Оценка противозадирной стойкости спироидных передач по критерию заедания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат наук Коваленко Роман Константинович

• Коваленко Роман Константинович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Коваленко Роман Константинович

Оглавление

Введение

1. Состояние вопроса. Задачи работы

1.1 Спироидные передачи: виды, особенности, преимущества

1.2 Виды повреждений звеньев спироидных передач

1.3 Заедание поверхностей

1.4 Задачи работы

2. Анализ спироидного зацепления для определения критерия заедания

2.1 Методы исследования задиростойкости

2.2 Критерии заедания

2.3 Факторы, влияющие на заедание в передачах зацеплением

2.4 Анализ влияния конструкторско-технологических факторов на заедание в спироидной передаче

2.5 Анализ влияния режима работы на заедание в спироидной передаче

2.6 Анализ влияния свойств масла на заедание в спироидной передаче

2.7 Определение критерия заедания

2.8 Выводы

3. Исследование процесса заедания в спироидном зацеплении на физической модели

3.1 Выбор физической модели спироидного зацепления

3.2 Расчет параметров моделируемой передачи

3.2.1 Расчет геометрических параметров

3.2.2 Расчет кинематических параметров передачи

3.2.3 Силовой расчет передачи

3.3 Конструкция лабораторного стенда

3.4 Расчет параметров узла трения

3.5 Методика проведения исследования

3.6 Результаты эксперимента

3.7 Анализ результатов эксперимента

3.8 Выводы

4. Методика расчета спироидных передач на основе критерия заедания

4.1 Методика расчета спироидных передач по критерию заедания

4.2 Рекомендации по проектированию спироидных передач с учетом заедания

4.3 Программа для расчета спироидных передач по критерию заедания

4.4 Модернизация механизма передвижения башенного крана КБ-405

4.5 Проектирование механизма поворота кулачков спредера

4.6 Выводы

5. Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка противозадирной стойкости спироидных передач по критерию заедания»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. С развитием машиностроения постоянно повышаются передаваемые приводами машин нагрузки. В частности, это касается передач с перекрещивающимися осями, одной из которых является спироидная передача. Имея определенные преимущества по сравнению с другими передачами того же класса, спироидные передачи перспективны для применения в приводах машин. Несмотря на то, что развитием и внедрением спироидных передач в промышленность занимались многие деятели науки: O. Saari, F. Bohle, W. D. Nelson, J. E. Brinza, D. Schwägerl, E. Schrempp, В. И. Гольдфарб, А. К. Георгиев, А. С. Кунивер, В. А. Шубин, С. В. Езерская, Е. С. Трубачев, В. Н. Анферов и другие, до сих пор не существует стандартизированного метода их расчета.

Одним из недостатков передач червячного класса, к которым относится и спироидная передача, является опасность возникновения заедания между рабочими поверхностями звеньев. Во избежание этого вида повреждения в передачах данного класса применяют антифрикционные материалы для изготовления одного из звеньев пары. Применение антифрикционных материалов существенно снижает нагрузочную способность передачи.

Вопросами задиростойкости занимались многие, как отечественные, так и зарубежные исследователи, но предложенные ими критерии не универсальны и применимы к конкретным типам передач и условиям работы механизмов.

В связи с этим актуальной задачей является установление условий, при которых в спироидном зацеплении возникает заедание, с целью еще на стадии проектирования спрогнозировать заедание поверхностей. Тем самым появятся возможности изготовления спироидных передач из менее дорогих материалов, что повысит их распространенность и позволит в большей мере реализовать преимущества спироидных передач перед другими передачами червячного класса.

Цель работы. Обоснование критерия для оценки противозадирной стойкости спироидных передач.

Объект исследования: цилиндрическая спироидная передача.

Предмет исследования: противозадирная стойкость цилиндрических спи-роидных передач в зависимости от сочетания конструкционных и смазочных материалов спироидных передач.

Идея работы: учет фактора задиростойкости при проектировании спироидных передач для обеспечения работоспособности механизмов и приводов машин на их основе.

Задачи исследований:

1. Провести анализ факторов, оказывающих влияние на заедание, и обосновать критерий заедания для зацепления спироидной передачи.

2. Провести исследования для оценки противозадирной стойкости спиро-идного зацепления на физической модели для сочетания материалов звеньев пары: сталь - бронза и сталь - сталь.

3. Разработать методику расчета спироидных передач по критерию заедания и применить полученные результаты для проектирования приводов машин на основе спироидных передач.

Методы исследований. Решение перечисленных задач осуществлено при помощи методов системного анализа, теории зубчатых зацеплений, методов теории подобия и размерностей, методов планирования эксперимента, метода физического моделирования. Экспериментальные исследования проведены на специально сконструированном лабораторном стенде, оснащенном аттестованными и поверенными приборами.

Научная новизна работы:

1. Учет двух групп факторов (температурного и гидродинамического) в предлагаемом безразмерном критерии заедания для спироидных передач обеспечивает определение граничных условий возникновения процесса заедания рабочих поверхностей звеньев передачи.

2. Развитие процесса заедания поверхностей в спироидном зацеплении определяется в основном четырьмя факторами: температурой масла (вязкостью), удельной нагрузкой, скоростью скольжения и суммарной скоростью качения.

3. Уравнения зависимости коэффициента трения от удельной нагрузки, скорости скольжения и температуры масла, полученные на основе базы значений коэффициентов трения, позволяют повысить точность расчетов при проектировании спироидных передач.

4. Предложенный критерий заедания для спироидных передач позволяет создать методику, которая обеспечивает определение граничных условий развития процесса заедания в спироидном зацеплении.

Достоверность научных положений подтверждена достаточным объемом исследований на физической модели спироидного зацепления; применением современной аппаратуры, поверенных средств измерений, методов теории подобия и моделирования, статистических методов обработки результатов.

Личный вклад автора состоит в проведении анализа существующих критериев заедания, анализе факторов заедания, выводе критерия для оценки задиро-стойкости спироидного зацепления, планировании и проведении экспериментов по исследованию процесса заедания в спироидном зацеплении, в обработке и анализе экспериментальных данных, создании методики расчета спироидных передач на заедание и написании программы для автоматизированного расчета.

Практическая ценность работы состоит в разработке методики расчета спироидных передач по критерию заедания с использованием, в том числе, полученной базы экспериментальных значений коэффициента трения в спироидном зацеплении для сочетания материалов сталь - сталь и сталь - бронза; в разработке и внедрении в промышленность конструкторских разработок с применением указанной методики.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Учет двух групп факторов (температурного и гидродинамического) в предлагаемом безразмерном критерии заедания для спироидных передач обеспечивает определение граничных условий возникновения процесса заедания рабочих поверхностей звеньев передачи.

2. Развитие процесса заедания поверхностей определяется в основном четырьмя факторами: температурой масла (вязкостью), удельной нагрузкой, скоростью скольжения и суммарной скоростью качения.

3. Уравнения зависимости коэффициента трения от удельной нагрузки, скорости скольжения и температуры масла, полученные на основе базы значений коэффициентов трения, позволяют повысить точность расчетов при проектировании спироидных передач.

