Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Сергеева Ирина Владиславовна
Моделирование зацепления при проектировании приводов машин на основе спироидных передач
Специальность 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин (технические наук
и)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск - 2012
Работа выполнена на кафедре Подъемно-транспортные, путевые, строительные и дорожные машин Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Сибирский государственный университет путей сообщения
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Анферов Валерий Николаевич Официальные Максак Владислав Иванович доктор технических наук, профессор, оппоненты:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный архитектурно-строительный университет, кафедра Строительная механика, профессор Крауиньш Петр Янович доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет, кафедра Автоматизация и роботизация в машиностроении, профессор
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела имени Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН)
Защита диссертации состоится л2 ноября 2012 года в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212.265.03 при Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу 634003, г.
Томск, пл.Соляная 2, корпус 4, конференц-зал (ауд. 308/4).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Томский Государственный архитектурно-строительный университет.
Автореферат разослан: л2 октября 2012 года Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета:
634003, г. Томск, пл. Соляная 2, корп. 3, e-mail: klopotovaa@sibmail.com.
Ученый секретарь диссертационного совета Клопотов А.А.
д-р физ-мат. наук, доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Проблема повышения качества приводной техники приобретает всё большую актуальность в связи с увеличением скоростей и нагруженности рабочих органов различных машин. Значительное распространение получил привод, в составе которого используются передачи зацеплением, в том числе и с перекрещивающимися осями валов червячного класса. Одной из особенностей указанных передач является повышенные требования к конструкционным и смазочным материалам из-за повышенного скольжения активных поверхностей звеньев пары трения. Обоснованный выбор сочетаний конструкционных и смазочных масел чрезвычайно важен как с технической, так и с экономической точек зрения.
Среди разновидностей передач червячного класса в последние годы расширяется применение в промышленности спироидных передач, отличающихся рядом благоприятных геометрических и кинематических особенностей.
Использование физического моделирования спироидного зацепления на стадии проектирования открывает новые возможности в оптимизации выбора сочетаний конструкционных и смазочных материалов с учетом назначения привода, а также при выполнении расчетов КПД, сил в зацеплении и ресурса по износу.
Таким образом, тема диссертационной работы является актуальной, поскольку продиктована необходимостью обеспечения надежности и долговечности приводов машин на основе спироидных передач.
Исследования в указанном направлении выполнены как составная часть плана научно-исследовательских работ кафедры Подъемно-транспортные путевые, строительные и дорожные машины Сибирского государственного университета путей сообщения.
Цель работы. Совершенствование методов расчета при проектировании приводов машин периодического действия со спироидными цилиндрическими передачами на основе результатов физического моделирования контакта в зацеплении.
Объект исследования: спироидная передача в силовых приводах транспортных и технологических машин.
Предмет исследования: антифрикционные свойства сочетаний конструкционных и смазочных материалов в зацеплении спироидной цилиндрической передачи с целью оптимизации расчетов на стадии проектирования.
Идея работы в использовании при проектировании приводов машин на основе спироидных передач экспериментальных зависимостей коэффициента трения от контактных напряжений и скоростей скольжения при изменяющихся температурах для различных сочетаний конструкционных и смазочных материалов.
Задачи исследований: Обосновать и выбрать метод исследований на модели антифрикционных свойств сочетаний конструкционных и смазочных материалов для спироидного зацепления.
1. Обосновать выбор параметров модели при применении метода физического моделирования. Разработать программу и методику исследований.
2. С помощью метода физического моделирования оценить качество трансмиссионных масел по их антифрикционным свойствам применительно к спироидному зацеплению.
3. Применить результаты исследований при проектировании реальных механизмов и приводов машин на основе спироидных цилиндрических передач.
Методы исследований. Решение перечисленных задач осуществлено на основе общих положений и методов теории передач зацеплением, теории трения и изнашивания, теории вероятности и математической статистики.
Экспериментальные исследования проведены на специально созданном и модернизированном для этой цели стенде, оснащенном аттестованными и поверенными приборами.
Основные научные положения, защищаемые автором:
1. Особенности геометрических и кинематических параметров зацепления спироидных передач: многопарный линейный контакт зубьев в зацеплении, благоприятное расположение линий контакта относительно скорости скольжения, увеличенный приведенный радиус кривизны, большие передаточные числа в одной паре, стойкость к динамическим и ударным нагрузкам и др. создают предпосылки для эффективного использования в приводах машин для звеньев передачи менее дорогих и дефицитных материалов (безоловянистых бронз, латуней, сталей) при оптимальном выборе сортов трансмиссионных масел.
2. Физическое моделирование зацепления спироидных передач путем создания максимальной аналогии реального контакта звеньев спироидной передачи является эффективным средством оценки антифрикционных свойств конструкционных и смазочных материалов.
3. Контактные напряжения в зацеплении спироидной передачи могут быть выше в 1,3-1,5 раза в сравнении с червячной передачей без опасности возникновения схватывания и заедания контактирующих поверхностей звеньев пары.
