автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Повышение эффективности сервоприводов, работающих в режиме разгона при технологической прокрутке газо-турбинного двигателя с использованием двухпоточных планетарных передач с замкнутым по моменту коническим дифференциалом

На правах рукописи

7

Головкин Сергей Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЕРВОПРИВОДОВ, РАБОТАЮЩИХ В РЕЖИМЕ РАЗГОНА ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

ПРОКРУТКЕ ГАЗО-ТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВУХПОТОЧНЫХ ПЛАНЕТАРНЫХ ПЕРЕДАЧ С ЗАМКНУТЫМ ПО МОМЕНТУ КОНИЧЕСКИМ ДИФФЕРЕНЦИАЛОМ

Специальность 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук 2 7 Г'-' ^

Москва-2010

4843268

Работа выполнена в Рыбинской государственной авиационное технологической академии имени П. А. Соловьева

Научный руководитель:

д. т. н., профессор

Трусов Валентин Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Андриенко Людмила Анатольевна

кандидат технических наук, профессор Селифонов Валерий Викторович

Ведущее предприятие: ОАО «НПО «Сатурн»

Защита диссертации состоится «14» февраля 2011 г. в 14— на заседании диссертационного совета Д 212.141.07 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005 Москва, 2-я Бауманская ул., 5.

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба выслать по указанному адресу

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан «/¿У» 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,-^—

доктор технических наук, профессор Г (У/Гладов Г. И.

Актуальность темы. Технический прогресс и конкуренция приводят к постоянному росту производительности и повышению степени автоматизации технического оборудования. При этом возрастают требования, предъявляемые к регулируемым электроприводам, по таким параметрам, как быстродействие, диапазон регулирования частоты вращения, точность позиционирования, габариты, перегрузочная способность и др. Для обеспечения предъявляемых требований разработаны высокотехнологичные устройства современного электропривода - сервоприводы. При их проектировании большое внимание уделяется быстродействию, на которое оказывает влияние инерционность вращающихся масс элементов самого привода и элементов системы, в которую он встраивается. Для снижения времени переходного процесса в настоящее время в сервоприводах выполняется ряд мероприятий, таких как облегчение вращающихся деталей, применение новых материалов, обладающих улучшенными электромагнитными свойствами, прогрессивные алгоритмы микропроцессорного управления и др.

Особое внимание следует обратить на системы, в состав которых входят большие инерционные массы, такие как роторы авиационных двигателей. При проведении стендовых испытаний, разгон двигателя осуществляется посредством электропривода, от которого требуется высокое быстродействие и малые габариты, не превышающие размеры турбостартера.

Требованию минимальных габаритов наиболее полно удовлетворяют планетарные редукторы, среди которых в сервоприводах наибольшее распространение получили выполненные по схеме 2К-Н. Однако, больший, по сравнению с не планетарными редукторами, приведенный к валу двигателя момента инерции таких приводов, способствует снижению их быстродействия. Кроме того, для повышения указанного параметра целесообразно применение высокооборотных двигателей с малым моментом инерции ротора и, как следствие, редукторов с большим передаточным отношением. Получение большого передаточного отношения в планетарных редукторах, выполненных по указанной

схеме, приводит к необходимости использования дополнительных планетарных ступеней, что, в свою очередь, ведет к повышению габаритов.

Указанным критериям разгона ротора авиационного газотурбинного двигателя (далее - ГТД) при проведении его стендовых испытаний наиболее полно удовлетворяют планетарные двухпоточные редукторы с дифференциалом на выходе, поскольку, во-первых, сочетают в себе преимущества планетарных передач по габаритным и массово-весовым показателям; во-вторых, передача движения на планетарный дифференциальный механизм через промежуточную передачу - звено замыкания - способствует снижению приведенного к валу двигателя момента инерции, и, в-третьих, возможность получения большого передаточного отношения в одной ступени позволяет использовать в составе привода высокооборотные двигатели.

В целях совершенствования указанных приводов, предлагается новая кинематическая схема двухпоточного планетарного редуктора на основе конического дифференциала с замыкающим звеном в виде комбинированной зубчатой муфты, сохраняющая все достоинства планетарной схемы и дополнительно открывающая новые возможности по использованию.

Цель работы и задачи исследования. Повышение эффективности сервоприводов, работающих в режиме разгона при технологической прокрутке ГТД с использованием двухпоточных планетарных передач с замкнутым по моменту коническим дифференциалом на выходе.

Под эффективностью понимается: быстроходность, быстродействие, габариты, возможность унификации конструкции и проведения оптимизации её параметров под заданные условия нагружения.

Для достижения цели в работе решаются следующие задачи:

1. разработать кинематическую схему двухпоточного редуктора для сервоприводов систем управления, применительно к высокооборотным серводвигателям.

2. разработать конструкцию редуктора, провести теоретические исследования характеристик и осуществить экспериментальные натурные испытания по выявлению возможности использования ее в указанных сервоприводах систем управления.

