автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров зацепления шестеренной гидромашины с учетом точности изготовления элементов

Введение

1. Приводы горных машин

1.1. Обзор конструкций шестеренных гидромашин, применяемых в горной технике

1.2. Защемленный объем рабочей жидкости

Выводы по главе

2. Теоретические исследования

2.1. Коэффициент перекрытия в зацеплении

2.2. Торцевая опора шестеренной гидромашины

2.2.1. Износ торцевой опоры

2.2.2. Момент трения между торцевой опорой и зубчатым ротором гидромашины

2.2.3. Энергоресурс торцевой опоры

Выводы по главе

3. Экспериментальные исследования

3.1. Оценка усилия прижатия торцевой опоры к торцевой поверхности зубчатого ротора 4У

3.2. Оценка интенсивности износа торцевой опоры шестеренной гидромашины типа НМШ ^

3.3. Определение характера изменения давления рабочей жидкости при зацеплении зубьев роторов шестеренной гидромашины

Выводы по главе

4. Математическая модель шестеренной гидромашины

4.1. Оценка экономической эффективности

Выводы по главе

Создание новых конкурентоспособных приводов горных машин, модернизация существующего оборудования на основе новых научно-технических достижений жизненно важны для развития и успешного функционирования добывающей отрасли. Задача повышения в условиях конкурентной среды надежности горных машин стоит, при этом, наиболее остро. В настоящее время в конструкциях горных машин широко применяется гидравлический привод, используются гидравлические системы и устройства.

Объемный гидропривод особенно эффективен для горных машин, работающих в стесненных условиях горных выработок. Его преимуществами являются: возможность передачи и восприятия значительных усилий, компактность силовых элементов, простота управления в широких диапазонах скоростей и давлений, легкость осуществления реверса, взрывобезопасность. Основные элементы гидропривода - гидронасосы и гидромоторы. При этом широкое распространение в гидроприводах горных машин нашли шестеренные гидромашины. Они просты по конструкции, имеют малые габариты и небольшую массу, обладают сравнительно небольшой трудоемкостью изготовления, удобны в обслуживании. Несмотря на это, надежность шестеренных гидромашин, используемых в горном оборудовании, невысока, требуют дальнейшего совершенствования их конструкция, методика расчета и технология изготовления в условиях промышленного производства.

Обоснование параметров зацепления гидромашины с учетом точности изготовления элементов является актуальной задачей при проектировании гидравлических систем горного оборудования.

По информации Федерального института правовой собственности число ежегодно выдаваемых в Российской Федерации патентов на изобретения, связанных с совершенствованием конструкций и элементов шестеренных гидромашин в период с 1988 по 1992 год 25-30, а с 1994 по 2000 год превышает 40 авторских свидетельств в год.

Актуальность исследований шестеренных гидромашин определяется также существующими у них недостатками; наиболее существенным из которых является защемленный объем рабочей жидкости, способствующий повышенному износу и преждевременному выходу из строя деталей гидромашины.

Вопросы теории, конструирования, исследования и эксплуатации шестеренных гидромашин освещены в отечественной и зарубежной литературе в работах: Т.М. Башты, А.Ф. Осипова, Е.М. Юдина, Е.А. Рыбкина и других авторов [8, 9, 34, 58, 67, 85]. Однако развитие теории зацепления шестеренных гидромашины ставит новые задачи по разработке теории расчета элементов таких гидромашин, влечет за собой изменение конструкций и необходимость проведения экспериментальных исследований новых и модернизированных шестеренных гидромашин.

Применение комбинированного смещения [32, 35, 38] в зацеплении зубчатых роторов позволяет свести к минимуму величину защемленного объема рабочей жидкости и отказаться от изготовления в конструкции шестеренных гидромашин специальных разгрузочных устройств, при этом зубчатые роторы возможно нарезать стандартным режущим инструментом.

