Синтез, геометрические и прочностные расчеты планетарных механизмов с некруглыми зубчатыми колесами роторных гидромашин

Актуальность темы

.

В современных условиях развития техники ни одна отрасль промышленности, транспорта и сельского хозяйства не может обойтись без гидравлических машин [1]. Распространенный электропривод с механической передачей не всегда является оптимальным средством передачи энергии и движения, хотя имеет ряд достоинств: относительная дешевизна, возможность получения точных законов перемещения звеньев в укороченных кинематических цепях, малая чувствительность к изменениям среды. Однако механический привод содержит и ряд конструктивных и эксплуатационных недостатков. Прежде всего, это громоздкость и большая протяженность кинематических цепей. Жесткость механических кинематических цепей мала, что препятствует повышению точности движения рабочих органов. Жесткие кинематические связи двигателя с рабочими машинами приводят к не переналаживаемым устройствам с фиксированными кинематическими параметрами и, как правило, не отвечающим требованиям мобильности производства.

Применение гидравлических машин позволяет существенно уменьшить количество звеньев кинематических цепей и повысить точность перемещения рабочих органов за счет увеличения жесткости, обеспечивает более рациональную компоновку при сложном пространственном расположении рабочих органов, проводит к уменьшению масс [2]. Кроме того, использование гидромашин обеспечивает высокую надежность системь1 за счет меньшей чувствительности к перегрузкам, дает явное преимущество при плавном регулировании скоростью.

Основными средствами гидрофикации являются гидромашины [3]: аксиально-поршневые, радиально-поршневые, пластинчатые, шестеренные и другие, каждая из которых обладает своими достоинствами и недостатками.

В устройствах с повышенными требованиями к габаритным размерам и массам, например в мобильных системах и переносных устройствах, широкое применение находят шестеренные гидромашины. Шестеренные гидромашины в конструктивном отношении значительно проще, а по металлоемкости (отношению массы к рабочему объему) они в среднем на порядок превосходят аксиально-поршневые [4]. Вместе с тем существующие шестеренные гидромашины не лишены недостатков: неуравновешенные силы, вызванные давлением рабочей 6 жидкости и силами в зацеплении зубьев, приводят к износу деталей опорных узлов, в результате чего происходит падение КПД, а также увеличение торцевых зазоров и утечка рабочей жидкости. Так, число отказов из-за потери герметичности для насосов составляет в среднем 26% от общего числа отказов [5]. Как правило, восстановление герметичности изношенных узлов представляет достаточно сложную и трудоемкую работу, а иногда и невыполнимую.

В последнее время за рубежом получили развитие весьма перспективные роторные гидромашины (РГМ) нового поколения с улучшенными характеристиками на базе передач планетарного типа с некруглыми колесами. Отличительной особенностью новой гидромашины является отсутствие опорных реакций при определенных сочетаниях геометрических параметров, что позволяет существенно упростить конструкцию опорных узлов, торцевых уплотнений и системы в целом, а геометрические формы деталей и их взаимное расположение позволяют создавать компактные устройства. Кроме того, конструкция новой гидромашины такова, что она легко могут быть соединены последовательно на основе единого вала. Переключение магистралей высокого и низкого давлений осуществляется без использования специальных устройств.

Развитию новых РГМ в нашей стране препятствует в первую очередь недостаточность знаний об особенностях процессов, происходящих в гидромашинах, а также отсутствие обоснованных методов расчета их конструкции. В связи с этим решение проблемы, объединяющей вопросы синтеза, технологии изготовления колес, геометрических, силовых и прочностных расчетов, а также расчета параметров РГМ на основе планетарной передачи с некруглыми зубчатыми колесами с учетом качественных характеристик гидромашины является особо актуальным.

Основная идея работы.

Основная идея работы заключается в создании оригинального метода синтеза центроид некруглых солнечных колес планетарных передач с плавающими сателлитами, позволяющего значительно расширить область существования РГМ и улучшить их качественные характеристики.

Цель работы.