Методы исследования. В ходе решения поставленных задач применялись методы математического анализа, аналитической геометрии, линейной алгебры, теории механизмов и машин, сопротивления материалов, теории автоматического управления, электротехники, методы компьютерного моделирования и математической статистики.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель сервопривода с двухпоточным планетарным редуктором, обеспечивающим повышение быстродействия за счет адаптации массово-весовых характеристик звена замыкания контура конического дифференциала по вращающему моменту;

2. Получена аналитическая зависимость по расчету приведенного к валу двигателя момента инерции привода с учетом внутренних и внешних инерционных масс при наличии замыкающего звена редуктора по вращающему моменту;

3. Теоретически получена и экспериментально подтверждена аналитическая зависимость для расчета предельного значения коэффициента передачи по вращающему моменту двухпоточного редуктора.

Практическая ценность.

Полученные формулы и соотношения позволяют осуществлять разработку конструкций сервоприводов с двухпоточными планетарными редукторами для систем управления объектами, обладающими большой инерционной массой с одновременной оптимизацией их по быстродействию.

Реализация и внедрение результатов работы.

Полученные в ходе исследования результаты были внедрены в учебный процесс на кафедре «Основы конструирования машин» РГАТА им. П. А. Соловьева по специальности 05.10.01 ив ОАО «НПО «Сатурн».

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы заслушивались и обсуждались

- на научно-технических семинарах кафедры «Основы конструирования машин» РГАТА им. П. А. Соловьева (г. Рыбинск);

- на III международной научно-практической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» (г. Пенза);

- на научно-техническом семинаре кафедры РК-3 «Основы конструирования машин» МГТУ им. Н. Э. Баумана (г. Москва).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе и списка литературы. Работа изложена на 155 листах машинописного текста, содержит 77 рисунков, 13 таблиц. Библиография работы содержит 113 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цель и задачи исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, приведены основные научные и практические результаты.

В первой главе проведен обзор существующих комплектных сервоприводов, выпускаемых как отечественными, так и зарубежными предприятиями. Приведен состав сервопривода и основные мероприятия, направленные на снижение приведенного к валу двигателя момента инерции и, как следствие, повышения его быстродействия. Проанализированы схемы редукторов, наиболее часто используемых в указанных системах с точки зрения возможности их применения для разгона систем с большими инерционными массами, таких как ротор ГТД. При этом особое внимание уделено сервоприводам с планетарными редукторами: вопросам габаритов, инерционности, возможности получения больших передаточных отношений и применения высокооборотных двигателей. Показана целесообразность применения планетарных двухпоточных передач с дифференциалом на выходе, а так же приведены основные методы и особенности их расчета. При анализе работ, посвященных исследованию планетарных многопоточных передач, были отмечены работы таких ученых, как М. К. Кристи, К. А. Талу, Е. И. Магидович, М. Л. Кретнес, Н. А. Забавников, В. И. Красненьков, Б. Л. Пылов, В. И. Стрелдедов, Ю. И. Лебедев, В. Н. Наумов, Е. Г. Юдин и др.

4 г.

Была сформулирована цель работы. В итоги главы были вынесены основные задачи, решение которых необходимо для достижения цели. Последующие главы посвящены решению основных задач.

Во второй главе рассмотрена новая кинематическая схема планетарного редуктора на базе конического дифференциала (рис. 1), названная киберплане-

тарной (далее - КИП-редуктор), сочетающая в себе преимущества планетарных редукторов и лишенная ряда их недостатков.

Применение методов теории механизмов и машин позволило получить для новой схемы КИП-редуктора системы уравнений, связывающие угловые скорости со, а так же вращающие моменты Т на валах редуктора, на основе которых были получены структурные схемы преобразования указанных параметров (рис. 2). При анализе полученных структурных схем было выявлено не характерное для

редукторов общего применения их существенное отличие друг от друга, а так же присутствие в структуре положительной обратной связи по вращающему моменту, позволяющее отнести указанный механизм к кибернетическим.

При помощи известных методик были получены необходимые для определения

Рис. 1. Кинематическая схема КИП-редуктора

гг

г,

7,

\ 1

) 1

г, ?

2,

Рис. 2. Динамические структурные схемы

преобразования угловой скорости (а) и вращающего момента (б) КИП-редуктора

основных параметров КИП-редуктора условия: соседства, соосности и сборки.

Анализ КПД в исследуемом механизме, проведенный при помощи метода потерь, позволил получить выражение для определения КПД КИП-редуктора

Лре.д. •

'и„ , « и„

% ■ Пп ■ Пос ■ [тг- ■ - 2• Т]тн_ +1 „ __Vй ос_иос_.

Чред. у

иос 7 /

Здесь щ - КПД зубчатой передачи = и0, т)п - КПД зубчатой передачи 7 / 7 /

у7 = £/„, т]к - КПД зубчатой передачи у7 = иос, у - КПД конического

/ ¿<1 / ¿к

дифференциала.

Выражение, позволяющее получить аналогичный результат с погрешностью не более 3%, было получено из структурных схем преобразования угловой скорости и вращающего момента (рис. 2) с применением методов теории автоматического управления:

и„

»7о'»7л ■'?««.'П

Чред. = у

^-ТГ-^л-П^.-Чос иос

Анализ полученных выражений показал, что при увеличении отношения передаточных чисел ип/, (и, как следствие, увеличении передаточного числа

/ иос

редуктора), происходит резкое снижение общего КПД. Однако, увеличение точности изготовления и сборки отдельных передач приводит к возможности получения редуктора с большим передаточным числом и высоким КПД. По-

7 /

скольку в приведенных выражениях не участвует и0 = /7 , это позволяет по/ ¿и

высить передаточное число редуктора в несколько раз без значительного снижения его КПД (достаточно принять иГ1 > 1 при сохранении постоянным отношения ).