В условиях серийного производства выполнить конструкцию шестеренной гидромашины без защемленного объема, то есть с коэффициентом перекрытия в зацеплении ее роторов, равным единице, практически невозможно вследствие естественного разброса размеров элементов рабочего узла шестеренной гидромашины в пределах точности их изготовления. При этом существующие в современной практике математические модели шестеренных гидромашин [12, 27, 62] не позволяют достаточно полно оценить показатели работы и долговечность их элементов на стадии проектирования в зависимости от точности изготовления.

Поэтому цель работы заключается в научном обосновании выбора конструктивных и геометрических параметров элементов рабочего узла 5 шестеренной гидромашины, при заданном теоретическом коэффициенте перекрытия в зацеплении зубчатых роторов, с учетом точности их изготовления для повышения надежности шестеренной гидромашины и снижения трудоемкости ее изготовления.

Решению поставленной цели посвящена данная работа.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Энергоресурс торцевой опоры шестеренной гидромашины пропорционален предельно-допустимой величине торцевого зазора в гидромашине и обратно пропорционален величине износо-геометрического параметра, при этом минимальный износ соответствует начальному диаметру ротора.

2. Математическая модель гидромашины учитывает точность изготовления рабочего узла гидромашины и позволяет оценить основные технические показатели гидромашины, величину ресурса ее элементов в зависимости от их конструктивных параметров, а шестеренные гидромашины с коэффициентом перекрытия зубчатых роторов, близким к единице, не требуют дополнительных каналов по разгрузке защемленного объема рабочей жидкости.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

По результатам анализа данных полученных в ходе проведенного моделирования с использованием разработанной математической модели шестеренной гидромашины можно сделать следующие выводы:

1. Математическая модель адекватна реальным процессам шестеренной гидромашины.

2. На основании результатов моделирования установлено, что объемный коэффициент полезного действия шестеренной гидромашины с новым зацеплением зубчатых роторов выше на 2% объемного коэффициента полезного действия шестеренной гидромашины базового исполнения и составляет 0,94.

4. Ресурс элементов шестеренной гидромашины с новым зацеплением и отсутствием разгрузочных отверстий увеличился в сравнении с ресурсом элементов базовой шестеренной гидромашины: зацепления зубчатых роторов на 22%, подшипников на 16% и торцевых опор 11% соответственно.

5. Ожидаемый годовой экономический эффект от замены зубчатых роторов и отказа от изготовления в торцевых опорах разгрузочных отверстий за счет экономии при изготовлении составляет 47000 руб. в ценах 2002 года.

97

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе приведены разработанные автором теоретические и практические положения, которые в комплексе представляют решение важной научной задачи по обоснованию параметров зацепления гидромашины с учетом точности изготовления, что имеет существенное значение для развития гидропривода горных машин.

Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Разработанная математическая модель шестеренной гидромашины внешнего зацепления, позволяет определить основные технические характеристики шестеренной гидромашины и оценить величину ресурса основных элементов гидромашины в зависимости от геометрических параметров зацепления зубчатых роторов с учетом точности изготовления элементов рабочего узла гидромашины.

2. Энергоресурс торцевой опоры шестеренной гидромашины прямо пропорционален предельной величине торцевого зазора в гидромашине и обратно пропорционален разности износа торцевой опоры на минимальном диаметре торцевой опоры и на диаметре равном начальному диаметру зубчатого ротора.

3. Полученное выражения для определения момента трения между торцевой поверхностью зубчатого ротора и рабочей поверхностью торцевой опоры шестеренной гидромашины типа НМШ позволяет с достаточной для практики точностью оценить величину потерь на трение в паре «торцевая опора - зубчатый ротор».

4. Износ поверхности торцевой опоры изменяется в радиальном направление от максимального на внутреннем диаметре опоры до минимального на диаметре равном начальному диаметру зубчатого ротора и возрастает к внешнему диаметру торцевой опоры.

5. Предельно допустимая величина износа торцевой опоры шестеренной гидромашины типа НМШ не превышает 0,055 мм. Ресурс торцевых опор

98 шестеренных гидромашин НМШ при угловой скорости вала гидромашины равной 157,1 с"1 составляет примерно 500 ч непрерывной работы.