Целью исследования является комплексная разработка научных основ создания планетарных передач с некруглыми солнечными колесами и плавающими сателлитами применительно к РГМ с улучшенными характеристиками, использование которых в передаточных устройствах придает приводам новые функ7 циональные и преобразующие свойства, позволяющие повысить эффективность рабочих машин и осуществляемых ими производственных процессов.

Задачи исследований.

Для достижения цели работы были решены следующие основные задачи:

1. Анализ схем использования зубчатых механизмов в гидромашинах и оценка их достоинств и недостатков.

2. Разработка метода синтеза планетарной передачи с некруглыми замкнутыми солнечными колесами и плавающими сателлитами, исходя из условия соседства, сборки, а также кривизны центроид солнечных колес.

3. Теоретическое обоснование геометрического условия касания центроид связанных колес планетарной передачи.

4. Разработка и обоснование методов синтеза центроид планетарной передачи с некруглыми солнечными колесами и плавающими сателлитами.

5. Обоснование выбора и исследование эвольвентных и циклоидальных профилей зубьев как наиболее предпочтительных для использования в гидромашинах на базе планетарной передачи с некруглыми колесами.

6. Разработка метода расчета качественных (технических) характеристик РГМ.

7. Разработка методов силового и прочностного расчетов планетарной передачи гидромашины.

8. Анализ технологических возможностей изготовления некруглых колес. Разработка методов обработки и контроля колес РГМ.

9. Разработка конструкций РГМ, экспериментальная проверка и применение разработанных устройств в производственных условиях.

Методы исследований.

Теоретические исследования базируются на методах синтеза планетарных механизмов, основных законах механики, численных методах решения дифференциальных и систем нелинейных уравнений, теории зубчатых зацеплений, теории некруглых зубчатых колес, методах расчета зубчатых передач на прочность, методах расчета шестеренных насосов.

Достоверность и обоснованность результатов.

Изготовление колес, сборка планетарных передач и экспериментальная проверка разработанной конструкции РГМ в лабораторных условиях с сопоставлением теоретических и практических параметров, а также внедрение результатов 8 работы в производство являются подтверждением достоверности и обоснованием результатов работы.

Основные защищаемые положения:

1. Разработанный метод синтеза планетарных передач с некруглыми солнечными колесами и плавающими сателлитами устанавливает новые соотношения между геометрическими параметрами, расширяющие область существования передач РГМ.

2. Методика расчета центроид колес с использованием двух круглых жестко связанных центроид сателлита и кинематического условия связи между параметрами позволяет создавать РГМ с улучшенными характеристиками.

3. Применение разработанного способа синтеза приближенного зацепления с роликовыми промежуточными телами к планетарным передачам с некруглыми колесами упрощает технологию изготовления колес.

4. Разработанный метод расчета каналов для рабочей жидкости и новый способ их размещения дают возможность увеличения пропускной способности каналов и повышения производительности роторных гидромашин.

5. Предложенный метод определения взаимного расположения солнечных колес и сателлитов, а также фаз рабочих камер, ориентированный на применение ПК, упрощает силовой и прочностные расчеты передач РГМ.

6. Предложенный универсальный способ аппроксимации кривых, позволяет находить координаты формообразующих точек профилей зубьев некруглых колес с любой заданной (фиксированной или переменной) точностью.

Научная новизна.

Разработаны теоретические основы для синтеза, геометрических и силовых расчетов, а также проектирования и изготовления планетарных передач с некруглыми солнечными колесами и плавающими сателлитами к РГМ:

1. Установлена связь между формами центроид некруглых солнечных колес с количеством сателлитов и числами зубьев колес.

2. Разработан метод синтеза центроид некруглых солнечных колес планетарных передач с плавающими сателлитами.

3. Решена задача синтеза передач с некруглыми колесами с использованием промежуточных тел.

4. Предложены методы силовых и прочностных расчетов планетарной передачи, а также способы улучшения технических параметров РГМ.

5. Обобщены и развиты методы изготовления некруглых колес. 9.

Практическая значимость полученных результатов.

Выполненное исследование является существенным вкладом в решение практической задачи внедрения в машиностроительный комплекс страны гидроприводов с новыми свойствами, способствующими увеличению эффективности машин.