/ иос

Возможность включения КИП-редуктора в какую-либо силовую систему управления влечет за собой необходимость оценки его суммарного люфта. Применение известной методики позволило получить выражение для опреде-

ления суммарного люфта в КИП-редукторе, приведенного к выходному валу (пренебрегая упругими деформациями валов):

_ (6,88 + кь)-Сы-Ц, . (6,88 + к^)-Сп-иос

Д г.

где кь, кае - коэффициенты, учитывающий влияние на люфт шарикоподшипников в соответствующей передаче, зависят от класса подшипника и степени точности зубчатой передачи; Ск!, Сае - вероятный максимальный боковой зазор, выбирается по ГОСТу; т,,,, тщ - модуль зацепления соответствующей пары зубчатых колес, мм; Х„ - числа зубьев.

Анализ полученного выражения выявил большую зависимость суммарного люфта в исследуемом редукторе от значений люфтов в коническом дифференциале и от люфта в передаче внутреннего зацепления, а сравнение при равных передаточных отношениях суммарного люфта КИП-редуктора (АА™~р"**'""'е" =1,404 угл. мин.) и цилиндрического двухступенчатого редуктора, выполненного по развернутой схеме (Д"™^'= 3,046у гл. мин.) показал его большую кинематическую точность.

! Для оценки приведенного к валу двига-

теля момента инерции привода с инерцион-А/, = I, ■ У, -Р2 +/, -¡'з -7Н -I'2 ■ срн ной нагрузкой, была составлена система

Л/2 =■ ¿2 ■ Л • '<Рг + Ч Н -^н'Р -<Рн уравнений, связывающая изображения соот-Фн ~ (й ~(Рг)"'ъ

ветствующих величин по Лапласу (при нуле-

Ч\ — Ч' Я>ь

<Рг = Н' 4>д вых начальнь1х условиях). В указанной сис-

<Ри - (ч ~ 'г)-'з • <Рд теме уравнений: Мд - вращающий момент на

'3 двигателе, Н-м; - момент инерции двига-

теля с присоединенными к нему входным валом редуктора и периферийными валами, кг-м2; ./, - момент инерции цилиндрического колеса внешнего зацепления и связанного с ним конического колеса дифференциала, кг-м2; - момент инерции комбинированной зубчатой муфты и связанного с ней второго конического колеса дифференциала, кг-м2; - момент инерции нагрузки и выходного вала с водилом и сателлитами конического дифференциала, кг-м2; <рд - угол поворота ротора двигателя, включая первую передачу редуктора, ...";

Р, - угол поворота цилиндрического колеса внешнего зацепления, соединенного с левым коническим колесом дифференциала, ...'; <рг - угол поворота комбинированной зубчатой муфты, соединенной с правым коническим колесом дифференциала, ..."; <рн - угол поворота выходного вала редуктора и связанной с ним инерционной нагрузки, ..."; - передаточное отношение ступени внешнего зацепления; /2 - передаточное отношение ступени внутреннего зацепления; /3 -

1

передаточное отношение конического дифференциала, /, пласа.

13 - —, Р - оператор Ла-

Рис. 3. Структурная схема эквивалентной механической системы привода с КИП-редуктором

схемы будет иметь вид:

Структурная схема эквивалентной механической системы привода с КИП-редуктором, полученная на основе вышеописанной системы уравнений, представлена на рис. 3. Передаточная функция полученной структурной

Выражение + является зависимостью для

определения приведенного момента инерции привода с КИП-редуктором с учетом влияния моментов инерции двигателя и нагрузки. Присутствие в зависимости вычитаемого с моментом инерции У2 свидетельствует о возможности снижения общего приведенного момента инерции привода за счет оптимизации конструкции комбинированной зубчатой муфты, при условии наличия на выходном валу редуктора инерционной нагрузки.

Применение известной методики для определения приведенного момента инерции редуктора, основанной на анализе кинетической энергии, дало следующее выражение:

где J\...J6 - суммарные моменты инерции звеньев механизма, кг-м2; п - количество периферийных валов; k - количество сателлитов конического дифференциала; mg — масса сателлита конического дифференциала, кг. Анализ указанного выражения позволил установить, что снижение приведенного момента инерции редуктора находится в сильной зависимости от массы комбинированной зубчатой муфты. Отсюда следует необходимость снижения ее массы и, в первую очередь, за счет прорезания в ней концентричных пазов. Однако, такое решение приводит к неизбежному снижению крутильной жесткости муфты и к

необходимости выполнения ее расчета по указанному параметру. С принятием ряда допущений, а так же с применением метода Мора и правила Верещагина, была получена следующая зависимость для определения деформации муфты под действием заданного вращающего момента:

Р-13 2-е У~ \2-E-Jx ' с2 '

где ^ = ~ усилие, дейст-

вующее на перемычки, Я; Т - вращающий момент на муфте, Н-м\ п -число перемычек в муфте; D - диаметр муфты, м\ с = ! + — •—- безразмерный коэффициент, учитывающий длину 6 I

, Ъ-Иъ

и шаг перемычек; У, = —^--статическии момент инерции сечения перемычки,

м4\ а, b,l,h- геометрические размеры перемычек, м.