4. С целью получения оптимальных конструкторских решений целесообразно при выполнении расчетов КПД, действующих в спироидном зацеплении сил и ресурса по износу передачи коэффициент трения в зацеплении определять методом физического моделирования.
Достоверность научных положений подтверждена достаточным объемом исследований на модели, имитирующей спироидное зацепление;
применением современной аппаратуры, поверенных средств измерений и статистических методов обработки результатов.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Обоснована целесообразность применения цилиндрической спироидной передачи в механизмах и приводах транспортно-технологических машин.
2. Предложено использование физического моделирования спироидного зацепления в качестве метода оценки антифрикционных свойств трансмиссионных масел и конструкционных материалов с учетом вязкости масел, скорости скольжения s и контактных напряжений н. Определены коэффициенты трения для сочетания конструкционных материалов сталь 40Х - бронза БрА9Ж4 для четырех современных трансмиссионных масел при изменении указанных параметров.
3. Доказана возможность увеличения допускаемых контактных напряжений в спироидном зацеплении в сравнении с червячной передачей при проектировании механизмов машин на основе спироидных передач.
4. В использовании экспериментальных значений коэффициентов трения в зацеплении спироидных передач при различных сочетаниях масел и материалов звеньев передачи на стадии проектирования силовых приводов машин.
ичный вклад автора состоит в модернизации экспериментального стенда, постановке и проведении экспериментов по определению коэффициентов трения в спироидном зацеплении при различных вязкостях масла, скоростях скольжения и контактных напряжениях; в обработке и анализе полученных экспериментальных данных; в разработке и внедрении технических разработок в промышленности.
Практическая ценность работы заключается в разработке методики моделирования и оборудования для оценки коэффициента трения в спироидном зацеплении; методических рекомеднаций, использующих базу полученных данных; в создании усовершенствованной конструкции механизма поворота грузозахватных кулачков устройства для перегрузки контейнеров.
Реализация работы в промышленности. Результаты работы использованы при проектировании и внедрении кабелесборочного механизма электропогрузчиков со спироидным редуктором, а также при модернизации спредера (грузозахватного устройства для крупнотоннажных контейнеров).
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах Сибирского государственного университета путей сообщения (г. Новосибирск, 2010-2012 г.г.) и Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (г.Омск, 2012г.), на Краевом научно-техническом семинаре Методы оценки качества смазочных материалов Сибирского федерального университета (г. Красноярск, 2011г.), на конференции с участием иностранных ученых в ИГД СО РАН Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды (г.
Новосибирск, 2010 г.), на международном научно-техническом конгрессе Энергетика в глобальном мире (г. Красноярск, 2010 г.), на международной научно-технической конференции Актуальные проблемы трибологии (г.Самара, 2011г.) и на III Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых Инновационные технологии и экономика в машиностроении Юргинский технологического института Томского политехнического университета (Юрга, 2012г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, список литературы из 119 источников. Объем диссертации без приложений 176 страницы, включая 56 рисунков, 46 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель работы, идея и задачи исследований, определены объект и предмет исследований, представлены основные научные положения, защищаемые автором, и научная новизна. Подтверждены личный вклад автора, практическая значимость работы и реализация результатов работы в промышленности. Даны сведения об апробации работы и публикациях автора.
В заключительной части введения кратко освещено содержание каждого раздела работы.
В первой главе произведен анализ конструктивных, эксплуатационных и технологических особенностей спироидных передач; приведено сравнение достоинств и недостатков в сравнении с другими передачами червячного класса, в результате чего из всего многообразия выделена спироидная передача с цилиндрическим червяком, которая находит все большее применение в механизмах ПТМ, например, в приводах транспортеров, конвейеров, механизмах подъема и др.; сформулированы задачи работы.
Рассмотрены существующие виды отказов передач данного класса и вызывающие их причины. Выполненный анализ показал, что износ и заедание (наиболее опасный вид повреждения зубьев червячных и спироидных передач) - виды разрушения рабочих поверхностей зубьев, лимитирующие передаваемую нагрузку (момент) в передачах червячного класса.
Одним из эффективных средств снижения интенсивности изнашивания и повышения напряжений, приводящих к заеданию, является применение современных смазочных материалов.
Отмечено, что вопросу обеспечения эксплуатационной надежности с учетом требуемого срока службы уделено явно недостаточное внимание.
Решение сформулированных задач осуществлено, во-первых, на основе общих положений и методов теории передач зацеплением, теории трения и износа, изложенных в трудах Н.И.Колчина, В.А.Гавриленко, Ф.Л.Литвина, М.Л.Ерихова, В.И.Гольдфарба, Е.С.Трубачева, Э.Л.Айрапетова, Д.Т. Бабичева, В.Н.Анферова, Л.В.Коростелева, Г.И.Шевелевой, В.Н.Кудрявцева, Ю.Н.Дроздова, А.Н.Петрусевича, Д.Н.Решетова, А.С.Проникова, И.С.Кузьмина, И.С.Кривенко, Л.Д.Часовникова, С.А.Лагутина, М.М.Хрущова, И.В.Крагельского, А.П.Семенова, Р.М.Матвеевского, В.Ф.Рещикова и др..
