автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.18, диссертация на тему:Разработка методов анализа и синтеза зубчатых муфт и совершенствование на их базе зубчатых шпинделей прокатных станов

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Институт машиноведения им. А. А. Благонравова

На правах рукописи

Ивочкин Михаил Юрьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ЗУБЧАТЫХ МУФТ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ НА ИХ БАЗЕ ЗУБЧАТЫХ ШПИНДЕЛЕЙ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ

Специальность: 05.02.18 — Теория механизмов и машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004

Работа выполнена в Московском Государственном открытом университете

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Плахтин Владимир Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Тимофеев Геннадий Алексеевич кандидат технических наук Талдыкин Виталий Юрьевич

Ведущая организация:

Электростальский завод тяжелого машиностроения (ОАО «ЭЗТМ»), г. Электросталь

Защита состоится 21 декабря 2004 г. в 15— часов на заседании Диссертационного Совета Д002.059.02 при Институте машиноведения им. А.А. Благонравова РАН в помещении конференц-зала по адресу: 101830, г. Москва, Малый Харитоньевский пер., д. 4, тел. 925-60-28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН по адресу: г. Москва, ул. Бардина, д. 4, тел. 135-55-16.

Автореферат разослан «,'' » ноября 2004

г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета кандидат технических наук, доцент

Дубровский ВА.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное развитие отраслей промышленности, в которых широко используются зубчатые муфты, выдвигает более высокие требования к надежности, нагрузочной и компенсирующей способности муфт. Для решения этой задачи необходима разработка новых методов анализа и синтеза зубчатых муфт, особенно тяжелонагруженных муфт с повышенными углами перекоса соединяемых валов. Это позволит улучшить технико-экономические показатели и расширить область применения зубчатых муфт, используя их вместо карданных соединений валов, в частности в шпинделях трансмиссий привода валков прокатных станов. Решение этой проблемы для прокатного производства на современном этапе является особенно актуальным, так как позволит повысить надежность прокатных станов и качество выпускаемого проката.

Известно, что увеличение углов перекоса соединяемых валов в шарнирах зубчатых муфт существующих конструкций приводит к резкому снижению их нагрузочной способности и надежности, поэтому их применение ограничено углами перекоса обоймы относительно втулки, не превышающими 1°.

В связи с этим возникает важная для практики проблема повышения допустимых углов перекоса в зубчатом зацеплении муфт при необходимом уровне их нагрузочной способности и надежности. Существующие методы анализа и синтеза зацепления зубчатых муфт не позволяют решать эту проблему, поэтому настоящая диссертация посвящена созданию методов анализа и синтеза зацепления и на их базе совершенствованию конструкций зубчатых муфт и шпинделей прокатных станов, обеспечивающих увеличение нагрузочной способности муфт и шпинделей при повышенных углах перекоса соединяемых валов.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методов анализа и синтеза зубчатого зацепления муфт, позволяющих с требуемой точностью определять конструктивные параметры зубьев обоймы и втулки, уточнение методики расчета нагрузки на зубья по окружности зацепления и на их базе - создание и внедрение новых конструкций зубчатых муфт и шпинделей прокатных станов повышенной нагрузочной способности.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

• Разработка метода пространственного анализа зубчатого зацепления муфт, основанного на использовании цилиндрических и плоских сечений зацепления, позволяющего с высокой точностью определять координаты точек боковых поверхностей зубьев без использования и решения сложных систем уравнений.

• Синтез продольного профиля бочкообразных зубьев втулки, обеспечивающий увеличение числа зубьев, одновременно находящихся в зацеплении, при перекосе обоймы относительно втулки.

• Синтез поперечного профиля прямолинейных зубьев обоймы, исключающий выход пятна контакта зубьев втулки на кромки зубьев обоймы при их относительном перекосе.

• Определение боковых зазоров между зу" 1ых режимов

эксплуатации зубчатых муфт.

• Разработка методики определения текущих радиусов поперечных и продольных сечений зубьев в точках контакта, обеспечивающей повышение точности решения задачи Герца при расчете зубьев на контактную прочность.

• Определение нагрузки на зубья по окружности зацепления и оценка нагрузочной способности зубчатых муфт в зависимости от угла перекоса обоймы относительно втулки.

• Проведение сравнительных стендовых экспериментальных исследований зубчатых муфт с новым и существующим профилем зубьев.

• На основе опыта эксплуатации, анализа существующих конструкций и разработанных методов синтеза зубчатого зацепления создание новых конструкций зубчатых шпинделей прокатных станов повышенной нагрузочной способности.

Научная новизна.

1. Разработан метод анализа зубчатого зацепления муфт с различным продольным и поперечным профилем зубьев.

2. Разработаны методы синтеза продольного профиля бочкообразных зубьев втулки и поперечного профиля прямолинейных зубьев обоймы, обеспечивающие:

• увеличение числа зубьев, одновременно находящихся в зацеплении;

• увеличение зоны контакта зубьев по длине боковой поверхности зубьев втулки;

• исключение выхода пятна контакта на кромки зубьев обоймы.

3. Разработана методика расчета боковых зазоров между зубьями для различных условий эксплуатации зубчатых муфт.

4. Уточнены методы расчета нагрузки на зубья, контактной прочности зубьев и оценки нагрузочной способности зубчатых муфт.

5. Создано программное обеспечение, реализующее разработанные методы анализа и синтеза.

6. На базе разработанных методов анализа и синтеза зацепления зубчатых муфт созданы новые конструкции зубчатых муфт и шпинделей для широкополосных и сортовых станов повышенной нагрузочной способности.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовали аналитические методы анализа зубчатого зацепления, теорию численного решения систем алгебраических уравнений, линейной алгебры, объектно-ориентированное программирование в современных программных комплексах Microsoft Office, Mathcad, Autocad и экспериментальные исследования.

Достоверность_результатов подтверждена экспериментальными

исследованиями и практическими результатами использования разработанных методов анализа, синтеза зацепления и определения его нагрузочной способности при проектировании и эксплуатации зубчатых муфт шпинделей прокатных станов.

Практическая ценность работы. В результате проведенных исследований разработаны методы определения конструктивных параметров зубчатого зацепления и нагрузочной способности зубчатых муфт. На базе этих методов усовершенствованы конструкции зубчатых муфт и зубчатых шпинделей прокатных

станов, работающих при различных углах перекоса относительно прокатного валка и передаваемых крутящих моментах. Методы позволяют повысить надежность и нагрузочную способность шпинделей, а также расширить область применения зубчатых шпинделей путем их использования вместо шпинделей карданного типа. Реализация и внедрение результатов работы.

1. Разработанные методы анализа и синтеза используются при расчетах конструктивных параметров и проектировании зубчатых муфт и шпинделей на Электростальском заводе тяжелого машиностроения, Новокраматорском машиностроительном заводе (Украина), Южно Уральском машиностроительном заводе, заводах тяжелого машиностроения в г. Клуж и г. Яссы (Румыния).

2. На основании разработанных методов созданы новые конструкции зубчатых муфт и усовершенствованные конструкции зубчатых шпинделей. Шпиндели внедрены на чистовых клетях широкополосных станов 1700 и 2000 горячей прокатки ОАО «Северсталь» (г. Череповец).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены:

- на заседании кафедры «Теория механизмов и машин» МГОУ (г. Москва, 2002).

— на Южно Уральском машиностроительном заводе (г. Орск, 2003).

- на конференции «Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении ПТ-2ООЗ» (г. Нижний Новгород, 2003).

— на Пятом Международном конгрессе прокатчиков (г. Череповец, 2003).

— на Электростальском заводе тяжелого машиностроения (г. Электросталь, 2004).

- на заседании кафедры «Теория механизмов и машин» МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка использованной литературы и приложения. Текстовая часть работы изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка и 8 таблиц, список литературы из 90 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится общая характеристика проблемы повышения нагрузочной и компенсирующей способности зубчатых муфт, дано обоснование актуальности выполненного исследования, сформулирована цель и определены задачи работы, изложена научная новизна и ее практическая ценность.

В первой главе проведен анализ существующих методов синтеза зубчатого зацепления, определения нагрузки на зубья муфт и особенностей конструкции и эксплуатации зубчатых шпинделей прокатных станов.