Рис. 4. Трехмерная конечно-элементная модель комбинированной зубчатой муфты

Для проверки достоверности результатов, получаемых при помощи указанной зависимости, было проведено их теоретическое сравнение со значениями, полученными при помощи метода конечных элементов при различной длине муфты (рис. 4). Отклонение величин деформации, полученных по разным методикам, не превышало 9%, что позволяет говорить о возможности применения полученного выражения для инженерной оценки крутильной жесткости муфты.

В третьей главе приводится описание двух экспериментальных стендов, разработанного программного обеспечения и планов проведения исследований характеристик КИП-редукторов.

В качестве объекта исследования в первом стенде использовался КИП-

редуктор с передаточным числом 15. В основе стенда лежит лабораторная установка по исследованию КПД редукторов ДП-ЗК, в которой были заменены ряд элементов системы управления и проведена значительная конструктивная доработка (рис. 5).

Измерение вращающих моментов на входном и выходном валах редуктора осуществляется с применением хорошо зарекомендовавшей себя методики, основанной на определении при помощи индикаторов часового типа пропорциональной указанным величинам деформации тензометрической балки. Вращающий момент нагрузки создается при помощи магнитопорошкового тормоза, соединенного через упругую муфту с выходным валом редуктора. Частота вращения ротора электродвигателя определялась при помощи тахогенератора.

Рис. 5. Экспериментальный стенд с КИП-редуктором, ире^=15

Указанный экспериментальный стенд позволяет получить такие характеристики КИП-редуктора как передаточное отношение, коэффициент передачи

1 6 2 3 4

Рис. 6. Экспериментальный стенд с КИП-редуктором, Uped. —40 1-электродвигатель; 2-КИП-редуктор; 3 - кожух измерителя вращающего момента на выходном валу редуктора; 4-дисковый тормоз; 5 — инерционная нагрузка; 6 - тензорезисторный датчик силы;

7 - тахогенератор

по вращающему моменту и КПД. Однако, его возможностей не достаточно для определения других параметров редуктора, включенного в состав электропривода, таких как характер и время переходного процесса, влияние инерционной нагрузки на его динамические характеристики и др. Вследствие указанных обстоятельств, был спроектирован и изготовлен новый экспериментальный стенд (рис. 6), объектом исследования в котором выступал КИП-редуктор с передаточным числом иред=40 и максимально допустимым вращающим моментом нагрузки 150 Н-м. Так же редуктор позволяет получить передаточное число Uped=°o, т. е. частота вращения выходного вала равна нулю при любом значении частоты вращения входного. Эта особенность позволяет нагружать редуктор при помощи рычага с подвешенным на его конце грузом известной массы.

В качестве источника движения в стенде был применен трехфазный асинхронный электродвигатель мощностью 1,1 кВт с синхронной частотой вращения 3000 мин', управление которым осуществлялось при помощи частотного преобразователя. Измерение вращающих моментов на валу электродвигателя и

выходном валу редуктора осуществляется при помощи тензорезисторных датчиков силы, а частоты вращения электродвигателя - тахогенератором. Стенд позволяет реализовать два вида нагрузки: постоянным вращающим моментом при помощи дискового тормоза и инерционную нагрузку.

Для этого стенда было разработано специальное программное обеспечение, позволяющее считывать показания с датчиков с частотой 300 измерений в секунду и сохранять полученные значения в виде электронной таблицы.

В четвертой главе приводятся результаты исследований параметров КИП-редукторов, полученных на экспериментальных стендах.

В ходе исследований КИП-редуктора с ире!> = 15 была подтверждена зависимость для определения передаточного числа и структурная схема преобразования угловой скорости. Экспериментально доказана структурная схема преобразования вращающего момента на валах редуктора и присутствие в ней положительной обратной связи. Полученное значения вращающего момента полностью соответствует расчетному. По характеру изменения коэффициента передачи редуктора по вращающему моменту был сделан вывод о присутствии двух схем преобразования в зависимости от его величины: при отсутствии нагрузки структурная схема аналогична схеме преобразования угловой скорости, а при увеличении тормозного момента происходит изменение структуры и появление положительной обратной связи.

Экспериментально установлено значение коэффициента полезного действия редуктора с иред. = 15 и показано незначительное расхождение его с полученным по теоретическим зависимостям (на уровне 82%).

Исследования КИП-

редуктора с передаточным числом иред.=40 так же подтвердили полученные зависимости для определения угловых скоростей, вращающих моментов и КПД редуктора. Благодаря повышенным требованиям к точности изготовления и сбор-

Рис. 7. График изменения Кт при

и ред. =40

ки, экспериментальное значение КПД редуктора составило 88,9%, что выше теоретического значения КПД планетарного редуктора с тем же передаточным числом, выполненного по схеме Зк и равного 82,5%. Было показано, что большое влияние на коэффициент передачи редуктора по вращающему моменту Кт оказывает вращающий момент холостого хода Тхх (рис. 7), особенно при малых

значениях вращающего момента на-

0,114 0,11 0,106 0.102 0,098 0,094

°'%02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18

грузки.