Вторая глава посвящена выбору и обоснованию метода оценки антифрикционных свойств трансмиссионных масел для спироидной передачи в приводах и механизмах циклического действия.
Исследованиями спироидных передач и редукторов занимались такие ученые, как В.И.Гольдфарб, А.К.Георгиев, В.Н.Анферов, В.А.Шубин, А.А.Ковальков, С.В.Езерская, М.М.Быстров, Е.С.Трубачев, А.С.Кунивер, Е.И.Попова и др..
Выполненный анализ результатов натурных исследований позволил сделать следующие выводы:
1. Спироидные передачи представляют собой класс передач, отличающихся между собой расположением осей валов в пространстве, формой звеньев передач и геометрией витков спироидного червяка.
2. Эксплуатационные показатели спироидных передач находятся на достаточно высоком уровне и их применение в приводах различных машин и механизмов эффективно как с технической, так и с экономической точек зрения.
3. Для изготовления звеньев передачи и инструмента для нарезания колес применяются широко распространенные универсальные станки. Это делает спироидные передачи по технологии производства доступными для большинства машиностроительных заводов, в том числе, ремонтных цехов и участков.
4. В качестве материала для изготовления звеньев пары используются высокооловянистые и безоловянистые бронзы, латуни, стали, чугуны (для колес), композиционные материалы и пластмассы.
5. На работоспособность и долговечность спироидных передач существенно влияет выбор смазочного материала, в особенности для сочетаний материалов звеньев передач сталь - безоловянистые бронзы и латуни; сталь - сталь; сталь - чугун.
Моделирование является эффективным методом получения информации о работоспособности пар трения с точки зрения экономии трудовых и материальных затрат. Эффективность применения физического моделирования при исследовании пар трения применительно к передачам зацепления доказана в работах Ю.Н.Дроздова, М.Д.Генкина, Н.Ф.Кузьмина, Л.Д.Часовникова, П.С.Зака и др.
В России и за рубежем разработана большая гамма машин и установок для изучения трения, изнашивания и смазывающей способности масел.
Машины трения условно подразделяются на две группы: 1) машины с постоянной номинальной площадью контакта; 2) машины с переменной площадью контакта. Площадь контакта в таких машинах первой группы определяется геометрическими размерами образцов. Смазывающая способность масел оценивается по изменению коэффициента трения либо по величине износа образцов. Машины первой группы применяются только для исследования трения и изнашивания в низших кинематических парах. Вторая группа машин включает в себя конструкции, в которых узлы трения содержат шары, ролики, диски, цилиндры с площадью контакта, изменяющейся в процессе испытаний. Изменение площади контакта происходит вследствие упругой деформации тел и износа в ходе испытаний. Все рассмотренные типы машин можно использовать для предварительной оценки качества смазочных масел, поскольку они не воспроизводят условия контакта в зубчатых передачах.
Большая часть из рассмотренных машин имитирует трение скольжения.
Для оценки качества трансмиссионных масел и видов повреждений зубчатых передач с параллельными, пересекающимися и перекрещивающимися осями валов используются другие типы машин.
Анализ существующих схем узлов трения машин, применяемых для оценки работоспособности сочетаний конструкционных и смазочных материалов применительно к спироидным передачам, показал целесообразность создания специального стенда, наиболее полно воспроизводящего геометро - кинематические и силовые параметры спироидного зацепления. Узел трения Рис.1 - Узел трения дисковопоказан на рис.1.
роликового стенда Стенд позволяет осуществлять моделирование контакта витков червяка и зубьев спироидного колеса, воспроизводя основные характеристики спироидного зацепления, такие как:
окружные скорости 1 и 2, скорость скольжения S, контактные нагрузки н, шероховатость контактирующих поверхностей, сочетание материалов звеньев и подаваемого смазочного масла в контакт и т.д.
С целью решения задач исследований, сформулированных в работе, проведена модернизация стенда.
В третьей главе проведен выбор, обоснование и расчет параметров узла трения при моделировании зацепления спироидных передач, описана конструкция дисково-роликового стенда, обоснован выбор смазочных масел и конструкционных материалов для X спироидного зацепления, описана методика проведения экспериментальных исследований на дисково-роликовом стенде и Zр обработки их результатов, приведены результаты Pр К L rZ O1 экспериментов по оценки антифрикционных свойств для Y четырех сортов масел aw Bbотечественного и зарубежного производства.
В качестве характерной OX2 точки для расчета параметров Рис. 2 - Кинематическая схема рекомендована точка Рр (рис. 2), Zцилиндрической спироидной передачи находящаяся на делительном цилиндре червяка в середине его зацепляющейся части.
