликовом стенде могут проводиться экспериментальные исследования при нагрузках на образцы до 3500 Н в диапазоне скоростей скольжения 0-15 м/с без смазки и со смазкой. Смазывание образцов предусмотрено либо погружением, либо под давлением из централизованной системы смазки стенда, температура масла в которой может поддерживаться в пределах 15-150 С для имитации температурного режима работы передачи.
Основными узлами стенда (см. рис. 3.1) являются корпус 3, платформа 15, приводы ролика 16 и диска 1, подвеска 2 с грузом 20. Корпус представляет собой сварную металлоконструкцию, установленную на виброизолирующих опорах. Платформа установлена в опорах 19 и 26 и уравновешивается грузами. Поворотом платформы относительно оси обеспечивается контактирование образцов при испытаниях.
Привод ролика представляет собой электродвигатель 25, балансирно установленный на плите 21 в опорах 24 и 27 и соединённый посредством муфты 23 с узлом ролика 22. Узел ролика выполнен в виде корпуса 13, в котором на шарикоподшипниках установлен шпиндель 12, имеющий на одном конце ролик 4, на другом - токосъемное устройство 14. Привод ролика жёстко крепится к платформе, но при необходимости может быть смещён относительно неё в перпендикулярном к оси привода направлении. Смещение ролика относительно диска в указанном направлении изменяет угол между линией контакта образцов и скоростью скольжения в интервале 0-90. Ролик можно также сдвигать вдоль оси привода 16. Смещение ролика в этом направлении позволяет осуществить контакт образцов на новом участке рабочей поверхности диска.
Конструкция привода второго образца (диска 18) представлена на рисунке 3.3. Диск приводится во вращение от вала электродвигателя 1, планетарного редуктора 2, через муфту 3 с упругим элементом 4 и токосъемным устройством 5, установленным на валу 6 диска 7. Планетарный редуктор необходим для увеличения вращающего момента при малых оборотах
Электрическая схема стенда обеспечивает управление приводами диска и ролика, приводом масляного насоса и электронагревателем масла.
Электроприводами ролика и диска служат тиристорные электроприводы ПТЗР, каждый из которых состоит из электродвигателя ПБСТ-42, мощностью 3,4 кВт со встроенным тахогенератором, тиристорного преобразователя типа ПТЗР, трёхфазного трансформатора серии ТТ, регулятора скорости ПП36-11 и двух уравнительных реакторов РТП.
Электропривод ПТЗР представляет собой систему автоматического регулирования с обратной связью по скорости. Он обеспечивает длительную, кратковременную и повторно-кратковременную работу электродвигателя с номинальным моментом на валу во всём диапазоне частот вращения.
Электродвигатель ПБСТ-42 имеет закрытое необдуваемое исполнение, что обеспечивает сохранение условий охлаждения независимо от скорости вращения. Это и позволяет полностью использовать электродвигатель по моменту на малых скоростях. В переходных режимах электродвигатель допускает четырёхкратную перегрузку.
Силовые показатели зацепления спироидных передач
Как уже отмечалось, одной из главных особенностей спироидного зацепления является значительный коэффициент перекрытия є, характеризующий число пар зубьев, находящихся одновременно в контакте. Известна, например, спироидная передача специального назначения с коэффициентом перекрытия, равным 33 [248]. В спироидной передаче с двумя зонами зацепления вращающий момент передают оба венца колёс. Поэтому её нагрузочная способность существенно выше из-за увеличенной суммарной длины контактных линий зубьев, передающих нагрузку.
Следует указать и на другую характерную особенность передач червячного типа, в том числе спироидных: при значительной редукции в одной паре, характерной для приводов ПТМ, имеет место значительное проскальзывание быстроходного звена передачи (червяка) относительно тихоходного звена (колеса). В связи с этим при определении действующих в 140 зацеплении сил необходимо учитывать силу трения, которую обычно не учитывают в расчетной практике других видов зубчатых передач [63].
Величина результирующей силы G, действующей в зацеплении, может быть определена из выражения:Здесь Е - модуль вектора Е нормальной силы; е- единичный вектор нормали к боковой поверхности витка червяка; F — числовое значение вектора Fnp силы трения; V - единичный вектор скорости Vs движения колеса относительно червяка в данной точке.