Вопросам анализа и синтеза зацепления зубчатых муфт посвящено большое число работ отечественных и зарубежных ученых. Наиболее полно эти вопросы отражены в трудах Э.Л. Айрапетова, ГА Тимофеева, О.И. Косарева, Д.Н. Решетова, А.П. Попова, А.Н. Михайлова, В.В. Шульца и других ученых. Вместе с тем анализ показал, что существующие методы синтеза зацепления зубчатых муфт не обеспечивают в полной мере возможности определения параметров зубчатого зацепления - профилей зубьев втулки, обоймы и боковых зазоров между ними,

соответствующих требуемым условиям эксплуатации, особенно при повышенных нагрузках и углах перекоса соединяемых валов. При этом форма линии смещения исходного контура зубьев втулки, которая характеризует бочкообразность зубьев при нарезании, считается заранее известной и наиболее часто принимается в форме окружности или состоит из ее участков.

Существующие методы не позволяют с достаточной точностью определять нагрузку на зубья, так как основаны на решении статически неопределимой задачи. Эти методы не в полной мере учитывают факторы, связанные с профилем зубьев и распределением зазоров между ними, оказывающие влияние на распределение нагрузки на зубья.

Зубчатые шпиндели прокатных станов представляют собой модификацию зубчатых муфт с промежуточными валами, на концах которых установлены втулки. При этом углы перекоса в зубчатых шарнирах муфт значительно выше, чем допускаются обычными зубчатыми муфтами.

При износе сопряженных цилиндрических поверхностей валковой части зубчатой муфты и хвостовика прокатного валка в их соединении с центром в точке С (рис. 1) возникает ложный шарнир, который вызывает изменение кинематической

схемы шпинделя. Это приводит к еще большему

увеличению угла перекоса обоймы относительно втулки и интенсивному износу зубьев

втулки и обоймы.

При существующем профиле зубьев износ зубьев втулки

происходит в их центральной части и характеризуется выкрашиванием зубьев (рис. 2). Износ зубьев обойм ярко выражен по кромкам с приобретением ими ножеобразной формы (рис. 3). Это подтверждает несовершенство существующих методов синтеза зубьев муфт.

К недостаткам существующих конструкций шпинделей, отрицательно влияющим на работоспособность зубчатого зацепления, относятся также совмещение зубчатым зацеплением функций центрирования обоймы и втулки и неудовлетворительное удержание смазки в зацеплении. Однако основным фактором, определяющим нагрузочную способность зубчатых муфт и шпинделей, является профиль зубьев обоймы и втулки. Поэтому разработка методов анализа и синтеза зубчатого зацепления муфт является одной из главных целей настоящей работы.

Во второй главе рассмотрены методы анализа и синтеза зубчатого зацепления муфт.

Целью разработки метода анализа зацепления является определение характера контактного взаимодействия зубьев втулки и обоймы при различных углах их взаимного перекоса в зависимости от распределения зазоров между зубьями по окружности зацепления.

Метод анализа заключается в разбиении зацепления плоскими поперечными сечениями по длине зубьев (рис. 4, а) и концентрическими цилиндрическими сечениями соосными с втулкой по высоте зубьев (рис. 4, б). При этом определяются координаты точек пересечения этих сечений, расположенных на боковых поверхностях зубьев втулки и обоймы при их перекосе и зазоры между зубьями.

Минимальные зазоры при геометрическом замыкании зубьев без нагрузки в каждом поперечном сечении характеризуют число зубьев, одновременно находящихся в контакте и положение точек контакта.

Рис. 4. Относительное положение зубьев втулки и обоймы при их перекосе

Использование данного метода исключает необходимость составления сложных систем уравнений боковых поверхностей зубьев и решения задач по определению расстояний между этими поверхностями. Метод обеспечивает требуемую точность анализа за счет изменения величины интервалов между рассматриваемыми плоскими и цилиндрическими сечениями.

Зазоры между зубьями обоймы и втулки между точками А и Б, (рис. 4, б), расположенными в плоском поперечном сечении и цилиндрическом сечении радиуса рц, определяются по длине дуги между этими точками из выражения

8=рц(Ув1-Ч'А1), (1)

где \|/Аь 1|/в1 - углы между осью зуба втулки и радиус-векторами точек А\ и Ви лежащих на окружности радиуса рц.

Углы \|гА| и Ув! определяются по значениям углов и между радиус-векторами точек А и В, расположенных в том же сечении ТУ-ТУ, и осью зуба втулки.

Радиус-вектор точки А определяется продольным профилем зубьев, а радиус-вектор точки В - углом перекоса обоймы относительно втулки. Выражения для определения углов \уА и ц/в имеют вид:

Vp'- г Z,

. U . . р sin i.— + inva - inv Г2'. arceosJ г, cos a j }

psin-

U, . . J fr,cosa^y] IT

—+ wiva-ют tarecos ——— п + Фг •

2', 11P JJJ JJ

íft/, . fr.cosciY] 1 pcos< — + ima - mv\ —---11 + <p >

ll2r.__l P JJ ) tl

cos{ ш)

у, = arcsm

. \\ü} . . (r cosaYlГ

э • sin< I — + mva - mv -2-1 + Ф r

l p JJ J

где p - текущий радиус-вектор точек А и В в сечении N-N в соосном положении; S\ - толщина зуба втулки по делительной окружности; z, - координата поперечного сечения зацепления; rt% гг - радиусы делительных окружностей зубьев втулки и обоймы; Ui - расстояние между зубьями обоймы по делительной окружности; т - модуль зацепления; inva = tg a - a; a — угол профиля инструмента; <p - угол поворота оси зуба втулки относительно оси К; со - угол перекоса обоймы относительно втулки.

Для определения углов vj/Ai и vj/D( использован метод подбора решения, реализованный в приложении Microsoft Excel.

Задаваясь координатами г,- поперечных сечений зубьев в пределах от нуля до половины длины рабочего участка зубьев втулки с принятыми интервалами их изменения и в каждом поперечном сечении изменяя последовательно углы ф от 0 до 180° и радиус рц в пределах высоты зубьев, получают массив значений минимальных зазоров 5т,„ между зубьями обоймы и втулки на половине окружности зацепления. На другой половине величина и распределение зазоров будут

аналогичными. Полученный массив минимальных зазоров характеризует количество зубьев и участки боковых поверхностей зубьев, участвующие в передаче нагрузки.

Задачей синтеза продольного профиля зубьев втулок является определение формы линии смещения исходного контура, обеспечивающей при нарезании продольный профиль зубьев втулки, при котором достигается максимальное число зубьев, одновременно находящихся в зацеплении и максимальная нагрузочная способность муфты при заданном угле перекоса. Синтез выполняется в следующем порядке.

С использованием разработанного метода анализа зубчатого зацепления определяется минимальный зазор на половине окружности зацепления в центральном поперечном сечении при условии выполнения линии смещения исходного контура в виде дуги окружности. Для получения зацепления с максимальным числом одновременно находящихся в нем зубьев необходимо, чтобы в других поперечных сечениях на половине длины зубьев втулки минимальные зазоры по окружности зацепления были бы равны минимальному зазору в центральном сечении. В этом случае при вращении муфты зона контакта будет определяться двумя симметричными секторами, угол которых соответствует перемещению точек контакта по боковым поверхностям диаметрально расположенных зубьев в этих секторах в направлении от центрального поперечного сечения к торцам зубьев втулки. Этому условию соответствует линия смещения исходного контура переменной кривизны, мгновенные центры которой расположены на оси втулки симметрично относительно центрального поперечного сечения. Уравнение линии смещения имеет вид:

где .уы - координата линии смещения исходного контура зубьев втулки; Л - радиус линии смещения исходного контура зубьев втулки, выполненный по дуге окружности; - координата центров кривизны линии смещения.

В этом уравнении неизвестными являются _ум и т. При решении этого уравнения использовали метод подбора решения, который заключается в следующем: Изменяя в пределах длины зуба втулки от минимального отрицательного значения до максимального положительного для соответствующего поперечного сечения с координатой добиваются равенства минимального зазора в этом сечении минимальному зазору в центральном сечении зацепления. Значение соответствующее этому условию, подставляется в формулу (2) и по нему определяется

На другой половине длины зубьев втулки форма линии смещения будет симметричной относительно их центрального поперечного сечения. По координатам изготавливается копир, используемый при нарезании зубьев втулки. Применение предложенного метода синтеза поперечного профиля зубьев втулки позволяет увеличить число зубьев, одновременно находящихся в зацеплении, способствует повышению равномерности распределения нагрузки на зубья по окружности зацепления и увеличению нагрузочной способности зубчатых муфт. При этом создается возможность увеличения угла перекоса обоймы относительно

(2)

втулки и расширения использования зубчатых муфт в тяжелонагруженных машинах.

При синтезе профиля зубьев обоймы в качестве основного условия принято исключение выхода точек контакта зубьев втулки на кромки зубьев за счет меньшей кривизны их эвольвентного профиля, чем у зубьев втулки. Это условие выполняется путем расположения центров 09 делительных окружностей для каждого из двух профилей впадин между зубьями обоймы на окружности, центр которой расположен на оси обоймы (рис. 5). При этом радиусы га этих делительных окружностей больше

радиуса делительной окружности зубьев втулки на величину /. Для профилей, образующих впадину между зубьями, делительные окружности имеют одинаковый радиус, а центры делительных окружностей расположены на оси другой окружности радиусом / с центром на оси обоймы.

Радиус /, на котором расположены центры делительных окружностей, определяется следующим образом. Вначале задается значение при котором профиль зубьев обоймы является стандартным, и определяется минимальный зазор на половине окружности

зацепления. Этот зазор возникает между поверхностью зуба втулки и кромкой зуба обоймы и в этом случае при контакте зубьев возникают высокие контактные напряжения. Величина этого зазора определяется с использованием формулы (1). При этом угол между осью зуба втулки и радиус-вектором точки обоймы, исходящим из центра Ош, в текущем сечении при перекосе обоймы относительно втулки определяется из выражения

Рис. 5. Положение центров делительных окружностей профиля впадин между зубьями обоймы при ее соосном положении с втулкой

где угол между осью зуба втулки и радиус-вектором точки исходящим из

центра делительной окружности профилей впадины между зубьями обоймы.

Для исключения выхода точек контакта на кромки зубьев обоймы радиус рц цилиндрического сечения, на дуге которого расположен минимальный зазор, должен быть больше радиус-вектора точки, расположенной на кромке зубьев обоймы. Практика показывает, что минимальный зазор должен быть расположен на дуге окружности радиуса рц, большем радиус-вектора на величину равную не менее четверти высоты зубьев обоймы. Поэтому при синтезе, последовательно увеличивая с заданным интервалом радиус / и подставляя его значения в выражение (1), следует добиваться расположения минимального зазора между зубьями в цилиндрическом сечении радиуса рц, проходящем через зубья обоймы на расстоянии четверти их высоты от внутренней цилиндрической поверхности обоймы.

По величине полученного значения определяют радиус г0 делительных окружностей профилей впадин между зубьями обоймы и по нему остальные параметры зубьев.

Для повышения износостойкости и плавности работы зубчатых муфт необходимо, чтобы боковые зазоры между зубьями обоймы и втулки были минимальными и обеспечивали возможность работы муфты с повышенными углами перекоса соединяемых валов.

При синтезе профиля зубьев обоймы и втулки между зубьями предварительно принимаются боковые зазоры, соответствующие условию нормальной сборки муфты. Для муфт с повышенными углами перекоса обоймы относительно втулки эти зазоры необходимо уточнить. Уточнение выполняется следующим образом.

По вышеизложенному методу анализа зубчатого зацепления определяется минимальный зазор в его центральном поперечном сечении при максимальном угле перекоса обоймы относительно втулки. При перекосе на максимальный угол принято условие, что минимальный зазор в этом сечении равен нулю. Соответственно должны быть равны нулю минимальные зазоры в пределах секторов контакта в других поперечных сечениях зубчатого зацепления на половине длины зубьев втулки. Это достигается путем увеличения или уменьшения ширины ио впадины (рис. 5) по делительной окружности радиуса г0, при котором минимальные зазоры становятся равными нулю.

Таким образом, при перекосе обоймы относительно втулки на максимальный угол происходит геометрическое замыкание зубьев в пределах секторов контакта, и зубчатое зацепление в этих секторах становится беззазорным.

С учетом особенностей эксплуатации шпинделей прокатных станов расчет боковых зазоров для зубьев муфт шпинделей производили с учетом ограничения монтажного угла перекоса, используемого при замене валков, при котором в зацеплении находятся две пары зубьев и нагрузка не передается.

Третья глава посвящена уточнению методов нагрузки на зубья, расчета контактной прочности и оценки нагрузочной способности зубчатых муфт в зависимости от угла перекоса обоймы относительно втулки муфты и передаваемого крутящего момента.

Практика эксплуатации зубчатых муфт показала, что их нагрузочная способность определяется главным образом контактной прочностью зубьев. Изгибная прочность зубьев обеспечивается необходимыми запасами прочности, закладываемыми при расчете на изгиб известными методами.

Для расчета зубьев на контактную прочность разработана методика определения нагрузки на зубья по окружности зацепления в зависимости от передаваемого крутящего момента и угла перекоса обоймы относительно втулки.

В соосном положении втулки и обоймы все зубья нагружены равномерно. При определении нагрузки на зубья принимаем, что равнодействующие сил, действующих на них по площадкам контакта при приложении крутящего момента, приложены в центральном поперечном сечении зацепления, направлены по касательным к основным окружностям зубьев втулки и обоймы и их линии действия совпадают и при геометрическом замыкании проходят через точку контакта зубьев обоймы и втулки. При перекосе обоймы относительно втулки нагрузка на зубья по окружности зацепления распределяется неравномерно.

С учетом указанного различия разработана методика определения текущих радиусов поперечных и продольных сечений зубьев в точках контакта, обеспечивающая повышение точности решения задачи Герца при расчете зубьев на контактную прочность. Эти радиусы определяются как радиусы участков окружностей, проходящих через три точки, координаты которых принадлежат профилю зубьев в этих сечениях и известны из анализа зацепления.

Для зубчатого зацепления с синтезированным профилем зубьев, контактные напряжения в соосном положении втулки и обоймы могут быть больше, чем в положении с перекосом.

Если контактные напряжения в соосном положении превышают допускаемые напряжения, продольный профиль зубьев втулки и соответственно линия смещения исходного контура уточняется путем уменьшения ее кривизны на центральном участке.

Нагрузку на зубья при перекосе обоймы относительно втулки определяли по величине максимальных контактных сближений зубьев. Контактные сближения моделировали как максимальные условные пересечения (отрицательные зазоры) 5П зубьев обоймы и втулки по окружности зацепления (рис. 6), которые образуются в результате поворота обоймы относительно втулки в соосном положении и их относительного перекоса при контактном сближении зубьев.

Пересечения зубьев рассматривали в плоских поперечных и цилиндрических сечениях зацепления радиусов рц и принимали равной длине дуг окружностей цилиндрических сечений между профилями зубьев обоймы и втулки при условии, что они являются жесткими звеньями. В этом случае пересечения могут быть определены как отрицательные зазоры.

Количество и положение нагруженных зубьев на окружности зацепления определяются по наличию пересечения зубьев. При этом угловое положение оси максимально нагруженного зуба втулки относительно начала нагружения будет соответствовать максимальному пересечению. Угловое положение осей других нагруженных зубьев соответствует их шаговому распределению по обе стороны от оси максимально нагруженного зуба.

Рис. 6. Условное относительное положение зубьев при перекосе и нагружении

По величине максимальных пересечений для каждого нагруженного зуба определяли силы, действующие на зубья при перекосе обоймы относительно втулки по нижеприведенной методике.

При определении сил принимали, что величина контактных сближений о>к пропорциональна максимальному пересечению между зубьями обоймы и втулки, то есть

Юк = Аг5п, (3)

где к\ - коэффициент пропорциональности.

Из условия постоянства крутящего момента справедливо выражение

М„=±РГН,. (4)

1-1

где и — число зубьев, находящихся в зацеплении; Н, - плечи сил Р„ действующих на зубья в точках их контакта относительно оси втулки;

С учетом формулы Герца для определения контактного сближения зубьев и формулы (3) выражение для определения нагрузки на зубья принимает вид

*-*,-5„ ft.-8.-8. У X '

где 5К, X - коэффициенты.

Р =

Подставляя это значение в формулу (4) получаем

В этом выражении неизвестным является коэффициент. Для его нахождения использовали метод подбора решения, реализуемый, например, в среде Microsoft Excel. Вычислив к\, по формуле (6) определяли силы, действующие на зубья.

По найденным силам определяются параметры контактного взаимодействия нагруженных зубьев - полуоси а и Ь площадок контакта и контактные напряжения q в зубьях. Точки приложения сил при перекосе обоймы относительно втулки принимаются в точках контакта зубьев обоймы и втулки при геометрическом замыкании.

На круговых диаграммах показано распределение нагрузки на зубья муфт шпинделей по окружности зацепления с новым профилем зубьев (рис. 7, а) и существующим (рис. 7, б) для стана 1700: для соосного положения обоймы и втулки (кривая 1), для угла перекоса 0,5° (кривая 2), для угла перекоса 1° (кривая 3). На рис. 7, б показано распределение нагрузки на зубья существующей муфты при угле перекоса 1°.

Р.кН Р,«Н

а б

Рис. 7. Изменение нагрузки на зубья муфты по окружности зацепления при различных углах перекоса обоймы относительно втулки

При нагружении и угле перекоса 1° в муфте с новым профилем зубьев в зацеплении находятся 26 зубьев из 37, то есть 70,3%. В муфте с существующим профилем при нагружении число зубьев, находящихся в зацеплении, при этом угле равно 18, то есть составляет 43%, и максимальная нагрузка на зубья по сравнению с муфтой с новым профилем увеличивается на 24%.

Максимальные контактные напряжения в зубьях муфт шпинделей стана 1700 с новым профилем зубьев при максимальном угле перекоса, благодаря увеличению числа зубьев одновременно находящихся в зацеплении и равномерному распределению нагрузки на зубья, ниже напряжений в зубьях существующих муфт шпинделей в 1,9 раза.

Полученные результаты расчета показывают, что на практике нагрузочную способность зубчатых муфт можно оценивать по величине максимальных контактных напряжений в зубьях при максимальном угле перекоса обоймы относительно втулки, которые должны быть равны или меньше допускаемых.

В четвертой главе с целью проверки соответствия разработанных методов синтеза профиля зубьев втулки и обоймы и определения нагрузочной способности зубчатого зацепления результатам, полученным в реальных условиях нагружения зубчатых муфт, приведены результаты сравнительных стендовых экспериментальных исследований зубчатых муфт с новым и стандартным профилем зубьев. Исследования проводили на стенде, схема которого представлена на рис. 8.

Конструкция стенда позволила одновременно проводить исследования зубчатых муфт с новым и стандартным профилем зубьев при различных значениях крутящего момента, частоты вращения и угла перекоса обойм относительно втулок. Это достигается установкой муфт на одном валу работающих в одинаковых условиях нагружения.

При исследованиях определяли: деформацию зубьев муфт; количество нагруженных зубьев; размеры пятна контакта на зубьях втулок муфт; нагрузочную способность зубчатых муфт в зависимости от угла перекоса, крутящего момента и частоты вращения; характер износа зубьев при работе муфт.

Результаты исследований показали, что относительные окружные смещения обоймы и втулки, полученные в результате расчета по предложенной методике определения нагрузки на зубья и измеренные в процессе эксперимента, имеют хорошую сходимость, что позволяет судить о достаточной точности методики.

Исследования показали, что число нагруженных зубьев, определенного при эксперименте и полученного расчетным путем совпадает, что также подтверждает правильность предложенных методов синтеза.

Характер распределения пятен контакта по боковым поверхностям зубьев опытной и стандартной муфт показал, что предлагаемый профиль зубьев муфт обеспечивает контактное взаимодействие зубьев с максимальной равномерностью их нагружения и, следовательно, позволяет уменьшить их износ, повысить нагрузочную способность и долговечность муфт в целом. Исследование показали, что после работы муфт в течение 8 часов при максимальном угле перекоса 1,5° и различных крутящих моментах на зубьях втулки стандартной муфты, образовались сколы и разрушения на одном из торцов. При этом износ в наибольшей степени выражен в центральной части зубьев. Зубья втулки опытной муфты изнашиваются более равномерно по длине боковой поверхности. При этом отсутствуют сколы на торцах зубьев и поверхность изношенных зубьев гладкая, без вырывов и разрушений.

С увеличением угла перекоса нагрузочная способность опытной муфты по сравнению со стандартной возрастает от 3% в соосном положении до 9% при угле перекоса 1,5° (рис. 9), что подтверждает эффективность использования разработанных методов анализа, синтеза и определения нагрузочной способности муфт.

В пятой главе рассмотрены новые конструкции зубчатых шпинделей прокатных станов, разработанные на базе методов синтеза вращенияи,,, и угла перекоса о зубчатого зацепления муфт.

Муфты шпинделей выполнены с новым профилем зубьев. Шпиндели предназначены для тяжелонагруженных чистовых клетей широкополосных станов с углами перекоса до 2° (рис: 10) и для сортовых станов с повышенными углами перекоса (до 3°) относительно соединяемых прокатного и шестеренного валков.

Для исключения образования ложных шарниров зубчатые зацепления обойм и втулок расположены в пределах сочленения приводных хвостовиков рабочего и шестеренного валков с зубчатыми втулками.

Рис. 10. Зубчатый шпиндель чистовых клетей стана 1700 горячей прокатки

Для освобождения зубчатого зацепления от функции центрирования муфты шпинделей выполнены со сферическими контактными кольцами, установленными в обойме и на втулке.

Со стороны рабочего валка муфта снабжена надежным узлом уплотнения зубчатого зацепления, обеспечивающим его высокую герметичность и повышение работоспособности.

Шпиндели усовершенствованной конструкции с зубчатыми муфтами с новым профилем зубьев внедрены на чистовых клетях непрерывных широкополосных станов 1700 и 2000 горячей прокатки ОАО «Северсталь» (г.Череповец).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе полученных в работе результатов можно сделать следующие выводы:

1. Существующие методы анализа и синтеза зубчатого зацепления муфт не позволяют с достаточной точностью определять требуемый профиль зубьев, обеспечить заданный угол перекоса обоймы относительно втулки, максимальную равномерность нагружения зубьев по окружности зацепления и нагрузочную способность зубчатых муфт.

2. Известные методы определения нагрузки на зубья муфт не позволяют точно определять величину и характер ее распределения по окружности зацепления в зависимости от угла перекоса обоймы относительно втулки и соответственно правильно выполнять расчеты на механическую прочность обоймы и втулки, а также на изгибную и контактную прочность зубьев.

3. Для оценки контактного взаимодействия зубьев муфт разработан метод анализа зубчатого зацепления, который позволяет оценить влияние профиля зубьев и величину боковых зазоров на характер износа зацепления.

4. Созданы методики синтеза продольного профиля бочкообразных зубьев втулки и поперечного профиля зубьев обоймы. Применение этих методов обеспечивают увеличение числа зубьев, одновременно находящихся в зацеплении при перекосе обоймы относительно втулки, увеличение угла перекоса, зоны контакта по длине боковой поверхности зубьев втулки и исключают выход пятна контакта на кромки зубьев обоймы.

5. Разработана методика расчета боковых зазоров между зубьями обоймы и втулки с учетом различных режимов эксплуатации зубчатых муфт.

6. Уточнена методика определения нагрузки на зубья по окружности зацепления в зависимости от угла перекоса обоймы относительно втулки.

7. Разработана методика определения текущих радиусов поперечных и продольных сечений зубьев в точках контакта, обеспечивающая повышение точности решения задачи Герца при расчете зубьев на контактную прочность. На основе метода расчета на контактную прочность разработана методика уточнения линии смещения исходного контура зубьев втулки, исключающая превышение контактных напряжений над допускаемыми в соосном положении обоймы и втулки.

8. Создано программное обеспечение, реализующее на практике разработанные методы анализа, синтеза и определения нагрузок в зубчатом зацеплении муфт.

9. С целью проверки достоверности разработанных методов синтеза зубчатых муфт в условиях реальной эксплуатации проведены стендовые сравнительные

экспериментальные исследования муфт с новым и существующим профилем зубьев. Исследования подтвердили достоверность разработанных методов синтеза и показали целесообразность их использования при проектировании зубчатых муфт и шпинделей.

10. Методы анализа и синтеза зубчатого зацепления внедрены при проектировании муфт на Электростальском заводе тяжелого машиностроения, Новокраматорском машиностроительном заводе (Украина), Южно Уральском машиностроительном заводе и заводах тяжелого машиностроения в г. Клуж и г. Яссы (Румыния).

11. На основе опыта эксплуатации, анализа существующих конструкций и разработанных методов синтеза зубчатого зацепления усовершенствованы конструкции зубчатых шпинделей для широкополосных и сортовых станов. Зубчатые шпиндели внедрены на чистовых клетях станов 1700 и 2000 горячей прокатки ОАО «Северсталь». Шпиндели демонстрировались на Международной выставке «Архимед - 2004» в Москве. На базе положительного опыта эксплуатации шпинделей новой конструкции в листопрокатных цехах ОАО "Северсталь" принято решение о замене части шпинделей карданного типа на зубчатые в трансмиссиях привода валков непрерывных широкополосных станов 1700 и 2000 горячей прокатки.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих научных трудах:

1. Ивочкин М.Ю. Кинематический анализ зацепления зубчатых шпинделей прокатных станов // Новые технологии, -2003. - №1. - С. 29-34.

2. Ивочкин М.Ю. Определение профиля зубьев втулки тяжелонагруженных шпинделей прокатных станов с повышенными углами перекоса: Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении «ПТ-2003». — Нижний Новгород — Арзамас: НГТУ, - 2003. - С. 198-202.

3. Плахтин В.Д., Ивочкин М.Ю. Синтез зацепления зубчатых шпинделей прокатных станов // Производство проката, - 2003. - №5. - С. 28-36.

4. Плахтин В.Д., Ивочкин М.Ю. Совершенствование профиля зубьев обойм зубчатых шпинделей прокатных станов // Черная металлургия, Бюллетень научно-технической и экономической информации, - 2003. - Вып. 6 (1242). - С. 42-46.

5. Плахтин В.Д., Ивочкин М.Ю. Синтез зацепления зубчатых муфт с повышенными углами перекоса соединяемых валов // Вестник машиностроения, -2003.-№6.-С.З-8.

6. Плахтин В.Д., Ивочкин М.Ю. Совершенствование конструкций зубчатых шпинделей прокатных станов // Металлург, - 2003. - №8. — С. 53-55.

7. Плахтин В.Д., Ивочкин М.Ю. Совершенствование методов расчета и конструкций зубчатых шпинделей прокатных станов // Труды пятого конгресса прокатчиков, г. Череповец, 2003.-С. 510-512.

8. Плахтин В.Д., Синев О.В., Ивочкин М.Ю. и др. Зубчатая муфта. Патент РФ на изобретение №2241156, МПК 7F16D3/18,2004.

Тип. МГОУ тираж i О О зак.

№22 6 9 3

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ СИНТЕЗА

ЗАЦЕПЛЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗКИ НА ЗУБЬЯ ЗУБЧАТЫХ МУФТ.

1.1. Методы синтеза зацепления зубчатых муфт.

1.2. Методы определения нагрузки на зубья.

1.3. Особенности эксплуатации и конструкций зубчатых муфт шпинделей прокатных станов.

1.4. Цель работы и задачи исследований.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА

ЗУБЧАТОГО ЗАЦЕПЛЕНИЯ МУФТ.

2.1. Метод анализа зацепления зубчатых муфт.

2.2. Синтез продольного профиля зубьев втулок.

2.3. Синтез поперечного профиля зубьев обойм.

2.4. Методика определения боковых зазоров между зубьями втулки и обоймы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗКИ НА ЗУБЬЯ И ОЦЕНКИ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ЗУБЧАТЫХ МУФТ.

3.1. Определение нагрузки на зубья и контактной прочности зубьев в соосном положении обоймы и втулки.

3.2. Уточнение формы линии смещения исходного контура зубьев втулки с учетом их нагружения в соосном положении.

3.3. Определение нагрузки на зубья при перекосе обоймы относительно втулки.

3.4. Оценка нагрузочной способности зубчатых муфт.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗУБЧАТЫХ

МУФТ.

4.1. Цели, методика и результаты исследований.

4.2. Анализ результатов исследований.

ГЛАВА 5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И ВНЕДРЕНИЕ

ЗУБЧАТЫХ ШПИНДЕЛЕЙ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ.

5.1. Совершенствование конструкций зубчатых шпинделей.

5.2. Внедрение и результаты эксплуатации зубчатых шпинделей.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

На современном этапе развития промышленности зубчатые муфты получают все большее распространение. Они применяются в различных механизмах и машинах и представляют собой зубчатые механизмы с передаточным отношением равным единице, являющиеся ответственными узлами, часто определяющими надежность и долговечность всей машины. Основное их назначение — передача вращения и крутящего момента от одного вала к другому при их относительном перекосе или радиальном смещении. Зубчатые муфты обладают рядом преимуществ по сравнению с другими типами муфт. Они характеризуется высокой нагрузочной способностью, имеют малые габариты и вес, лучшие кинематические и динамические свойства по сравнению с другими типами муфт, просты в изготовлении и эксплуатации. Элементы зубчатых муфт характеризуются достаточно высокой долговечностью и мало чувствительны к высоким температурам и перепадам температур. Однако сдерживающими факторами более широкого применения зубчатых муфт являются ограничения по углу перекоса и нагрузочной способности при повышенных углах перекоса обоймы относительно втулки. Кроме того, в связи с расширением применения зубчатых муфт практика требует повышения их долговечности и компенсирующей способности. Традиционно зубчатые муфты применяются при небольших углах перекоса осей соединяемых валов, не превышающих 1°, что ограничивает их более широкое распространение.

Зубчатые муфты работают в условиях контактирования зубьев, характеризующихся смещением или перекосом осей соединяемых валов. Это приводит к перераспределению нагрузки на контактирующие поверхности зубьев и вызывает их интенсивный износ.

Опыт эксплуатации и ранее выполненные исследования работы зубчатых муфт [30, 31, 33, 49] показывают, что основными видами их эксплуатационных отказов являются разрушение и износ элементов зубчатого зацепления — зубьев втулок и обойм, приводящие к необходимости преждевременной замены муфт.

В существующих зубчатых муфтах зубья втулок и обойм выходят из строя раньше, чем другие её элементы (валы, втулки, обоймы), и поэтому долговечность зубчатого зацепления лимитирует срок службы всего узла в целом. Это связано с несоответствием пространственной геометрии зубьев (продольного и поперечного профиля зубьев) условиям работы при повышенных углах перекоса соединяемых валов с большой нагрузкой.

При перекосе обоймы относительно втулки возникает неравномерное распределение зазоров между зубьями по окружности зацепления, количество зубьев, находящихся в зацеплении, уменьшается и нагрузка на зубья увеличивается. Из-за появления зазоров между зубьями, их относительных угловых и тангенциальных смещений в зацеплении при перекосе осей соединяемых валов и погрешностей изготовления между зубьями обоймы и втулки возникает кромочный контакт. Для компенсации относительных угловых и радиальных смещений втулок и обойм и выравнивания нагрузки зубья втулок изготавливаются бочкообразными.

Одним из эффективных путей повышения работоспособности зубчатого зацепления является увеличение числа зубьев, одновременно находящихся в зацеплении при повышенных углах перекоса обоймы относительно втулки. Это может быть достигнуто путем совершенствования профиля зубьев.

Несмотря на все большее применение зубчатых муфт, в настоящее время отсутствуют точные системные методы анализа и синтеза зубчатого зацепления, основанные на закономерностях контактного взаимодействия зубьев обоймы и втулки в зависимости от угла их относительного перекоса, диаметра делительной окружности, длины зубьев и передаваемого крутящего момента.

Существующие методы анализа и синтеза зубчатого зацепления зубчатых муфт основаны на экспериментальном подходе с учетом множества коэффициентов и допущений [13, 30, 39, 59, 62, 70, 71, 82].

Использование существующих методов не позволяет создать зубчатое зацепление, удовлетворяющее условиям работы зубчатых муфт при повышенных нагрузках и углах перекоса обоймы относительно втулки. К таким зубчатым муфтам, в частности, относятся зубчатые муфты шпинделей прокатных станов. Зубчатый шпиндель является важным элементом, определяющим надежность прокатного стана, точность прокатки, качество и конкурентоспособность проката. Поэтому улучшение эксплуатационных характеристик зубчатых шпинделей является важной народнохозяйственной задачей. Эта задача может быть решена с использованием новых, более точных аналитических методов анализа и синтеза зубчатого зацепления. В настоящее время известные методы не обеспечивают требуемую точность.

Отсутствие точных методов анализа и синтеза зубчатого зацепления обусловило общий недостаток существующих методов расчета нагрузочной способности зубчатых муфт, заключающийся в невозможности точного определения нагрузки на зубья по окружности зацепления при перекосе обоймы относительно втулки. Существующие методы определения нагрузочной способности [13, 15, 30, 31, 43] также основаны на экспериментальном подходе, что позволяет определить нагрузку на зубья при конкретном исследовании, но не позволяет определять ее в общем случае. В результате этого невозможно правильно выполнять прочностные расчеты зубчатого зацепления, оптимизировать и совершенствовать конструкции зубчатых муфт и шпинделей прокатных станов.

Применение существующих зубчатых шпинделей, имеющих меньший вес и габариты, лучшие кинематические и динамические характеристики по сравнению с карданными и шпинделями на вкладышах скольжения на различных типах прокатных станов, ограничено их нагрузочной и компенсирующей способностью. Известно, что увеличение углов перекоса в шарнирах зубчатых шпинделей приводит к резкому снижению их нагрузочной способности и надежности, поэтому их применение ограничено углами перекоса обоймы относительно втулки, не превышающими 1°.

Эксплуатация зубчатых шпинделей существующих конструкций вскрыла также ряд конструктивных недостатков, ограничивающих их более широкое применение на различных типах прокатных станов.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка методов анализа и синтеза зубчатого зацепления, позволяющих определять конструктивные параметры зубьев обоймы и втулки, методов расчета нагрузки на зубья по окружности зацепления и оценки нагрузочной способности муфт, и на их базе - создание и внедрение усовершенствованных конструкций зубчатых шпинделей прокатных станов повышенной нагрузочной способности. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи: изучить и проанализировать существующие методы анализа и синтеза зубчатого зацепления и мероприятий по повышению их несущей и компенсирующей способности; выполнить анализ факторов, влияющих на работоспособность зубчатых муфт и шпинделей прокатных станов; разработать метод пространственного анализа зубчатого зацепления муфт; выбрать расчетные схемы и исходные параметры для расчета зубчатого зацепления на различных этапах синтеза; исследовать на математических моделях контактное взаимодействую зубьев на различных этапах синтеза; определить профиль зубьев втулки и обоймы; разработать программные средства, реализующие автоматическое формирование и генерацию программы их численного решения Для установления и проверки достоверности новых методов синтеза зубчатого зацепления и расчета нагрузки на зубья и нагрузочной способности необходимо провести сравнительные стендовые экспериментальные испытания зубчатых муфт с существующим и новым профилем зубьев. На основе разработанных методов анализа и синтеза зубчатого зацепления муфт, анализа работы и исследования зубчатых шпинделей на действующем прокатном стане, стендовых исследований зубчатых муфт со стандартными и новыми параметрами зубчатого зацепления создать и внедрить усовершенствованные конструкции зубчатых шпинделей прокатных станов, обеспечивающие повышение надежности, нагрузочной и компенсирующей способности шпинделей.

Решение и реализация поставленных в данной работе задач возможно, благодаря известным достижениям теории механизмов и машин и применению объектно-ориентированного программирования в современных программных комплексах Microsoft Office, Mathcad и Autocad.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Отсутствие точных методов анализа и синтеза зубчатого зацепления муфт не позволяет точно определять требуемый профиль зубьев муфт, обеспечить заданный угол перекоса обоймы относительно втулки, максимальную равномерность нагружения зубьев по окружности зацепления и нагрузочную способность зубчатых муфт.

2. Существующие методы определения нагрузки на зубья муфт не позволяют точно определять величину и характер распределения нагрузки по окружности зацепления в зависимости от угла перекоса обоймы относительно втулки и соответственно не позволяют правильно выполнять расчеты на механическую прочность обоймы и втулки, а также на изгибную и контактную прочность зубьев.

3. Разработан метод анализа зубчатого зацепления муфт, основанный на оценке характера контактного взаимодействия зубьев в зависимости от распределения минимальных зазоров между зубьями по окружности зацепления в каждом поперечном сечении по длине зубьев, который позволяет анализировать контактное взаимодействие зубьев обоймы и втулки с различным продольным и поперечным профилем зубьев и определять пути улучшения конструктивных параметров зубчатого зацепления.

4. На базе разработанного метода анализа зубчатого зацепления муфт создана методика синтеза продольного профиля бочкообразных зубьев втулки, основанная на принятии одинаковых минимальных зазоров в поперечных сечениях зацепления по длине зубьев втулки. При этом линия смещения исходного контура зубьев втулки представляет собой кривую переменной кривизны. При синтезе обеспечивается увеличение: угла перекоса обоймы относительно втулки; числа зубьев, одновременно находящихся в зацеплении при перекосе обоймы относительно втулки и зоны контакта по длине боковой поверхности зубьев втулки.

5. Разработана методика синтеза поперечного профиля зубьев обоймы, основанная на определении радиусов делительных окружностей для каждой впадины между зубьями обоймы. При этом центры делительных окружностей расположены на окружности с центром на оси обоймы и за счет меньшей кривизны эвольвентного профиля обоймы по сравнению с втулкой исключается выход пятна контакта на кромки зубьев обоймы.

6. Создана методика расчета боковых зазоров между зубьями обоймы и втулки с учетом различных режимов эксплуатации зубчатых муфт из условия равенства нулю минимальных зазоров в секторах контакта зубьев втулки и обоймы.

7. Разработана методика определения нагрузки на зубья по окружности зацепления в зависимости от угла перекоса обоймы относительно втулки, при которой условные пересечения зубьев, определяемые по величине максимальных по модулю отрицательных зазоров принимаются пропорциональными расчетным контактным сближениям зубьев

8. Разработана методика определения текущих радиусов поперечных и продольных сечений зубьев в точках контакта, обеспечивающая повышение точности решения задачи Герца при расчете зубьев на контактную прочность.

9. Создано программное обеспечение, реализующие на практике разработанные методы анализа, синтеза и определения нагрузок в зубчатом зацеплении муфт.

10. С целью проверки достоверности разработанных методов синтеза и оценки нагрузочной способности зубчатых муфт в условиях реальной эксплуатации проведены стендовые сравнительные экспериментальные исследования муфт с новым и существующим профилем зубьев. Исследования подтвердили достоверность разработанных методов анализа, синтеза и определения нагрузок на зубья, а также целесообразность их использования при проектировании зубчатых муфт и шпинделей.

И. Новые методы анализа и синтеза зубчатого зацепления внедрены при проектировании муфт на Новокраматорском машиностроительном заводе (Украина), Южно уральском машиностроительном заводе (г. Орск) и Электростальском заводе тяжелого машиностроения (г. Электросталь). 12. На основе опыта эксплуатации, анализа существующих конструкций и разработанных методов синтеза зубчатого зацепления созданы новые конструкции зубчатых шпинделей для широкополосных и сортовых станов, свободные от недостатков существующих шпинделей. Зубчатые шпиндели внедрены на чистовых клетях станов 1700 и 2000 горячей прокатки ОАО «Северсталь». Шпиндели демонстрировались на Всемирной выставке изобретений «Эврика — 2001» в Брюсселе и на Международной выставке «Архимед — 2004» в Москве. На базе положительного опыта эксплуатации шпинделей новой конструкции в листопрокатных цехах ОАО "Северсталь" принято решение о замене части шпинделей карданного типа на зубчатые в трансмиссиях привода валков непрерывных широкополосных станов 1700 и 2000 горячей прокатки.

1. А.с. 1410611 (СССР). Зубчатая муфта. Авт. изобрет. А.И. Робер., Б.С. Уткин, Р.С. Соловьев, Э.Л. Айрапетов и др. -Заявл. 15.05.86. №4079904/27; Опубл. в Б.И., 1992, №36; УДК. 621.825.5.

2. А.с. 1393945 (СССР). Зубчатая муфта. Авт. изобрет. А.П. Попов. —Заявл. 25.02.86. №4063606/31-27; Опубл. в Б.И., 1988, №17; УДК. 621.825.5.

3. А.с. 1252565 (СССР). Зубчатая муфта. Авт. изобр. А.П. Попов. -Заявл. 10.10.84. №3832787/25-27; Опубл. в Б.И., 1986, №31;-УДК. 621.825.5.

4. А.с. 1633904 (СССР). Зубчатая муфта. Авт. изобрет. А.И. Робер, Б.С. Уткин, Э.Л. Айрапетов. Заявл. 15.08.89. №4729443/27; Опубл. в Б.И., 1993, №23;-УДК. 621.825.5.

5. А.с. 503061 (СССР). Зубчатая муфта. Авт. изобрет. А.И. Стажаров, B.C. Плотников. Заявл. 22.06.73. №1937328/25-27; Опубл. в Б.И., 1976, №6; -УДК. 621.825.5.

6. А.с. 397694 (СССР). Зубчатая муфта. Авт. изобрет. Н.А. Алейник, Н.И. Буцик. Заявл. 15.06.70. №1438693/25-27; Опубл. в Б.И., 1973, №37; - УДК. 621.825.5.

7. А.с. 2153404. Шпиндель прокатного стана. Авт. изобрет. В.И. Абраменко, Г.Л. Кочи., В.Д. Плахтин, А.В. Соколов, В.В. Воробьев. -Заявл. 12.11.98. №98120321/02; Опубл. вБ.И., 2000, №21;-УДК. 621.771.2.06.

8. А.с. 2113298. Шарнир шпинделя прокатного стана. Авт. изобрет. В.Д. Плахтин, В.Ф. Модеев, Ю.В. Луканин, С.И. Фришман. — Заявл. 08.07.97. №48459867/27-02; Опубл. в Б.И., 1999, №18; УДК. 621.771.2.06.

9. А.с. 1556779. Шпиндель привода валка прокатного стана. Авт. изобрет. А.А. Курзюков. -Заявл. 12.07.88. №4459867/23-02; Опубл. в Б.И., 1990, №14; -УДК. 621.771.2.06.

10. А.с. 2110342. Узел соединения прокатного валка со шпинделем / Авт. изобрет. В.Д. Плахтин, К.З. Дзарахохов, В.Ф. Модеев и др. Заявл. 15.05.97. №97108118/02; Опубл. в Б.И., 1998, №13; - УДК. 621.771.2.06.

11. А.с. 1598563 (СССР). Зубчатая муфта / Авт. изобрет. А.И. Робер, Б.С. Уткин, Э.Л. Айрапетов и др. Заявл. 08.08.88 №4499574/27; Опубл. в Б.И., 1992, №29;-УДК. 621.825.5.

12. Айрапетов Э.Л., Генкин М.Д. Статика планетарных механизмов. —М.: Наука, 1976.-263 с.

13. Айрапетов Э.Л., Мирзаджанов Д.Б. Зубчатые соединительные муфты.— М.: Наука, 1991.-250 с.

14. Айрапетов Э.Л., Айрапетов С.Э., Мельникова Т.Н. О выборе продольной кривизны арочных зубьев: Тез. докл. Зонального совещания «Цилиндрические передачи с арочными зубьями». Курган, 1983.- С. 36-39.

15. Айрапетов Э.Л., Генкин М.Д., Косарев О.И. Расчет нагрузочной способности зубчатых муфт // Вестник машиностроения, — 1972. — №6.- С. 24-27.

16. Айрапетов Э.Л. Об учете податливости зубьев в процессе зацепления// Вестник машиностроения, — 1976. — №9. С. 48-51.

17. Айрапетов Э.Л., Генкин М.Д. Податливость обода эпициклов планетарных редукторов // Известия ВУЗов. Машиностроение, — 1967. — №1. -С. 29-31.

18. Айрапетов Э.Л., Генкин М.Д. Деформативность планетарных механизмов. — М.: Наука, 1973. 211 с.

19. Айрапетов Э.Л., Косарев О.И. Расчет податливости элементов зубчатых муфт // Вестник машиностроения, — 1972. — №3. С. 17-21.

20. Айрапетов Э.Л. Распределение нагрузки в составных зубчатых муфтах: Колебания механизмов с зубчатыми передачами. М.:, Наука, —1977. -С. 117-122.

21. Айрапетов Э.Л. Распределение нагрузки в зацеплениях с упругим элементом: Колебания механизмов с зубчатыми передачами. — М.: Наука, 1977.-С. 111-117.

22. Айрапетов Э. Л., Уткин Б.С., Лагутин С.А, Робер А.И. Совершенствование зубчатых муфт и шпинделей конструкции ЭЗТМ // Тяжелое машиностроение, — 2000. — № 12. С. 10-12.

23. Глухарев Е.Г. Теория передач в машинах. М.:, Машиностроение, 1966.-С. 270-283.

24. Гурьев Б.И. К вопросу о сопряженности профилей зубьев колес, нарезанных долбяками // Механика машин. — 1969. Вып. 21—22. - С. 67-76.

25. Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов: Учебник для техн. вузов. — М.: Высшая школа, 1989. —624 с.

26. Ибраев А.Г. Исследование статической нагруженности зацеплений и соединения планетарных механизмов: Автореф. дис. канд. техн. наук. -Алма-Ата., 1981. 21 с.

27. Ивочкин М.Ю. Кинематический анализ зацепления зубчатых шпинделей прокатных станов // Новые технологии, -2003. — № 1. С. 29 — 34.

28. Ивочкин М.Ю. Определение профиля зубьев втулки тяжелонагруженных шпинделей прокатных станов с повышенными углами перекоса: Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении «ПТ-2003». Нижний Новгород - Арзамас.: НГТУ, - 2003. - С. 198 - 202.

29. Исследование нагруженности и динамических характеристик соединительных зубчатых муфт, работающих в условиях погрешностей изготовления и монтажа: отчет /ДЛИ; Руководитель темы В.А. Финиченко. Х-76-1.; №Гр 76038306; Инв.№ б 776631.-Донецк, 1978. -199 с.

30. Исследование работы зубчатых шпинделей и муфт с целью повышения их надежности и долговечности: Отчет /ПО «Электростальтяжмаш»;

31. Руководители темы B.C. Уткин, А.И. Робер. 2. 09.78.; № ГР 78066051; Инв. № Б 797023. Электросталь, 1978. - 41 с.

32. Исследование нагрузочной способности зубчатых шпинделей: Отчет/УПИ; Руководитель темы B.C. Плотников. 0851. №ГР 70008639; Инв. № Б 152560:-Свердловск, 1971.-136 с.

33. Кондрашов Ю.Д., Рудницкий В.И., Запорожец O.JI. Распределение нагрузки в зацеплениях планетарной передачи 2К-Н // Вестник машиностроения. 1972. — №10. — С. 32—35.

34. Коновалов JI.B., Виноградова М.Д. Нагрузочная и компенсирующая способности шпиндельных соединений прокатных станов и области их применения // Вестник машиностроения. 1985. — №8. - С.3-6.

35. Коськин В.Н. К вопросу о выборе рациональной формы зубьев зубчатых муфт // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1973. — №4. - С. 53-57.

36. Кулешов В.В. Исследование статических и динамических характреристик зубчатого соединения в условиях несоосности: Дис. канд. техн. наук. Челябинск. - 1974. - 237 с.

37. Куликов С.И. О распределении окружного усилия между шлицами в шлицевом соединении // Труды УАИ. — 1956. — Вып. 11. — С. 63—73.

38. Лагутин С.А. Лузина В.М. Профилирование инструмента при нарезании зубьев передач с замкнутыми линиями контакта // Известия ВУЗов. Машиностроение, 1982. -№ 4. - С. 57-59.

39. Литвин Ф.Л. Теория зубчатых зацеплений. — М.: Наука, 1968. — 584 с.

40. Левитский Н.И., Плахтин В.Д., Солдаткин Л.П. и др. Кинематическая модель взаимодействия элементов зацепления зубчатых шпинделей прокатных станов. Сб. «Проектирование механизмов и динамика машин». -Москва: Изд-во МИП, 1988. - Вып. 21. - С. 118-121.

41. Малеев Г.В., Филиппов В.М. Измерение величин и направления опорных реакций в редукторе // Вестник машиностроения, — 1960. №3. — С. 46-49.

42. Матюшин В.М. Зубодолбление. — М.: Машгиз, 1953. 184 с.

43. Мирзаджанов Д.Б., Хворостов Е.В. Расчет нагрузок и усилий в зубчатой муфте при перекосе осей // Вестник машиностроения, 1988. — № 6. -С. 11-13.

44. Михайлов А.Н. Разработка методов повышения несущей и компенсирующей способности зубчатых муфт: Дис. канд. техн. наук. Донецк: ДПИ, 1985. - 259 с.

45. Мокид И. Зубчатые муфты. Исследования и оптимизация-Конструирование и технология машиностроения // Труды американского общества инженеров-механиков, серия В, -1968. — №3. — С. 1—10.

46. Морозов Б.А. Компенсирующие свойства соединительных муфт: Прокатные станы.-М.: Машгиз, — 1956.— Вып. 6.— С. 1—10.

47. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. — Киев: Наукова думка, 1975. — 386 с.

48. Планетарные передачи. Справочник /Под ред. В.Н. Кудрявцева, Ю.Н. Кидряшова. —Л.: Машиностроение, 1977. 535 с.

49. Плахтин В.Д., Данилов Л.И., Москвитин С.А. Влияние износа валковых муфт на работоспособность шпиндельных устройств // Металлург. — 1983. -№10.-С. 35-36.

50. Плахтин В.Д. и др. Снижение осевых нагрузок на рабочие валки на непрерывных широкополосных станах / В.Д. Плахтин, Д.Ю. Иванов, В.Я. Тишков и др. // БНТИ. Черная металлургия. 1983. -№12 (944). -С. 35-37.

51. Плахтин В.Д. Новые конструкции шпиндельных устройств прокатных станов // Производство проката, 2002. — № 11. - С. 32^2.

52. Плахтин В.Д., Ивочкин М.Ю. Синтез зацепления зубчатых шпинделей прокатных станов // Производство проката, — 2003. — №5. — С. 28 — 36.

53. Плахтин В.Д., Ивочкин М.Ю. Совершенствование профиля зубьев обойм зубчатых шпинделей прокатных станов // Черная металлургия, Бюллетень научно-технической и экономической информации, — 2003. — Вып. 6 (1242). С. 42-46.

54. Плахтин В.Д., Ивочкин М.Ю. Синтез зацепления зубчатых муфт с повышенными углами перекоса соединяемых валов // Вестник машиностроения, 2003. — №6. - С. 3—8.

55. Плахтин В.Д., Ивочкин М.Ю. Совершенствование конструкций зубчатых шпинделей прокатных станов// Металлург, — 2003. — №8. С. 53—55.

56. Плахтин В.Д., Ивочкин М.Ю. Совершенствование методов расчета и конструкций зубчатых шпинделей прокатных станов // Труды 5 конгресса прокатчиков, г. Череповец, 2003, С. 63-65.

57. Плахтин В.Д., Синев О.В., Ивочкин М.Ю. и др. Зубчатая муфта. Патент РФ на изобретение №2241156, МПК 7F16D3/18, 2004.

58. Плотников B.C. Геометрический расчет эвольвентного шлицевого соединения, используемого в зубчатых муфтах: Новые исследования деталей и механизмов машин. Свердловск: УПИ, — 1964. — №136. - С. 32-А5.

59. Плотников B.C. Геометрический расчет эвольвентного шлицевого соединения, используемого в зубчатых муфтах // Известия ВУЗов. Машиностроение, 1965. — №6. - С. 21—31.

60. Поляков B.C., Барбаш Н.Д., Ряховский О.А. Справочник по муфтам. JL: Изд-во ЛПИ, - 1966. - С. 37-41.

61. Поляков B.C., Коськин В.Н. К расчету зубчатых муфт с бочкообразными зубьями // Известия ВУЗов. Машиностроение, — 1967. — №6. — С. 52—53.

62. Поляков B.C., Коськин В.Н. Нагрузочная способность зубчатых муфт с бочкообразными зубьями // Труды ЛПИ, -1966. Вып. 269. - С. 39—46.

63. Поляков B.C., Барбаш Н.Д. Муфты. М.: Машиностроение, 1973. - 366 с.

64. Попов А.П. Исследование нагрузочной способности зубчатых и упругих муфт в условиях перекоса осей агрегатов. Дис. канд. техн. наук. М.: ИМАШ, 1971.-255 с.

65. Попов А.П. К вопросу технологии изготовления бочкообразных зубьев // Труды НКИ, 1975. - Вып.95. - С. 3-9.

66. Попов А.П., Рожков Н.А., Сова Н.А., и др. О влиянии ошибок изготовления зубьев зубчатых соединений на распределение нагрузки между зубьями // Труды НКИ, 1975. - Вып. 105. - С. 33-36.

67. Пыж О.А., Гаркави Л.М., Державец Ю.А. и др. Редукторы судовых турбоагрегатов. -Л.: Судостроение, — 1975. С. 202-225.

68. Разработка рекомендаций на метод расчета соединительных зубчатых муфт: Отчет / ДНИ. Руководитель темы Г.А. Сапонджян. 73-122.; №ГР 64. 74047105; Инв. № б 399810. Донецк, 1974. - 77 с.

69. Разработка рекомендаций на метод расчета соединительных зубчатых муфт: Отчет / ДПИ. Руководитель темы В.М. Филлипов. Х-73-122.; №ГР 74047105; Инв. № Б 337629. Донецк, 1973. - 89 с.

70. Рекомендация. Метод расчета соединительных зубчатых муфт.—Донецк: Изд-во ДПИ, 1972.-61 с.

71. Робер А.И. Исследование зубчатых шпинделей прокатных станов. Дис. канд. техн. наук Свердловск, УПИ, 1972. - 229 с.

72. Решетов Д.Н. Детали машин: Учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов. — М.: Машиностроение, 1989. 496 с.

73. Саверин М.М. Контактная прочность материала в условиях одновременного действия нормальных и касательных нагрузок. —М.: Машгиз, 1945.-227с.

74. Справочник машиностроителя. Под ред. С.В.Серенсена. -М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1962. —464с.

75. А.И. Стажаров. Исследование контактной прочности бочкообразных зубьев зубчатых муфт и шпинделей. — Свердловск, УПИ, 1974. — 229 с.

76. Статика и динамика механизмов с зубчатыми передачами: Сб. статей под ред. М.Д. Генкина и Э.Л. Айрапетова. — М.: Наука, 1974. — 214 с.

77. Стаханов И.Д. К расчету бочкообразной формы зуба муфты: Конструирование и технология машиностроения. 1961. Вып. 1. — С. 91.

78. Стаханов И.Д. Зубчатая муфта с зубом эллиптической формы и пневмокамерным уплотнением // Вестник машиностроения, — 1962. — №8. -С. 12-15.

79. Тимофеев Г.А. Проектирование зубчатых передач и планетарных механизмов с использованием ЭВМ: Учебное пособие для курсового проектирования.-М.: Изд-во МГТУ, 1993,-56 с.

80. Тимофеев Г.А. Разработка методов расчета и проектирования волновых зубчатых передач для приводов следящих систем. Автореф. дис. док. техн. наук.-Москва, 1997. —32 с.

81. Тютрин С.Г. Разработка экспериментально-расчетного метода проектирования зубчатых муфт с бочкообразными зубьями. Автореф. дис. канд. техн. наук-Курган, 1993. -17 с.

82. Уткин Б.С. Исследования нагрузочной способности зубчатых шпинделей прокатных станов. Дис. канд. техн. наук — Курган, 1983. - 237 с.

83. Филиппов В.М., Финиченко В.А., Польченко В.В. и др. Аналитическое исследование геометрических параметров зацепления зубчатых муфт // Повышение надежности и долговечности горных машин: Сборник научных трудов, ДПИ, Донецк, 1972. - С. 121-128.

84. Хамзин К.И. Геометрические соотношения эвольвентного зубчатого зацепления зубчатых шпинделей и муфт // Конструирование и технология в тяжелом машиностроении: Труды УПИ, №141, Свердловск, 1965. - С. 34—40.

85. Шульц В.В. Геометро-энергетическая теория зубчатых зацеплений // Вестник машиностроения, 1990. - № 8. — С. 26-27.

86. Шульц В.В. и др. Опыт применения двухэвольвентных зубчатых передач // Известия ВУЗов. Машиностроение, — 1983. № 4. - С. 20-22.

87. Элынтейн Л.Б. Конструкция и расчет шлицевых муфт для передачи мощности в авиадвигателях в условиях перекоса осей соединяемых агрегатов. Автореферат канд. техн. наук.- М., — 1950. 22 с.

88. Decker К.Н. Maschinenelemente: Gestaltung und Berechnung. — Munchen; Wien; Hanser, 1992. - 631 s.159