Для передачи, характеризующейся основным относительным расположением спироидного червяка и колеса, координаты этой точки следующие: хр=0; yр= -rр; zр=0,5(2B1+b1). В приведенных формулах r1 - радиус делительного цилиндра червяка; B1 - удаление ближнего торца зацепляющейся части червяка от межосевой линии передачи; b1 - длина поля зацепления червяка с колесом.
Известно, что параметры узла трения при моделировании находятся в тесной взаимосвязи с условиями контакта в спироидном зацеплении.
Основными параметрами являются нагрузка, приходящаяся на единицу длины линии контакта, окружные скорости звеньев передачи и и скорость скольжения, расположение линии контакта по отношению к скорости скольжения, а также температура смазочного масла, твердость и шероховатость контактирующих образцов.
Зависимость для расчета интенсивности нагрузки в зацеплении имеет следующий вид:
, (1) где - суммарная сила в зацеплении, условно сосредоточенная в точке ; - длина зацепляющейся части червяка; - коэффициент концентрации нагрузки по длине контактных линий, ; - коэффициент пропорциональности для определения длин линий контакта правых и левых боковых поверхностей витков с соответствующими боковыми поверхностями зубьев колеса,,. С увеличением передаточного числа и уменьшаются.
На кафедре Подъемно-транспортные, путевые и строительные дорожные машины Сибирского государственного университета путей сообщения разработан и изготовлен дисково-роликовый стенд при непосредственном участии автора настоящей работы.
В состав стенда входят модуля: модуль узла трения (рис.3) и модуль контрольноуправляющий.
Основными узлами модуля узла трения являются привод диска 2, привод ролика 3, насосная станция 4, установленные на металлоконструкции 1.
Привод ролика с нагрузочным устройством закреплен на поворотной Рис.3 Общий вид стенда платформе, которая консольно установлена на подшипниках Рис. 3 - Модуль узла трения качения и обеспечивает контактирование образцов и их нагружение при испытаниях. При необходимости привод ролика может быть смещен относительно платформы в перпендикулярном к оси привода направлении.
Смещение ролика относительно диска в указанном направлении изменяет угол между линией контакта образцов и скоростью скольжения в интервале 450 - 900.
Привод диска жестко закреплен к стенду (раме). В первоначальном варианте для привода диска использовался электродвигатель постоянного тока.
В процессе эксперимента на пониженной частоте вращения диска (менее 1мин-1) не обеспечивалась устойчивая работа электродвигателя. Поэтому привод ролика модернизировали для обеспечения стабилизации частоты вращения на малых оборотах диска.
Поскольку стенд предназначен для моделирования спироидного зацепления применительно к приводам машин периодического действия, то температура масла в редукторе является переменной величиной, зависящей от продолжительности включения. С этой целью нами разработана централизованная система смазки 4, обеспечивающая температуру подаваемого в контакт образцов масла от 18 до 150 С.
Модуль контрольно-управляющей системы состоит из корпуса, внутри которого расположены блоки управления электродвигателями приводов ролика и диска, управления системы термостатирования, блоки преобразования и питания, контрольно-измерительные приборы и элементы управления приводами.
Стенд имеет возможность работы в двух режимах - ручном и автоматическом.
Ручной режим необходим для контроля и проверки контрольно измерительной системы. Автоматический режим - основной для проведения длительных испытаний в режиме реального времени с архивированием результатов на ПЭВМ и просмотров основных параметров на мониторе.
Полученные результаты опытов на стенде является базой данных по коэффициентам трения при проектировании механизмов технологических, подъемно-транспортных и строительных машин на основе спироидных передач.
Таким образом, стенд с узлом трения, выполненным по ранее указанной схеме, позволяет воспроизвести на модели наиболее значимые параметры контакта: нагрузку, приходящуюся на единицу длины линии контакта;
расположение линии контакта по отношению к скорости скольжения;
окружные скорости 1 и 2; скорость скольжения s; приведенный радиус кривизны n. Изменяя геометрические параметры звеньев пары трения, нагрузку в контакте образцов и скорости 1, 2 и s можно моделировать процессы трения и изнашивания для спироидного зацепления.
Для обеспечения работоспособности, долговечности, высокой нагрузочной способности, противозадирной стойкости спироидных передач, по нашему мнению, целесообразно использовать трансмиссионные масла, относящиеся к 3, 4 и 5 группам.
К числу таких факторов следует отнести характер производства (массовый, серийный, мелкосерийный, единичный); технологическую доступность, под которой следует понимать возможность качественного изготовления заготовок колес на конкретном предприятии, например, изготовление заготовок из бронзы центробежным способом; условия эксплуатации передач, под которыми, прежде всего, следует понимать характер нагружения и климатические условия.
При выборе материалов для червяков и спироидных колес целесообразно обратиться к опыту производства червячных передач.