Созданы условия для широкого внедрения гидромашин нового поколения, обладающих такими положительными качествами, как отсутствие опорных усилий, малая флуктуация вращающего момента, высокая производительность, соосность колес, простота конструкции, небольшие габаритные размеры. Все это позволяет упростить конструкции приводов известных машин, придать приводам новые свойства, решать с положительным для производства эффектом известные и новые технологические задачи. Применение нового поколения гидромашин в промышленности позволит сократить номенклатуру устаревшей техники, уменьшить аварийность и в итоге поднять технический уровень производства.

Воплощены следующие практические задачи:

1. На основе разработанных алгоритмов созданы программные модули комплексной системы расчета РГМ: блоки расчета, совмещенные с синтезом центроид колес и определением качественных характеристик гидромашиныпрограммные блоки геометрического расчета передач с эвольвентным и приближенным циклоидальным профилями зубьев с учетом вредных защемленных объемов жидкости во впадинах зубьевблоки вычисления силовых, прочностных и энергетических параметров РГМмодули решения технологических задач.

2. Реализованы разработанные технологические методы изготовления и контроля некруглых колес.

3. Разработаны и изготовлены конструкции новых РГМ, на базе которых начато производство ручных гидравлических бурильных машин. Кроме того, РГМ используется в приводе разгона экструдера в производстве полипропилена.

Реализация результатов исследования.

Работа выполнялась в рамках инновационной межвузовской программы Министерства образования РФ «Прогрессивные зубчатые передачи» 1996;2000 гг. Научные результаты работы использованы в процессе выполнения НИР и ОКР при решении задач научно-технических программ, включенных в планы кафедры «Теоретическая и прикладная механика» Томского политехнического университета 1995;2000 гг. На основании программы «Разработка и исследование экспериментальных и опытных образцов гидромашины с планетарной зубчатой пе.

10 редачей для гидравлического бура", включенной в план работы Томского электромеханического завода (ТЭМЗ), опытные образцы РГМ прошли испытания и идет подготовка к выпуску партии гидробуров для шахт. Одна из конструкций новой РГМ используется в усовершенствованном вспомогательном приводе экструдера на заводе «Полипропилен». Кроме того, для производства подготовлена техдокументация на малогабаритную автомобильную лебедку с РГМ.

Материалы диссертационной работы используются при проведении занятий со студентами по дисциплине «Теория механизмов и машин». Вопросы практической реализации нестандартных профилей зубьев на станках с ЧПУ используются при выполнении курсовых и дипломных проектов студентами специальности 120 100 -" Технология машиностроения" .

Исходные материалы и личный вклад соискателя.

В качестве исходных материалов послужили патенты с описаниями устройства и принципа работы гидромашин с планетарными зубчатыми передачами, рекламные проспекты и результаты научно-исследовательской работы кафедры «Прикладная механика» ТПУ по передачам с промежуточными телами, выполненной под руководством д.т.н., проф. А. Е. Беляева. Решение некоторых геометрических вопросов и задач по обработке циклоидальных профилей сателлитов для передач с промежуточными телами отражено в публикациях совместно с соавторами. Теоретические исследования, разработка различных приводов на базе гидромашины с планетарными передачами, а также внедрение в производство проводились автором самостоятельно.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Международной конференции «Теория и практика зубчатых передач», Ижевск, 1996 г.

2. Шестом Международном симпозиуме «Теория реальных передач зацеплением», Курган, 1997 г.

3. Международной конференции «Теория и практика зубчатых передач», Ижевск, 1998 г.

4. Второй межвузовской отраслевой научно-технической конференции «Автоматизация и прогрессивные технологии», Новоуральск, 1999 г.

5. Международном технологическом конгрессе «Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения», Омск, 2001 г.

6. Научных семинарах кафедры «Теоретическая и прикладная механика» Томского политехнического университета 1996;2001 гг.

Публикации.

По тематике диссертации опубликовано 30 работ, в том числе 4 авторские свидетельства на изобретения и три патента РФ.

Основные научные положения и результаты диссертации опубликованы в 20 работах, в числе которых одно авторское свидетельство на изобретение, три патента РФ и монография.

Содержание работы.

В первой главе диссертационной работы рассмотрены особенности нагнетателей на основе зубчатых передач, способы создания и освобождения запертых объемов зубчатыми колесами. Проведен анализ достоинств и недостатков известных гидромашин на базе зубчатых передач. Приведена схема и описан принцип работы гидромашины нового поколения с улучшенными характеристиками на основе планетарной зубчатой передачи с некруглыми солнечными колесами.

Вторая глава посвящена задачам синтеза планетарных механизмов с некруглыми солнечными колесами и плавающими сателлитами. Найдены зависимости чисел зубьев колес и количества сателлитов от геометрических форм солнечных колес. Установлено свойство касания центроид трех связанных колес: точки контакта центроид и центр вращения подвижного солнечного колеса расположены на одной прямой линии. Искомой является центроида одного из солнечных колес, описываемая дифференциальным уравнением с краевыми условиями. Приведены результаты численного решения дифференциальных уравнений с различными формами центроиды одного из солнечных колес и сателлита. Проверка результатов решения осуществляется на реальных передачах.

В третьей главе рассмотрен вопрос о выборе вида зацепления. Установлено, что в окрестности точки перегиба центроиды эвольвентный профиль состоит из двух плавно сопрягающихся эвольвент. Указанное обстоятельство вызывает определенные трудности при формировании профилей зубьев методом копирования. Отмечено, что эвольвентные профили зубьев некруглых солнечных колес можно обработать со смещением, если исходное зубчатое колесо производящего колеса совпадает с сателлитом. Дано математическое описание эвольвентных профилей зубьев солнечных колес, обрабатываемых долбяком, исходное колесо которого совпадает с сателлитом. Приведено обоснование применимости при.

12 ближенного циклоидального зацепления с промежуточными телами, позволяющего упростить технологию изготовления и возможности обработки циклоидальных профилей зубьев сателлита стандартным эвольвентным инструментом.

Четвертая глава посвящена конструктивным элементам гидромашины и анализу их влияния на качественные характеристики. Показано, что каналы для подвода и отвода рабочей жидкости могут быть размещены на торцевых дисках, связанных как с солнечным колесом с внутренними зубьями, так и с колесом с внешними зубьями, причем во втором случае суммарная площадь каналов во много раз больше, чем в первом исполнении. Здесь же приведены уравнения теоретической производительности и результаты численного определения экспериментальной гидромашины. Значительное место отведено способам устранения защемленных объемов во впадинах зубьев. Предложен метод модификации вершин зубьев, суть которого заключается в уменьшении высоты головки зуба (диаметра окружности вершин зубьев) только у торцов колес на небольшую глубину, достаточную для перетекания защемленной жидкости.

В пятой главе представлен силовой анализ гидромашины с различными формами центроид солнечных колес и видами зацепления. Приведено условие критического положения колес, в котором может нарушиться зацепление (сателлит может быть выдавлен жидкостью из зацепления). Описан метод определения координат центров всех сателлитов относительно солнечного колеса в любой фазе перемещения. Показано, что источником сил и моментов на солнечных колесах являются совокупное действие сателлитов и непосредственное давление рабочей жидкости. Получены аналитические зависимости, позволяющие находить опорные усилия и вращающие моменты на валах солнечных колес. Рассмотрены вопросы прочностного расчета передач с различными видами зацепления. На основании анализа результатов решения выявлено сочетание геометрических параметров передачи гидромашины, при котором отсутствуют опорные реакции.

В шестой главе рассмотрены проблемы, касающиеся технологии изготовления и контроля зубчатых колес. Представлены простейшие универсальные формулы и дан алгоритм, позволяющий аппроксимировать профили зубьев для реализации на станках с ЧПУ. Приведены схемы и расчет двух оригинальных вспомогательных устройств к зубодолбежному станку для обработки некруглых колес. Рассмотрен метод комплексной проверки некруглых колес, основанный на особенностях геометрии солнечных колес: замкнутости и симметричности.

Основные результаты исследований заключаются в следующем.

1. Решена задача синтеза центроид планетарной передачи с некруглыми солнечными колесами и плавающими сателлитами:

— найдено условие касания центроид: точки касания центроид колес находятся на прямой линии, проходящей через оси солнечных колес;

— введены две центроиды на сателлите, каждая из которых соприкасается с центроидой одного из солнечных колес. Использование двух центроид позволяет существенно расширить область существования гидромашин, а также варьирования качественными характеристиками;

— разработан кинематический метод определения искомой центроиды, упрощающий поиск и вид дифференциального уравнения связи между геометрическими параметрами передачи.

2. Из условия сборки планетарной передачи и соседства сателлитов найдена связь между количеством сателлитов и геометрическими параметрами центроид колес: 5 = п+Ы, 1 < N — п < 3 .

3. При перемене знака кривизны центроиды происходит разрыв эволюты эвольвентного зуба и отдельные ветви эволюты будут располагаться на разных сторонах относительно центроиды, а нормаль к профилям зубьев будет соприкасаться с двумя ветвями эволюты в их крайних точках. Профили эвольвентных зубьев, расположенных вблизи переходной точки центроиды, формируются из двух соприкасающихся эвольвент с противоположными знаками кривизны. В связи с этим использование для таких профилей метода копирования при изготовлении вызывает определенные трудности.

4. Разработан метод синтеза приближенных передач с некруглыми колесами на основе теории передач с промежуточными телами. Определено, что соответствующим подбором геометрических параметров передачи можно свести отклонение реальных профилей от теоретических до предела допуска на изготовление. Циклоидальные профили зубьев сателлита могут быть нарезаны на станках, предназначенных для изготовления колес конических и гипоидных передач с круговыми зубьями.

5. В известных схемах РГМ в некоторых случаях размеры каналов для рабочей жидкости (размещенных на СКВЗ) могут иметь ограниченную пропускную способность. При перенесении каналов на диски, связанные с СКНЗ, эти недостатки полностью устраняются, так как площади каналов при этом увеличиваются многократно. Кроме отмеченного положительного эффекта, указанный способ размещения каналов позволяет создавать гидромашины с тремя и более солнечными колесами. Суммируя движения разных солнечных колес, можно получить требуемые кинематические характеристики отдельных звеньев.

6. Чем ближе к единице отношение п /N, тем меньше флуктуация вращающего момента на валу подвижного колеса. Величина вращающего момента не зависит от вида зацепления. При наличии общего делителя (кроме единицы) между значениями п и N опорные реакции у солнечных колес равны нулю, причем независимо от вида зацепления. На величину контактных напряжений эвольвентой передачи оказывают влияния не абсолютные, а относительные размеры коле. Изгибные напряжения эвольвентных зубьев не зависят явно от модуля зацепления: они находятся в обратной зависимости от числа зубьев сателлита.

7. На основе разработанного математического обеспечения созданы программные модули комплексной системы расчета РГМ: модули расчета центроид колес с учетом качественных характеристик гидромашиныблоки расчета передач с различными видами зацепления с учетом вредных защемленных объемов жидкости во впадинах зубьевпрограммные блоки вычисления силовых и энергетических параметров РГМмодули решения технологических задач.

8. На основании результатов выполненных исследований разработана техдокументация на ряд типоразмеров РГМ для различного назначения. Испытания изготовленных опытных образцов подтвердили правильность и достоверность результатов исследований. Так, роторная гидромашина типа РГМ-42, установленная в усовершенствованном приводе разгона экструдера в производстве полипропилена, показала высокую надежность позволила сократить число отказов.

209 и соответственно время простоя и улучшить условия технологического процесса.

9. В настоящее время завод «ТЭМЗ», специализирующийся на выпуске горно-шахтного оборудования и изделий общепромышленного назначения, приступил к освоению новых видов РГМ для создания малогабаритных ручных гидробуров.

Кроме того, результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедрах «Теоретическая и прикладная механика» и «Компьютеризация в машиностроении» Томского политехнического университета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации приведены разработанные автором теоретические положения, являющиеся основой для технических решений по созданию новых видов роторных гидромашин с некруглыми зубчатыми колесами, внедрение которых в различных областях техники внесет значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса и позволит создавать новые конкурентоспособные машины, обладающие существенно большей эффективностью.

В конце каждой главы приведены отдельные результаты исследований. Приведем ряд выводов, имеющих общее значение.