Для оценки быстродействия электропривода с КИП-редуктором были проведены исследования времени и характера переходного процесса при разгоне с различными ве-

Y личинами инерционной нагрузки и

кг-м

без масла с маслом И-40-А ПРИ различном уровне масла в ре-

Рис. 8. График зависимости времени Дукторе (рис. 8). Характер кривых

окончания переходного процесса от свидетельствует о наличии ярко вы-инерционной нагрузки

раженного экстремума как при отсутствии масла в редукторе, так и с ним. Такая зависимость позволяет говорить о влиянии на переходный процесс разгона электропривода с КИП-редуктором

положительной обратной вязи по вращающему моменту и о возможности конструктивного управления этим процессом для обеспечения его минимального времени.

При сравнении переходных процессов редуктора с маслом и без него следует отметить, что при относительно значительных инерционных нагрузках влияние масла на

АО 50

сек.

Рис. 9. Графики зависимости вращающего момента электродвигателя время переходного процесса стано-

от температуры масла и угловой скорости

вится настолько мало, что им можно пренебречь. И наоборот, отсутствие

учета характеристик смазочного материала при малых значениях инерционной нагрузки может привести к довольно большим погрешностям при определении времени переходного процесса в приводе.

Исследование влияния на вращающий момент холостого хода Тхх. температуры масла и частоты вращения ротора электродвигателя (рис. 9) позволило установить, что при разгоне холодного редуктора наблюдается наибольший вращающий момент на электродвигателе, имеющий ярко выраженный экстремум. Дальнейшая работа редуктора приводит к уменьшению вращающего момента со все менее ярко выраженным экстремальным значением. При установившемся режиме вращающий момент на электродвигателе при максимальной частоте вращения в 2,45 раза меньше аналогичного при холодном редукторе, причем зависимость от угловой скорости приняла практически линейный характер.

Определение коэффициента передачи КИП-редуктора с иред=с° при различных частотах вращения приводного электродвигателя позволило получить следующую зависимость (рис. 10). Максимальное экспериментально полученное значение коэффициента передачи в редукторе составляет 163,55 при частоте вращения электродвигателя 2250 мин"1. При этом, увеличение коэффициента передачи, при различных частотах вращения электродвигателя, происходит не равномерно, а ступенчато, что указывает на наличие определенных диапазонов скоростей скольжения в зубчатых передачах. В рамках этих диапазонов коэффициент полезного действия редуктора остается примерно постоянным и мало зависит от прилагаемого вращающего момента нагрузки. Приведенный КПД зубчатых передач при максимальном значении коэффициента передачи составил ^ = 0,9804.

п^.мин'1

Рис. 10. Зависимость коэффициента передачи по вращающему моменту от частоты вращения электродвигателя

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Предложена новая схема планетарного редуктора на основе конического дифференциала и комбинированной зубчатой муфты, позволяющая использовать его с быстроходными двигателями в составе силового привода систем управления со значительной внешней инерционной нагрузкой.

2. Получены аналитические зависимости для определения угловой скорости, вращающего момента, КПД, расчетных значений люфтов и приведенного момента инерции КИП-редуктора. Разработаны структурные схемы преобразования вращающего момента и угловой скорости.

3. Получена динамическая структура редуктора, позволяющая включать её в состав структуры любого привода с КИП-редуктором.

4. Предложено выражение для определения крутильной жесткости комбинированной зубчатой муфты с подтверждением его методом конечных элементов.

5. Получена аналитическая зависимость для расчета предельного значения коэффициента передачи по вращающему моменту двухпоточного редуктора

6. Разработаны два экспериментальных стенда по исследованию характеристик КИП-редукторов с передаточными числами 15, 40 и бесконечность.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В ходе прямого эксперимента, включающего разработку действующих опытных образцов КИП-редукторов, доказана работоспособность механизмов при различном характере внешних нагрузок.

2. Доказана изменяемость динамической структуры КИП-редуктора. Замкнутый характер системы возникает от появления положительной обратной связи по вращающему моменту. На холостом ходу схема не содержит обратной связи.

3. Экспериментально установлен факт повышения быстродействия при наличии инерционной нагрузки, чем подтверждается полученная аналити-

ческая зависимость, показывающая экстремальный характер величины приведенного момента инерции.

4. Экспериментальные испытания КИП-редуктора с бесконечным передаточным отношением, при котором частота ращения выходного вала редуктора равна нулю, позволили оценить внутренние потери в КИП-редукторе, доказать факт циркуляции вращающего момента (а не мощности) по цепи обратной связи, получить подтверждение по расчетным значениям КПД редуктора и предельного коэффициента передачи по вращающему моменту.

5. Опыты показали возможность работы КИП-редуктора на высоких частотах вращения вследствие отсутствия вращающихся разнесенных масс (сателлитов) в быстроходной ступени.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Трусов В. В., Головкин С. М. Высокодинамичный привод на базе киберпланетарной схемы зубчатого редуктора // Инженерный журнал - Справочник, 2009. №2. С. 60-62.

2. Трусов В. В., Головкин С. М. Исследование привода с киберпланетарной схемой зубчатого редуктора// Инженерный журнал - Справочник, 2010. №11. С. 56-58.

3. Планетарный зубчатый редуктор: патент RU2311573С2 / В. В. Трусов, С. М. Головкин. Заявл. 05.12.05, опубл. 27.11.07. бюл. №33.

4. Трусов В. В., Головкин С. М. Повышение динамических свойств приводов на базе киберпланетарной схемы зубчатого редуктора // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева, 2008. №2. С. 51-54.