6. Сравнительные испытания шестеренных гидромашин типа НМШ 0.03 с базовой и новой геометрией зацепления зубчатых роторов с коэффициентом перекрытия, близким единице, показали возможность нормальной работы гидромашины с новым зацеплением даже при отсутствии в ней специальных каналов по разгрузке защемленного объема рабочей жидкости.

7. Диапазон изменения коэффициента перекрытия в зацеплении зубчатых роторов шестеренных гидромашин типа НМШ, при котором отпадает необходимость создания дополнительных каналов по разгрузке защемленного объема рабочей жидкости находится в пределах от 1,00 до 1,04.

8. Ожидаемый годовой экономический эффект от замены зубчатых роторов и отказа от изготовления в торцевых опорах разгрузочных отверстий за счет экономии при изготовлении составляет для насос-мотора НМШ 0.03 47000 руб. в ценах 2002 года.

1. Авдеев Д.Т. Подшипники скольжения с автокомпенсацией износа. Новочеркаск, 2000. 97с.

2. Авдонькин Ф.Н. Определение интенсивности изнашивания деталей сопряжений машин // Изв. Вузов. Машиностроение, 1989, №11.- с.85-88.

3. Агзамов С.К., Байматов Т.Н. Исследования по обоснованию методики оценки ресурсов изнашивающихся деталей машин // Тр. Всесоюз. н.-и. технол. ин-та ремонта и эксплуатации маш.-тракт, парка, 1984, т.70. -с.3-15.

4. Айрапетов Э.Л. О расчетной оценке контактных разрушений на зубьях зубчатых колес. Вестник машиностроения, 1999, №8. с.3-20.

5. Александров Н.К. К определению потерь в механических передачах. Вестник машиностроения, 1998, №6. с. 10-13.

6. Баталов А.П. Метод расчета векторных размерных цепей // Горные машины для разработки полезных ископаемых / Санкт-Петербургский горный ин-т., СПб, 1993. с. 102-107.

7. Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. М., Машиностроение, 1974. 604с.

8. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. М.: Машиностроение, 1971. -672с.

9. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов. 2-е изд., перераб. -М.: Машиностроение, 1982. -423с.

10. Бегагоен И.А., Бойко А.И. Повышение точности и долговечности бурильных машин. М., Недра, 1986. 213с.

11. Беззубов A.B., Щелкалин Ю.В. Насосы для добычи нефти: Справочник рабочего. М.: Недра, 1986. - 224с.

12. Беренгард Ю.Г., Литвин М.Ф. Построение на ЭВМ схем гидроприводов строительных и дорожных машин // Строит, и дор. Машины, 1991, №4. -с.5-7.

13. Бойко Л.С., Высоцкий А.З., Галиченко Э.Н. Редукторы и моторедукторы общего машиностроения: Справочник М.: Машиностроение, 1984. - 247с.

14. Болдин Л.А. Основы взаимозаменяемости и стандартизации в машиностроении: Учебное пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1984. - 272с.

15. Большаков В.Д. Теория ошибок наблюдений: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп., М.: Недра, 1983. - 223с.

16. Борохович А.И., Борохович Б.А. Пути повышения сроков износа деталей машин, взаимодействующих с абразивной средой Свердловск: Б.и., 1982. -67с.

17. Браун Э.Д., Евдокимов Б.А., Чичинадзе A.B. Моделирование трения и изнашивания в машинах. М., Машиностроение, 1982. 190с.

18. Буренин В.В. Конструктивные особенности новых шестеренных насосов // Станки и инструмент, 1988, №11. с.32-34.

19. Буренин В.В. Новые конструкции шестеренных насосов // Станки и инструмент, 1985, №10. с.33-35.

20. Буренин В.В. Объемные гидравлические приводы агрегатов технологического оборудования М., МАДИ, 1998. 167с.

