Волков Глеб Юрьевич систематика и структурно-параметрический синтез механизмов на базе замкнутых систем тел качения специальность: 05. 02. 18 «Теория механизмов и машин» автореферат
| Вид материала | Автореферат |
СодержаниеПередачи с двумя слоями сателлитов В шестой главе Седьмая глава Основные выводы по работе Основные положения диссертации отражены в публикациях |
- Рабочей программы дисциплины Теория механизмов и машин по направлению подготовки 190100, 33.66kb.
- Памятка для студентов группы пкм- по изучению дисциплины " Теория механизмов и машин, 72.92kb.
- Димитрюк Сергей Олегович, доцент кафедры «Теория механизмов и машин» к т. н., доцент, 37.69kb.
- Рабочая программа по дисциплине опд. Ф. 04 Теория механизмов и машин для направления, 252.07kb.
- «Теория машин и механизмов и проектирование текстильных машин», 240.94kb.
- Расчётно-пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине: "Теория механизмов, 22.29kb.
- Учебная программа дисциплины теория механизмов и машин (Наименование дисциплины в соответствии, 241.34kb.
- Примерная программа дисциплины теория механизмов и машин Рекомендуется Минобразованием, 326.52kb.
- Закономерности проектирования механизмов для передачи и преобразования, 19.17kb.
- Задачи кинематического анализа и синтеза механизмов. Передаточные функции и отношения., 55.01kb.
Пятая глава посвящена безводильным зубчатым планетарным передачам, новые схемы которых стали одним из важнейших результатов выполненной работы. В ходе патентного поиска обнаружилось, что в известных безводильных передачах используются далеко не все подходящие БЦС, но почти исключительно системы с одним слоем сателлитов.
Первой «поисковой гипотезой» синтеза безводильных передач стала задача получить все простейшие варианты схем с двумя слоями сателлитов. С формальных позиций эта задача сводится к конкретизации вида «центральных» элементов (Э) обобщенной структуры: ЭЭРn×ЭРn: ооw, www2.
Их оказалось шесть (см. рис. 5.1 а-е), базисные структурные числа:
«114.14», «114.24», «124.14», «124.24», «224.14», «224.24».
Одна из этих схем – «б» (наименее ценная) уже известна, зато четыре других «а,в,г,е» весьма интересны. Передача, выполненная по схеме «г», (см. рис.5.2) содержит два «силовых» центральных колеса, между которыми в два слоя в шахматном порядке расположены сателлиты. Ведущее центральное колесо своим внешним зубчатым венцом взаимодействует с сателлитами внешнего слоя. Основные силы, действующие в зацеплениях, передаются на силовые центральные колеса, а ведущее колесо разгружено. Подача и съем движения происходит в осевом направлении. Диапазон передаточных чисел 3 – 6.
В передачах, выполненных по схемам рис. 5.1 «а» и «е», два «силовых» колеса, как и в известных безводильных передачах, расположены по одну сторону от сателлитов и имеется «гладкое» поддерживающее кольцо. Ведущее же колесо взаимодействует с сателлитам другого слоя. Такая конструкция также обеспечивает подвод и съем движения в осевом направлении, но диапазон ее передаточных чисел 15 – 300 и более. Определенным недостатком этих схем является сложность изготовления сборных сателлитов.
Одна из известных планетарных передач, сама па себе излишне сложная, содержит интересный конструктивный модуль (Оn × PnPn: v, v) – двухзвенный сателлит. Следующая «эвристическая гипотеза» – ввести этот модуль в структурную формулу простейшей безводильной передачи:
ЭЭЭОn × PnPn: wwov, wowv
и конкретизировать центральные элементы «Э». Получились схемы – рис.5.1 «ж, з». Достоинством этих схем является решение технологической проблемы сборных сателлитов. Соединение схем «з» и «а» – схема рис.5.1 «и», обеспечивает «вход» и «выход» механизма в осевом направлении.
| | Стр. число | Структурная формула |
| Передачи с двумя слоями сателлитов | ||
| а | «1142.14» | [K]{K}PnP × (K)Pn: oowo, www2r |
| б | «114.24» | [K]{K}Pn × (P)Pn: oow, www2 |
| в | «124.14» | {K}{P}Pn × (K)Pn: oow, www2 |
| г | «124.24» | {K}{P}Pn × (P)Pn: oow, www2 |
| д | «224.14» | [P]{P}Pn × (K)Pn: oow, www2 |
| е | «2241.24» | [P]{P}PnK × (P)Pn: oowo, www2r |
| Передачи с двухзвенными сателлитами | ||
| ж | «1120.44» | [К]{К}(Р)Оn × PnPn: wwov, wowv |
| з | «1220.44» | (К)[Р]{Р}Оn × PnPn: wwov, wowv. |
| и | «1220.44»+ «1142.14» | [K]{K}PPnОn × (K)Pn Pn: ooоwo, wоww2с, owwov |
| Зубчато-фрикционная передача | ||
| к | «114.14» | {К}[К]P2 × (К)P2: oor, wwr2 |
) П.м. 105387 б) известна в
) РФ 2423634 г) РФ 2423634
д) е) ЗИ 2010128635 ж
) ЗИ 2011114671 з) и) П.м. 108525
к) ЗИ 2011120886
Рис.5.1. Структурные схемы безводильных передач
Рис.5.2. Передача типа (г): «124.24» – {K}{P}Pn × (P)Pn: oow, www2. (U = 3 ÷ 6)
Н
еоднократно встречавшаяся нам БЦС «14.14», дополненная третьим кольцом - «114.14», оказалась полезной и для безводильных передач. На ее основании разработана фрикционно-зубчатая передача – схема рис.5.1 «к». В ней силовые центроидные пары зубчатые, а ведущая – фрикционная. Необходимые нормальные силы во фрикционной паре обеспечены радиальными силами, действующими в силовых зацеплениях.Параметрические исследования выполнены пока только для одной из новых передач: «124.24» – рис. 5.1 «г» (рис. 5.2). Определенную новизну представляет метод геометрического синтеза этой передачи по условиям сборки.
Условие смежности (соседства): Δ ≥ 2,5..3m.
Условие соосности (см. рис. 5.3):
τ = π/к, где к – число пар сателлитов.
Рис.5.3. К условию 
соосности Собственно условие сборки (рис. 5.4):
Согласовать параметры всех зубчатых колес, составляющих такой механизм, не пользуясь подобной методикой расчета, практически невозможно.
Для оценки технических возможностей передачи была решена задача ее силового анализа. КПД вычислялся путем суммирования потерь в зацеплениях. Для двух опытных редукторов различных типоразмеров КПД был измерен экспериментально. Результаты расчетов показаны на рис. 5.5. Вывод: оптимальный диапазон передаточных чисел: 3 – 6; КПД в этом диапазоне 0,7 – 0,9; нагрузочная способность в 1,5 – 2 раза больше, чем у серийной передачи 2КН аналогичных размеров. Основным преимуществом всех предложенных в работе б
езводильных передач являются их компоновочная особенность – минимальные «кольцевые» габариты, т.е. наличие большого центрального отверстия. В шестой главе исследуются возможности новых применений простейших зубчатых ЗСТК со структурным числом «12.4».
Объектом усовершенствования стала, в частности, объемная гидромашина с планетарным рабочим механизмом (рис.4.1а, структурная формула КР×Р2: ww). В главе рассмотрены условия «глобального и мгновенного» параметрического вырождения зубчатых ЗСТК. Условия параметрического вырождения конкретной четырехзвенной системы:
Z1–Z2 = Z3+Z4; Z1–Z4 = Z3+Z2;
,Наглядное представление о движениях звеньев такого механизма дает изучение кинематики заменяющего его шарнирного параллелограмма, в частности, ромба – рис.6.1. Причина, по которой этот механизм пока не нашел применения, состоит в наличии «мертвых» положений сателлитов.
Рис.6.1. Планетарная система с двумя плавающими сателлитами
и ее шарнирная модель
Анализируя варианты соединения данной планетарной системы со схемами простых рычажных механизмов в различных сочетаниях, получили несколько технических решений, направленных на устранение «мертвых положений (рис. 6.2 – 6.4
Рис.6.2. Дублирование СДПС механизмом, Рис.6.3. Блокировка двух СДПС,
расположенным внутри ротора ЗИ 2010117961 работающих в противофазах
П.м. 108507, ЗИ 2010138757, П.м. 104645, ЗИ 2011117661
Рис. 6.4. Гидромашины «с шатуном»
После внесения предлагаемых усовершенствований гидромашины с планетарным рабочим механизмом будут успешно работать в качестве насосов для жидкостей и газов или двигателей. Их достоинства: большой полезный объем, малая чувствительность к засорению среды абразивом, технологичность.
Другая практическая задача, решенная на базе простейшего структурного числа «12.4», заключалась в разработке редуктора для скважин (рис.6.5).
Рис. 6.5. Многорядная планетарная передача РФ 2424458 (WO 2011046447)
Основная идея состояла в том, чтобы использовать несколько редукторных секций, установленных соосно, но работающих параллельно. Такая работа секций может быть обеспечена за счет диссипативных связей (т.е. трения.). В одном из вариантов редуктора использована фрикционная планетарная передача с самонатяжением. Фрикционные секции, уступая зубчатой передаче каждая в отдельности, будучи соединены в блок, превосходят по нагрузочной способности существующие зубчатые редукторы. Во втором варианте редуктора для скважин применена зубчато-фрикционная многорядная планетарная передача (рис.6.5). В этой передаче венцы 5 эпициклического колеса установлены на разрезных конических кольцах 6. Пакет венцов и колец сжат осевой силой. В результате, венцы, независимо от длины пакета, самоустанавливаются в нужном угловом положении, компенсируя неточности изготовления и деформации под нагрузкой. Такой редуктор многократно превосходит известные аналоги по крутящему моменту.
Седьмая глава посвящена практическому применению новых механизмов в узлах конкретных машин. В частности, разработаны: конструкция генератора негармонических колебаний ситового сепаратора зерна, в которой использован зубчатый эксцентриковый подшипник; бесшатунный механизм, предназначенный для поршневых машин (РФ 2345259); двухскоростное приводное устройство (П.м. 108540) для запорно-регулирующей трубопроводной арматуры на базе патента РФ 2423634; механизм натяжения гусеницы с электроприводом (ЗИ 2011114666), содержащий безводильную передачу типа (WO 9205372, G. Wagner) или одну из новых передач: П.м. 105387, П.м. 108525, ЗИ 2011114671 – см. гл.5.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
В результате выполнения настоящей диссертационной работы, посвященной разработке теории и практики структурно-параметрического синтеза механизмов на базе замкнутых систем тел качения, получены следующие основные результаты.
1. Выполнено объединение множества видов планетарных передач, подшипников и других механизмов, состоящих исключительно или преимущественно из «гладких» или зубчатых тел качения, в особый класс механических систем – замкнутых систем тел качения (ЗСТК), обладающих общими структурными свойствами. Указанное объединение позволяет с общих методологических позиций решать задачи анализа известных и синтеза новых механизмов, имеющих улучшенные технические и технико-экономические характеристики.
2. Исследованы общие структурные свойства и сформулированы основные условия существования ЗСТК: а) наиболее общее свойство ЗСТК – структурное условие кинематической совместимости ее элементов; б) параметрические условия геометро-кинематической совместимости элементов, в частности, условия сборки для зубчатых тел качения; в) условия замкнутости кинематических пар, различные для зубчатых и фрикционных ЗСТК, которые в частном случае сводятся к обеспечению геометрической неизменяемости системы в целом.
3. Предложен единый принцип формализации, составляющий теоретическую основу систематики и структурного синтеза зубчатых и фрикционных ЗСТК, согласно которому системообразующими элементами ЗСТК являются охватывающие (кольца) и охватываемые (ролики) поверхности звеньев, связанные между собой центроидными кинематическими парами либо «жесткими» связями, соединяющими два разноименных элемента в одно звено. Данный принцип формализации распространен и на системы, дополненные рычажными звеньями.
4. Разработана формальная модель, отображающая информацию о структуре ЗСТК в виде «структурной формулы», представляющей собой прямоугольную матрицу связей, расписанную «в строку», а также в виде «структурного числа», содержащего сведения только о составе элементов БЦС и «разрешенных» связях между ними. Описание схем ЗСТК существенно упрощается при наличии их структурной симметрии, особенно, симметрии вращения n-го порядка.
5. На основании разработанного метода формализованного структурного описания выполнена систематизация многообразия известных схем ЗСТК. Разработан общий алгоритм структурного синтеза механизмов, использующий методы комбинаторики и разработанные критерии оценки существования ЗСТК, включающий этапы генерации их структурных чисел и структурных формул.
6. Поиск структурных схем бессепараторных концентрических и эксцентриковых подшипников с «гладкими» телами качения показал, что большая часть структурно-симметричных схем сложности до 5-6 элементов уже известна. Используя эвристические гипотезы и устанавливая дополнительные поисковые ограничения, среди более сложных структур удалось выявить новые схемы, имеющие компоновочные и технологические преимущества.
7. Систематизация схем планетарных фрикционных передач с самонатяжением в плоском контуре и применение разработанного геометрического критерия их долговечности позволили выявить лучшие схемы среди известных и предложить ряд новых схем, обладающих полезными свойствами. Конструкторские разработки, проведенные на базе этих схем, привели к созданию высокомоментного фрикционного редуктора для скважинного оборудования и его зубчато-фрикционного аналога.
8. Выполнено комплексное исследование в малоизученной области зубчатых эксцентриковых подшипников (ЗЭП): синтезирован массив простейших структур «зубчатых» ЗСТК; разработан ряд новых конструкций зубчатых эксцентриковых подшипников; решена принципиальная задача геометрического расчета ЗЭП (по условиям сборки) и разработана соответствующая методика инженерного расчёта; сформулирована теорема о полюсе заменяющего механизма ЗЭП; найден эффективный способ модификации закона движения ведомого звена рычажного механизма по принципу сложения двух гармоник.
9. Синтезирован ряд схем безводильных планетарных передач с двумя слоями сателлитов, а также зубчато-фрикционная передача. Они компактны, имеют высокую нагрузочную способность и большое передаточное число (15-300). Другие новые безводильные передачи – с двухзвенными сателлитами, отличаются улучшенной технологичностью. Передача со структурным числом «124.24», максимально проста в изготовлении, имеет повышенную нагрузочную способность (за счет большого числа сателлитов), обеспечивает передаточные числа пределах 3 – 6 и КПД порядка 0,7 – 0,9.
10. Получен и запатентован ряд работоспособных схем рабочих механизмов гидромашин, построенных на базе планетарной системы «12.4» с двумя плавающими сателлитами. Достоинствами таких гидромашин являются большой полезный объем и отсутствие нагруженных кинематических пар скольжения. Ранее подобные механизмы не находили применения из-за трудностей преодоления сателлитами «мертвых» положений.
12. Результаты исследований используются рядом организаций:
- фрикционные передачи применены в приводах пневмоинструмента. Испытания их опытных образцов на ряде машиностроительных предприятий г. Кургана показали хорошие результаты;
- устройство модификации закона движения ведомого звена рычажного механизма по принципу сложения двух гармоник, содержащее ЗЭП, принято к использованию в конструкции ситового сепаратора зерна (КСХА);
- на базе предложенных безводильных планетарных передач разработаны двухскоростное приводное устройство для трубопроводной арматуры (Курганспецарматура) и редуктор привода механизма натяжения гусеницы (СКБМ);
- права на использование многорядной планетарной зубчато-фрикционной передачи приобрела норвежская нефтяная компания СтатойлГидро АСА. Начато международное патентование изобретения;
- развитые в работе теоретические представления о структуре механизмов используются в учебных курсах ТММ и «Прикладная механика», читаемых в Курганском государственном университете.
Основные положения диссертации отражены в публикациях:
1. Волков Г.Ю., Крохмаль H.Н. Закономерности строения фрикционных механизмов, представляющих собой замкнутую систему тел качения // Известия ВУЗов. - 1992. - №10-12. - С. 52-57.
2. Волков Г.Ю., Курасов Д.А. Модификация закона движения ползуна кривошипно-ползунного механизма за счёт применения зубчатого эксцентрикового подшипника // Вестник машиностроения. - 2008. - № 5.-С. 6-8.
3. Волков Г.Ю., Э.В. Ратманов, Курасов Д.А. Условие сборки зубчатого эксцентрикового подшипника // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2008. - № 8. - С. 3-4.
4. Волков Г.Ю., Курасов Д.А. Рациональное конструирование ЗЭП с учётом требований их изготовления и сборки // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2009. - № 11. - С. 45-51.
5. Волков Г.Ю., Курасов Д.А. Силовой расчёт зубчатых эксцентриковых подшипников в кривошипно-ползунном механизме // Справочник. Инженерный журнал. - 2010. - № 2. - С. 19-25.
6. Волков Г.Ю., Ратманов Э.В., Курасов Д.А., Колмаков С.В. Условия сборки планетарной передачи с двумя слоями сателлитов // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2010. - № 10. - С. 22-26.
7. Волков Г.Ю., Ратманов Э.В., Курасов Д.А., Колмаков С.В. Технические возможности безводильной планетарной передачи с двумя слоями сателлитов // Вестник машиностроения. - 2010. - № 12. - С. 10-12.
8. Волков Г.Ю. Структурные особенности и принципы систематики замкнутых систем тел качения // Справочник. Инженерный журнал. - 2010. - № 10. - С. 50-56.
9. Волков Г.Ю. Формализованное отображение и систематика структур плоских многозвенных зубчатых и фрикционных механизмов // Вестник машиностроения. - 2011. - № 1. - С. 20-23.
10. Волков Г.Ю. Анализ симметричных структурных схем бессепараторных подшипников качения Справочник. Инженерный журнал. - 2011. - № 3. - С.14-19.
11. А. с. 1237833 СССР, МКИ F 16 H 21/18. Эксцентриковый подшипниковый механизм