5. Головкин С. М. Особенности исследования механических приводов на базе киберпланетарной схемы зубчатого редуктора // Проблемы исследования и проектирования машин: Сборник статей III Международной научно-технической конференции. Пенза, 2007. С. 71-73.

6. Трусов В. В., Головкин С. М. Киберпланетарный редуктор //Всероссийская выставка НТТМ-2006: Сборник материалов. Москва, 2006. С. 352-354.

16

Подписано к печати 23.12.10. Заказ №794 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01

61 11-5/1352

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Рыбинская государственная авиационная технологическая академия

им. П. А. Соловьева

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЕРВОПРИВОДОВ, РАБОТАЮЩИХ В РЕЖИМЕ РАЗГОНА ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

ПРОКРУТКЕ ГАЗО ТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВУХПОТОЧНЫХ ПЛАНЕТАРНЫХ ПЕРЕДАЧ С ЗАМКНУТЫМ ПО МОМЕНТУ КОНИЧЕСКИМ ДИФФЕРЕНЦИАЛОМ

Специальность: 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали

машин

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

В. В. Трусов

УДК 621.83

На правах рукописи

Головкин Сергей Михайлович

Рыбинск-2010

СОДЕРЖАНИЕ

20

22

23

Введение 5

Глава 1. Обзор современных сервоприводов с планетарными редукторами. Основные методы их расчета

1.1 Анализ схем редукторов для сервоприводов 15

1.2 Особенности расчета двухпоточных передач 18

1.3 Определение основных характеристик двухпоточных редукторов 20

1.3.1. Определение передаточных отношений и угловых скоростей в двухпоточных редукторах

1.3.2. Геометрический расчет планетарных механизмов. Подбор чисел зубьев

1.3.3. Определение вращающих моментов и усилий на валах планетарных редукторов

1.3.4. Циркуляция мощности 24

1.3.5. Коэффициент полезного действия планетарных механизмов 25

1.3.6. Определение приведенного момента инерции планетарных

26

редукторов

1.3.7. Определение люфтов в редукторах 26 Выводы по разделу. Цель и задачи исследования 28 Глава 2. Теоретические исследования основных характеристик ^ киберпланетарного зубчатого редуктора (КИП-редуктора)

2.1. Описание принципиальной схемы КИП-редуктора 31

2.2. Кинематический анализ КИП-редуктора 32

2.2.1. Определение передаточного отношения КИП-редуктора 32

2.2.2. Условие соседства. Условие соосности. Условие сборки 35

2.3. Силовой анализ КИП-редуктора 39

2.4. Определение КПД методом потерь 42

2.5. Определение КПД по структурной схеме 48

56

61

67

72

2.6. Определение коэффициента передачи по вращающему моменту и приведенного КПД зубчатых передач

2.7. Определение расчетных значений люфтов 53

2.8. Определение приведенного момента инерции привода с КИП-редуктором

2.9. Определение приведенного момента инерции КИП-редуктора при помощи анализа кинетической энергии

2.10. Определение крутильной жесткости комбинированной зубчатой муфты

2.11. Определение предельной частоты вращения серводвигателя в составе сервопривода с КИП-редуктором

2.12. Вывод структурной схемы электропривода с КИП-редуктором 73

2.13. Выводы по теоретическому исследованию основных

82

характеристик киберпланетарного зубчатого редуктора Глава 3. Разработка экспериментальных образцов КИП-редукторов, испытательных стендов и программного обеспечения для анализа 85

полученных результатов

3.1 Разработка испытательного стенда для КИП-редуктора с передаточным числом Uред = 15

3.2 План проведения экспериментальных исследований КИП-редуктора с передаточным числом Uред = 15

3.3 Разработка испытательного стенда для КИП-редуктора с передаточными числами U д = 40 и Uped = со

3.4 План проведения экспериментальных исследований КИП-редуктора с передаточными числами U д = 40 и Uред - со

3.5 Выводы по главе 3 111 Глава 4. Экспериментальные исследования КИП-редуктора 113

85

92

95

110

119

120

120

4.1 Экспериментальные исследования КИП-редуктора с

113

передаточным числом Uред = 15

4.2 Оценка результатов эксперимента КИП-редуктора с передаточным числом Uред =15

4.3 Экспериментальные исследования КИП-редуктора с передаточным числом U д = 40

4.3.1 Определение коэффициента передачи киберпланетарного редуктора по вращающему моменту. Оценка влияния вращающего момента холостого хода на коэффициент передачи. Сравнение КПД редуктора с учетом и без учета вращающего момента холостого хода

4.3.2 Определение времени разгона электропривода с КИП-редуктором при изменении инерционной нагрузки. Оценка влияния на 126 время переходного процесса применяемого сорта масла

4.3.3 Определение влияния характеристик масла на вращающий

момент на электродвигателе при различных окружных скоростях и 133 при различной температуре масла

4.4 Определение зависимости коэффициента передачи по вращающему моменту редуктора с бесконечным передаточным

136

числом от нагрузки на выходном валу при различных частотах вращения электродвигателя

4.5 Оценка результатов экспериментальных исследований КИП-

141

редуктора с передаточными числами U д = 40 и Uред = со

Основные результаты. Выводы по работе 143

Список использованных источников 145

Приложение 155

ВВЕДЕНИЕ

Технический прогресс и конкуренция приводят к постоянному росту производительности и повышению степени автоматизации технического оборудования. При этом возрастают требования, предъявляемые к регулируемым электроприводам, по таким параметрам, как быстродействие, диапазон регулирования частоты вращения, точность позиционирования, габариты, перегрузочная способность и др.

