автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Повышение надежности и долговечности роликовинтовых механизмов

РГБ ОД 1 ц ЦЕН 1998

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫМ УНПВЕРС1 ГТЕТ

На праиах рукописи УДК 621 81

ЖДАНОВ Алексей Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ РОЛПКОВИНТОВЫХ МЕХАНИЗМОВ

Специальность 05.02.02 - машиноведение и летали машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 1998

Работа выполнена во Владимирском государственном университете

Научный руководитель:

I1аучнып консультант:

доктор технических наук, профессор Д.В.Бушенин

кандидат технических наук, доцент Б.Б.Гоголев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.В.Козырев

кандидат технических наук, доцент А.П.Воробьев

Ведущее предприя гие:

АНТК им. А.Н.Туполева г. Москва

Защита состоится «

2 Г

1998 г. в 1Фчасов 00 мин. на заседании

диссертационного совета Д 1)63.65.0! Владимирского государственного университета по адресу: 600026, г. Владимир, ул. Горького, 87, ауд. 211-1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета.

Авшреферат рашелап «1Ч» 1998 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по вышеуказанному адрес)1 ученому секретарю диссер-кишшшого сиием.

Ученый секремрь

лпсееркшионпш о сожми

доктор (схнических паук, профессор

/;

/

/ д • А.'Тихомиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Важнейшим направлением повышения технического уровня современной техники является повышение надежности и долговечности машин и механизмов. Это п полной мере относится и к электромеханическим приводам (ЭМП) линейного перемещения. Характеристики ЭМП во многом определяются параметрами исполнительного механизма (ИМ), входящего в его состав. Роликовинтовые механизмы (РИМ) успешно используются в качестве ИМ ЭМП линейного перемещения в различном технологическом оборудовании (металлорежущие станки, контрольно-измерительные приборы, роботы), нефтегазовом оборудовании (регулирующая и запорная арматура), подъемно-транспортных устройствах (подъемники, домкраты). Однако при создании новой техники в ряде сл\чаев нагрузочная способность и долговечность РВМ не в полной мере удовлетворяет разработчиков. В качестве примеров можно привести ЭМП летательных аппаратов (системы управления полетом, приводы шасси, вспомогательные устройства), медицинского оборудования (протезы, искусеiпенные органы, специальные приборы). Отказ данных приводов может привести к катастрофическим последствиям. К ИМ этих приводов предъявляются повышенные требования к эксплуатационным характеристикам. Поэтому разработка и создание ИМ на базе РВМ с высокой нагрузочной способностью, надежностью и долговечностью является актуальной задачей

ЦЕЛЬ II ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Целью диссертации является повышение надежности и долговечности роликовпптовых механизмов за счет рационального выбора геометрии сопрягающихся элементов Лля достижения этой цели необходимо решить ряд задач:

1. Определение параметров контакта РВМ с учетом пог решностей и потопления, износа и влияния сил трения.

2. Анализ закона распределения нагрузки по виткам резьбы РВМ с viciom геометрических параметров и влияния сил трения, а также условий эксплуатации механизма, погрешностей изготовления и характера износа.

3. Разработка математических моделей нагрузочной способности, надежности и долговечности РВМ, учитывающих особенности различных ni-пов передач и распределения нагрузки по виткам резьбы.

4. Разработка методик расчета надежности, долговечности и нацтузочной способности РВМ с учетом погрешностей изготовления и и ¡носа.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ. Для определения геометрии поверхностей витков РВМ и функции зазоров используется теория сопряженных поверхностей В.П.Короткова. Решение контактной чадачи выполнялось методами теории упругости. Получение закона распределения нагрузки по пит-

кам резьбы основано на методе Г.Б.Иосилевича для упругих контактных слоев. Математическая модель распределения нагрузки по виткам резьбы и нагрузочной способности РВМ получена на основе моделей Г.Б.Иосилевича (для упругих контактных слоев) и Э.Л.Айрапетова (для многопарных передач зацеплением). Модель определения долговечности разработана с учетом теории усталостного выкрашивания Пальмгрена и теории износа Н.В.Крагельского. Обработка экспериментальных данных проводилась методами математической статистики.

НАУЧНУЮ НОВИЗНУ работы составляют:

- вывод аналитических зависимостей для определения параметров контакта РВМ с учетом погрешностей изготовления и износа;

- определение законов распределения нагрузки по виткам резьбы с учетом погрешностей изготовления, влияния сил трения, а также контактных н изгибных деформаций витков;

- математические модели нагрузочной способности, параметрической надежности и долговечности РВМ с учетом погрешностей изготовления звеньев, сил трения в контакте и износа;

- методики расчета РВМ различных типов с заданной нагрузочной способностью и долговечностью.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключается в следующем:

- разработанные математические модели нагрузочной способности, надежности и долговечности РВМ выявили резервы повышения указанных характеристик;

- разработанные инженерные методики расчета и проектирования РВМ позволяют проектировать ИМ с заданной нагрузочной способностью, долговечностью и надежностью.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ Полученные результаты использовались при разработке исполнительных механизмов ЭМП систем управления полетом (триммеров руля, элеронов, закрылков, интерцептора), приводов шасси, вспомогательного оборудования для легкого многоцелевого самолета ТУо4; приводов запорной и регулирующей арматуры; демпфер-но-приводных устройств коленных модулей протезов бедра, автоматизированных приводов протезов локтевого шарнира и кисти.

АПРОЕАЦИЯ РАЬОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «(Актуальные проблемы машиностроения на современном этапе» (Владимир, 1995 год); II Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии» (Владимир, 1996. 1998' гг.); Всероссийской научно-технической конференции

-1

о

«Конверсия, приборостроение, рынок» (Владимир, 1995, 1996, 1997 гг.); У а-гаринских чтениях (Москва, апрель 1996, 1998 гг.); II Международной конференции «Биомеханика - 96» (Нижний Новгород, октябрь 1996 г.); Международной научно-технической конференции «Управление в технических системах» (Ковров, октябрь 1998 г.); Международной научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии в обработке металлов давлением» (Владимир, октябрь 1998 г.); научных конференциях Владимирского государственного университета (1994-1997 гг.).