21. Буренин В.В. Конструкции шестеренный насосов. М., ЦИНТИхимнефтемаш, 1982. 67с.

22. Вишенский И.И. Исследование работы шестеренных насосов // Сб. «Пневматика и гидравлика (приборы и системы управления)». М., Машиностроение, 1973. с.264-273.

23. Войтов В.А., Лурье З.Я., Жермяк А.И. К вопросу повышения износостойкости узлов трения объемных гидромашин Вестник машиностроения, 1995, №1 с.6-10

24. Гинзбург Е.Г., Голованов Н.Ф., Фирун Н.Б., Халебский Н.Т. Зубчатые передачи: Справочник. Под общ. ред. Е.Г. Гинзбурга 2-е перераб. и доп. -J1. Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1980. - 416с.

25. Голубев А.И., Фрейдисман Г.М. К расчету несущей способности пар трения торцевых уплотнений // Качество и эффективность насосного оборудования. Труды ВНИИгидромаш М., 1984. с. 145-158.

26. Голубев А.И., Фрейдисман Г.М., Котелев Ю.И., Тепагин В.Д. Повышение работоспособности пар трения торцевых уплотнений без смазки // Эксплуатационная надежность насосного оборудования: Сб. научн. тр. / ВНИИгидромаш М., 1986. с.68-73.

27. Грицкевич В.В. Выбор параметров и оценка на ЭВМ характеристики объемных гидромеханических передач. // Изв. АН БССР Сер. физ.-тех. наук, 1990, №3. с.96-101.

28. Гудилин Н.С., Кривенко Е.М., Маховиков Б.С., Пастоев И.Л. Гидравлика и гидропривод. Учебник для вузов. Под общ. ред. И.Л. Пастоева М., Изд-во МГУ, 1996. 519с.

29. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Расчет допусков размеров. М.: Машиностроение, 1981. - 189с.

30. Зажигаев Л.С., Кимьян A.A., Романиков Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. М., Атомиздат, 1978. -284с.

31. Иванов A.C. Конструирование зубчатых передач имеющих устройства ограничения зазоров. Вестник машиностроения, 1998, №8. с.3-7.

32. Иванов И.П. Зубчатые передачи с комбинированным смещением: основы теории и расчетов. Л.: Издательство Ленинградского университета, 1989. -128с.

33. Иванов И.П. Максимальное напряжение в контакте зубьев прямозубых передач // Горные машины для разработки полезных ископаемых / Санкт-Петербургский горный ин-т., СПб, 1993. с.8-14.

34. Иванов Н.Т. Исследование работоспособности шестеренных гидронасосов тракторов. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н. Елгава, 1968. -18с.

35. Иванов C.JI. Область существования зацепления цилиндрических зубчатых колес с заданным коэффициентом перекрытия // Горные машины для разработки полезных ископаемых / Санкт-Петербургский горный ин-т., СПб, 1993.-с. 15-22.

36. Иванов СЛ. Повышение ресурса трансмиссий горных машин на основе оценки энергонагруженности их элементов. Санкт-Петербургский горный ин-т, СПб, 1999.-92с.

37. Иванов СЛ., Баталов А.П. Янкилевич A.A. Метрология, стандартизация и взаимозаменяемость. Конспект лекций. СПб, СПГГИ, 2000. 65с.

38. Иванов СЛ., Иванов И.П., Красножон O.A. Совершенствование шестеренных гидромашин геометрией зацепления // Горные машины для разработки полезных ископаемых / Санкт-Петербургский горный ин-т., СПб, 1993. с.61-65.

39. Иванов СЛ., Янкилевич A.A. Исследование динамики изменения давления рабочей жидкости в межзубовой впадине шестеренной гидромашины // «Гидравлика и пневматика», 2002, №4. с.8-10.

40. Икрамов У. А. Расчетные методы оценки абразивного износа. М., Машиностроение, 1987. 288с.

41. Киялбаев Д.А., Чудновский А.И. О разрушении деформируемых тел. Техническая физика. 1970, №3. с. 105-110.