Для обеспечения предъявляемых требований разработаны высокотехнологичные устройства современного электропривода -сервоприводы. Это такие системы привода с управлением через отрицательную обратную связь, которые в широком диапазоне регулирования скорости гарантируют высокоточные процессы движения и реализуют их хорошую повторяемость. Сервоприводы являются наиболее высокотехнологичной ступенью электропривода. Замена традиционных приводных систем комплектными сервоприводами позволяет получать требуемые параметры не только установившихся режимов работы, но и переходных процессов.

При проектировании сервопривода большое внимание уделяется величине его быстродействия, на которое оказывает влияние инерционность вращающихся масс элементов самого привода и элементов системы, в которую он встраивается. Для снижения времени переходного процесса в настоящее время в сервоприводах применяется ряд мероприятий, среди которых следует отметить облегчение вращающихся деталей, применение новых материалов, обладающих улучшенными электромагнитными свойствами, прогрессивные алгоритмы микропроцессорного управления, основанные на анализе сигналов с различных датчиков и др.

Особое внимание следует обратить на системы, в состав которых входят большие инерционные массы, такие как турбины авиационных

двигателей. Если при установке на самолет, разгон турбины осуществляется при помощи турбостартера, то при проведении стендовых испытаний эта операция осуществляется посредством комплектного электропривода, от которого требуется высокое быстродействие и малые габариты (поскольку необходимо вписаться в размеры турбостартера).

Требованию минимальных габаритов наиболее полно удовлетворяют планетарные редукторы, среди которых в сервоприводах наибольшее распространение получили выполненные по схеме 2К-Н. Однако, быстродействие таких приводов ниже по сравнению с приводами, в состав которых входят не планетарные редукторы, поскольку наличие инерционных масс, вращающихся на большом диаметре (сателлиты, водило), способствует увеличению приведенного к валу двигателя момента инерции. Кроме того, для повышения быстродействия целесообразно применение высокооборотных двигателей с малым моментом инерции ротора и, как следствие, редукторов с большим передаточным отношением. Однако, получение большого передаточного отношения в планетарных редукторах, выполненных по указанной схеме, приводит к необходимости использования дополнительных планетарных ступеней, что, в свою очередь, ведет к повышению габаритов.

Указанным критериям разгона турбины авиационного газотурбинного двигателя (далее - ГТД) при проведении его стендовых испытаний наиболее полно удовлетворяют планетарные двухпоточные редукторы с дифференциалом на выходе, поскольку, во-первых, сочетают в себе преимущества планетарных передач по габаритным и массово-весовым показателям; во-вторых, передача движения на планетарный дифференциальный механизм через промежуточную передачу - звено замыкания - способствует снижению приведенного к валу двигателя момента инерции, и, в-третьих, возможность получения большого передаточного отношения в одной ступени позволяет использовать в составе привода

высокооборотные двигатели. Указанным критериям удовлетворяет разработанный автором двухпоточный планетарный редуктор на основе конического дифференциала с замыкающим звеном в виде комбинированной зубчатой муфты.

Таким образом, целью данной работы является повышение эффективности сервоприводов, работающих в режиме разгона при технологической прокрутке ГТД с использованием двухпоточных планетарных передач с замкнутым по моменту коническим дифференциалом на выходе. Под эффективностью понимается: быстроходность, быстродействие, габариты, возможность унификации конструкции и проведения оптимизации её параметров под заданные условия нагружения. Объектом исследования выступают процессы и явления, протекающие на этапе разгона в сервоприводе с двухпоточным планетарным редуктором с дифференциалом на выходе, нагруженным большими инерционными массами. Предметом исследования является разработанный автором планетарный двухпоточный редуктор на основе конического дифференциала с замыкающим звеном в виде комбинированной зубчатой муфты.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработать кинематическую схему планетарного двухпоточного редуктора для сервоприводов систем управления, применительно к высокооборотным серводвигателям.

2. Разработать конструкцию редуктора новой кинематической схемы, удовлетворяющую основным требованиям к приводам прокрутки. Провести теоретические исследования его характеристик.

3. Осуществить экспериментальные натурные испытания по выявлению возможности использования полученной конструкции в указанных сервоприводах систем управления.

В первой главе проведен обзор существующих комплектных сервоприводов, выпускаемых как отечественными, так и зарубежными предприятиями. Приведен состав сервопривода и основные мероприятия, направленные на снижение приведенного к валу двигателя момента инерции. Проанализированы схемы редукторов, наиболее часто используемых в указанных системах с точки зрения возможности их применения для разгона систем с большими инерционными массами. При этом особое внимание уделено сервоприводам с планетарными редукторами: вопросам габаритов, инерционности, возможности получения больших передаточных отношений и применения высокооборотных двигателей. Показана целесообразность применения планетарных двухпоточных передач с дифференциалом на выходе, а так же приведены основные методы и особенности их расчета. При анализе работ, посвященных исследованию планетарных многопоточных передач, были отмечены работы таких ученых, как Н. Ф. Руденко, В. Н. Кудрявцев, К. И. Заблонский, В. Л. Вейц, Э. Л. Айрапетов, И. И. Артоболевский, М. К. Кристи, К. А. Талу, Е. И. Магидович, М. Л. Крейнес, Н. А. Забавников, В. И. Красненьков, Б. А. Пылов, В. И. Стрельцов, Ю. И. Лебедев, В. Н. Наумов, Е. Г. Юдин и др.