Программа исследования антифрикционных свойств трансмиссионных масел включала определение коэффициентов трения скольжения в спироидном зацеплении для четырех сортов трансмиссионных масел для сочетания материалов пары сталь 40Х (HRCЭ 48Е53) - бронза БрА9Ж4 ГОСТ 1628-78 в интервале температур 20Е100С.
Параметры моделируемой цилиндрической спироидной передачи, условия контакта которой воспроизводились на стенде следующие: межосевое расстояние мм; передаточное число u12=49; диаметр вершин витков червяка da1=25 мм; внешний диаметр колеса de2=100 мм; модуль m=1,375 мм.
Узел трения стенда представляет собой диск (аналог колеса) и ролик (аналог червяка).Первая серия опытов проводилась при температуре подаваемого в контакт масла, равной 20С, при частоте вращения ролика соответственно 600, 800, 1100, 1500 и 2000 мин-1. При каждом значении частоты вращения и определенной нагрузке проводили не менее десяти измерений вращающего момента. Если фиксируемые значения момента на валу ролика отличались незначительно, находили среднее арифметическое из зафиксированных величин. В тех случаях, когда значения момента на валу ролика существенно отличались друг от друга (это явление наблюдалось крайне редко), осуществляли дополнительную приработку образцов, а затем повторяли серию опытов. На каждой ступени нагружения образцы обкатывались под нагрузкой не менее 30 минут с целью получения равновесной шероховатости в контакте, соответствующей условиям режима трения.
Средние арифметические величины вращающих моментов при каждом значении частоты вращения и определенной нагрузке записывались в таблицу, с помощью которой потом рассчитывался коэффициент трения по формуле, а полученные значения вносились в новую таблицу, по р ск р которой строились графики зависимостей коэффициентов трения скольжения от контактных напряжений н и скоростей скольжения для различных температурах масла. ( в формуле: - вращающий момент от сил трения р ск скольжения в контакте ролика и диска; - сила нормального давления ролика к диску; р - радиус ролика).
По результатам экспериментов построены графики зависимостей коэффициентов трения скольжения от контактных напряжений н и скоростей скольжения при различных температурах масла. На рис.4 показаны графики для масла TDTO SAE 30.
а) б) f f 0,0525 0,050,0475 0,040,040,040,030,030,030,030,020,020,020,020,010,01120 160 200 240 280 320 360 4120 160 200 240 280 320 360 4Н,МПа Н,МПа в) г) f f 0,0525 0,040,040,040,040,030,030,030,030,020,020,020,020,010,010,01120 160 200 240 280 320 360 4120 160 200 240 280 320 360 4Н,МПа Н,МПа д) Скорость скольжения:
f 0,040,030,030,020,020,010,01120 160 200 240 280 320 360 4Н,МПа Рис. 4 Графики зависимостей коэффициентов трения скольжения от контактных напряжений н и скоростей скольжения при различных температурах масла:
а) при температуре 20С; б) при температуре 40С; в) при температуре 60С; г) при температуре 80С; д) при температуре 100С Исходя из полученных результатов для масла TDTO SAE 30 (рис.4) можно сделать следующие выводы:
1. Максимальные значения коэффициентов трения соответствуют минимальным скоростям скольжения vs=1,06м/с и контактному напряжению н=400МПа. Минимальные значения коэффициентов трения соответствуют максимальной скорости скольжения vs=3,53м/с и контактному напряжению н<160МПа.
2. Характер изменения величины коэффициента трения при изменении скорости скольжения в интервале 1,06Е3,53 м/с и температуры масла от 20 до 100С остается неизменным: большим значениям vs соответствуют меньшие значения коэффициента трения; на изменения коэффициента трения существенно влияет контактное напряжение н ; влияние температуры масла на коэффициент трения в исследованном интервале температур сказывается значительно меньше.
3. Максимальное значение коэффициента 0,0525 соответствует температуре масла 20С и максимальном напряжении н=400МПа (периоду разгона механизма). Указанное значение коэффициента трения целесообразно использовать при расчете КПД спироидного редуктора и выборе мощности приводного двигателя.
Аналогичным образом выполнялись эксперименты и обрабатывались результаты и для остальных трех масел.
Следует отметить, что заявленный нами ранее подход к выбору масел для спироидного зацепления при сочетании материалов передачи сталь - безоловянистая бронза подтвержден полученными результатами; во всем диапазоне контактных напряжений (н 400МПа) не наблюдалось резкого увеличения (скачка) коэффициента трения. Таким образом, в указанном интервале изменения контактных напряжений н вероятность возникновения наиболее опасного вида повреждения поверхностей звеньев передачи - заедания, исключается.
Результаты моделирования по оценке коэффициента трения в зависимости от контактных напряжений н2 и скоростей скольжений s при различных объемных температурах масла являются базой данных и позволяют с высокой точностью выполнять расчеты при проектировании механизмов машин циклического и непрерывного действия.