42. Ковалевский В.Ф. Повышение износостойкости опор скольжения капельно-адегизной технологией. Автореф. дис. на соиск. учен. степ, к.т.н. (05.02.04, 05.02.03) / Ом. гос. техн. ун-т. Омск, 1996. 19с.

43. Коломийцов М.Д. Метод прогнозирования наработки комбайнов // Записки ЛГИ, 1987, Т.87. с.3-11.

44. Коломийцов М.Д. Энергетический метод прогнозирования ресурса горных машин // Записки ЛГИ, 1987, Т.117. с.69-76.

45. Коломийцов М.Д., Иванов С.Л., Лыков Ю.В., Кувшинкин С.Ю. Энергетический метод оценки ресурса горных машин // Ученые первого технического вуза России к 225-летию института, СПГГИ, СПб, 1998. -с.142-152.

46. Коломийцов М.Д., Маховиков Б.С. Методы определения ресурса горной техники // Горные машины для разработки полезных ископаемых / Санкт-Петербургский горный ин-т., СПб, 1993. с.84-93.

47. Комиссар А.Г. Уплотнительные устройства опор качения. М., Машиностроение, 1980. 192с.

48. Крагельский И.В., Добычин B.C., Колебалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М., Машиностроение, 1977. 525с.

49. Крагельский И.В., Мухин Н.М. Узлы трения машин. Справочник. М., Машиностроение, 1984. 280с.

50. Красников Ю.Д., Солод C.B., Хазанов Х.И. Повышение надежности горных выемочных машин. М., Недра, 1989. 215с.

51. Кузнецова Г.В. Диагностирование состояния гидроприводов и их элементов // Вестник машиностроения, 2001, №9. с.28-30.

52. Лозовский В.Н. Надежность гидравлических агрегатов. М., Машиностроение, 1974.-318с.

53. Марутов В.А., Погорелый А.Н. Эксплуатация и ремонт гидроприводов горнорудных машин. М.: Недра, 1976. 192с.

54. Машины и оборудование для угольных шахт. Справочник / Под ред. В.Н. Хорина 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1987. - 424с

55. Мудряк В.И. Исследование работоспособности шестеренных насосов гидросистем тракторов и сельскохозяйственных машин. Авт. реф. к.т.н, Кишенев, 1968.-22с.

56. Новожилов В.В., Рыбакина О.Г. Перспективы построения критерия прочности при сложном нагружении / Механика твердого тела, 1966, №5. -с.103-111.

57. Осипов А.Ф. Объемные гидравлические машины коловратного типа (теория, конструкция, проектирование). М., Машиностроение, 1971. 208с.

58. Подшипники качения: Справочник-каталог / Под ред. В.Н. Нарышкина и Р.В. Косташевского. М.: Машиностроение, 1984. - 280с.

59. Подшипниковые узлы современных машин и приборов. Энциклопедический справочник / Под ред. В.Б. Носова М., Машиностроение, 1997.-640с.

60. Попов П.К., Штриплинг JI.O. Предпосылки пересмотра нормативной документации по расчету точности зубчатых колес. Вестник машиностроения. 1998 №6. с.20-24.

61. Применение средств микропроцессорной техники в насосостроении. -М., ЦИНТИхимнефтемаш, 1990. 40с.

62. Развитие техники для подземной добычи угля, калийных и марганцевых руд. М., Недра, 1985. - 360с.

63. Pero К.Г. Метрологическая обработка результатов технических измерений: Справ, пособие К.: Техника, 1987. - 128с.

64. Рекрут М.И. Определение расположения герметирующих поверхностей шестеренных гидромашин. Винница: Винницкий политехи, ин-т, 1985. -13с.

65. Рогов А.Я. Гидропередачи горных машин. Обзор. // Добыча угля подземным способом. М., ЦНИЭИуголь, вып. 6, 1984. 50с.

66. Рыбкин Е.А., Усов A.A. Шестеренные насосы для металлорежущих станков. М., Машгиз, 1960. -187с.

67. Саенко В.П., Мишеев В.Н. К определению нагрузок на опоры в шестеренных гидромашинах с разгружающей промежуточной зоной // Гидропривод и гидропневмоавтоматика, 1973, вып.9. с.83-92.

68. Свешников В.К. Перспективы развития гидропривода. ЭНИМС // Привод и управление, 2000, №3. - с.5-12.

69. Селиванов М.Н., Фридман А.Э., Кудряшова Ж.Ф. Качество измерений: Метрологическая справочная книга. Д.: Лениздат, 1987. 295с.

70. Соболев И.Ф., Компанеец A.A., Кузнецова JI.M. Ремонт гидравлических насосов типа НШ. Алма-Ата.: изд-во Кайран, 1984.- 11с.

71. Справочник по триботехнике / Под общ. ред. М. Хебды, A.B. Чичинадзе в Зт. Т1. Теоретические основы. М.: Машиностроение, 1989. 400с.

72. Справочник по триботехнике / Под общ. ред. М. Хебды, A.B. Чичинадзе в Зт. Т2. Смазочные материалы, техника смазки, опоры скольжения и качения. М.: Машиностроение, 1990. -416с.

73. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний. М., Машиностроение, 1985. 231с.

74. Тимофеев Б.П., Шалобаев Е.В. Состояние и перспективы нормирования точности зубчатых колес и передач // Вестник машиностроения, 1990, №12. с.34-36.

75. Туровский Я.М., Барышев В.И. Повышение ресурса насосов гидросистем тракторов // Техника в сел. хоз-ве, 1986, №11.- с.27-28.

76. Фролов К.В., Попов С.А., Мусанов А.К. и др. Теория механизмов и машин: Учеб. для втузов; Под ред. К.В. Фролов. М., Высш. шк., 1987. -496с.

77. Хевеленд Р. Инженерная надежность и расчет долговечности. M.-JL, Энергия, 1966. 232с.

78. Хорин В.Н. Объемный гидропривод забойного оборудования. 3-е изд., перераб. и доп. М., Недра, 1980. - 415с.

79. Хохлов В.М. Расчет площадей контакта, допускаемых напряжений, износа и износостойкий деталей машин Брянск: БГТУ, 1999. - 101с.

80. Черкун В.Е. Ремонт тракторных гидросистем. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Колос, 1984.-253с.

81. Чернавский С.А. Подшипники скольжения. М.: Гос. науч.-технич. изд. машиностр. литерат., 1963. - 242с.

82. Чудновский А.И. О разрушении макротел / Исследования по упругости и пластичности. 1973, №9. с.3-4.

83. Шульц В.В. Форма естественного износа деталей машин и инструмента. Л., Машиностроение, 1990. 208с.

84. Юдин Е.М. Шестеренные насосы. М., Машиностроение, 1964. -235с.

85. Янкилевич А.А. Математическая модель шестеренной гидромашины // Сборник трудов молодых ученых СПГГИ, 2001, №6. с. 104-106.

86. Янкилевич А.А., Иванов СЛ. Моделирование потерь в системе механической трансмиссии при оценке ресурса ее элементов. Деп. в ВИНИТИ № 1710-В99 31.05.99,- 12с.

87. Яременко О.В. Испытание насосов. Справочное пособие. М., Машиностроение, 1976. 225с.

88. Fluid power-progress in a key technology. Burrows C.R. JSME Int. J.B. 1994 -37№4 p.p.691-701.107

89. Friction coefficients of cylindrical gears with smaller number of teeth.

90. Atanasiu Virgil, Leonchi D. Bui. lust, politehn. lasi. Sec.5. 1994- 40№l-4 p.p.55-61.

91. Gear pump/motor application. «Hydraul and Air Eng.» 1985, 13 №1 p.23-24.

92. Hydraulic drills. «Mining Magazine», 1989, July, p.36-44.108