Учитывая, что F=Ef , где / - коэффициент трения скольжения, выражение (4.29) в проекциях на координатные оси системы S (x,y,z), показанные на рис.4. , получаем в виде:При расчете действующих в зацеплении сил обычно известной является величина нагрузочного момента Т2 на валу колеса, через которую легко найти окружную силу на колесегде г2 - радиус вектор точки М (x,y,z) приложения силы в системе координат S2 (x2,y2,z2), связанной с колесом
В свою очередьPKaGсвязаны зависимостью (23)Используя известное выражение скалярного произведения двух векторов, получаем После подстановки проекций вектора G из формулы (4.30) и небольших преобразований выражение (4.34) принимает вид:
Как отмечалось выше, в качестве точки, в которой определяются усредненные по полю зацепления геометрические и кинематические показатели, выбрана точка с координатами х = 0, у = -rj. Для того чтобы эта точка принадлежала поверхности зацепления, координату z находим из выражения [64]с учетом х = 0, у - -Гь рассчитываем U и (5 + ),). Получаем (5 + рх) = 270, 7= г, /cos« и из выражения (4.20) определяем проекции ех, еу, ez орта нормали. В результате будем иметь (4.37)На основании формул (4.8) и (4.9) с учетом выбранных х = 0, у = -ri и z определяем проекции:
Путем последовательной подстановки значений (4.37 — 4.39) в формулу (4.35), а затем полученного выражения в (4.33) и после соответствующих преобразований суммарная нагрузка G в зацеплении предварительно приработанной передачи распределяется между всеми парами зубьев и неравномерно по длине единичных контактных линий. Неравномерность распределения нагрузки учитывали вводом в расчетную зависимость коэффициента концентрации нагрузки Кк.
Как показали натурные испытания одно- и двухвенцовых спироидных передач такое допущение приемлемо [33, 118, 228], поскольку первоначальная неравномерность распределения нагрузки в зацеплении между парами зубьев после приработки устраняется, что приводит в дальнейшем к равномерному распределению нагрузки и равномерному изнашиванию зубьев спироидных колес. Такой же вывод сделан авторами работы [103], в которой содержатся сведения о распределении нагрузки по виткам гайки грузового и ходового винтов с учетом износа резьбы. Однако для исключения схватывания рабочих поверхностей зубьев на стадии приработки целесообразно проводить расчет передачи на заедание по максимальной величине интенсивности нагрузки д и Ш [222].
Формула для определения д при расчете на износ имеет следующий вид:где Kk - коэффициент концентрации нагрузки в зацеплении, ЛГ = 1,0 -1,3; (7- модуль вектора G результирующей силы, действующей в зацеплении.
Для определения интенсивности нагрузки в двухвенцовой передаче следует использовать приведённую зависимость (4.41), однако необходимо учитывать неравномерность распределения передаваемого вращающего момента Т2 между венцами колёс:где Kf - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки в двухвенцовой спироидной передаче между венцами колёс; K-IJ-1,8С-результирующая сила, приходящаяся на один венец передачи.Ф В параграфе 1.2 было показано, что основными видами разрушенияактивных поверхностей витков червяка и зубьев колеса червячных передач является усталостное выкрашивание и изнашивание. Однако, усталостное выкрашивание характерно как вид разрушения для венцов червячных колёс, изготовленных из высокооловянистых бронз. В других случаях происходит, как правило, изнашивание активных поверхностей зубьев колёс и, в меньшей степени, витков червяка, поскольку они имеют высокую твёрдость,отполированы и изготовлены из более прочного материала — стали. Приоптимальном выборе параметров передачи, комбинаций конструкционных исмазочных материалов, когда удельная нагрузка в зацеплении q меньшепредельной по заеданию {q [q3d]) исключаются катастрофические видыразрушения: схватывание и заедание.
Результаты исследований, представленные в главах 2 и 3, свидетельствуют о том, что критерием разрушения зубьев колёс, венцы которых выполнены из безоловянистых бронз, является изнашивание активных поверхностей зубьев колёс. Следует отметить, что аналогичные результаты получены, в частности, В.А. Шубиным [228]. Им исследованы эксплуатационные характеристики спироидных передач, венцы колёс которых изготовлены из бронзы БрА9Ж4 и высокопрочного чугуна ВЧ50 в сравнении с червячными. Установлено, что по эксплутационным показателям спироидные передачи выгодно отличаются от червячных, в частности по износостойкости.Износ червячных передач составлял 0,5 мм, а спироидных - 0,1 мм за одно итоже время наработки при одинаковом нагрузочном моменте Т2 на валу колеса.