Установлено, что допускаемые контакты напряжения н2 при проектировании механизмов на основе спироидных передач могут быть выше в 1,3Е1,5 раза в сравнении с цилиндрическими червячными передачами без опасности возникновения схватывания и заедания рабочих поверхностей звеньев передачи.
Адекватность результатов исследования коэффициентов трения на модели проверена результатами натурных испытаний, приведенных в таблице на основании расчетов КПД и коэффициента трения в зацеплении спироидного редуктора РС 31,5-11. Сравнение значений коэффициентов трения при исследованиях на модели с натурными экспериментами приведены в таблице 2.
Таблица 1 - Результаты расчетов КПД и коэффициентов трения в зацеплении спироидного редуктора РС 31,5-Сорт масла р зац с ТМ-4-12 LUXOIL 0,870 0,934 0,0ТМ-4-18 U Tech Forward 0,874 0,938 0,0ТМ-5-18 ТАД-17 0,861 0,938 0,0Таблица 2 - Сравнение значений коэффициентов трения при исследованиях на модели с натурными экспериментами № Натурные Исследования % Сорт масла п/п исследования на модели отклонения 1 ТМ-4-12 LUXOIL 0,065 0,068 4,2 ТМ-4-18 U Tech Forward 0,063 0,065 3,3 ТМ-5-18 ТАД-17 0,071 0,074 4,Четвертая глава посвящена проектированию подъемно-транспортных машин на основе спироидных передач с учетом коэффициента трения в зацеплении, определенного методом физического моделирования; приведен расчетно-экспериментальный метод оценки коэффициента полезного действия редукторов червячного класса, в том числе червячных цилиндрических и спироидных передач с учетом истинных (фактических) значений коэффициентов трения скольжения в зацеплении; представлен метод расчета сил в спироидном зацеплении и расчет ресурса спироидной цилиндрической передачи по износу с использованием результатов физического моделирования.
Наличие скольжения рабочих поверхностей звеньев в любой точке контакта является характерной особенностью передач червячного класса. Это обстоятельство выдвигает повышенные требования к качеству смазочных масел. Возрастание потерь мощности, трансформируемой в нагрев масла, приводит к изменению условий смазки и коэффициента трения в зацеплении.
Коэффициент трения скольжения в передачах червячного класса изменяется в зависимости от сочетания конструкционных материалов, силовых и геометро-кинематических параметров контакта, характеристик масел, в том числе от наличия присадок в них и др.. Отклонение от фактических значений коэффициентов трения в любую сторону при проектировании механизмов со спироидными передачами снижает точность и надежность расчетов.
Применение результатов физического моделирования спироидного зацепления является необходимым условием качественного проектирования механизмов со спироидными передачами. Это позволит оценить эффективность применения новых конструкционных и смазочных материалов, в том числе и зарубежных.
В настоящее время не существует единого подхода к оценке КПД червячных и спироидных редукторов. Было проанализировано состояние вопроса по определению КПД и сделан вывод, что оптимальным является расчет с учетом всех видов потерь. Это и явилось целью данного расчета при изменении скорости скольжения (частоты вращения вала червяка) и постоянной температуре масла. Алгоритм расчета КПД представлен на рис.5.
На рис. 6 приведён график зависимости КПД и традиционных частных коэффициентов относительных потерь в зависимости от скорости скольжения и коэффициента трения при контактных напряжениях = 175 МПа.
Начало Ввод,, пр с,,,,, п п п,,,,,,,,,,,,, пр с пр с п пр с п п п п Конец Рис.5 Алгоритм расчета КПД Рис.6 График зависимости КПД и традиционных частных коэффициентов относительных потерь в зависимости от скорости скольжения и коэффициента трения при контактных напряжениях = 175 МПа.
Целью расчета сил в спироидном зацеплении с использованием результатов физического моделирования является определение окружных, осевых, радиальных сил, действующие в спироидном зацеплении в зависимости от коэффициента трения скольжения.
Схема действия сил в зацеплении приведена на рис.7.
FtF? Fn Fтр FaFrFtFrРис.7 Схема действия сил в спироидном зацеплении Окружная сила на среднем диаметре зубчатого венца спироидного колеса:
, a w =31,Составляющая результирующей силы :
, Подставляя (1) в (2) получаем формулу:
, Осевая сила на червяке :
, Осевая сила на колесе :
, Радиальная сила на червяке, Радиальная сила на колесе :
, Окружная сила на червяке :
По результатам расчётов сил действующих в спироидном зацеплении построены графики изменения сил в зависимости от коэффициента трения скольжения.
В четвертой главе приведен также пример расчета ресурса спироидной передачи по износу с учетом экспериментальных значений коэффициентов трения. В диссертационной работе метод получил дальнейшее развитие путем учета изменения коэффициента трения скольжения в зависимости от нагрузки в контакте, режима нагружения (непрерывный и повторно-кратковременный), вязкости масла, материалов звеньев передачи, качества поверхностей, действия присадок и др..