Была сформулирована цель работы. В итоги главы были вынесены основные задачи, решение которых необходимо для достижения цели. Последующие главы посвящены решению основных задач.

Во второй главе приводится новая схема планетарного двухпоточного редуктора с коническим дифференциалом на выходе и комбинированной зубчатой муфтой в роли звена замыкания. Производится теоретический расчет ее основных кинематических и силовых параметров, определяется КПД и приведенный к входному валу момент инерции редуктора. Анализ полученных результатов выявил отличие структурных схем преобразования вращающего момента и угловой скорости друг от друга и присутствие в звене замыкания положительной обратной связи по вращающему моменту.

На основании этого, получена аналитическая зависимость по расчету приведенного к валу двигателя момента инерции привода с учетом внутренних и внешних инерционных масс при наличии замыкающего звена редуктора по вращающему моменту. Исследование указанной зависимости позволило сделать вывод о влиянии отдельных звеньев редуктора на итоговый приведенный момент инерции и выявить наиболее значимые из них, а так же возможные пути снижения этого влияния. В частности, был предложен вариант снижения массы звена замыкания (вклад которого составлял около 30%) за счет прорезания пазов специальной формы, а так же получено аналитическое выражение для определения его крутильной жесткости.

Разработана математическая модель сервопривода с двухпоточным планетарным редуктором, обеспечивающим повышение быстродействия за счет адаптации массово-весовых характеристик звена замыкания контура конического дифференциала по вращающему моменту. Так же была получена аналитическая зависимость для расчета предельного значения коэффициента передачи по вращающему моменту двухпоточного редуктора.

Третья глава посвящена разработке двух экспериментальных стендов по исследованию характеристик описанного двухпоточного редуктора. Одна установка с редуктором иред=15, другая - 11ред=40 и иред=со (для экспериментального определения предельного коэффициента передачи редуктора по вращающему моменту).

В четвертой главе приводятся результаты экспериментов на двух вышеописанных стендах, анализ результатов и выводы. Получили подтверждение аналитические зависимости по определению кинематических и силовых параметров редуктора, выражение для определения КПД. Экспериментально установлен факт снижения времени переходного процесса привода при увеличении инерционных масс нагрузки, а так же подтверждено

выражение для предельного коэффициента усиления по вращающему моменту.

Научная новизна заключается в следующем:

- Разработана математическая модель сервопривода с планетарным двухпоточным редуктором с коническим дифференциалом, которая позволяет повысить быстродействие привода за счет адаптации массово-весовых характеристик звена замыкания контура конического дифференциала по вращающему моменту;

- Разработан метод расчета предельного значения коэффициента передачи по вращающему моменту двухпоточного редуктора с коническим дифференциалом.

- Предложена новая, защищенная патентом РФ, кинематическая схема двухпоточного планетарного редуктора с дифференциалом на выходе.

Практическая значимость работы следующая. Полученные формулы и соотношения позволяют осуществлять разработку конструкций сервоприводов с двухпоточными планетарными редукторами для систем управления объектами, обладающими большой инерционной массой с одновременной оптимизацией их по быстродействию.

На защиту выносятся результаты теоретического и экспериментального исследования в виде:

- новой кинематической схемы двухпоточного планетарного редуктора на основе конического дифференциала;

- динамических структурных схем по угловой скорости и вращающему моменту;

- зависимости по определению коэффициента полезного действия редуктора и приведенного КПД входящих в него зубчатых передач;

- аналитическая зависимость по расчету приведенного к валу двигателя момента инерции привода с учетом внутренних и внешних

инерционных масс при наличии замыкающего звена редуктора по вращающему моменту;

- формулу для определения жесткости комбинированной зубчатой муфты;

- математическая модель сервопривода с двухпоточным планетарным редуктором, обеспечивающим повышение быстродействия за счет адаптации массово-весовых характеристик звена замыкания контура конического дифференциала по вращающему моменту

- результаты экспериментальных исследований кинематических, силовых и динамических параметров электропривода с исследуемым редуктором;

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ СЕРВОПРИВОДОВ С ПЛАНЕТАРНЫМИ РЕДУКТОРАМИ. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИХ РАСЧЕТА

Технический прогресс и конкуренция приводят к постоянному росту производительности и повышению степени автоматизации технического оборудования. При этом возрастают требования, предъявляемые к регулируемым электроприводам, по таким параметрам, как быстродействие, диапазон регулирования частоты вращения, точность позиционирования, габариты, перегрузочная способность и др.

Для обеспечения предъявляемых требований разработаны высокотехнологичные устройства современного электропривода -сервоприводы. Это такие системы привода с управлением через отрицательную обратную связь, которые в широком диапазоне регулирования скорости гарантируют высокоточные процессы движения и

реализуют их хорошую повторяемость. Сервоприводы являются наиболее высокотехнологичной ступенью

электропривода.

Развитие сервоприводной техники происходило следующим образом