автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Теоретические основы проектирования низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов

На правах рукописи

Лукин Евгений Владимирович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НИЗКОСКОРОСТНЫХ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ СПИРОИДНЫХ РЕДУКТОРОВ

Специальность 05.02.02 «Машиноведение, системы приводов и детали машин»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005546870 Ижевск 2013

005546870

Диссертация выполнена в ФГБОУ ВЦО «Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова» (г. Ижевск)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки РФ и УР, доктор технических наук, профессор Гольдфарб Вениамин Иосифович

Лопатин Борис Александрович доктор технических наук, профессор, филиал ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» в г. Златоуст, заведующий кафедрой «Техническая механика»

Ведущая организация:

Плеханов Федор Иванович доктор технических наук, профессор, Глазовский инженерно-экономический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова», директор

Группа предприятий «Редуктор», (ОАО «Редуктор») г. Ижевск

Защита состоится «20» декабря 2013 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.01 ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова» по адресу: 426069, Удмуртия, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 7, ИжГТУ, корп. 5.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова».

Отзывы на автореферат в 2 экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Электронная версия автореферата размещена на официальном сайте Министерства образования и науки Российской Федерации.

Автореферат разослан« » ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор /fr/s „у? Щенятский A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из важных областей применения зубчатых передач являются приводы, работающие при низких скоростях и высоких нагрузках и применяемые, например, в грузоподъемных механизмах, а также для управления трубопроводной арматурой и во многих других случаях. Многообразие таких приводов и применяемых в них передач определяется различными условиями их эксплуатации и различными по исполнению и функциональному назначению объектами, на которые они устанавливаются.

Последние годы все большее применение в указанных приводах, находят спироидные передачи, появившиеся в 50-х годах прошлого столетия и занявшие свое прочное место среди других разновидностей гиперболоидных передач благодаря присущим им достоинствам геометрии и кинематики их зацепления. Высокую степень нагруженности указанных изделий можно охарактеризовать двумя параметрами: повышенными удельными контактными давлениями в зацеплении и малой удельной массой. Уровень удельных контактных давлений в зацеплении составляет 1600 МПа и более. Удельная масса в лучших образцах составляет менее 0,01 кг/Нм (для редукторов общемашиностроительно применения удельная масса находится в диапазоне 0,1...0,15 кг/Нм).

При достаточно большом количестве исследований, выполненных в области спироидных передач и редукторов в нашей стране в работах Н. С. Голубкова, А. К. Георгиева, В. И. Гольдфарба, А. С. Кунивера, В. Н. Алферова, Е. С. Трубачева, В. А. Шубина, В. А. Ганыыина, С. В. Езерской, Д. В. Кошкина, С. Д. Маньшина, В. А. Модзелевского, А. М. Фефера и других, а также за рубежом О. Saari, W. D. Nelson, V. Bolos, F. Litvin, D. Su и других, вопросам проектирования низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов ранее уделялось весьма небольшое внимание.

Сравнительная компактность спироидных редукторов и стремление удовлетворить требованиям возможно большего числа потребителей обусловливают высокую степень нагруженности практически всех элементов их конструкции. С этим связано появление при проектировании редукторов множества ограничений компоновочного и технологического характера. К настоящему времени рациональные конструкции как редукторов в целом, так и их узлов сформировались либо эвристическим путем, либо в результате накопления опыта проектирования, изготовления, испытаний и эксплуатации изделий, что связано с избыточными затратами времени и материальных ресурсов. Формализация этого опыта и создание научной основы проектирования редукторов позволит повысить качество изделий и расширить области их практического применения, являются весьма актуальными.

Областью исследования в настоящей работе является теория и методы проектирования машин и механизмов, систем приводов, узлов и деталей машин.

Объектом исследования являются низкоскоростные тяжелонагруженные спироидные редукторы.

Предмет исследования - процессы проектирования, методы расчетов и модели указанных редукторов.

Цель работы заключается в повышении технико-экономических показателей низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов путем усовершенствования методологии проектирования и выбора рациональных параметров элементов их конструкций.

Для достижения данной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Выполнить анализ условий работы и требований, предъявляемых к низкоскоростным тяжелонагруженным редукторам, обосновать целесообразность применения спироидных передач в этих редукторах, выполнить критический анализ традиционной методологии и накопленного опыта проектирования указанных редукторов.

2. Формализовать задачи проектирования элементов низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов трубопроводной арматуры (ТПА) - узлов червяка, колеса, корпусных деталей: определить исходные данные для их проектирования, критерии оценки, предложить и оценить рациональные варианты конструкций.

3. Разработать систему прямых и обратных связей, в том числе ограничений, ' возникающих при проектировании.

4. Разработать математические модели конструктивных и технологических ограничений, возникающих при проектировании спироидных редукторов.

5. Разработать конструкции низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов ТПА нового поколения.

6. Разработать правила построения системы автоматизированного проектирования (САПР) низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов ТПА.

Методы исследования. Для решения поставленных в исследовании задач использовались апробированные методы основы конструирования и проектирования, расчетов деталей машин, теории графов, теории множеств, теории зубчатых зацеплений, а также компьютерное моделирование.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций доказывается корректным применением методов и широко апробированных инструментов проектирования зубчатых передач, нагруженных элементов конструкций, методов аналитической геометрии, теории графов и теории множеств, а также систематизацией опыта проектирования, испытаний и эксплуатации редукторов.

Обоснованность и действенность разработанной методологии подтверждается улучшением основных технических и технико-экономических показателей редукторов. Научная новизна.

1. На основании анализа традиционного подхода к созданию редукторов выявлены факторы, сдерживающие производительность и качество их проектирования.

2. Формализована методология проектирования рациональных конструкций низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов, отличающаяся от традиционной усовершенствованной структурой и включающая в себя:

- упорядоченную систему задания исходных данных, которая соответствует наибольшему числу вариантов применения редуктора для различных постановок задач проектирования и при этом включает в себя: варианты нагрузочных и скоростных характеристик на входном и выходном валах, варианты и характеристики соединений с другими элементами привода на входном и выходном валах, варианты использования в виде отдельного редуктора и в составе многоступенчатого редуктора и т. д.;

- современные достижения в области проектирования и исследования передач и редукторов в целом.