В пятой главе нашли отражение вопросы, связанные с созданием приводов подъемно-транспортных машин на основе спироидных передач и использованием результатов работы при их проектировании.
На кафедре Подъемно-транспортные, путевые, строительные и дорожные машины Сибирского государственного университета путей сообщения в течение ряда лет ведутся работы по переводу вилочных электропогрузчиков на питание от промышленной сети переменного тока напряжением 380В.
Повышение эффективности работы электропогрузчиков особенно актуально в регионах России с холодным климатом.
На рис.7 представлен вариант использования модернизированного электропогрузчика с комплектом оборудования.
Модернизированный электропогрузчик снабжен комплектом оборудования в состав которого входят устройства подвода электроэнергии 1, источника питания погрузчика 2 и кабелесборочного механизма 3.
Кабелесборочный механизм состоит из барабана с токосъемным устройством и спироидного мотор-редуктора. В отличие от существующих конструкций кабелесборочных Рис.7 Комплект оборудования для устройств в предложенном модернизации электропогрузчика варианте кабель наматывается и сматывается с одинаковым усилием натяжения независимо от направления и скорости движения погрузчика. Рывки кабеля отсутствуют при трогании с места, так как фрикционная муфта пробуксовывает при превышении нормированной величины момента. Исключается также значительное провисание кабеля и обеспечивается плавное вращение барабана.
Применение спироидного редуктора позволило значительно уменьшить габаритные размеры и массу, обеспечить заданный ресурс (10000 ч.) Следующим примером реализации результатов настоящей работы является разработка механизма поворота грузозахватного устройства (спредера) для перегрузки крупнотоннажных конвейеров.
Механизм поворота грузозахватных кулачков спредера является одним из самых ответственных узлов спредера. От его надежности функционирования зависит не только производительность погрузочно-разгрузочных работ, но и сохранность грузов.
Наиболее слабые узлы существующего механизма поворота кулачков - червячный редуктор и открытая зубчатая передача. При интенсивной эксплуатации грузозахватного устройства быстро изнашивается венец червячного колеса, выполненный из дорогостоящей бронзы, и зубья открытой цилиндрической передачи.
В процессе эксплуатации возможна поломка зубьев червячного колеса от действия пиковых (динамических) нагрузок, заклинивание червячного редуктора в летнее время вследствие нагрева масла при длительной работе.
Возникновение любой из перечисленных выше неисправностей приводит к немедленной остановке перегрузочных работ и незапланированному ремонту.
На рис.8 показана кинематическая схема механизма поворота кулачков спредера, разработанная предприятием Балткран и модернизированного механизма. В процессе модернизации исключена открытая зубчатая передача и заменен червячный редуктор на спироидный.
Рис. 8 Схема механизма поворота грузозахватных кулачков а) с цилиндрической червячной передачей; б) с цилиндрической спироидной передачей Замена червячного редуктора механизма поворота спироидным снижает риск остановки перегрузочных работ из-за поломки или заклинивания, увеличивает ресурс механизма и уменьшает затраты на ремонт, т.е.
обеспечивает не только технический, но и экономический эффект.
Как в первом, так и во втором примерах использованы результаты исследований по оценке антифрикционных свойств трансмиссионных масел, так и разработанная расчетная методология проектирования на базе истинных значений коэффициента трения (определение КПД, сил в зацеплении, оценка ресурса по износу и др.).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация является научно-квалификационнной работой, в которой на основании выполненных исследований содержится решение задачи по оценке антифрикционных свойств трансмиссионных масел применительно к спироидной передаче на основе метода физического моделирования зацепления передачи. При выполнении настоящей работы получены следующие научные и практические результаты:
1. Выполнен анализ конструктивных, технологических и эксплуатационных особенностей спироидных передач, на основе которого показана перспективность их применения в приводах различных машин взамен червячных передач. Обзор работ, посвященных вопросам исследования, проектирования, изготовления, испытаний и внедрения, показал недостаточную изученность ряда важных аспектов, связанных с применением конструкционных и смазочных материалов, а также совершенствованием методов расчета.
2. Обоснован выбор метода физического моделирования с учетом кинематики, геометрии и нагруженности спироидного зацепления, а также условий работы передачи в приводах машин непрерывного и периодического действия. Выполнена модернизация дисково-роликового стенда, обеспечившая задание параметров на модели, характерных для приводов механизмов периодического действия.
3. Проведен комплекс исследований по оценке антифрикционных свойств четырех отечественных и зарубежных трансмиссионных масел для формирования базы данных в широком диапазоне температур 20-100С, контактных напряжений (Нmax=400) и скоростей скольжения (vСКmax=3,5м/с).