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 14 работ.

СТРУКТУРА II ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит и; введения, шести глав, заключения и приложения. Общий объем 154 страницы машинописного текста, включая 75 рисунков и графиков на 51 странице. 11 таблиц. Список использованной литературы содержит 120 наименовании. Приложение состоит из 10 страниц, содержит два акта внедрения результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована научная новизна работы, изложены положения, выносимые па защиту.

В первой главе рассмотрены требования по нагрузочной способности, надежности и долговечности к исполнительным механизмам электромеханических приводов линейного перемещения, нспольтуемым в авиационной технике, технологическом оборудовании, медицинской технике. Показано, что невыполнение указанных требований приводит к потере работоспособности вследствие износа или выкрашивания рабочих поверхностей, а также к отказу вследствие среза витков и разрушения ематочного слоя. Ролико-винтовые механизмы, применяемые в ЭМП линейного перемещения, в ряде случаев не отвечают жестким эксплуатационным требованиям, прель.являемым, например, к приводам систем управления летательных аппаратов, приводам управляемых задвижек, демпферно-прпводным устройствам коленных модулей. В данных случаях необходимы РВМ с повышенной нагрузочной способностью и долговечностью.

Выполнен обзор литературы по исследованиям нагрузочной способности, жесткости, долговечности и надежности РВМ. проведенным Д В Буше-ниным, Л.В.Марголиным, В.В.Козыревым, А.П.Воробьевым. В.В.Морозовым, Б.Б.Гоголевым, Е.В.Зуевой и другими. В известных работах не рассматривалось изменение закона распределения нагрузки по виткам резьбы в зависимости от сил трения. Расчетные кривизны в сопряжениях не \читы-

на ли погрешности изготовления и износ передачи, т.е. фактической геометрии поверхностей и функции зазора в резьбовых сопряжениях. В моделях, наиболее часто применяемых при исследовании нагрузочной способности, долговечности и надежности РВМ, картина контактных взаимодействий, используемая для многорядных упорных шарикоподшипников и ШВМ механически переносится на исследуемые передачи. При этом не учитываются особенности геомефпи в элементарном контакте и влияние сил трения для различных групп РВМ. Проведенный анализ литературных источников позволил сформулировать цель работы и поставить задачи дальнейших исследований.

Но шпорой .\niin' проведен анализ влияния погрешностей изготовления и износа на геометрические параметры сопрягающихся поверхностей, одна из котрых имеет дппеймый профиль, а другая — круговинтовой. Такая геометрия передачи обеспечивает точечный контакт в сопряжении. Полученные значения фактической кривизны профилей контактирующих поверхностей, зависящие от погрешностей изготовления, можно представить в следующем виде:

р'х, = Ру. ■

где р - радиус кривизны рассматриваемого элемента в осевом сечении

без по| решносш: - радиус кривизны в торцовом сечении;

[^!>|1(-,)]= (,)|!(у) ~~ 1,)11(у) " погрешность осевого положения рассматриваемого элемента; «''¡¡(у) - уравнение текущих точек или у-образующих с учетом по1 рсшнос теп и и 01 овления; ^ц(у) - у равнение текущих точек (3(у ^образующих идеальной новермюсти; ЛЫ|>(.,,) - погрешность осевого положения |5(у) -образующей.

Значения фактической кривизны профилей контактирующих поверхностей, зависящие 01 износа, можно представить в аналогичном виде. В этом слу чае Лю^.,) = \о>(() - функция изменения осевого положения образующей в резульппе плюса, зависящая ог времени:

Л&)(/) = Л(/)сох|Г(/),

где |П') - агс.чифт |}(| + Л(')/р„)]- фактический угол контакта в момент времени /. /;(/)-линейный износ рассматриваемой поверхности.

В паве прпводшся количественная оценка фактической и идеальной геометрии поверхности РВМ Разница между идеальным (без учета по-

грешностей) и фактическим (с учетом погрешностей) радиусом кривизны в осевом сечении может достигать 20 %.

Взаимодействие звеньев на пятне контакта РВМ можно охарактеризовать как качение со скольжением. Для определения нормальных и касательных напряжений решалась контактная задача, на основе решения которой назначались критерии нагрузочной способности и долговечности. В качестве критерия нагрузочной способности принимают напряжение, вызывающее пластическую деформацию, не превышающую некоторой заданной величины:

— & пласт ■

Критерий долговечности определяется усталостным выкрашиванием и эксплуатационным износом:

\ тах I

где а™*-максимальные контактные напряжения, т™* - максимальные поверхностные касательные напряжения. Искомые величины представляют собой функции, зависящие от множества параметров: _тах

чюв =Ы /г.Р;,1!(у).рг,

л/с

где нагрузка на базовом (расчетном) витке; Ъ1,крх- коэффициенты влияния пластической деформации, изгибных и сжимающих сил; /с,г/ - коэффициенты

сцепления и фения в контакте; кп- коэффициент влияния размеров площадки контакта. В главе приводится анализ влияния погрешностей изготовления и износа на величину пятна контакта, напряжений и деформации в сопряжениях РВМ (рис.1). Влияние погрешностей изготовления для резьб, изготовленных по I -му классу точности, достигает 9%, для 2-го класса точности - 16% по сравнению с передачами, изготовленными по 0-му классу точности.

Для определения коэффициента влияния изгибных и сжимающих напря-

11агр\ зка, кг Рис.1'

женин рассматривалась модель круговинтового витка, для которой справедливо:

4Л'~(г) siii9

ki.r = JCOSG —--+—z—х----

11 prJc) b2J:\z) A(=)

где координата точки приложения силы Р\ в- угол действия силы Р\ .-((:)- статический момент и площадь рассматриваемого сечения по его высоте; ./.(г), 1Г-(-)- моменты илсрции и сопротивления сечения относительно оси О/. .

В главе дается расчет геометрических параметров наиболее часто встречающихся 15 РВМ профилей (в осевом сечении): линейного и круго-винтового. Графики зависимостей отношения коэффициентов формы профилей для кругошжтовых и трапецеидальных резьб приведены на рис.2. Установлено, что величина напряжений изгиба в основании витка

Текущая координата, мм

- При у = О

При у = 0,1 як +-++ При у = 0,1$ «и " - - При у = 0,5 «и

- П он у - 1 им

<3»>е> При У =1,5 «И

Рис. 2

резьбы зависит от угла профиля в осевом сечении (для линейных резьб) и от радиуса кривизны (для кругошштовых резьб). Так при а = 20" сТр = 0.3 • а а , при а = 25" а^- = 0.21 • сгц , при а = 30° ст^ = 0.17 • а ц.

В третьей глаче рассматривается вопрос о распределении нагрузки по виткам резьбы РВМ. Решение этой задачи строится на анализе стержневой

модели с двумя упругими слоями, имеющими разную длину и моделирующими сопряжения винт - ролики и ролик - гайка. Для определения влияния силы трения на закон распределения нагрузки по виткам находится уравнение равновесия / - го элемента РВМ в тяговом режиме прямого хода р„ sin a cos Ч' =q + fmp,

где рп - нормальное усилие в зацеплениях элементов РВМ; // - элементарно е усилие по высоте резьбы; Утр- вертикальная составляющая силы трепня; а,т|/- углы профиля и наклона резьбы.

Нагрузка на /-й виток для /-го слоя находится из дифференциального уравнения

<//'(-", )-Р/;27/(г!) = 0.

Его решение имеет вид

О Р [clip г, » clipр(1,-

'li(:i) =-— -— +---

ashp^/i [ Е,Л, Е„АП

(1)

Влияние силы трения в выражении (1) учитывается коэффициентом , /12(23) 5'п0

«РРЗ) =---, где а - угол между направлением силы трения и тор-

С05У

новой плоскостью; у - угол обшей нормали с осью пиша пли гайки на текущем радиусе.

В уравнении (1) неизвестным параметром является коэффициент

Ря =

Е/А, ЕПЛ„ , а

W^2- Г"'

п

Податливости Хт в предыдущих работах находились экспериментально. Для нахождения аналитических зависимостей рассматривается задача о деформировании круговннтового витка, обшая податливость которого представляется выражением:

5 =8 +5 +5, ,

ызг осм к

где 8та,,5к,Ьоси,- податливость витка в результате изтибно-сдвиговой, контактной деформации и деформации основания витка соответственно.

Величины кт представляют собой функцию, зависящую от геометрических коэффициентов: }.т =./(а,,* > и/) •

Коэффициенты упругих контактных слоев находятся в следующем виде:

1

?.J = ctg(хк

: 2я

и,- =n&smakSp ,

где ак - угол контакта; к},к, - коэффициенты формы витка; и- коэффициент Пуассона, 1.(1)- функция Грина; расстояние между соседними сопряжениями вдоль контактной линии; пц - коэффициент контактной деформации.

Данные выражения получены, исходя из допущения, что отдельные контакты в пределах одного витка не влияют на деформационную картину соседних сопряжений. Полученные значения Хт были подтверждены экспериментально. Для лого измерялась контактная податливость резьбы РВМ на механическом стенде со специальным приспособлением. Вычислялась разница значений показаний индикаторов, взаимодействующих с винтом и ганкой:

¿13= <V ¿з-

Испытывались механизмы с различным числом контактирующих витков. Расхождение экспериментальных и теоретических значений Хт не

превышает 10%.

В главе рассмотрено влияние геометрических параметров РВМ, внешних факторов и сил трения на распределение нагрузки по виткам резьбы. При коэффициенте трения в сопряжении / = 0.1 максимальная нагрузка /гтах на наиболее нагруженном витке составляет 1,67 от средней нагрузки в сопряжении 1\р, при / = 0.15 — = 1.57 ■ Fcp, при ./ = 0.2 —

' max = Г48 • 1-ср .

В работе предложена модель для определения закона распределения нагрузки по виткам резьбы РВМ в условиях действия зазоров (рис.3). К выходному звену приложена осевая нагрузка Q, которая распределяется между витками резьбы в пределах упругих слоев (слой I: сопряжение винт 1 -ролик 2; слой II: сопряжение ролик 2 - гайка 3). В пределах упругих контактных слоев распределяются и функции зазоров

до деформации после деформации

44л//

А//] 1 до деформации .•

после деформации до деформации после деформаций Б|=0

^ I

6/

а)

5/

^=0 до деформации после деформации

7.4 7.3 7.2 7.1 7

О 2 4 6 8 10 12 14 Номер витка

к-к-к-е-в-е-

Нагрузка 1000Н Нагрузка 2000 Н

б)

0 2 4 6 8 10 12 14 Номер витка

Рис. 3. Распределение нагрузки для моделей: а) без зазоров; б) с зазорами

Уравнение равновесия для стержневой модели (см. рис.3) имеет вид

Л/н

Я, =у-%/<71,

кЧ

Я) =-7^Я//1у К1

ч

Мп

(2)

2 = +1'7//;-1=1 у=1

Для решения системы (2) необходимо знать число контактирующих витков п' и т' в каждом упругом слое. Для нахождения этих величин предложен специальный алгоритм.

Моделирование зазоров в элементарных сопряжениях РВМ базировалось на разработанном алгоритме расчета кинематической погрешности.

Для РВМ с опорный винтом:

- зазор в опорном сопряжении Д0 = Д® + (дС^ - Дш7);

- зазор в рабочем сопряжении Др = Др + |дГ2у + ДОРу)

(знак «-» для передач 1-й и 3-й групп, знак «+»- для 2-й группы).

Для РВМ с опорной гайкой:

- зазор в опорном сопряжении Дд = Дд + (дПу - ДП^];

- зазор в рабочем сопряжении Др = Др + (д^р + Дй)у) (знак «-» для передач 3-й группы, знак «+»- для 1-й и 2-й групп).

Здесь обозначены Д<в,ДГ2р,ДП - погрешности образующих винта, роликов и гайки соответственно; Ад,Др - гарантированный осевой зазор в

опорном и рабочем сопряжении соответственно. На рис.3 представлены примеры реализации модели без учета зазоров (рис.3,а) и с учетом зазоров (рис.3,6). Моделирование распределения нагрузки в передачах с учетом погрешностей изготовления показывает, что класс точности изготовления и вид функции зазора существенно влияют на распределение нагрузки по виткам.

В четвертой главе предложена модель долговечности РВМ, которая определяется совместным действием контактной усталости, износа и деградации смазочного материала. Отказ передачи обусловлен одной из указанных причин или их совместным проявлением и носит постепенный характер. Для описания рассматриваемых процессов использовалась кумулятив-

и

т , .

-<Г /' (О,

пая модель накопления повреждений, которая основана на аналитическом описании связи скоростей повреждений с действующими нагрузками и условиями окружающей среды. Долговечность РВМ представляется следующей системой уравнений:

¿А'! = Лп <Л 60-10'" с1\!2 _ Д/|(/)гл

ИГ ~ 60а '

где А - коэффициент, учитывающий материал смазки и состояние поверхности контактирующих тел; £>- нагрузочная способность РВМ; т- показатель степени (»1 = 3 для точечного контакта, т = 10/3 для линейного контакта); п- число оборотов ведущего звена РВМ (винта или гайки); ¡'(¡) -действующая нагрузка, зависящая от времени ;; величина линейного

износа за цикл нагружения, г - количество роликов; Уи - объем продуктов износа в единице объема смазки; О - функция зазора; К<)с,р - коэффициенты, характеризующие состояние смазочного слоя, фения и температуры.

Т 25-10

2-10

5 10

400

600 800 1000 1200 Нагрузка, кг

- Передача 3 группы

**х Передача 2 группы — • Передача 1 группы

Рис.4

4

1 10 2-10 3-10 4-10 610 е-10 7-10 Время, ч.

- Передача 2 группы

х х х Передача 1 группы — - Передача 3 группы

Рис.5

Была проанализирована долговечность РВМ различных групп одного типоразмера, работающих в одинаковых условиях. Результаты математического моделирования долговечности РВМ представлены на рис. 4 и 5. Наибольшая долговечность в рассмотренных условиях работы у РВМ 3-й груи-

пы, для которых число заходов на винте и гайке одинаково. Наименьшая долговечность у передач 2-й группы.

Расчет на износ РВМ состоял из нескольких этапов: определение расчетного сопряжения, определение характера эпюры давлений на поверхностях контакта сопряженных деталей, расчет величины износа элементарного сопряжения и определение формы изношенной поверхности. В работе предложена формула для определения критической длины винта /. В том случае, если длина винта 1в > 1, то долговечность гайки меньше и расчет следует вести по сопряжению ролики - гайка. В главе предложены расчетные зависимости для определения величины износа сопряжений РВМ. С учетом приработки формула выглядит следующим образом: II = + У, где ип - износ за период приработки I „, у - скорость изнашивания.

Методы повышения долговечности, надежности и нагрузочной способности делятся на конструктивные, технологические и эксплуатационные. К конструктивным методам относится ряд мероприятий: выбор рациональных геометрических параметров элементов РВМ (углов профиля и наклона резьбы, диаметра тел качения, радиусов кривизны профилей и др.); увеличение точек контакта (числа и длины сопряжений в передаче, количества роликов). Технологические методы делятся на две группы: выбор материалов контактирующих тел и технологии получения изделий (изменение приведенного модуля упругости, приведенной твердости; повышение уровня допускаемых напряжений за счет выбора технологического процесса, повышение точности изготовления элементов РВМ и т.д.), улучшение свойств материалов контактирующих тел (нанесение покрытий на сопрягающиеся поверхности; термическая обработка резьбовых поверхностей; формирование рациональной структуры материалов). К эксплуатационным методам относятся организационно-технические мероприятия (контроль, ремонт, уход и смазка РВМ).

В пятой главе описаны результаты экспериментальных исследований долговечности РВМ, которые подтвердили правильность разработанных моделей. В качестве объекта испытаний были выбраны передачи типа 2а с кольцевыми роликами и гайкой. Первоначальные погрешности изготовления были известны. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанном стенде в ВлГУ, измерения - в ЦИЛ ПО "Точмаш'' (г.Владимир). Результаты испытаний показали, что эксплуатационный износ является преобладающим видом отказа данного типа РВМ. Все передачи вышли из строя вследствие износа из-за недопустимого изменения характерных размеров резьбы. Расхождение между теоретическими и экспериментальными результатами не превышает 10 %. На рис. 6 и 7 показаны зависимости линейного износа роликов и винтов для передач

о- - —-

— —

V. - \ ч ^

ч -

2 3

Номер витка

3 тыс.циклов И У X 8 тыс.циклов

I I I 30 тыс.циклов

4 5 тыс . циклов > 53 тыс.циклов

71 тыс . циклов

Рис.6

0.12 Ц1

Ю 0.08

Г,

1л

I/ I/

1а___- *

а—' <Г

ГГ*

я— ?

Экспериментальные точки ххх Образец 1 О Образец 5 ♦ ♦♦ Образец2 О ОбразецЗ сор СбразэцЭ * Образец7 Образец 4

— —Теоретическая кривая

с учетам макроприработки ---Теоретическая кривая без учета макролриработки

5.2 7.8

Количество цикловПОООО

Рис.7

с различной твердостью. Линейный износ по длине роликов происходит неравномерно, достигая максимума на крайних витках. Это подтверждают факты неравномерности распределения нагрузки по виткам резьбы и изменение закона в зависимости от износа передачи. Линейный износ определяется следующим образом:

h{t)=JllS{t)=KhanS{t), где: А'/, - коэффициент износа; ст„ - нормальное давление в контакте, .//, -интенсивность изнашивания. Зная величину можно однозначно определить величину нагрузки Pj, приходящуюся на у-й виток.

В шестой главе разработаны методики расчета и проектирования РВМ различных типов с высокой (заданной) нагрузочной способностью, надежностью и долговечностью. Все методики и алгоритмы программно реализованы. В главе приводятся примеры реализации предложенных методик в промышленности. Методики использовались в научно-исследовательских работах кафедры ТММ и ДМ ВлГУ, при разработке приводов системы управления легкого многоцелевого самолета ТУ-34 (АНТК им. Л.Н.Туполева, г. Москва), при разработке привода регулирующей арматуры (НПО «Аврора», г. С.-Петербург). Применение РВМ в перечисленных приводах обеспечивает высокие технико-эксплуатационные характеристики.

В заключении сформулированы основные выводы по работе.

, ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

! В работе установлено, что погрешности изготовления существенно влияют на величину контактных напряжений в сопряжениях РВМ. Показано, что влияние погрешностей изготовления для резьб, изготовленных по 1-му классу точности, достигает 9%, по 2-му класса точности -16 % по сравнению с передачами, изготовленными по О-.му классу точности.

2 Установлено, что величина напряжений изгиба в основании витка резьбы зависит от угла профиля в осевом сечении (для прямоугольных резьб) и от радиуса кривизны (для круговинтовых резьб). Так, при а = 20" ар = 0.3 ■ ац , при а - 25° стР = 0.21 • сгп, при а = 30° аГ = 0.17 • <Тц.

3 Получены законы распределения нагрузки по виткам резьбы РВМ с учетом сил трения. При коэффициенте трения в сопряжении / = 0.1 максимальная нагрузка Ртах на наиболее нагруженном витке составляет 1,67 от средней нагрузки в сопряжении ^ при / = 0.15 /7т.,ч=1.57 при / = 0.2 /-тах= 1.48

-t. Разработана методика определения геометрических параметров уп-рушх контактных слоев сопряжений РВМ. Экспериментальное исследование показало адекватность разработанной методики реальным передачам. Расхождение расчетных и экспериментальных результатов не превышает 10%.

5. Получены законы распределения нагрузки по виткам резьбы РВМ с учетом погрешностей изготовления и износа. Показано, что погрешности изготовления влияют на максимальную нагрузку в сопряжении РВМ: для передач, изготовленных по 0-му классу точности Fmax = 1.1 ■ Fco, для передач, изготовленных по 2-му классу точности Fmax =1,5-FCp.

6. Разработаны математические модели параметрической надежности п долговечности РВМ, учитывающие контактно-усталостные разрушения, эксплуатационный износ и качество смазочного слоя. Разработанные модели долговечности позволяют снизить расхождение экспериментальных и теоретических зависимостей для передач 2-го класса точности с 60 до 15%.

7. Проведены экспериментальные исследования эксплуатационного износа РВМ. Полученные данные подтверждают правильность разработанных методик расчета и адекватность предложенных моделей. Расхождение теоретических и экспериментальных результатов по величине линейного износа не превышает 10%.

S. Рациональное профилирование резьбы, подбор геометрических параметров РВМ и смазки позволяют повысить долговечность передач. Разработанные инженерные методики расчета позволяют проектировать РВМ с заданной нагрузочной способностью и долговечностью.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Бушепин Д.В., Гоголев Б.Б., Жданов A.B. Методика определения сопряженного профиля ведущего звена несоосного винтового механизма //Тез. докл. научгтехн. конф. «Актуальные проблемы машиностроения на современном этапе». Владимир: ВлГТУ, 1995. С. 41-42.

2. Морозов В.В., Жданов A.B. Электромеханический модуль привода искусственного сердца // Тез. докл. Всеросс. науч.-техн.конф. «Конверсия, приборостроение, рынок». Владимир: ВлГТУ, 1995. С. 192-193.

3. Жданов A.B. Прочность и долговечность электромеханического привода моноблочной конструкции /'Сб. тр. молодежной на\'ч. конф. «XXII Гага-ринскне чтения». М.: МГАТУ, 1996. Ч. 5. С. 181-182.

4. Жданов A.B. Математическая модель коленного модуля с демпфеде-но-приводным устройством //Тез. докл. 2-ой Междунар. науч.-техн.конф. «Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии». Владимир: ВлГТУ, 1996. Ч. 1. С. 155-158.

5. Жданов A.B., Вушенин Д.В. и др. Разработка демнферно-ириводных устройств коленных модулей // Тез. докл. науч.-техн.конф. «Биомехани-ка-96». Н. Новгород, 1996. Т. 1. С.125-126.

6. Жданов A.B., Морозов В.В., Никитин Н.Г. Шарнир-редуктор протеза нижней конечности //Тез. докл. науч.-техн.конф. «Биомеханика- 96». Н. Новгород, 1996. Т. 1. С. 126-127.

7. Гоголев Б.Б., Жданов A.B., Костсрин А.Б. Получение закона распределения нагрузки роликовинтового механизма с целью диагностики жесткости приводов линейного перемещения //Сб. науч. тр. «Диагностика и ремонт агрегатов машин». Владимир: ВлГУ, 1997. С. 80 - 85.

8 Бушенип Д.В., Жданов A.B. Выбор исполнительного механизма для электромеханического привода коленного модуля //Материалы междунар. nav4.-техн.конф. «Конверсия, приборостроение, рынок». Владимир: ВлГУ,

1997. С. 42-44.

9. Морозов В.В., Жданов A.B. и др. Опыт проектирования электромеханических приводов искусственного сердца // Материалы междунар. науч,-те.хн.конф. «Конверсия, приборостроение, рынок». Владимир: ВлГУ, 1997. С. 144-146.

10. Жданов A.B. Долговечность электромеханических приводов поступательного перемещения //Сб. тр. молодежной науч. конф. «XXIII Гагарин-скис чтения». М.: МГАТУ, 1998. Ч. 3. С. 183-184.

1 1. Морозов В В., Жданов A.B., Костсрин А.Б.. Ганин В.П. Экспериментальные исследования электромеханического модуля привода системы вспомогательного и искусственного кровообращения //Материалы 3-й Междунар. науч.-техн.конф. «Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии». Владимир: ВлГУ, 1998. с. 146-147.

12. Морозов В В., Жданов A.B. Электромеханический привод локтевого шарнира протеза плеча //Материалы 3-й Междунар. науч.-техн.конф. «Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии». Владимир: ВлГУ,

1998. С. 142-144.

13. Жданов A.B. Теоретическая оценка нагрузочной способности роликовинтового механизма //Тез. докл. междунар. науч.-техн.конф. «Управление в технических системах». Ковров, 1998. С. 142-144.

14. Morozov V.V.. Zhdanov A.V. Electromecanicai unit helps artiflcal heart /Artifical Organs, 1998. Vol.22. № 3. P.260-262.

Изд. лиц. № 020275 от 13.11.96 г. Подписано в печать 20.11.98. Формат 60 x 84/16. Бумага для множит.техники. Печать офсетная. Гарнитура Times. Усл. печ. л. 0,93. Уч -изл. л. 0,97. Тираж 100 экз. С - 152. ЗакЯ/-98.

Владимирский государственный университет. Подразделение оперативной полиграфии Владимирского государственного университета.

Алрес университета и подразделения оперативной полиграфии: 600026, г.Владимир, ул.Горького, 87.

/ГУ

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.81

ЖДАНОВ Алексей Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ РОЛИКОВИНТОВЫХ МЕХАНИЗМОВ

Специальность 05.02.02 - машиноведение и детали машин

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Д.В.Бушенин

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Б.Б.Гоголев

Владимир 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................4

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.............................................................................8

1.1. Требования к исполнительным механизмам приводов линейных перемещений по надежности и долговечности....................................8

1.2. Современное состояние исследований надежности и долговечности РВМ......................................................................................................10

1.2.1. Исследование фактической геометрии поверхностей РВМ .... 10

1.2.2. Распределение нагрузки по виткам резьбы РВМ.....................12

1.2.3. Современное состояние исследований НДС, надежности

и долговечности РВМ................................................................14

1.3. Постановка задачи исследования........................................................16

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СОПРЯЖЕНИЙ (НДС) РОЛИКОВИНТОВОГО МЕХАНИЗМА (РВМ)......................................................................18

2.1. Исследование фактической геометрии поверхностей витков РВМ.. 18

2.2. Решение контактной задачи для РВМ при наличии погрешностей изготовления и износа.........................................................................30

2.2.1. Определение параметров контакта неточно изготовленных

и изношенных поверхностей РВМ...........................................31

2.2.2. Определение силовых параметров контакта РВМ при наличии нормальной и касательной нагрузки........................................37

2.3. Влияние напряжений изгиба и сжатия на НДС сопряжений РВМ.... 42

2.4. Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) сопряжений РВМ.................................................................................51

2.5. Выводы по главе 2................................................................................56

Глава 3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ ПО ВИТКАМ РЕЗЬБЫ РВМ.... 57

3.1. Уравнение распределения нагрузки по виткам резьбы РВМ............57

3.2. Определение геометрических параметров упругих контактных слоев сопряжений РВМ.................................................................................63

3.2.1. Теоретическая оценка геометрических параметров упругих

контактных слоев.................................................................................63

3.2.2. Экспериментальное определение параметров упругих

контактных слоев РВМ..............................................................68

3.3. Влияние геометрических параметров РВМ и внешних факторов на распределение нагрузки по виткам резьбы........................................72

3.4. Определение закона распределения нагрузки по виткам резьбы РВМ

в условиях действия зазоров...............................................................76

3.4.1. Описание модели.......................................................................76

3.4.2. Исследование закона распределения нагрузки по виткам

в условиях действия зазоров.....................................................80

3.5. Выводы по главе 3................................................................................85

Глава 4. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ

И ДОЛГОВЕЧНОСТИ РВМ............................................................86

4.1. Расчетная модель долговечности и надежности РВМ.......................86

4.1.1. Описание модели.......................................................................86

4.1.2. Анализ решений для различных типов РВМ............................89

4.1.3. Расчет надежности РВМ............................................................94

4.2. Исследование износа РВМ..................................................................96

4.2.1. Вывод уравнений для составляющих износа контактирующих поверхностей РВМ.....................................................................96

4.2.2. Анализ решений для различных типов РВМ..........................101

4.3. Пути повышения надежности, долговечности и нагрузочной способности РВМ..............................................................................103

4.4. Выводы к главе 4................................................................................105

Глава 5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ

И ДОЛГОВЕЧНОСТИ РВМ.......................................................... 107

5.1. Объект испытаний и исследований...................................................107

5.2. Экспериментальные исследования надежности и долговечности РВМ....................................................................................................109

5.2.1. Описание стенда, методика испытаний и аппаратура............109

5.2.2. Анализ результатов испытаний...............................................115

5.3. Выводы к главе 5................................................................................123

Глава 6. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ РВМ С ВЫСОКИМИ (ЗАДАННЫМИ) НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬЮ. ПРИМЕРЫ ВНЕДРЕНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ........................125

6.1. Алгоритм методики расчета и проектирования...............................125

6.1.1. Алгоритм расчета распределения нагрузки по виткам резьбы РВМ.......................................................................................... 127

6.1.2. Алгоритм расчета нагрузочной способности РВМ................129

6.1.3. Алгоритм расчета долговечности РВМ..................................129

6.1.4. Алгоритм определения НДС сопряжений РВМ.....................131

6.2. Описание разработанных конструкций ИМ, внедренных

в промышленность.............................................................................134

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...................................................................................... 140

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.........................................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ............................................................................................149

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшим направлением повышения технического уровня машин и оборудования является совершенствование их исполнительных механизмов (ИМ). Большое распространение в различных областях техники нашли механизмы линейного перемещения, среди которых наиболее часто используются винтовые.

Наиболее распространенный винтовой ИМ — винт-гайка скольжения, контакт в резьбе которого происходит по поверхности. Эту передачу отличает невысокая нагрузочная способность, низкая точность и КПД, высокие потери на трение, сильная изнашиваемость. Передачи винт-гайка качения (шариковинтовые (ТТТВМ) и роликовинтовые (РВМ)) широко используются в технологическом оборудовании, поскольку замена трения скольжения на трение качения позволяет увеличить КПД (до 90...95%), точность перемещения и нагрузочную способность. Однако, в некоторых случаях их жесткость и нагрузочная способность недостаточны из-за ограниченного числа тел качения и небольшой длины гайки. Роликовинтовые планетарные передачи успешно конкурируют с вышеперечисленными типами ИМ, а по ряду технико-эксплуатационных характеристик, превосходят их. Они являются частным случаем несоосных механизмов (НВМ). Обычный роли-ковинтовой механизм (РВМ) состоит из центрального винта 1, вокруг которого в сепараторе 4, располагаются ролики 2, совершающие в процессе работы планетарное движение и взаимодействующие с гайкой 3 (см. рис. 0.1). Данные передачи могут обеспечивать дополнительную редукцию и самоторможение в резьбе при достаточно высоком КПД. В элементарном сопряжении РВМ контакт происходит в точке, поэтому эти передачи относятся к ИМ с высшими кинематическими парами.

Исследованию РВМ посвящен ряд работ, выполненных в МГТУ им. Н.Э.Баумана, ЭНИМСе, СТАНКИНе. Основные работы по созданию новых типов винтовых передач, в том числе и РВМ, ведутся во Владимирском Государственном университете под руководством профессора Д.В.Бушенина, в которых разработаны вопросы геометрического, кинематического, метрологического и прочностного расчетов для некоторых типов РВМ. Однако в известных работах отсутствуют методики расчета надежности, долговечности и нагрузочной способности передач для неточно изготовленных и изношенных поверхностей, методики определения характера распределения нагрузки по виткам резьбы РВМ в условиях действия зазоров, а также методы повышения надежности и долговечности РВМ.

Таким образом, создание ИМ на базе РВМ с высокой (заданной) надежностью и долговечностью является важной и актуальной задачей при проектировании технологических, медицинских и специальных и других систем. Решению данной задачи и посвящена представленная работа.

Работа состоит из шести глав, введения и заключения.

В первой главе дан анализ требований к приводам линейных перемещений специального оборудования (системы управления полетом летательных аппаратов), медицинских приборов (протезы, искусственные органы) и другие. Показано, что надежность и долговечность привода линейного перемещения зависят от характеристик его ИМ. Проведен анализ работ по РВМ, которые посвящены исследованию надежности и долговечности винтовых передач. Из анализа следует, что пути повышения указанных характеристик РВМ не выявлены.

В главе 2 проведено исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) РВМ. Выявлено влияние отдельных факторов (напряжения изгиба, пластическая деформация, шероховатость) на НДС передачи. Определены силовые и геометрические параметры контакта неточно изготовленных и изношенных передач, на основе которых предложены критерии нагрузочной способности и долговечности РВМ.

В главе 3 получены аналитические зависимости для определения закона распределения нагрузки по виткам резьбы и геометрических параметров упругих контактных слоев. Адекватность полученных результатов подтверждается экспериментальными исследованиями. Разработана методика расчета для РВМ в условиях действия зазоров, которая реализована в среде МаЛСаё 7.0. Выявлено влияние отдельных факторов на распределение нагрузки РВМ.

В главе 4 предложены теоретические модели долговечности и надежности РВМ. Показано на примере расчета конкретных ИМ, что влияние отдельных факторов (усталостное выкрашивание, износ, качество смазки) для передач может быть различным. Получены аналитические зависимости для износа РВМ. Адекватность моделей подтверждена экспериментально.

В главе 5 описаны экспериментальные исследования долговечности и надежности РВМ. Произведена оценка погрешностей измерений и сравнение экспериментальных и теоретических зависимостей.

В главе б разработаны инженерные методики расчета и проектирования РВМ с высокими (заданными) надежностью, долговечностью и нагрузочной способностью. Приведены примеры разработанных и внедренных в промышленность конструкций РВМ, спроектированных по предложенным методикам

На защиту автором выносятся следующие основные положения работы:

- инженерные методики проектирования РВМ с заданной долговечностью,

- надежностью и нагрузочной способностью;

- математическая модель нагрузочной способности РВМ с учетом погрешности изготовления и износа;

- математические модели надежности и долговечности РВМ;

- методика определения базового витка в сопряжении на основе анализа НДС передачи;

- методы повышения надежности и долговечности РВМ.

Глава 1.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Требования к исполнительным механизмам приводов линейных перемещений по надежности и долговечности

Приводы линейных перемещений широко используются в машиностроении (технологическое оборудование: станки, роботы, измерительные приборы и т.д.), авиастроении (органы управления самолетов, системы шасси, вспомогательное оборудование), нефтегазовом комплексе (запорная и регулирующая арматура), медицине (специальное оборудование, протезы, искусственные органы). Вместе с пневматическими и гидравлическими устройствами в этих областях успешно применяются электромеханические приводы (ЭМП) с различными типами исполнительных механизмов (ИМ).

Наряду с точностью перемещения и позиционирования [51] к линейным приводам предъявляются жесткие требования по нагрузочной способности, надежности и долговечности. Так ЭМП передней стойки шасси легкого многоцелевого самолета ТУ-34 должен обеспечивать кинематическую передаточную функцию равную 2,8 мм/об при ходе 160 мм и уси-

о

лии на штоке до 7 10 Н. Долговечность этого привода должна составлять не менее 104 часов.

На ЭМП демпферно-приводного устройства (ДПУ) коленного модуля [16,45,47], а также шарнир-редуктор протеза бедра [48,71] действует нагрузка, меняющаяся по синусоидальному закону в течение цикла шага: в

опорный период она достигает максимума (до 4,5-103 Н), в переносный снижается до минимума. При этом привод должен обеспечивать в фазе опоры либо надежное самоторможение, либо работать в режиме отторма-живания под действием внешней силы. В ряде экстремальных случаев возможна статическая перегрузка ЭМП до 3 раз. Долговечность привода ДПУ

должна быть не меньше долговечности самого протеза и составлять 3 • 106 циклов, что соответствует 3 годам нормальной эксплуатации.

В системах вспомогательного кровообращения и искусственного сердца ЭМП, выполненный на базе вентильного двигателя и преобразователя вращательного движения в поступательное [70,72,73], должен обеспечивать бесперебойную работу в течение 3 • 104 часов и более при нагрузке на выходной шток 200 Н (в некоторых схемах 100 Н) с циклической частотой 1...2 Гц. Выходной шток соединяется с мембранами искусственных желудочков непосредственно, либо через шарнирно-рычажную систему [118-120].

Надежность и долговечность ЭМП во многом определяются характеристиками ИМ, входящим в его состав. Среди преобразователей с линейным перемещением выходного звена широкое распространение получили винтовые ИМ с высшими кинематическими парами (ШВМ и РВМ), благодаря своим высоким эксплуатационным характеристикам [51,54,58,81,92], не уступающим традиционным передачам. Так замена передачи винт-гайка скольжения в приводе подач токарного станка на ШВМ

позволяет снизить износ ходового винта в 10 раз и значительно повысить долговечность привода [7]. При этом нагрузочная способность ШВМ остается приемлемой [116]. Однако в ряде случаев нагрузочная способность и долговечность ШВМ не удовлетворяет проектировщиков. Это происходит, когда требуется небольшое перемещение выходного звена привода на 1 оборот двигателя (т.е. <прх, где п- некоторое число), а также в самотормозящихся приводах и других случаях. Тогда наиболее приемлемыми преобразователями являются РВМ, некоторые характеристики которых представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Тип РВМ Соотношение углов подъема Направление нарезки Соотношение углов подъема Направление нарезки

Опорное сопряжение винт-ролики Опорное сопряжение ролики-гайка

1. Л Л 2 одинаковое Л х<л 2 противоположное

1а. Л3= 0 гайка нулевой заходности Я,= 0 винт нулевой заходности

2. Л^. Л 2 одинаковое Л Л 2 противоположное

2а. л 2~ л 1= 0 винт и ролик нулевой заходности Л 2~ Л 3= 0 ролик и гайка нулевой заходности

3. Лу£ Л 2 противоположное Л Л 2 одинаковое

За. винт и гайка одной заходности и направления гайка и винт одной заходности и направления

36. Л\— Л 2~ Л 3= вырождается в подшипник Л ¡— Л 2= Л 3= 0 вырождается в подшипник

РВМ являются частным случаем несоосных винтовых механизмов (НВМ) [10,18,28,57] и имеют множество конструктивных схем, отличающихся по кинематическим и прочностным характеристикам. Подробная

классификация этого вида передач приводится в работах [14,80]. Использование РВМ в различных приводах позволяет обеспечивать требования, которые невозможно решить использованием других ИМ. Для всех типов ЭМП линейного перемещения актуальной является проблема снижения массогабаритных показателей при обеспечении требуемой надежности. Одним из путей решения этой проблемы является повышение нагрузочной способности, надежности и долговечности ИМ, входящего в состав привода.

1.2. Современное состояние исследований надежности

и долговечности РВМ

Надежность и долговечность РВМ определяются уровнем напряжений и усилий в элементах, который зависит от характеристик материала, геометрических параметров контактирующих поверхностей, закона распределения нагрузки по виткам резьбы и т.д. Вопросами изучения влияния перечисленных факторов на надежность, нагрузочную способность и долговечность передачи занимались различные исследователи РВМ.

1.2.1. Исследование фактической геометрии поверхностей РВМ

Основополагающими работами в области геометрии винтовых передач с высшими кинематическими парами являются труды В.Г.Беляева, В.И.Павлова, И.Б.Пясика, И.П.Филонова и других (для ШВП); Д.В.Бушенина, В.В.Морозова, А.П.Воробьева, Б.Б.Гоголева, В.В.Козырева, В.А.Марусова, В.И.Панюхина, Л.А.Черной (для РВМ).

Применительно к РВМ можно выделить несколько подходов к нахождению поверхностей сопрягающихся элементов. Первый из них основан на принципе однопараметрического огибания [68], который реализуется в основном, кинематическим методом [15,28,29,112], либо методом Гохмана [19].

В качестве исходных могут использоваться как поверхность инструмента так и поверхность одной из деталей (винта, ролика или гайки). Искомая поверхность ищется из системы уравнений:

е,- = Ш

Здесь х1 = х^-Д), у1 = у^цД), = 2г-(/},6>);

г - индекс принадлежности к системе координат 81;

^,<9, - �