3. Разработаны обратные связи и ограничения конструктивного и технологического характера, основанные на условиях геометрического непересечения деталей редуктора между собой, а также деталей редуктора и технологических элементов, сформулированные в виде рекомендаций по выбору значений параметров.

4. Разработана инвариантная по отношению к постановке задачи модель процесса проектирования низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов, в которой исходные данные, критерии оценки и варьируемые параметры не зависят от постановки задачи проектирования, а определяют пространство признаков, позволяя начать проектирование, обладая любым их набором.

5. Разработаны правила построения САПР низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов ТПА

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Предложены рациональные конструкции низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов приводов трубопроводной арматуры и их узлов, отличающиеся высокими техническими и технико-экономическими характеристиками.

2. Предложены рекомендации по рациональному выбору параметров редукторов с учетом постановки задачи проектирования, схемы их конструктивного исполнения, сформулированных ограничений конструктивного и технологического характера.

3. Построены типоразмерные ряды многооборотных и четвертьоборотных низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов приводов трубопроводной арматуры, наиболее полно отвечающие потребностям рынка трубопроводной арматуры.

4. Внедрены в серийное производство наукоемкие, конкурентоспособные низкоскоростные тяжелонагруженные спироидные редукторы ТПА, востребованные промышленностью.

На защиту выносятся: 1. Усовершенствованная методология процесса рационального проектирования низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов.

2. Рациональные конструкции и типоразмерные ряды низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов ТПА.

Результаты работы внедрены в практику проектирования и исследования низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов в Институте механики ИжГТУ. На основе предложенных рациональных конструкций на предприятии ООО "Роспривод" изготовлены и испытаны образцы низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов приводов трубопроводной арматуры.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены: на первом форуме молодых ученых в рамках международного форума "Качество образования" в г. Ижевске в 2008 г.; на научно-технической конференции «Теория и практика зубчатых передач и редукторостроения» в г. Ижевске в 2008 г.; на республиканском конкурсе инновационных проектов «УМНИК» в 2011 г.; на международной научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы -2013»

Публикации. Результаты работы изложены в 6 научных работах, из которых 4 опубликованы в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 163 наименования, и приложения. Работа изложена на 149 страницах и содержит 67 рисунков и 28 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и поставлены задачи исследования, представлены научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе характеризуется область применения и требования, предъявляемые к низкоскоростным тяжелонагруженным спироидным редукторам. Основным объектом эксплуатации редукторов при указанных условиях работы является трубопроводная арматура. Режим нагружения и условия эксплуатации характеризуются низкими скоростями вращения валов (обычно не превышают 150 об/мин), сравнительно редкими (ПВ 25%) и непродолжительными (не более нескольких минут) включениями и наличием периода значительного (до 50.. .500%) возрастания нагрузки.

Приведенные на рисунке 1 графики изменения вращающего момента T=j{t) показаны пунктирными линиями. Для проектных расчетов эти графики заменяют упрощенными циклограммами, содержащими участки длительно действующего вращающего момента Тср, среднего за период оперирования при открытом (при приоткрытом) проходе и участки кратковременно действующих моментов Т1акр,макс. и Тоткрмаа:. При этом величина TomKp..vaKC. является определяющей для выбора типоразмера редуктора.

В практике применения редукторов для различных запорных узлов встречаются различные требования к ресурсу — от 3000 до 15000 циклов. Кроме вращающих-моментов,- действующих в процессе работы арматуры, для

редукторов регламентируют предельные статические перегрузочные моменты, которые могут возникнуть при различного рода нештатных ситуациях (упирание выходного вала редуктора в ограничивающие механические упоры, заклинивание арматуры и т. п.). Обычно регламентируется, что предельные статические моменты превышают Гот(у) „жс в 1,5...2 раза.

ая„

Т„г ' Г„

«а» с ольфнакс

К -/„

а) четвертьоборотный редуктор

б) многооборотный редуктор

Рисунок 1. Типовая циклограмма нагружения выходного вала редуктора

Далее рассматриваются спироидные передачи и перспективы их применения в низкоскоростных тяжелонагруженных редукторах. Отмечено, что большой коэффициент перекрытия, большие значения приведенных радиусов кривизны, благоприятное расположение контактных линий и меньшие (чем в червячных передачах) скорости скольжения обеспечивают большие нагрузочную и перегрузочную способность и износостойкость передачи, а в сочетании с возможностью изготовления обоих звеньев передачи (червяка и колеса) из стали, термически обработанной до высокой поверхностной твердости, заметно усиливают эти достоинства.

Рассмотрена традиционная методология проектирования редукторов, достаточно подробно описанная В. И. Анурьевым, П. И. Орловым, Д. Н. Решетовым, П. Ф. Дунаевым, О. П. Леликовым и другими авторами. Основные её недостатки заключаются в следующем:

1. Традиционное задание исходных данных ориентировано на разработку изделий под ограниченное число вариантов использования, что приводит к появлению специализированных изделий и необходимости изготовления промежуточных деталей для их адаптации под иные применения или появлению очередных специализированных изделий.

2. Процедура проектирования однозначно определена достаточно жестким заданием исходных данных и не допускает перестройки при ином, отличном от традиционного, их задании.

3. Отсутствие моделей, связывающих ограничения конструктивного и технологического характера, возникающих при проектировании редукторов с параметрами компоновки проектируемого редуктора, учет которых на ранних стадиях проектирования позволил бы сузить область поиска рациональных вариантов конструкций и повысить производительность и качество проектирования.

4. В основу известных, широко распространенных инженерных методов проектирования редукторов положены устаревшие подходы к синтезу зацеплений без учета факторов, действующих в реальном производстве и эксплуатации редукторов.

В последнем параграфе показаны первые конструкции спироидных редукторов ТПА, созданные на основе традиционной методологии проектирования, рассмотрены недостатки указанных конструкций. В конце главы более подробно рассмотрены задачи работы.

Во второй главе на основе анализа эволюции низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов и развития системы их оценок предлагаются рациональные конструкции узлов червяка и колеса и корпусных деталей.

Основными исходными данными для проектирования узлов червяка и колеса являются: размеры передачи и её звеньев, а также силы в зацеплении. К дополнительным требованиям следует отнести параметры стандартных комплектующих, применение которых возможно в конкретных условиях.

Для спироидного червяка могут быть реализованы три схемы: с разнесенными опорами, расположенными по разные стороны зубчатого венца колеса (рисунок 2а); с разнесенными опорами и размещением одной из них в районе межосевой линии передачи (рисунок 26); с консольным расположением червяка (рисунок 2в). На рисунке 3 приведены примеры конструктивной реализации, соответствующие рисунку 2.

Среди этих реализаций рациональной по критериям, представленным в таблице 1, считается схема с червяком, одна из опор которого расположена в районе межосевой линии передачи. Такая схема (рисунок 361 и рисунок 362) в сравнении с приведенными на рисунках За и Зв обладает повышенной жесткостью червяка, позволяет сделать червяк более коротким и сократить число деталей узла червяка.

Рисунок 2. Варианты схем расположения подшипниковых опор червяка

Главной особенностью указанной схемы, которую необходимо учитывать при проектировании, является наличие большого числа ограничений компоновочного характера, обусловленных, главным образом, пересечениями конструктивных элементов опоры в районе межосевой линии с деталями редуктора.

Для спироидного колеса можно реализовать три схемы, конструктивная реализация которых приведена в таблице 2: с разнесенными опорами (ступица колеса выполнена совместно с венцом колеса) — варианты А и Б, с

неразнесенными опорами (ступица колеса выполнена раздельно с венцом колеса) - варианты В и Д2 и плоское колесо - варианты Г, Д1 и Е.

Рисунок 3. Пример конструктивной реализации схемы расположения подшипниковых опор червяка

Таблица 1. Сравнение конструктивных реализаций схем расположения опор червяка по критериям сравнения ___

Тип редуктора Вариант на рисунке КИМ (заготовка -круглый прокат) Количество деталей в узле червяка Площадь обрабатываемых поверхностей элементов корпуса узла червяка, мм2 Стоимость подшипников, руб Масса червяка без подшипников, кг

Четвертьоборотный Рис. За 0,334 15 18319 250 1,2

Рис. 362 0,353 13 15261 300 1,2

Многооборотный Рис. За 0,396 15 22899 250 1,52

Рис. 361 0,445 12 11938 400 1,50 2,29

Рис. Зв 0,575 13 33628 600

Среди этих реализаций рациональными по критериям, представленным в таблице 3, считаются схемы: для четвертьоборотных редукторов с неразнесенными опорами - вариант Д2 в таблице 2, в котором полая ступица (выходной вал колеса) и зубчатый венец колеса разделены на две детали, между которыми вращающий момент передаётся с помощью шлицевого соединения; для многооборотных редукторов с плоским колесом - вариант Е в таблице 2, в котором число опор колеса удаётся сократить до двух.

Преимуществом этих вариантов являются максимальная компактность и максимальное сокращение количества опор. Однако обычно применение этих вариантов сопряжено со сложностями компоновочного характера.

Таблица 2. Варианты схем расположения подшипниковых опор спироидных колес и конструкций узла колеса четвертьоборотных и многооборотных

Исходными данными для проектирования корпусных деталей являются размеры элементов узлов червяка и колеса, реакции подшипниковых опор и материал корпуса. Корпусные детали спироидных редукторов ТПА (таблица 4) по своей исходной форме представляют собой сочетание двух полых цилиндров, в каждом из которых имеются группы соосных друг другу поверхностей - под узел колеса (основная часть корпуса) и узел червяка (горловина). Главным признаком, определяющим конфигурацию корпусных деталей является положение разъёма: по плоскости, содержащей ось червяка (А

в таблице 4), или по присоединительной плоскости выходного фланца -основания (Б...Е в таблице 4).

Вариант исполнения узла колеса определяет форму корпуса. В случаях колес, выполненных заодно со ступицей (А, Б и В в таблице 4), или колес, базирующихся на разделенной ступице - валу (Д в таблице 4), верхнюю часть корпуса рационально выполнять куполообразной (Б и В в таблице 4). В случаях, когда колесо выполняется без ступицы (Г в таблице 4) или полностью базируется в корпусе (Е в таблице 4), передавая вращающий момент валу-переходнику, базирующемуся на штоке арматуры, подходящей и более компактной является практически плоская форма корпуса (Г, Д и Е в таблице 4). Предназначение редуктора для работы в многооборотном или четвертьоборотном режимах обусловливает наличие или отсутствие в конструкции корпусов следующих элементов: приливов и резьбовых отверстий в них для ограничителей поворота (упоров) выходного вала редуктора (В и Е в таблице 4); присоединительных элементов (плоскости и отверстий под крепёж) для защитного кожуха выдвижного шпинделя (Б, Г и Д в таблице 4).

Таблица 3. Сравнение конструктивных реализаций схем расположения опор колеса по критериям сравнения __

Тип редуктора Вариант в таблице 2 КЙМ (заготовка -круглый прокат) Стоимость подшипников, руб Количество деталей в узле колеса Площадь обрабатываемых поверхностей элементов корпуса узла колеса, мм2 Масса колеса без подшипников, кг

Четвертьоборотный А2 0,242 0 28 106863 5,98

Б 0,21 900 30 55082 5,6

Д2 0,33 500 22 42184 4,39

Многооборотный А1 0,22 0 21 81444 9,43

Г 0,337 1925 20 134979 5,5

Е 0,328 600 20 61801 м

Критериями сравнения вариантов конструкции корпуса являются: масса детали, КИМ, площадь обрабатываемых поверхностей (в таблицах 3 и 4). Согласно этому среди приведенных в таблице 3 конструкций корпусов следует считать наиболее перспективными: Д (таблица 4) - для четвертьоборотных; Е (таблица 4) - для многооборотных редукторов. Процесс выбора тех или иных конструктивных решений происходит параллельно с оценкой их нагруженности, для получения которой использован метод конечных элементов, что позволило рационально размещать конструктивные элементы корпуса, такие как ребра жесткости, крепежные отверстия, приливы.

Наряду с рассмотренными конструктивными реализациями узлов редуктора во второй главе приводятся и сравниваются различные конструкции

низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов ТПА по поколениям.

Приведенные во второй главе рекомендации по конструктивному исполнению узлов редуктора учтены при разработке конструкций редукторов 3-го поколения. Результаты сравнения удельных масс редукторов различных поколений показаны на рисунке 4. Как видно из таблиц 1 и 3, а также рисунка 4, редукторы 3-го поколения имеют заметный выигрыш по важнейшему показателю - удельной массе.

Таблица 4. Конструкции корпусов спироидных редукторов ТПА

Разрез по оси колеса

Разрез по оси червяка

В третьей главе описывается методология проектирования низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов, которая стала обобщением накопленного опыта их проектирования, производства и испытаний. Основные направления этого развития связаны с:

формулированием постановки задачи проектирования; упорядочиванием системы задания исходных данных; использованием современных методов анализа и синтеза зацепления и элементов конструкций; формализацией прямых и обратных связей, компоновочных и технологических ограничений.

Формулируя постановки задачи, можно выделить два варианта:

а) проектирование, направленное на создание новых образцов редукторов, способных в большей степени удовлетворить потребности рынка;

б) модификация существующих редукторов для улучшения уже имеющихся образцов редукторов, в том числе наделения их новыми свойствами.

*П^2микс

т/Т2.

300 1000 2000 2700 4000 6000 8000 11200 16000 18000 20000 Т2швх

Нм

а)

1-е поколение

2-е поколение

3-е поколение

1000

2500

6500

10000

14000

б)

Т2макс

Нм

Рисунок 4. Сопоставление удельной массы спироидных редукторов трех поколений: а - четвертьоборотные редукторы; б - многооборотные редукторы

Распространёнными примерами постановки б) являются: расширение набора присоединений на входном или выходном валах; расширение диапазона передаточных отношений; улучшение массо-габаритных параметров редуктора благодаря появлению новых конструктивных и технологических возможностей;

улучшение технико-экономических параметров редуктора; изменение технических требований к редукторам и их элементам.

Основным отличием при проектировании в обоих случаях будет то, что во втором случае (постановка задачи «б») все проектирование будет направлено на внесение необходимых изменений в конструкцию при достижении требуемых характеристик редуктора. Указанные постановки задач проектирования могут определять различные наборы исходных данных и несколько разные критерии оценки проектного решения. Например, в постановке б) превалирующее значение будут иметь те оценки, которые связаны с желаемым улучшением существующей конструкции, а многие из оценок постановки а) - массо-габаритные и нагрузочные параметры, КПД -могут формулироваться в виде ограничений, ниже которых нельзя опускаться в проектном решении. Однако в постановке б) набор ограничений может быть не только расширен (что представляется естественным: обычно здесь проектировщик стремится сохранить конструктивную преемственность в большей степени), но и сужен — например, в связи с появлением новых конструктивных и технологических возможностей. Таким образом, для постановок а) и б) обычно различными являются и наборы ограничений при проектировании.

Определение исходных данных. Все параметры, являющиеся исходными данными, можно разбить на нижеследующие группы.

1. Нагрузочные характеристики на входном и выходном валах. Максимальный вращающий момент (диапазон максимальных моментов) на выходном валу задаётся явно и обычно согласуется с тем или иным рядом применяемых в отрасли (на предприятии-потребителе редуктора) фланцевых соединений. На входном валу вращающий момент обычно явно не задаётся, а известными оказываются диапазоны вращающих моментов возможных электроприводов или допустимые усилия управления на маховиках ручного управления.

2. Скоростные характеристики. Сюда необходимо отнести минимально и максимально допустимое время управления приводимым устройством и диапазон частот вращения применяемых приводов. Следствием задания исходных данных по пунктам 1 и 2 является определение диапазона передаточных отношений редуктора, который в свою очередь должен включать в себя вариант использования не только в качестве самостоятельного изделия, но и возможности его применения в качестве модуля многоступенчатого привода. В передачах червячного типа и в спироидных, в особенности, передаточное отношение в меньшей степени влияет на размеры звеньев, чем в других передачах, что позволяет проектировать редуктор, сохраняя его габаритные размеры при широком диапазоне передаточных отношений.

3. Размерные характеристики вариантов присоединений на входном и выходном валах редуктора. К ним относятся присоединительные параметры, заданные в виде дискретных значений в зависимости от необходимых вариантов присоединений, например, по ОСТ и/или ISO, но не ограничиваясь ими.

Таким образом, в отличие от традиционной методологии, принципиальным является проектирование редуктора не под какие-то конкретные условия работы, а под целый диапазон передаточных отношений (в том числе возможность применения редуктора в качестве модуля многоступенчатого привода), моментов на входном и выходном валах редуктора, присоединительных размеров на входном и выходном валах редуктора, частот вращения электропривода, усилий ручного управления, что в частности оказывает влияние на принимаемые значения расчетных величины, а в ряде случаев и на принятые ранее значения некоторых величин.

Последовательность выполнения этапов проектирования структурирована и выражена в схеме, изображённой на рисуноке 5.

Рисунок 5. Схема связей межу этапами проектирования редуктора

Данная схема является конкретизацией и современным развитием традиционной структуры проектирования передачи и редуктора в целом, сделанной с учетом накопленного опыта проектирования, в частности, генерирование... вариантов рациональных конструктивных решений узлов

редукторов (именно по этой причине в предыдущей главе рассмотрены примеры таких конструктивных решений, их качественные и количественные характеристики). Обратное тоже верно: условием реализации удачных решений узлов в единой компактной и конкурентоспособной конструкции является рациональное выстраивание этапов проектирования и связей между ними - по примеру схемы, изображённой на рисунок 5. Отличием предложенной схемы проектирования от традиционной структуры проектирования является: наличие дополнительных задач проектирования, встроенных в структуру процесса проектирования; наличие большего числа прямых и обратных связей между этапами проектирования. В работе приведены примеры использования схемы связей в зависимости от постановки задачи.

В главе приводятся примеры реализации прямых и обратных связей. Прямые связи означают, что выходные данные, полученные на этапе, являются исходными для последующего этапа. Обратные связи являются зависимостями или рекомендациями, применение которых необходимо для корректировки неудовлетворительного результата, например:

- в число данных связи 2 входят диапазоны передаточных отношений, а обратной связью к пункту 1 (связь 3) являются рекомендации по их корректировке согласно требованию максимальной унификации зуборезного инструмента;

- в связях 4 и 6 подразумевается корректировка параметров схемы передачи для возможности размещения опоры червяка.

В процессе проектирования редуктора проектировщик сталкивается с конструктивными и технологическими ограничениями, на основе которых могут быть построены обратные связи. Формально конструктивные ограничения - это условия непересечения элементов редуктора между собой, а технологические — условия непересечения технологических элементов с обрабатываемыми деталями или ограничения оборудования. В подавляющем большинстве случаев условием непересечения элементов конструкций или технологических элементов является условие непересечения двух цилиндров (рисунок 6), описываемое с помощью следующих уравнений и неравенств:

- при В2>0 (рис. 56) / <4-4% У2 <^-В2,(у-аи)2+В2 (1)

4 4 4

- при < 0 и 5/ > 0 (рис. 5в) у =^--В2, -Я, <г<0, (у-а„)2 =—; (2)

4 4

- при В2 < 0 и 5/ < 0 (рис. 5г) 4 +с12 *ам>. (3)

Примерами могут быть пересечения: вала колеса и опоры червяка,

расположенной в области зубчатого венца колеса 1 (или тела червяка) (рисунок 6в, рисунок 6г и рисунок 6д), опоры червяка, расположенной в области зубчатого венца колеса и плоскости венца колеса 2 (рисунок 66), упорного подшипника скольжения колеса и упоров 3 (рисунок 66 и рисунок 6д) и т. д. Приведенные уравнения и неравенства соответствуют пространственному расположению элементов ортогональной спироидной передачи и всех зависящих от них элементов конструкции. Отсутствие действительных корней уравнения, свидетельствует об отсутствии их геометрического пересечения.

В ряде конструкций многооборотных редукторов встречается еще один вид ограничения - пересечение трех цилиндров (рисунок бе), которое возникает, например, в результате пересечения упорного подшипника скольжения 1 (рисунок 6ж) со ступицей колеса 2 и с внутренним цилиндром венца 3, описываемый следующим уравнением и решается итерационно:

е ж

Рисунок 6. Модель пересечения двух цилиндрических тел: а - общий вид; б, в и г - частные случаи пересечения; д и ж - пример пересечений в конструкциях; е - пересечение трех цилиндров

Выражения 1 - 4 устанавливают расчетные связи между ограничениями конструктивного и технологического характера и размерами конструктивных элементов. Применение их в таком виде позволяет получать конструктивно реализуемые варианты в максимально компактных конструкциях, или не рассматривать нерациональные варианты конструкций на ранних стадиях проектирования.

Автоматизация проектных расчетов. Использование предложенных обратных связей и конструктивных и технологических ограничений существенно уменьшает, но не исключает полностью количество итераций, что делает актуальной задачу создания системы автоматизированного проектирования. Реализацией новой методологии автоматизированного

проектирования редукторов будет преобразование множеств параметров и критериев оценки в единое множество признаков, характеризующее рассматриваемый класс редукторов. В предлагаемой методологии любой из этих признаков может быть задан на начальном этапе проектирования, а оставшиеся будут считаться недоопределенными. При этом количество элементов множества признаков оказывается большим, чем суммарное количество элементов множества параметров и критериев, поскольку указанное множество однозначно описывает конструктивное решение. Все признаки и связи между ними могут быть представлены в таблице или в виде графовой модели (рисунок 7).

В указанном графе присутствует два типа вершин - вершины-признаки и вершины под названием «расчет»; значение первых описано выше, а вторые являются функциональными зависимостями этих признаков. Как видно из фрагмента (рисунок 7), часть признаков, относящихся к расчету передачи, относится также и к расчету подшипников червяка и колеса. И, следовательно, все расчеты, которые необходимо выполнить, можно объединить в один общий граф, который в свою очередь будет описывать не только процесс проектирования, но и будет являться математической (логической) моделью самого редуктора.

Описанная постановка задачи является более общей по сравнению с вышеприведенными (а и б, стр. 14) и инвариантной. При такой постановке задачи проектирования пользователь должен сам определить подмножество исходных признаков. Полученные множества прямых и обратных связей в результате построения графовой модели (или таблицы) являются предпосылками для автоматизации процесса проектирования современными методами, а именно синтеза новых конструкций (или модернизации

существующих) на основании переборных алгоритмов с использованием характеризационного анализа.

Для получения инвариантной относительно постановки задачи модели процесса проектирования, её необходимо доработать, как показано на следующем примере (рисунок 8). Для удобства рассмотрим небольшие графовые модели расчетов шпоночного соединения на срез и на смятие. На практике графовая модель расчетов редуктора на порядки сложнее. Обе модели имеют одинаковые признаки (действие 1), выделенные пунктиром. Стрелки указывают направление расчета, а вершины с названием «расчет» отображают формулы, по которым он производится. Вторым действием является объединение графов в один общий граф. Далее, для того, чтобы сделать модель расчета инвариантной по отношению к постановке задачи (т. е. для расчета могут быть заданы абсолютно любые признаки) вводятся дополнительные вершины с названием «расчет», которые будут подразумевать под собой обратные зависимости.

Рисунок 8. Пример преобразования графовой модели

Сформулированы следующие правила, положенные в основу построения САПР редукторов на базе предлагаемой методологии:

- получение множества признаков путем анализа возможных или уже известных вариантов схемных и конструктивных решений (см. выше) и с последующим экспертным опросом, позволяющим расширить множество значений выявленных признаков;

- ограничение области проектирования связано с учетом исходных данных и предложенных ранее конструктивных и технологических ограничений;

- построение графа, описывающего пространство всех признаков и взаимосвязей между ними, участвующих во всех расчетах.

Четвертая глава посвящена практической реализации рациональных конструкций четвертьоборотных и многооборотных редукторов. Даются практические рекомендации по производству, а также описаны типоразмерные ряды (рисунок 9) низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов приводов ТПА, созданные на основе изложенной выше методологии проектирования. Полученный эффект демонстрируется на рисунке 10 и рисунке 11 в сравнении с лучшими мировыми аналогами, в частности, в указанных редукторах масса ниже на 15% и более в зависимости от типоразмера.

и»;

т»

РЗА-С-ЗОО РЗА-С-1000

Г.___-ЗООНм Т..,_. - 1000 Нм

РЗА-С2-60М РЗА-Сг-11200 РЗА-С2-16000

г--= 8000 Нм Т___• 11200 Нм « 16000 Нм

РЗА-С-4000 Р ЗА-С-6000 Т_____■ 4000 Нм Т.__* 6000 Нм

РЗА-С2-20000 Т____- 20000 Нм

Щр

Ж

РЗА-С2-З2000 Т____- 32000 Нм

а) четвертьоборотные редукторы

РЗАМ-С-500 РЗАМ-С-1000 РЗАМ-С-2500 Т---ш 500 Нм Т__» 1000 Нм Т___* 2500 Нм

б) многооборотные редукторы Рисунок 9. Типоразмерные ряды никоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов приводов ТПА

макс

кг/Нм

300 1000 2000 4000 6000 8000 10000 16000 18000 20000 т2макс

Нм

Рисунок 10. Сопоставление удельной массы четвертьоборотных спироидных редукторов с зарубежными аналогами

т/Г2маКс кг/Нм

0,025 0,02 0.015 0,01

0.005.0

1000 2000 2500 8000 10000 11000 Т2макс

Нм

Рисунок 11. Сопоставление удельной массы многооборотных спироидных редукторов с зарубежными аналогами

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

К основным результатам настоящей диссертационной работы, целью которой является повышение технико-экономических характеристик низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов путем усовершенствования методологии проектирования и выбора рациональных параметров элементов их конструкций, относится следующее.

1. Показано, что для условий работы механизмов, в частности, приводов трубопроводной арматуры, характеризующихся низкими скоростями вращения и высокими нагрузками, предпочтительно применение спироидных передач благодаря особенностям геометрии и кинематики их зацепления.

2. В результате анализа имеющегося опыта проектирования редукторов показано, что традиционная методология не позволяет вести проектирование редуктора под весь спектр условий его применения, а также требует большого количества итераций, что делает актуальным задачу разработки новой, рациональной методологии проектирования редукторов.

3. Рассмотрены принципиальные варианты конструкции узлов вала червяка, вала колеса и корпусных деталей. Выделены критерии их оценки, присущие им достоинства И недостатки. Предложены рекомендации по рациональному выбору конструкций указанных узлов спироидных редукторов с учетом условий их нагружения и функционирования в приводах ТПА и необходимости обеспечения их высоких технико-экономических показателей.

4. Предложено развитие методологии проектирования редукторов, связанное с:

- рациональным определением исходных данных с учетом разнообразия вариантов возможного применения редукторов;

— возможностью выстраивать структуру процесса проектирования в зависимости от сформулированной постановки задачи проектирования;

— введением обратных связей в виде рекомендаций по корректировке параметров и расчетных зависимостей, построенных на основе ограничений конструктивного и технологического характера.

5. Разработаны математические модели конструктивных и технологических ограничений, основанные на условиях геометрического непересечения деталей редуктора, а также деталей редуктора и технологических элементов.

6. На основании новой методологии предложены правила по построению системы автоматизированного проектирования низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов трубопроводной арматуры, инвариантной по отношению к постановке проектной задачи. Показано, что независимость от постановки задачи проектирования достигается как за счет более полной формализации процесса проектирования, так и за счет построения прямых и обратных связей между признаками (параметрами, составляющими модель процесса проектирования), что позволяет начать проектирование, обладая любым набором исходных признаков.

7. На основе тенденций стандартизации и сертификации в отрасли, построены типоразмерные ряды многооборотных и четвертьоборотных низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов приводов трубопроводной арматуры, наиболее полно отвечающие потребностям арматуростроительной промышленности в указанных редукторах.

8. Разработаны конструкции спироидных редукторов нового поколения, конкурентоспособные на рынке редукторов приводов трубопроводной арматуры, имеющие высокие технико-экономические показатели сравнительно с лучшими мировыми образцами.

Результаты работы внедрены в практику проектирования и исследования спироидных редукторов в Институте механики ИжГТУ им. М.Т. Калашникова и в учебный процесс магистерской подготовки на кафедре КТПМП ИжГТУ им. М.Т. Калашникова. Разработанные редукторы приводов трубопроводной арматуры серийно производятся ООО "Роспривод", где они прошли многократную экспериментальную проверку и успешно применяются на многих объектах различных отраслей промышленности.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

Монография:

1. Гольдфарб В.И. Спироидные редукторы трубопроводной арматуры / В.И. Гольдфарб, Д.В. Главатских, Е.С. Трубачев, А.С. Кузнецов, Е.В. Лукин, Д.Е. Иванов, В.Ю. Пузанов - М.: Вече, - 2011. - 222 с.

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

2. Кузнецов, А.С. К вопросу оптимизационного проектирования спироидных редукторов трубопроводной арматуры / А.С. Кузнецов, Е.В. Лукин // Интеллектуальные системы в производстве. - 2011. - №2. - 121 - 126 с.

3. Лукин, Е.В. Особенности конструирования подшипниковых опор червяков спироидных и неортогональных червячных редукторов приводов трубопроводной арматуры / Е.В. Лукин, В.Ю. Пузанов // Интеллектуальные системы в производстве. - 2011. - №2. - 126 - 135 с.

4. Малина, О.В. Построение модели оптимизации процесса проектирования низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов трубопроводной арматуры (ТПА) / О.В. Малина, Е.В. Лукин, О.Ф. Валеев // В мире научных открытий. - 2012.-№1.- 134- 153 с.

Другие публикации:

5. Lukin, E.V. Statement of the task when designing spiroid gearboxes for valve drives / Lukin, E.V. // First Forum of Young Researchers. In the framework of International Forum "Education Quality - 2008". - Izhevsk: Publishig House of ISTU, - 2008.-348 p.

6. Кузнецов, A.C. Особенности проектирования специальных редукторов трубопроводной арматуры / А.С. Кузнецов, Е.В. Лукин, Д.Е. Иванов // Теория и практика зубчатых передач и редукторостроения: сб. докладов научно-техн. конф. с международным участием. - Ижевск: ИжГТУ, - 2008. - 245 - 256 с.

ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет

имени М. Т. Калашникова»

На правах рукописи

04201455925

Лукин Евгений Владимирович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НИЗКОСКОРОСТНЫХ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ " СПИРОИДНЫХ РЕДУКТОРОВ

Специальность 05.02.02 - «Машиноведение, системы приводов и

детали машин»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ и УР д-р техн. наук, профессор В.И. Гольдфарб

Ижевск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение.............................................................................. 4

1. Низкоскоростные тяжелонагруженные спироидные редукторы....... 11

1.1. Характеристика области применения низкоскоростных тяжелонагруженных редукторов и требования, предъявляемые

к ним..................................................................................................................................................11

1.2. Спироидные передачи и перспективы их применения в низкоскоростных тяжелонагруженных редукторах..............................21

1.3. Традиционная методология проектирования редукторов................26

1.4. Опыт проектирования низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов трубопроводной арматуры............................36

1.5. Задачи работы............................................................................................................................40

2. Перспективные конструкции низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов и их узлов......................................... 42

4.1. Рациональное проектирование узла червяка и узла колеса................................................................................ 42

4.2. Рациональное проектирование корпусных деталей................. 60

4.3. Конструкции низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов ТПА.................................................. 68

3. Методология проектирования низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов........................... 85

3.1. Особенности формулирования постановки задачи и анализа исходных данных........................................................... 85

3.2. Последовательность выполнения этапов проектирования и система связей между ними.............................................. 92

3.3. Автоматизация проектных расчетов................................... 114

4. Некоторые аспекты производства спироидных редукторов

трубопроводной арматуры..............................................................................................................120

4.1. Построение типоразмерных рядов..........................................................................120

4.2. Аспекты производства спироидных редукторов трубопроводной арматуры..............................................................................................125

Заключение......................................................................................................................................................139

Библиографический список............................................................................................................142

Приложения......................................................................................................................................................159

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важных областей применения зубчатых передач являются приводы, работающие при низких скоростях и высоких нагрузках и применяемые, например, в грузоподъемных механизмах, для управления трубопроводной арматурой и во многих других случаях. Многообразие таких приводов и применяемых в них передач определяется различными условиями их эксплуатации и различными по исполнению и функциональному назначению объектами, на которые они устанавливаются.

Последние годы все большее применение в указанных приводах находят спироидные передачи, появившиеся в 50-х годах прошлого столетия и занявшие свое прочное место среди других разновидностей гиперболоидных передач благодаря присущим им достоинствам геометрии и кинематики их зацепления. Высокую степень нагруженности указанных изделий можно охарактеризовать двумя параметрами: повышенными удельными контактными давлениями в зацеплении и малой удельной массой. Уровень удельных контактных давлений в зацеплении составляет 1600 МПа и более. Удельная масса в лучших образцах составляет менее 0,01 кг/Нм (для редукторов общемашиностроительного применения удельная масса находится в диапазоне 0,1...0,15 кг/Нм).

При достаточно большом количестве исследований, выполненных в области спироидных передач и редукторов в нашей стране в работах Н. С. Голубкова, А. К. Георгиева, В. И. Гольдфарба, А. С. Кунивера, В. Н. Анферова, Е. С. Трубачева, В. А. Шубина, В. А. Ганьшина, С. В. Езерской, Д. В. Кошкина, С. Д. Маньшина, В. А. Модзелевского, А. М. Фефера и других, а также за рубежом О. Saari, W. D. Nelson, V. Bolos, F. Litvin, D. Su и других, вопросам проектирования низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов ранее уделялось весьма небольшое внимание (например, [5, 11]).

Сравнительная компактность спироидных редукторов и стремление удовлетворить требованиям возможно большего числа потребителей обусловливают высокую степень нагруженности практически всех элементов

4

их конструкции. С этим связано появление при проектировании редукторов множества ограничений компоновочного и технологического характера. К настоящему времени рациональные конструкции как редукторов в целом, так и их узлов сформировались либо эвристическим путем, либо в результате накопления опыта проектирования, изготовления, испытаний и эксплуатации изделий, что связано с избыточными затратами времени и материальных ресурсов. Формализация этого опыта и создание научной основы проектирования редукторов, позволяющие повысить качество изделий и расширить области их практического применения, являются весьма актуальными.

Областью исследования в настоящей работе является теория и методы проектирования машин и механизмов, систем приводов, узлов и деталей машин.

Объектом исследования являются низкоскоростные

тяжелонагруженные спироидные редукторы.

Предмет исследования - процессы проектирования, методы расчетов и математические модели, применяемые при проектировании указанных редукторов.

Цель работы заключается в повышении технико-экономических показателей низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов путем усовершенствования методологии проектирования и выбора рациональных параметров элементов их конструкций.

Для достижения данной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Выполнить анализ условий работы и требований, предъявляемых к низкоскоростным тяжелонагруженным редукторам, обосновать целесообразность применения спироидных передач в этих редукторах, выполнить критический анализ традиционной методологии и накопленного опыта проектирования указанных редукторов.

2. Формализовать задачи проектирования элементов низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов трубопроводной арматуры (ТПА)

- узлов червяка, колеса, корпусных деталей: определить исходные данные для их проектирования, критерии оценки, предложить и оценить рациональные варианты конструкций.

3. Разработать прямые и обратные связи, в том числе ограничения, возникающие при проектировании.

4. Разработать математические модели конструктивных и технологических ограничений, возникающих при проектировании спироидных редукторов.

5. Разработать конструкции низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов ТПА нового поколения.

6. Разработать правила построения системы автоматизированного проектирования (САПР) низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов ТПА.

Методы исследования. Для решения поставленных в исследовании задач использовались апробированные методы основы конструирования и проектирования, расчетов деталей машин, теории графов, теории множеств, теории зубчатых зацеплений, а также компьютерное моделирование.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций доказывается корректным применением методов и широко апробированных инструментов проектирования зубчатых передач, нагруженных элементов конструкций, методов аналитической геометрии, теории графов и теории множеств, а также систематизацией опыта проектирования, испытаний и эксплуатации редукторов.

Обоснованность и действенность разработанной методологии подтверждается улучшением основных технических и технико-экономических показателей редукторов.

Научная новизна.

1. На основании анализа традиционного подхода к созданию редукторов выявлены факторы, сдерживающие производительность и качество их проектирования.

2. Формализована методология проектирования рациональных конструкций низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов, отличающаяся от традиционной усовершенствованной структурой и включающая в себя:

- систему задания исходных данных, которая соответствует наибольшему числу вариантов применения редуктора для различных постановок задач проектирования и при этом включает в себя: варианты нагрузочных и скоростных характеристик на входном и выходном валах, варианты и характеристики соединений с другими элементами привода на входном и выходном валах, варианты использования в виде отдельного редуктора и в составе многоступенчатого редуктора и т. д.;

- современные достижения в области проектирования и исследования передач и редукторов в целом.

3. Разработаны обратные связи и ограничения конструктивного и технологического характера, основанные на условиях геометрического непересечения деталей редуктора между собой, а также деталей редуктора и технологических элементов.

4. Разработана инвариантная по отношению к постановке задачи модель процесса проектирования низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов; в этой модели исходные данные, критерии оценки и варьируемые параметры объединяются общим понятием признаки, из которых для разных постановок задач формируются разные наборы исходных, оценочных или варьируемых параметров.

5. Разработаны правила построения САПР низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов ТПА

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Предложены рациональные конструкции низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов приводов трубопроводной арматуры и их узлов, отличающиеся высокими техническими и технико-экономическими характеристиками.

2. Предложены рекомендации по рациональному выбору параметров редукторов, с учётом назначения редукторов, схем их конструктивного исполнения, сформулированных ограничений конструктивного и технологического характера.

3. Построены типоразмерные ряды многооборотных и четвертьоборотных низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов приводов трубопроводной арматуры, отвечающие потребностям рынка трубопроводной арматуры.

4. Внедрены в серийное производство конкурентоспособные низкоскоростные тяжелонагруженные спироидные редукторы ТПА, востребованные промышленностью.

На защиту выносятся:

1. Усовершенствованная методология процесса рационального проектирования низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов.

2. Рациональные конструкции и типоразмерные ряды низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов ТПА.

Результаты работы внедрены в практику проектирования и исследования низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов в Институте механики ИжГТУ. На основе предложенных рациональных конструкций на предприятии ООО "Роспривод" изготовлены и испытаны образцы низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов приводов трубопроводной арматуры.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены: на первом форуме молодых ученых в рамках международного форума "Качество образования" в г. Ижевске в 2008 г.; на научно-технической конференции «Теория и практика зубчатых передач и редукторостроения» в г. Ижевске в 2008 г.; на республиканском конкурсе инновационных проектов «УМНИК» в 2011 г.; на международной научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и

материалы - 2013»

Публикации. Результаты работы изложены в 6 научных работах, из которых 4 опубликованы в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых литературных источников, приложения.

В первой главе характеризуются область применения и требования, предъявляемые к низкоскоростным тяжелонагруженным спироидным редукторам. Рассмотрены спироидные передачи и перспективы их применения в низкоскоростных тяжелонагруженных редукторах. Проведен анализ традиционной методологии проектирования редукторов с выявлением её недостатков и показан опыт проектирования низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов трубопроводной арматуры, созданных на основе её применения. В конце главы рассмотрены задачи работы.

Во второй главе дается описание рациональных конструкций узла червяка, узла колеса и корпусных деталей, а также рассматривается эволюция конструкций низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов трубопроводной арматуры.

В третьей главе описываются направления усовершенствования методологии проектирования низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов, связанные с учётом различных постановок задач, заданием исходных данных, формализацией прямых и обратных связей при проектировании. В этой же главе показано, каким образом можно адаптировать вновь полученную модель процесса проектирования для дальнейшей её автоматизации.

Четвертая глава посвящена практической реализации рациональных конструкций четвертьоборотных и многооборотных редукторов. Даются практические рекомендации по производству редукторов приводов ТПА, а также по созданию типоразмерных рядов.

В заключении отражены основные результаты и выводы по проделанной работе. В приложении приводятся акты, подтверждающие внедрение результатов выполненных исследований.

1. НИЗКОСКОРОСТНЫЕ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫЕ СПИРОИДНЫЕ РЕДУКТОРЫ

1.1. Характеристика области применения низкоскоростных тяжелонагруженных редукторов и требования, предъявляемые к ним

Многообразие приводов и редукторов определяется различными условиями их эксплуатации и различными по исполнению и функциональному назначению объектами, на которые они устанавливаются. При этом надежность, безотказность, конкурентоспособность на отечественном и мировом рынках, оперативность управления указанными объектами и, следовательно, энергетическими, промышленными и коммунальными системами во многом определяются аналогичными свойствами приводной техники.

Потребность в низкоскоростных тяжелонагруженных редукторах оказывается достаточно большой в различных отраслях машиностроения - в подъемно-транспортной технике, технологических установках различного назначения, арматуростроении и других. В частности, в арматуростроении указанные редукторы оказываются основным видом приводов для управления трубопроводной арматуры (ТПА), которая бывает чрезвычайно разнообразной в зависимости от функционального назначения, области (отрасли) применения, принципа управления, способа присоединения к трубопроводу и ряду других признаков. Соответственно достаточно большим многообразием характеризуются и приводы ТПА (рис. 1.1), среди которых механические (редукторные) находят наибольшее применение [7, 52].

В настоящее время в арматуростроении применяются следующие типы редукторов (в зависимости от вида используемых в них зубчатых передач): цилиндрические, реечные, конические, червячные, гипоидные, спироидные, планетарные различных исполнений, в том числе с промежуточными телами, плунжерные, планетарно-винтовые.

Для приводов ТПА характерны следующие условия работы:

- высокие нагрузочные и, в особенности, перегрузочные (превышающие номинальные в 1,5...2 и до 6 раз) моменты, действующие при закрытии и открытии запорных узлов арматуры;

маховик

механический редуктор

Т;<250 Нм

кулисно-вннтовой механизм

Т>250 Нм

1 ч

пневмопривод

электромагнитный привод

1 \

модульное исполнение

исполнительный механизм

гидропривод

Тип управления

ручное

электропривод

(а) (б) (в) (г)

Рис. 1.1. Виды приводов ТПА: управление с помощью маховика (а), механического редуктора (б), электропривода (в), электропривода, связанного с управляемым звеном арматуры через редуктор (г)

- низкие скорости вращения нагруженной ступени, обусловленные необходимостью замедленного преодоления сопротивления рабочей среды (нефть, газ, пар, вода и др.);

- широкий диапазон рабочих температур, в частности, в связи с возможностью эксплуатации арматуры и приводов в различных климатических зонах;

- различные условия, связанные с разнообразием рабочих сред, условий нагружения, режимов работы и другие.

Указанные условия эксплуатации определяют достаточно жесткие требования к приводам и используемым в них передачам в отношении их надежности, особенно в тех случаях, когда это связано с жизнедеятельностью и безопасностью. Наряду с вышесказанным, к передачам и редукторам приводов, как и к любым техническим системам, предъявляются