4. Полученные результаты по антифрикционной оценке смазочных масел использованы в расчетной методологии при проектировании в ходе определения действующих в зацеплении сил, расчета КПД и ресурса передачи.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены при создании кабелесборочного механизма электропогрузчиков грузоподъемностью 1-3т и механизма поворота кулачков спредера (патент РФ №109114) для консольного крана грузоподъемностью 25т, осуществляющего погрузочноразгрузочные работы на контейнерном терминале. Экономический эффект от внедрения одного кабелесборочного механизма составил более 80 тыс. руб. в ценах на сентябрь 2011 года. Срок окупаемости до 1,5 года. К настоящему времени внедрено более 150 модернизированных погрузчиков с кабельным питанием.
5. Результаты диссертационной работы (рекомендации по выбору смазочных и конструкционных материалов, методов расчетов КПД, сил в спироидном зацеплении и расчет ресурса) используются в процессе дипломного проектирования и при выполнении курсовых проектов по дисциплинам Детали машин и основы конструирования и Подъемнотранспортные машины в Сибирском государственном университете путей сообщения.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в ведущих рецензируемых изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ:
а) научные статьи 1. Сергеева И.В. Сравнительная оценка антифрикционных свойств трансмиссионных масел для спироидных передач / Анферов В.Н., Ткачук А.П., Сергеева И.В., Кузьмин А.В. // Международная научно-техническая конференция Актуальные проблемы трибологии, Самара, 22-24 ноября 2011.
Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Том 13, №4(3)2011. - С. 671-675.
2. Сергеева И.В. Модернизированные электропогрузчики с кабельным питанием от промышленной сети напряжением 380В / Анферов В.Н., Ткачук А.П., Корнеев Ю.В., Сергеева И.В., Кузьмин А.В.// Журнал Механизация строительства №12, 2011. - С. 2-4.
3. Сергеева И.В. Спироидная передача в механизмах подъёмнотранспортных машин / Анферов В.Н., Ткачук А.П., Сергеева И.В., Корнеев Ю.В. Кузьмин А.В.// Научно-технический и производственный журнал Строительные и дорожные машины №1, 2012. - С. 14-18.
4. Сергеева И.В. Варианты конструкций спироидных редукторов с ротапринтной смазкой зацепления. Интеллектуальные системы в производстве / Гольдфарб В.И., Анферов В.Н., Сергеева И.В. // Научно-практический журнал.
Ижевск. №2(18), 2011. - С. 100-107.
б) авторские свидетельства, патенты и изобретения 5. Патент на полезную модель № 109114, МПК В66С1/62 Российская Федерация Захватное устройство для контейнеров с фитингами. Заявка:
2011118744/11, 10.05.2011. Опубликовано: 10.10.2011. Анферов В.Н, Игнатюгин В.Ю., Сергеева И.В., Корнеев Ю.В.
Публикации в журналах и научных сборниках:
6. Сергеева И.В. Оценка эксплуатационных свойств смазочных масел применительно к спироидному зацеплению / Манаков А.Л., Корнеев Ю.В., Сергеева И.В. // Политранспортные системы, VI всероссийская научнотехническая конференция, Новосибирск, 2009 г. Т-1, - С. 440-446.
7. Сергеева И.В. Особенности контакта в зацеплении, влияющие на выбор масел для передач червячного типа / Сергеева И.В.// XYI Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых Современные техника и технологии, г. Томск, 2009г. Т-1, - С. 307-308.
8. Сергеева И.В. Предпосылки применения спироидных передач в приводах машин. Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2010 / Анферов В.Н., Ткачук А.П., Корнеев Ю.В., Сергеева И.В. // г.Одесса. Т-5, - С. 29-35.
9. Сергеева И.В. Оценка антифрикционных свойств трансмиссионных масел для спироидного зацепления / Анферов В.Н., Ткачук А.П., Корнеев Ю.В., Сергеева И.В. // Труды конференции с участием иностранных ученых Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды. Т.-III.
Новосибирск, Ин-т горного дела СО РАН, 2010. - С. 20-24.
10. Сергеева И.В. Опыт применения спироидных передач в механизмах подъемно-транспортных машин / Анферов В.Н., Ткачук А.П., Сергеева И.В., Кузьмин А.В. // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2011. Вып. 25.
11. Сергеева И.В. К вопросу определения коэффициента полезного действия спироидного редуктора / Сергеева И.В., Зайцев А.В. // III Международная практическая конференция с элементами научной школы для молодых ученых Инновационные технологии и экономика в машиностроении. - С. 163-167.
СЕРГЕЕВА ИРИНА ВЛАДИСЛАВОВНА МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАЦЕПЛЕНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПРИВОДОВ МАШИН НА ОСНОВЕ СПИРОИДНЫХ ПЕРЕДАЧ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук 1,5 печ. л. Подписано в печать 28.09.2012 г. Тираж 100 экз. Заказ №26Издательство ФГБОУ ВПО Сибирский государственный университет путей сообщения 630049, г. Новосибирск, ул. Д.Ковальчук, 1Тел./факс: (383) 328-03-
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям