Введение к работе
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. Ганыпина, СВ. Езерской, Д. В. Кошкина, С. Д. Маныпина, 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:
-
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.
-
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.
-
Разработать систему прямых и обратных связей, в том числе ограничений, возникающих при проектировании.
-
Разработать математические модели конструктивных и технологических ограничений, возникающих при проектировании спироидных редукторов.
-
Разработать конструкции низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов ТПА нового поколения.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Разработаны правила построения САПР низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов ТПА
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Предложены рациональные конструкции низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов приводов трубопроводной арматуры и их узлов, отличающиеся высокими техническими и технико-экономическими характеристиками.
-
Предложены рекомендации по рациональному выбору параметров редукторов с учетом постановки задачи проектирования, схемы их конструктивного исполнения, сформулированных ограничений конструктивного и технологического характера.
-
Построены типоразмерные ряды многооборотных и четвертьоборотных низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов приводов трубопроводной арматуры, наиболее полно отвечающие потребностям рынка трубопроводной арматуры.
-
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.