4. Предложенный критерий заедания для спироидных передач позволяет создать методику, которая обеспечивает определение граничных условий развития процесса заедания в спироидном зацеплении.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на-конференциях «Наука и молодежь XXI века - 2012», «Дни науки - 2013», «Наука и молодежь XXI века - 2014» Сибирского государственного университета путей сообщения (г. Новосибирск, 2012 - 2014), на межвузовской конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири» (г. Новосибирск, 2013), на всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием «Инженерная мысль машиностроения будущего» (г. Екатеринбург, 2013), на международной научно-технической конференции «Научные проблемы реализации транспортных проектов в Сибири и на Дальнем Востоке» (г. Новосибирск, 2014), на международной конференции «Проблемы механики современных машин» (г. Улан-Удэ, 2015), на всероссийской конференции «Проблемы развития горных наук и горнодобывающей промышленности» (г. Новосибирск, 2016), на международной научно-технической конференции «Политранспортные системы» (г. Новосибирск, 2016), на международной научной конференции «Механика и трибология транспортных систем» (г. Ростов на Дону, 2016), на международной научно-практической конференции «Теория и практика зубчатых передач и ре-дукторостроения» (г. Ижевск, 2017), на научно-технических семинарах кафедры «Подъемно-транспортные, путевые, строительные и дорожные машины» Сибирского государственного университета путей сообщения (г. Новосибирск, 2015 -2017).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 144 источников. Объем работы 151 страница, включая 39 рисунков и 26 таблиц.

В первой главе рассмотрено состояние вопроса. Проведен анализ спиро-идных передач и их конструктивных особенностей, достоинств и недостатков в сравнении с передачами того же класса, общий анализ их повреждений и детальный анализ одного из них - заедания рабочих поверхностей.

Во второй главе проведен анализ существующих критериев заедания и их классификация, по результатам которого выделены факторы, оказывающие влияние на процесс заедания в спироидном зацеплении. Рассмотрены исследования по влиянию различных факторов на процесс возникновения и развития заедания. На основе анализа влияния факторов заедания, применительно к спироидному зацеплению, был предложен критерий заедания для спироидного зацепления.

Третья глава посвящена физическому моделированию процесса заедания в спироидном зацеплении. Обоснована и выбрана физическая модель спироидно-го зацепления, произведены расчеты моделируемой передачи и узла трения. Описан лабораторный стенд, выполненный с учётом принципа работы узла трения по схеме «диск-ролик». В главе изложено планирование, методика проведения и результаты экспериментального исследования процесса заедания в спироидном зацеплении и представлен анализ его результатов.

В четвертой главе приведена разработанная методика расчета спироид-ной передачи, основанная на предложенном критерии заедания и ее применение для расчета механизмов и приводов машин. Изложена, разработанная автором, программа для автоматизированного расчета спироидных передач по критерию заедания.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1.1 Спироидные передачи: виды, особенности, преимущества

Тенденции развития приводов на основе передач зацеплением связаны с тем, что увеличиваются рабочие скорости, возрастают удельные нагрузки, повышаются точность, надежность и долговечность, уменьшаются габариты и масса.

Наиболее общим признаком классификации зубчатых передач является расположение осей валов, между которыми передается вращение. Различают передачи с параллельными осями валов - цилиндрические, с пересекающимися осями валов - конические и с перекрещивающимися осями валов - гиперболоидные.

Схема гиперболоидных передач определяется четырьмя параметрами, различные комбинации которых образуют большое многообразие передач:

1. Межосевое расстояние aw (длина линии ОО2);

2. Угол между осями валов

3. Размеры, определяющие положение звеньев относительно осей валов В1

и Въ

Гиперболоидные передачи классифицируют по расположению зоны зацепления относительно линии между осями валов. По этому признаку выделяют 3 класса передач [26]:

1 класс - зона зацепления пересекается с линией О1О2 - винтовая, червячная цилиндрическая и червячная глобоидная передачи;

2 класс - зона зацепления смещена по отношению к линии О1О2 относительно оси одного из звеньев;

3 класс - зона зацепления смещена по отношению к линии О1О2 относительно оси обоих звеньев - гипоидная и спироидная передачи.

Место спироидной передачи среди гиперболоидных передач показано на рисунке 1.1 [25, 27, 29].

Спироидные передачи по геометрическим характеристикам занимают промежуточное положение между червячными и гипоидными передачами.

В сравнении с гипоидными передачами, при одном и том же передаваемом моменте, у спироидных больше значение межосевого расстояния, но меньше расстояние между осью О1О2 и зоной зацепления.

Рисунок 1.1 - Место спироидных передач среди гиперболоидных

Под спироидной передачей следует понимать передачу с перекрещивающимися осями, отличающуюся следующими признаками [20]:

- область пространства, в которой происходит зацепление звеньев, образующих пару, располагается в стороне от кратчайшего межосевого расстояния, т.е. общего перпендикуляра к осям вращения;

- витки червяка и зубья колеса передачи ограничиваются снаружи цилиндрами или круговыми конусами;

- нарезание колеса осуществляется инструментом, имеющим форму червяка и занимающим его место.

Применение нового, прогрессивного вида гиперболоидных передач - спи-роидной передачи, позволяет существенно улучшить эксплуатационные показатели силовых приводов машин и механизмов [7, 25, 26, 104].

Передачи, у которых угол между осями валов равен 90О, называют ортогональными. Передачи с углом между осями валов отличным от 90О называют неор-

тогональными. ГОСТ 22850-77 «Передачи спироидные. Термины, определения и обозначения» регламентирует классификацию и особенности ортогональных спи-роидных передач [32]. В ГОСТе выделены три вида спироидных передач:

а - одновенцовая цилиндрическая спироидная передача б - двухвенцо-вая цилиндрическая спироидная передача Б72; в - одновенцовая коническая спироидная передача БК; г - двухвенцовая коническая спироидная передача - БК2; д - одновенцовая обратноконическая спироидная передача - 07; е - двухвенцовая обратноконическая спироидная передача - 072

Рисунок 1.2 - Виды ортогональных спироидных передач 1. Коническая спироидная передача - БК - спироидная передача, у которой делительные поверхности червяка и колеса конические, а червяк располагается

ближе к межосевой линии передачи торцом меньшего диаметра (рисунок 1.2 в). Коническая спироидная передача была изобретена О. Saari [136].

2. Цилиндрическая спироидная передача - Б/ - спироидная передача у которой делительная поверхность червяка цилиндрическая, а делительная поверхность колеса плоская (рисунок 1.2 а). Цилиндрическая спироидная передача также была изобретена О. Saari [130].

3. Обратноконическая спироидная передача - О/ - спироидная передача у которой делительные поверхности червяка и колеса конические, а червяк располагается ближе к межосевой линии передачи торцом большего диаметра (рисунок 1.2 д). Обратноконическая спироидная передача изобретена А. К. Георгиевым, на нее выдано авторское свидетельство СССР №201864 [78].

Передачи каждого вида могут быть в двух исполнениях:

- одновенцовая, т.е. передача имеет один зубчатый венец спироидного колеса Б/, БК, О/;

-двухвенцовая, т.е. передача имеет два соосных зубчатых венца по обе стороны от оси червяка БК2, О/2 (рисунок 1.2 б, г, е).

Известны спироидные неортогональные передачи. Изменение у них угла между осями валов позволяет получить широкое разнообразие видов спироидных передач, некоторые из которых представлены на рисунке 1.3 [80, 81, 136].

Спироидные передачи могут отличаться друг от друга видом винтовой поверхности витков червяка [25, 32]:

- с линейчатыми винтовыми поверхностями - цилиндрические червяки видов SZI (эвольвентный), SZA (архимедов), SZN1, SZN2 (с прямолинейным нормальным профилем соответственно витка или впадины);

- образованные конусом червяки видов SZK1, SZK2, SZK3, полученные соответственно, дисковым, чашечным, пальцевым коническим инструментами;

- у червяков вида ZSC с выпукло-вогнутым профилем витка - различают передачи с червяками SZCX, SZC1, SZC2, соответственно с осевым и нормальными по витку и впадине выпукло-вогнутыми круговыми профилями, а также с червяками SZCT1, SZCT2, SZCT3 с выпукло-вогнутым профилем витков, образо-

ванными соответственно дисковым, чашечным и пальцевыми торовыми инструментами.

а)

б)

в)

Казказ Дж., Пуппола М. Ришар Д. Патент США 20120000305

Гольдфарб В. И. Несмелов И. П. Патент РФ 806935

Гольдфарб В. И. Русских А. Г. Трубачев Е. С. Патент РФ 806935

Рисунок 1.3 - Примеры неортогональных спироидных передач

В связи с несимметричностью расположения зоны зацепления относительно оси колеса различают два вида спироидных передач по признаку сочетания направлений вращения звеньев: с основным расположением червяка и вспомогательным расположением червяка. Различие данных видов передач показано на примере цилиндрической одновенцовой спироидной передачи (рисунок 1.4).

Впервые в СССР практическое применение спироидной передачи в промышленности описали Б. Д. Зотов, Н. С. Голубков и А. К. Георгиев [20, 24, 46]. Далее наибольший вклад в развитие и внедрение спироидных передач в промышленность внесли авторы, работавшие в институте Механики ИжГТУ (ИМИ), который и по сей день является лидером в исследованиях и применении спироид-ных передач в России [22, 27, 28, 29, 31, 104, 105, 106]. В отечественной практике большее распространение получили цилиндрические спироидные передачи. Это связано, прежде всего, с более низкими требованиями к технологии производства элементов пары. Цилиндрические спироидные передачи изготавливаются подобно обычным червячным передачам с цилиндрическим червяком, а производство конических спироидных передач требует уникального оборудования. Наибольший вклад в развитие и распространение спироидных передач в России внесли

работы, выполненные В. И. Гольдфарбом, А. К. Георгиевым, А. С. Кунивером, В. А. Шубиным, С. В. Езерской, Е. С. Трубачевым, В. Н. Анферовым и другими.

а)

а - основное относительное расположение червяка и колеса; б - вспомогательное относительное расположение червяка и колеса. Рисунок 1.4 - Виды спироидных передач по расположению звеньев Развитие спироидных передач началось за рубежом в 1954 г. с работ O. E. Saari, его идеи получили продолжение в работах W. D. Nelson, J. E. Brinza,

D. Schwägerl, F. Bohle, R. C. Briant, A. W. Bennett, C. Carroll, W. C. MacFarland,

E. Schrempp и других.

В настоящее время лидером в исследованиях, проектировании и внедрении спироидных передач в промышленность за рубежом является компания IllinoisToolsWorks, которая основной упор делает на производство конических спироидных передач из-за повышенной нагрузочной способности в сравнении с цилиндрической спироидной передачей [123, 124].

Предпосылками к применению спироидных передач в приводах машин являются их достоинства и преимущества в сравнении с другими передачами с перекрещивающимися осями валов [80, 81, 129].

1 . Повышенная нагрузочная способность, надежность и долговечность по сравнению с червячными передачами. Это обеспечивается тем, что в спироидных передачах из-за специфичности расположения зоны зацепления более высокий коэффициент перекрытия, т.е. в зацепление в один момент времени входит боль-

шее количество пар зубьев, чем у червячных передач. Эта особенность обуславливает большинство достоинств и преимуществ спироидной передачи;

2. Большие, в сравнении с червячными передачами, КПД и износостойкость;

3. Повышенная стойкость к ударным, вибрационным нагрузкам и кратковременным перегрузкам;

4. Плавность хода и бесшумность работы;

5. Высокая кинематическая точность;

6. Возможность исключения обратного хода (самоторможение);

7. Технологичность изготовления и сборки.

Благодаря тому, что червяки спироидных передач имеют витки постоянного шага и профиля, упрощается технология изготовления как их самих, так и копирующих их фрез для нарезания спироидных колес. По этой же причине спиро-идные передачи мало чувствительны к неточности осевого положения червяка, что позволяет снизить требования при монтаже спироидной передачи;

8. Применение для изготовления колеса передачи не только бронз, а также стали и других материалов;

9. Компактность спироидных передач в сравнении с червячными передачами обусловлена тем, что при равных размерах червяков и колес, межосевое расстояние спироидной передачи меньше, чем у червячной передачи [7, 25, 26].

Отмеченные достоинства спироидных передач дают основания считать, что несмотря на свою относительную новизну и малую исследованность эти передачи имеют все данные для широкого применения в машиностроении [25].

К недостаткам спироидных передач можно отнести ассиметричность профиля и общую для всех передач с перекрещивающимися осями склонность к заеданию рабочих поверхностей.

Основной особенностью спироидных передач является расположение зоны контакта относительно осей звеньев передачи. Смещение зоны зацепления увеличивает угол между направлениями скорости скольжения звеньев и их суммарной

скорости качения. Это способствует созданию более благоприятных условий для возникновения масляного клина, т.е. затягиванию масла в контакт.

В настоящее время спироидные передачи получили широкое распространение в:

а) редукторах и мотор-редукторах общепромышленного назначения;

б) редукторах в приводах запорно-регулирующей арматуры газо -, нефте- и водопроводов, где нагрузочные и, в особенности, перегрузочные моменты на выходных валах в 4-6 раз превышают аналогичные моменты в редукторах общепромышленного применения, имеющих те же межосевые расстояния [26, 31];

в) приводах станков, а также устройствах для точного позиционирования их рабочих органов, важным условием эффективной работы которых являются малые мертвые ходы и высокая кинематическая точность используемых в них зубчатых передач;

г) приводах механизмов подъема и поворота кранов и подъемно-транспортных машин, редукторных устройствах талей [30];

д) приводах машин и установок, применяемых в атомной промышленности, к которым доступ человека исключен и которые требуют, во-первых, повышенной надежности работы, во-вторых, использования в качестве смазочного материала находящихся в них зубчатых передач твердых смазок,

е) приводах и устройствах оборонной техники, условия работы которых требуют пониженной чувствительности применяемых в них зубчатых передач к ударным и вибрационным нагрузкам [25, 26].

1.2 Виды повреждений звеньев спироидных передач

Широкое применение червячных и спироидных передач в различных машинах и механизмах, включая высокоскоростные и тяжелонагруженные передачи, неизбежно связано с повреждениями зубьев колес и витков червяков. Повреждения передач обусловлены передаваемой нагрузкой, скоростью вращения, материалами, термообработкой, способом производства и условиями эксплуатации.

Спироидные передачи выходят из строя вследствие разрушений и повреждений: поломки зубьев, усталостного выкрашивания, изнашивания и заедания.

Поломка зубьев колеса или витков червяка может произойти по причине больших перегрузок ударного или статического характера, но чаще всего в результате образования и роста усталостной трещины. Причиной возникновения усталостной трещины в большинстве случаев является работа передачи с нагрузками, превышающими предел выносливости материала. Также поломка зубьев колеса возможна вследствие недопустимо больших перегрузок, например при пуске [53, 109, 143].

Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей зубьев червячных и спироидных колес характеризуется появлением раковин на месте выкрашившихся частиц металла с рабочих поверхностей зубьев. Это происходит под действием переменных контактных напряжений, превышающих предел контактной выносливости металла для данного цикла нагружений. Усталостное выкрашивание наблюдается преимущественно у зубьев колес из сплавов с относительно низкой контактной выносливостью и с повышенными противозадирными свойствами [53, 109, 143].

Изнашивание витков червяков выражается в появлении поверхностных трещин на боковых сторонах цементированных и закаленных червяков, причиной появления которых могут быть концентрация нагрузки, местные вспышки температуры в поверхностных слоях материала из-за недостаточной смазки. Трещины также могут появиться, как следствие технологических дефектов. Образование трещин, сопровождаемое отслаиванием материала рабочих поверхностей витков цементированных червяков, является результатом высоких касательных напряжений, зона максимума которых оказывается ниже науглероженного и закаленного слоя [53, 109, 143].

Износ зубьев червячных и спироидных колес связан с недостаточной чистотой масла или недостаточным качеством поверхности витков значительно более твердого червяка [109, 143].

В большинстве случаев червячные и спироидные передачи выходят из строя по причине чрезмерного износа зубьев колес, а также при перегрузках вследствие заедания рабочих поверхностей колеса и червяка.

Заеданием называется процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания поверхностей и переноса материала. Заедание зачастую может завершаться прекращением относительного движения

[19].

Заедание характеризуется наличием на поверхностях трения наростов, хребтов, рисок, вырывов металла и, как следствие, борозд, расположенных вдоль направления скольжения зубьев [19]. Зоны заедания имеют грубый рельеф с наплывами металла или углублениями с неровными краями (вырывами металла). Обычно повреждения появляются в зоне максимального относительного скольжения на головке, ножке или на обоих элементах зуба, в удалении от начальной поверхности полюсной линии в виде узких или широких полос, ориентированных в направлении вектора скольжения. При неравномерном распределении нагрузки вдоль контактных линий заедание может проявляться на локализованных участках [97].

Заедание происходит вследствие того, что при относительном скольжении частицы одной поверхности при некоторых условиях прочно сцепляются с частицами другой. На более мягкой поверхности при дальнейшем скольжении возникают борозды. Заедание может наступить и на смазанных рабочих поверхностях зубьев, если между ними не образуется непрерывная масляная пленка. Это происходит вследствие больших нагрузок и недостаточных скоростей, т.к. большие скорости способствуют затягиванию масла в зону контакта, либо вследствие выделения большого количества тепла при трении и повышении температуры до такой величины, при которой масло теряет свои смазывающие свойства, как это происходит в быстроходных передачах [19, 57, 143].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Коваленко Роман Константинович, 2018 год

// / / /

Л г ж

£ у*

м

-А-

30 60 90 120 150 180 210 240 270 Удельная нагрузка д, Н/мм

30 60 90 120 150 180 210 240 270 Удельная нагрузка д, Н/мм

в)

г)

♦ Уск = 0,937 м/с ■ Ус к = 1,738 м/с А Уск = 2,539 м/с X Уск = 3,429 м/с а - при температуре масла 40°С; б - при температуре масла 60°С; в - при температуре масла 80°С; г - при температуре масла 100°С Рисунок 3.13 - Графики зависимостей критерия заедания от скоростей скольжения при различных удельных нагрузках для сочетания материалов сталь - бронза

0

0

Сз

к S X

го

<и го т

>s

S

о.

<и

IS

о. sc

13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Сз

к S X

го

4 ш го т

>s

5

.

Ш IS

.

sc

13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

т

/ /

/ А

30 60 90 120 150 180 210 240 270 Удельная нагрузка q, Н/мм

30 60 90 120 150 180 210 240 270 Удельная нагрузка д, Н/мм

в)

г)

о

я

S

н

а д

е а з

>s

S

.

е

IS

.

sc

/

/ /

/

/

/ / /

/ /х У si ..........■

.....♦

ш..... — —

13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 Удельная нагрузка д, Н/мм

♦ Уск = 0,937 м/с и Уск = 1,738 м/с А Уск = 2,539 м/с X Уск = 3,429 м/с а - при температуре масла 40°С; б - при температуре масла 60°С; в - при температуре масла 80°С; г - при температуре масла 100°С Рисунок 3.14 - Графики зависимостей критерия заедания от скоростей скольжения при различных удельных нагрузках для сочетания материалов сталь - сталь

0

0

По рассчитанным значениям критерия заедания также были построены трехмерные графики зависимости критерия заедания от скорости скольжения и удельной нагрузки для различных температур, представленные на рисунках 3.15 и 3.16. Данные изображения поверхностей иллюстрируют сложную зависимость критерия в спироидном зацеплении от трех факторов с очевидным влиянием:

температуры масла в зацеплении. а) б)

а - 40°С; б - 60°С; в - 80°С; г - 100°С Рисунок 3.15 Графики зависимости критерия заедания для сочетания материалов сталь - бронза

а - 40°С; б - 60°С; в - 80°С; г - 100°С Рисунок 3.16 Графики зависимости критерия заедания для сочетания материалов сталь - сталь

3.8 Выводы

1. Обосновано применение схемы узла трения «диск-ролик» в качестве физической модели спироидного зацепления при исследовании заедания поверхно-

стей. Проведены исследования процесса заедания на лабораторном стенде, с узлом трения, выполненном по схеме «диск - ролик».

2. В результате проведения экспериментов получена база значений коэффициентов трения в спироидном зацеплении для сочетаний материалов сталь -бронза и сталь - сталь в диапазонах: окружных скоростей от 0,937 до 3,429 м/с; удельных нагрузок от 35 до 255 Н/м; и температур от 40°С до 100°С, необходимая для проектирования приводов машин на основе спироидных передач.

3. Построены математические модели коэффициента трения от комбинации факторов: удельной нагрузки, скорости скольжения и температуры масла для двух сочетаний материалов: сталь - бронза и сталь - сталь.

4. Выявлены общие закономерности изменения коэффициента трения от удельных нагрузок и скоростей скольжения при различных температурах и сочетаниях материалов:

- снижение коэффициента трения в среднем на 0,193% для сочетания материалов сталь - бронза и на 0,173% для сочетания материалов сталь - сталь при увеличении скорости скольжения на 1%;

- увеличение коэффициента трения в среднем на 0,101% для сочетания материалов сталь - бронза и на 0,117% для сочетания материалов сталь - сталь при увеличении удельной нагрузки на 1%;

- снижение коэффициента трения в среднем на 0,302% для сочетания материалов сталь - бронза и на 0,381% для сочетания материалов сталь - сталь при увеличении температуры масла в редукторе на 1°C;

- значения коэффициента трения f для сочетания материалов сталь - сталь, по сравнению с сочетанием сталь - бронза в среднем выше на 29,4%.

5. Получены значения коэффициентов трения и параметры условий работы, при которых происходит начало развития процесса заедания поверхностей. Критерий, предложенный ранее в общем виде, представлен в уточненном варианте со значениями коэффициентов, учитывающих разную степень влияния двух групп факторов. Выявлены граничные значения критерия, при которых наступает заедание поверхностей.

4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА СПИРОИДНЫХ ПЕРЕДАЧ НА ОСНОВЕ

КРИТЕРИЯ ЗАЕДАНИЯ

4.1 Методика расчета спироидных передач по критерию заедания

В настоящее время стандартизированная методика проектирования спироидных передач отсутствует. Многолетний опыт исследования и проектирования изложен в виде рекомендаций в работах O. Saari [115], W. Nelson [125], а также в работах Б. Д. Зотова, Н. С. Голубкова, А. К. Георгиева, В. И. Гольдфарба, Е. С. Трубачева и других [25, 26]. Исходя из современных тенденций процесс проектирования спироидных передач в общем случае состоит из четырех основных этапов:

1. Синтез идеального зацепления. Этот этап начинается с выбора схемы передачи и требуемых параметров для привода: межосевого расстояния, передаточного отношения. Исходя из этих параметров, производится расчет геометрических параметров червяка и спироидного колеса [83]. Далее производят моделирование зацепления, т.е. рассчитывают координаты точек контакта, радиусы кривизны и другие геометрические параметры. Производится анализ сопряжения зубьев колеса и витков червяка с целью выявления наличия подрезания или заострения зубьев. Завершает этот этап проектирования силовой расчет передачи, тепловой расчет и расчет КПД.

2. Синтез локализованного контакта. Основная задача этого этапа заключается в понижении чувствительности передачи к различного рода погрешностям и деформациям за счет модификации рабочих поверхностей. Модификация производится корректировкой геометрии, установки и движения режущего инструмента.

3. Оценка деформаций звеньев передачи. На этом этапе производится моделирование напряженно-деформированного состояния звеньев передачи, а также расчет валов, подшипников и других элементов конструкций.

4. Эволюционная оценка создания передачи. Этот этап заключается в прогнозировании состояния звеньев передачи при определенных условиях работы и состоит из расчета спироидных передач по износу [4, 5, 7], расчета вибрационного состояния [1].

Проектирование спироидных передач с применением для пары звеньев сочетания материалов сталь - сталь предполагает учет фактора заедания поверхностей и учета при проектировании комбинации параметров, при которых процесс заедания переходит в критическую стадию. Для этого необходимо иметь возможность корректировать геометрические, кинематические и нагрузочные параметры передачи. Исходя из этих соображений, расчет по критерию заедания необходимо выполнять на первом этапе проектирования спироидной передачи - синтезе идеального зацепления на стадии расчета силовых параметров передачи, КПД и при проведении теплового расчета.

В случае, когда критерий заедания оценивает и лимитирует процесс развития на второй стадии заедания, не допуская комбинации факторов при котором будет стабильный металлический контакт сопряженных поверхностей, необходимым условием для расчета, помимо выбора материалов пары, является выбор смазочных материалов. Смазочные материалы подбираются с учетом принятых материалов звеньев передачи и условий эксплуатации [93].

Предлагаемая методика расчета спироидных передач на заедание базируется на кинематических и нагрузочных параметрах передачи. В расчетной схеме для расчета по критерию заедания нами приняты следующие допущения:

1. Нагрузка в зацеплении предварительно приработанной передачи распределяется между всеми парами зубьев и неравномерно по длине контактной линии.

2. Температура поверхностей трения принята равной температуре масла в редукторе.

3. Критическая температура заедания принята равной температуре разрушения масляной пленки.

Описываемая методика применяется для проверки передачи на заедание. В этом случае сначала рассчитываются нагрузки, а затем по ним происходит про-

верка передачи на заедание.

Исходными данными для расчета являются геометрические и кинематические параметры передачи:

- делительный диаметр червяка м;

- удаление ближнего торца нарезанной части витка червяка от межосевой линии Ь1, м;

- ширина нарезанной части червяка Ь1, м;

- межосевое расстояние м;

- передаточное число и;

- частота вращения червяка п1, об/мин;

- частота вращения колеса п2, об/мин.

Блок-схема методики расчета на заедание приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Блок-схема методики расчета спироидных передач на заедание

В проектировочных расчетах большинства зубчатых и червячных передач межосевое расстояние рассчитывают исходя из условия контактной прочности [34, 48, 111]. В рекомендациях к проектированию спироидных передач [83] межосевое расстояние выступает в качестве исходных данных, и принимается проектировщиком исходя из конструктивных соображений. Методика расчета спиро-идных передач на заедание, включает в себя расчет геометрических параметров по рекомендациям [83], поэтому при неизвестном значении межосевого расстояния целесообразно использовать эмпирическую формулу для расчета межосевого расстояния в спироидных передачах, приведенную в работе М. С. Эйдинова [112].

Рч(и + 3,7)

~-Тк-V (4.1)

1 3 • 2 Мй+1) ( )

где Рч - мощность на валу спироидного червяка, Вт; и - передаточное число; пч -частота вращения червяка, об/мин.

Методика расчета включает в себя определение кинематических параметров.

Окружная скорость червяка у1, м/с:

(42)

Окружная скорость колеса у2, м/с:

лп2

у2 =

30 ^

Скорость скольжения при основном сочетании направлений вращения

м/с:

7Г7Т.-1

У3 =

30

' 2 ¿1 + ¿1 й ((4 4)

/¿1г + ьг а±\ ЛМ. V 2 и 2) V и ' '

Зависимость (4.3) применима только для основного относительного расположения звеньев передачи, для вспомогательного относительного расположения червяка и колеса необходимо значение г1 подставлять со знаком «минус» [7].

м/с:

Также необходимо определить суммарную скорость качения в передаче у^,

пп2

Уу = -

2 30 ^

/ 2 11 + Ь1 | ¿л2 | / о^ 2 (4 5)

V 2 и 2) V и ' '

После кинематических параметров необходимо рассчитать нагрузочную способность передачи.

Суммарная (результирующая) сила в зацеплении определяется с учетом коэффициента трения:

т2и21у[Т+р

п2 , „2 _ (4-6) - Л/ лГг + Г|

в =-

^Ру+г? ^Г М ' ~ ^Р^СОБ^+Г?

Неравномерность распределения суммарной нагрузки по длине контактной линии учитывается коэффициентом концентрации Кк [7]. Удельная нагрузка в зацеплении q, Н/мм:

ч=2*к.к' (47) Затем следует расчет и выбор характеристик смазочного материала.

Согласно допущению, что температура поверхности принята равной температуре масла ^ = ^ рассчитываем температуру масла по зависимости [52]:

Р±(1 - г]12)103

■ (48)

гдеР1 - мощность, подводимая к валу червяка, кВт; п12 - КПД передачи при ведущем червяке; КПВ - коэффициент режима работы; К - коэффициент теплопереда-

Л

чи корпуса редуктора, Вт/(м -°С); А - площадь поверхности охлаждения корпуса редуктора, м2; у - коэффициент, учитывающий теплоотвод в опорную плиту или раму; ^ - температура окружающего воздуха.

По сорту масла и его температуре по каталогу смазочных материалов принимается его кинематическая вязкость, плотность и критическая температура возгорания масла.

Требуемый коэффициент трения для расчета выбирается по рассчитанным параметрам удельной нагрузки, скорости скольжения и температуры масла из ба-

зы значений для принятого сочетания материалов, сформированной в этой работе, а также в результате экспериментальных исследований [7, 52, 93].

Удельная теплопроводность принимается с учетом принятых материалов для звеньев передачи. Далее рассчитывается критерий, значение которого должно не превышать критического, при котором происходит разрыв масляной пленки и наступает третья стадия развития заедания поверхностей.

(г \ 1,42 / \ 0,28

--^-) (_«J\ <[Сг] . (4.9)

(Аф-ОСЛ+ад/ WW 1 1

Таким образом, предложенный критерий позволяет проверить проектируемую передачу на склонность к заеданию поверхностей. Если расчетный критерий превышает допустимое значение [Cr], то необходимо вернуться на определенный этап (рисунок 4.1) проектирования и произвести корректировку параметров или изменить конструкцию редуктора, например, применить систему охлаждения редуктора.

4.2 Рекомендации по проектированию спироидных передач с учетом

заедания

На основе изложенной выше методики были разработаны рекомендации по изменению параметров передачи для повышения ее задиростойкости:

1. Изменение исходных данных, т.е. снижение вращающего момента или частоты вращения червяка. В большинстве случаев эти параметры не подлежат корректировке, т.к. именно для их обеспечения и проектируется редуктор. Но в случае проектирования двухступенчатого редуктора, с комбинацией спироидной и, например, цилиндрической передачи, имеется возможность пересмотреть схему редуктора с цилиндрическо-спироидной на спироидно-цилиндрическую, т.е. поменять очередность передач в редукторе. Это снизит нагрузку на спироидную передачу и увеличит скорость, затягивания масла в контакт, что будет препятствовать началу процесса заедания.

2. Без корректировки входных параметров снизить критерий можно при помощи геометрических параметров передачи. Ключевыми факторами, влияющими на заедание поверхностей, являются не столько передаваемый момент и частота вращения червяка, сколько удельная нагрузка и скорость скольжения.

а. Снижение удельной нагрузки возможно путем увеличения суммарной длины контактных линий, по которым распределяется вся передаваемая нагрузка.

б. Снижение скорости скольжения достигается регулированием параметров окружной скорости червяка или окружной скорости колеса, которые зависят от частот вращения червяка и колеса и от делительных диаметров червяка и колеса. Уменьшение диаметра червяка или увеличение диаметра колеса непосредственно влияют на снижение скорости скольжения. Но это может повлечь за собой и изменение остальных параметров передачи: нагрузочной способности, передаточного числа и т.д.

3. Повысить задиростойкость можно при помощи выбора материалов для сочетания звеньев пары. Необходимо подобрать материал для венца спироидного колеса с более низким коэффициентом трения, что снизит склонность передачи к заеданию. Повысить задиростойкость можно приняв материалы с более высоким коэффициентом теплопроводности, что увеличит скорость отдачи тепла от звеньев в масло.

4. Эффективным способом снизить склонность к заеданию можно выбором смазочного материала, свойства которого существенно оказывают влияние на процесс заедания.

а. Первый способ повысить задиростойкость передачи - принять сорт масла с более пологой вязкостно-температурной характеристикой, т.е. чтобы новый сорт масла при высоких температурах имел большую вязкость, что приведет к повышению нагрузочной способности масляной пленки при высоких температурах.

б. Второй способ - принять сорт масла с более высокой температурой разрыва масляной пленки. Как правило, это достигается добавлением в масло проти-возадирных присадок, которые, даже при снижении смазывающей способности

масла до критического значения, обеспечивают непрерывную масляную пленку в контакте.

5. Снизить температуру масла в редукторе или увеличить отдачу тепла от масла в окружающую среду. Это возможно путем различных конструктивных изменений в редукторе:

а. Применение корпуса с большей площадью охлаждения, которая будет способствовать повышению скорости охлаждения редуктора.

6. Применение в качестве материала корпуса редуктора материалов с более высоким коэффициентом теплоотдачи, что увеличит скорость охлаждения и, как следствие, снизит склонность передачи к заеданию.

в. Применение специальной системы охлаждения. Это различные устройства принудительного отвода тепла от корпуса редуктора: применение вентилятора, применения жидкостной системы охлаждения редуктора и т.д.

4.3 Программа для расчета спироидных передач по критерию заедания

С развитием техники постоянно возрастают требования к точности проектирования, что сопряжено с внедрением в проектирование машин и механизмов систем автоматизированного проектирования. В настоящее время для проектирования металлоконструкций и узлов машин применяются разнообразные программные комплексы: как зарубежные: AutoCAD, SolidWorks, SimulationX, так и отечественные: КОМПАС-BD, APMWinMachine, T-FLEXCAD и другие. Большинство из этих программных комплексов специализируются на прочностных расчетах деталей и металлоконструкций. Возможность проведения проектировочного расчета зубчатых передач в большинстве комплексов или отсутствует, или включает в себя расчеты наиболее распространенных типов передач: цилиндрические, конические, червячные.

Для автоматизированного расчета спироидных передач в настоящее время в институте механики ИжГТУ создана комплексная система автоматизированного проектирования и исследования САПР/АСНИ спироидных передач «SPDIAL+».

Программный модуль «SPDIAL+» позволяет произвести процесс проектирования спироидной передачи с этапа синтеза идеального зацепления до этапа оценка деформации звеньев передачи. Программа последовательно выполняет ряд расчетов: расчет схемы передачи, расчет параметров червяка, расчет сопряженной геометрии колеса, расчет линий и характеристик сопряженного контакта, расчет сил, действующих в зацеплении, расчет КПД и нагрузочной способности передачи, расчет наладки для спироидной фрезы, расчет распределения нагрузки, расчет приведенных зазоров и показателей качества реального зацепления [26, 104].

Автором была разработана программа для расчета спироидных передач по критерию заедания «SpirZ», которая позволяет быстро произвести подбор и расчет параметров спироидной передачи под исходные данные и проверить передачу по критерию заедания. Расчетная часть программы выполнена на объектно-ориентированном языке программирования C#. Графическая часть программы написана на расширяемом языке разметки для приложений XAML с использованием .NETFramework 3.0 и стандартных библиотек системы windows.

Программа состоит из 7 этапов, расположенных на 3-х последовательных страницах. Первый этап заключается в расчете геометрии передачи (рисунок 4.2).

Исходными данными на первом этапе являются передаточное число и межосевое расстояние. После чего пользователю необходимо задать число заходов червяка и выбрать по ГОСТу осевой модуль и коэффициент диаметра червяка. Программа не позволяет пользователю вводить значения не предусмотренные ГОСТом. После задания любых значений пользователю необходимо делать пересчет параметров при помощи кнопки «рассчитать». Также при расчете геометрии передачи предусмотрена возможность корректировки коэффициентов для проектирования нестандартных передач.

После расчета геометрии пользователь при нажатии кнопки «далее» переходит на второй этап проектирования - расчет кинематических параметров (рисунок 4.3).

Рисунок 4.2 - Фрагмент пользовательского интерфейса программы (этап 1) Исходными данными к расчету кинематических параметров является геометрия передачи и задаваемая пользователем частота вращения входного вала редуктора в об/мин.

Далее программа предлагает пользователю скорректировать стандартные материалы звеньев пары. После чего следует расчет силовых параметров спиро-идной передачи, где исходными данными являются номинальный вращающий момент на валу колеса, который задает пользователь, а также коэффициент трения, который пользователь выбирает из баз данных, загруженных в программу.

Рисунок 4.3 - Фрагмент пользовательского интерфейса программы (этапы 2-4) При нажатии кнопки «далее» пользователь попадает на заключительные этапы расчета, где программа предоставляет ему возможность задать параметры смазочных материалов и параметры системы охлаждения редуктора (рисунок 4. 4).

Программа представляет пользователю результаты расчета КПД редуктора, теплового расчета, а также расчетное значение критерия заедания.

Пользователь имеет возможность при необходимости вернуться и скорректировать те или иные параметры расчета или исходные данные. По завершении расчета пользователь, нажав кнопку «сохранить», получает файл в формате .doc с результатами всех расчетов.

Разработанная программа позволяет оперативно проводить проектировочный расчет параметров передачи, производить проверку передачи по критерию

51аде5678 . п ЕЯ

Этап 5 - Выбор смазочных материалов

Масло трансмиссионное ТНК Транс Ойл «№/-85 61-4

Диапазон температур рабочий В0...12< ■с

Вязкость кинематическая при 100 *С 12,5 шл2/с

Вязкость кинематическая при 40 'С 148 ин2/с

Удельная плотность масла 1,078 г/сыЗ

Индекс вязкости 90

Температура вспышки 200 •с

Температура застывания •с

Температура заедания 220 -с

Этап 6 - Расчет КПД

Полный КПД редуктора п 0.400

Традиционный частный коэффициент относительных потерь в зацеплении ф ) 0.353

Традиционный частный коэффициент относительных потерь в подшипниках от скольжения ф п 0.205

Традиционный частный коэффициент относительных потерь в уплотнениях ф . 0.041

Традиционный частный коэффициент относительных потерь в уплотнениях для вала червяка ф 0.040

Традиционный частный коэффициент относительных потерь в уплотнениях для вала спироидного колеса ф 0.001

Традиционный частный коэффициент относительных потерь на размешивание масла ф V 0.001

Этап 7 - Тепловой расчет спироидной передачи

Исходные данные:

Продолжительность включения ПВ ^ % Наличие обдува редуктора Да

Температура окружающего воздуха 1 ■ 20 'С Коэффициент теплоотдачи I Ч |

Температура масла в редукторе 48.286 'С

Этап 8 - Проверка спироидной передачи на заедание

Значение критерия заедания 0.128

г Пересчитать | [ Назад Сохранить

Рисунок 4.4 - Фрагмент пользовательского интерфейса программы (этапы 5-7) 4.4 Модернизация механизма передвижения башенного крана КБ-405

В этом разделе приведен пример модернизации механизма передвижения башенного крана КБ-405 (рисунок 4.5 а). Башенный кран - это основная грузоподъемная машина при возведении многоэтажных зданий и сооружений. Башенные краны модели КБ-405 широко используются в строительстве зданий значи-

тельной протяженности и в процессе работы передвигаются вдоль здания длинной до 100 и более метров [98].

а) б)

4,2м

а - кран башенный КБ-405; б - схема механизма передвижения крана КБ-405 1 - электродвигатель; 2 - тормоз; 3 двуступенчатый цилиндрическо-спироидный редуктор; 4 - шестерня; 5 - зубчатые колеса; 6 - ходовое колесо Рисунок 4.5 - Кран башенный КБ-405 Кран КБ-405 опираются на четыре балансирные тележки, имеющие по два ходовых колеса. Две из четырех тележек являются приводными, у которых привод к ходовым колесам осуществляется электродвигателем, смонтированным на раме тележки. Обычно приводные тележки расположены по диагонали на разных рельсах подкранового пути.

На рисунке 4.5 б показана кинематическая схема привода ходовой тележки башенного крана, состоящей из следующих сборочных единиц и деталей: электродвигателя 1, который соединен с двуступенчатым редуктором 3. Первая ступень редуктора выполнена в виде косозубой цилиндрической передачи с передаточным числом и = 2 [87]. Вторая ступень выполнена в виде глобоидной передачи

с передаточным числом и = 16 [87]. На валу глобоидного червяка установлен тормоз. Выходной вал редуктора передает вращение на цилиндрическую шестерню 4, которая посредством передачи момента на колеса 5, приводит в движение ходовые колеса 6. Открытые передачи защищены кожухом во избежание попадания загрязнений при движении крана.

Длительная эксплуатация башенных кранов на предприятии «ОАО Строй-механизация» г. Новосибирска выявила ряд недостатков механизмов передвижения крана. В частности, недостаток несущей способности глобоидной передачи, что проявляется в повышенном износе зубьев венца глобоидного колеса и их поломках (рисунок 4.6). Износ зубьев венца глобоидного колеса показан на рисунке 4.7 в сравнении с венцом, который только поступил с завода (рисунок 4.8).

В связи с этим была произведена модернизация механизма передвижения, с заменой глобоидной передачи на спироидную, что повысит нагрузочную способность передачи, ее КПД и стойкость к ударным, вибрационным нагрузкам и кратковременным перегрузкам. Схема привода передвижения крана после модернизации представлена на рисунке 4.9.

Рисунок 4.6 - Поломка зубьев глобоидного колеса

Рисунок 4.8 - Зубья венца глобоидного колеса, не подвергавшиеся износу Исходными данными к расчету спироидного редуктора [87]: Передаточное число спироидной передачи: и = 16; Требуемое межосевое расстояние: а„ = 125 мм;

Требуемый максимальный момент на выходном валу редуктора: Твых = 1800 Н-м;

Частота вращения электродвигателя: пдв = 500 об/мин; КПД глобоидной передачи: п = 0,62. Мощность электродвигателя: Рдв = 6,3 кВт.

Спироидная передача была рассчитана в программе «8р1й», описанной в п.4.3 данной работы. Результаты расчета спироидной передачи приведены в таблице 4. 1.

1 - электродвигатель; 2 - тормоз; 3 двухступенчатый цилиндро-спироидный редуктор; 4 - шестерня; 5 - зубчатые колеса; 6 - ходовое колесо Рисунок 4.9 - Схема механизма передвижения крана после модернизации Таблица 4.1 - Результаты расчета спироидной передачи

Этап 1 - Расчет геометрических параметров передачи

Межосевое расстояние ам> мм 125

Передаточное число и - 16

Число заходов червяка - 4

Число зубьев колеса 22 - 64

Наружный диаметр венца колеса ^02 мм 450

Ширина венца колеса Ь2 мм 62,5

Внутренний диаметр венца колеса мм 325

Ширина нарезанной части червяка Ь1 мм 90,625

Удаление ближайшего торца нарезанной части червяка от межосевой линии и мм 103,125

Осевой модуль т мм 5

Высота делительной головки витка червяка Ьа мм 5

Коэффициент диаметра червяка Я - 16

Делительный диаметр червяка мм 80

Диаметр вершин витков червяка мм 90

Высота делительной ножки витка червяка кп мм 10,25

Диаметр впадин витка червяка мм 59,5

Угол подъема винтовой линии на делительном цилиндре червяка о 14,036

Осевой ход витков червяка Р2 мм 62,832

Делительная осевая толщина витка червяка мм 7,154

Делительная нормальный толщина витка червяка мм 6,940

Делительный угол профиля левой стороны витка червяка в нормальном сечении апл о 12

Делительный угол профиля правой стороны витка червяка в нормальном сечении апп о 28

Этап 2 - Расчет кинематических параметров передачи

Частота вращения вала червяка номинальная мин-1 щ 500

Частота вращения вала колеса номинальная мин-1 щ 31,25

Окружная скорость червяка номинальная м/с VI 2,094

Окружная скорость колеса номинальная м/с 0,635

Скорость скольжения м/с ^ск 1,660

Суммарная скорость качения м/с 2,612

Этап 3 - Выбор материалов для звеньев пары

Материал спироидного червяка сталь 40X

Модуль упругости 196000 МПа

Удельная теплопроводность 46 Вт/(м*град)

Предел прочности 380 МПа

Плотность материала 7820 кг/м3

Материал спироидного колеса бронза БрА9Ж4

Модуль упругости 78000 МПа

Удельная теплопроводность 58,6 Вт/(м*град)

Предел прочности 196 МПа

Продолжение таблицы 4.6

Плотность материала 7600 кг/м3

Этап 4 - Расчет силовых параметров спироидной передачи

Вращающий момент на валу колеса номинальный Н-м т7 1800

Результирующая сила в зацеплении Н О 12381

Удельная нагрузка номинальная Н/мм Я 225,899

Коэффициент трения / 0,0383

Приведенный модуль упругости Па Е 111591

Напряжение в контакте МПа Ск 98,065

Этап 5 - Выбор смазочных материалов

Диапазон температур рабочий °С -30.. .120

Вязкость кинематическаяпри 100 °С мм2/с 19,8

Вязкость кинематическаяпри 40 °С мм2/с 155

Индекс вязкости --- 150

Температура вспышки °С 240

Температура застывания °С -31

Этап 6 - Расчет КПД

КПД редуктора 7] 0,767

Этап 7 - Тепловой расчет спироидной передачи

ПВ % 40

Температура окружающего воздуха и °С 40

Коэффициент теплоотдачи 0,3

Традиционный частный коэффициент относительных потерь в уплотнениях ^м °С 106,8

Этап 8 - Проверка спироидной передачи на заедание

Значение критерия заедания 1,266

Проверка выполнена. Значение критерия не превышает допустимого

Спроектированная спироидная передача, помимо повышения нагрузочной способности, позволяет повысить КПД редуктора на 14,7% по сравнению со стандартным цилиндро-глобоидным редуктором.

4.5 Проектирование механизма поворота кулачков спредера

В этом разделе работы описан процесс проектирования механизма поворота кулачков спредера с применением спироидного редуктора с сочетанием материалов пары звеньев сталь - сталь.

Спредер - грузозахватное устройство для строповки крупнотоннажных контейнеров. Спредеры нашли широкое применение в козловых кранах на станциях разгрузки и перегрузки контейнеров.

Спредер для контейнеров типа 1С и 1А (рисунок 4.10) состоит из блочной рамы 4 и опорно-поворотного устройства 3, прикрепленного снизу к ней, с приводом от механизма вращения 2. Последний содержит электродвигатель, тормоз, двухступенчатый цилиндрический редуктор и открытую коническую зубчатую передачу. Выходная шестерня механизма взаимодействует с зубчатым венцом опорно-поворотного устройства, к внутреннему кольцу которого снизу прикреп-

лена прямоугольная грузозахватная рама 6 для контейнеров типа 1С. По ее углам установлены поворотные штыри 7, взаимодействующие с фитингами контейнера. Поворот штырей производится механизмами, расположенными по коротким сторонам рамы 6. Каждый механизм 11 представляет собой пару винт — гайка, где винт, вращаясь от электродвигателя, перемещает гайку и воздействует на продольно-подвижный стержень в направляющих. Стержень поворачивает кривошипы штырей 7. Для работы с контейнерами типа 1А к раме 6 с помощью штырей 7 прикреплена рама 9 большего размера, имеющая свои штыри 7 и соответствующие механизмы для их поворота. Рама 4 через блоки 5 подвешена на канатах механизма подъема крана.

1 - спиральный желоб; 2 - механизм поворота рамы; 3 - опорно-поворотное устройство; 4 - блочная рама; 5 - блок; 6 - рама; 7 - поворотный кулачок; 8 - направляющий башмак; 9 - дополнительная грузозахватная рама; 10 - коническая зубчатая передача; 11 - механизм поворота грузозахватных элементов Рисунок 4.10 - Конструкция спредера, разработанная ВНИИПТМаш Для предотвращения перекоса и раскачивания контейнера блоки с помощью зубчатых конических передач 10 и фрикционных муфт соединены попарно по диагонали. Для удобства работы рамы 6 и 9 снабжены направляющими башмаками 8, с помощью которых устройство центрируется на контейнере.

Длительная эксплуатация спредеров, установленных на козловых кранах на Западно-Сибирской железной дороге в филиале ПАО «ТрансКонтейнер» выявила ряд недостатков механизмов поворота грузозахватных кулачков.

К числу недостатков относятся: 1) быстрый износ зубьев червячных колес; 2) заклинивание грузозахватных кулачков (особенно в зимний период); 3) изгиб тяг; 4) необходимость частой регулировки муфты предельного момента и др.

Нами был проведена модернизация механизма поворота кулачков спредера с целью устранения вышеперечисленных недостатков. Модернизированная конструкция (рисунок 4.11) состоит из электродвигателя, спироидного редуктора и тяг.

Рисунок 4.11 - Схема модернизированного привода поворота кулачков спредера Исходными данными к расчету редуктора являются требуемые параметры на рабочем органе, а также принятый ранее электродвигатель:

Требуемое частота вращения на выходном валу редуктора: пвых = 23 об/мин;

Требуемый момент на выходном валу редуктора: Твых= 95 Н-м; Требуемое межосевое расстояние: ам, = 60 мм; Режим работы: 4М;

Мощность электродвигателя: Рда = 0,75 кВт; Частота вращения электродвигателя: ида = 1400 об/мин. Требуемое передаточное отношение и:

£

Т-

О

(4.10)

132

и = 1400/23 = 60,9.

Принято передаточное число и = 60.

Геометрические параметры моделируемой спироидной передачи была рассчитана по методике, приведенной в рекомендациях [83]. Схемы к расчету геометрических параметров передачи приведены на рисунке 3.1. Результаты расчета представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Результаты геометрического расчета спироидной передачи

Параметр обозн. ед. изм. знач.

Межосевое расстояние ам> мм 60

Передаточное число и — 60

Число заходов червяка — 1

Число зубьев колеса — 60

Наружный диаметр венца колеса ¿02 мм 216

Ширина венца колеса Ъг мм 30

Внутренний диаметр венца колеса ¿2 мм 156

Ширина нарезанной части червяка Ъ1 мм 49,5

Удаление ближайшего торца нарезанной части червяка от межосевой линии Ь1 мм 26

Осевой модуль т мм 2

Высота делительной головки витка червяка Ьа мм 2

Коэффициент диаметра червяка Ч — 20

Делительный диаметр червяка мм 40

Диаметр вершин витков червяка ¿а1 мм 44

Высота делительной ножки витка червяка кц мм 4,25

Диаметр впадин витка червяка Л мм 31,5

Угол подъема винтовой линии на делительном цилиндре червяка У о 2,6

Осевой ход витков червяка р* мм 6,28

Делительная осевая толщина витка червяка $1 мм 2,95

Делительная нормальный толщина витка червяка мм 2,93

Делительный угол профиля левой стороны витка червяка в нормальном сечении апл о 10

Делительный угол профиля правой стороны витка червяка в нормальном сечении апп о 28

Кинематический расчет выполнен по формулам 3.1 - 3.10. Расчетная схема представлена на рисунке 3.2. Результаты расчета приведены в таблице 4.3. Таблица 4.3 - Результаты кинематического расчета

Параметр Ед. изм. Обозн. Значение

Число передаточное спироидной пары --- Щ2 60

Расстояние межосевое мм 60

Частота вращения вала червяка номинальная мин-1 щ 1400

Частота вращения вала колеса номинальная мин-1 щ 23

Окружная скорость червяка номинальная м/с 3,22

Окружная скорость колеса номинальная м/с 0,22

Скорость скольжения м/с ^ск 2,76

Суммарная скорость качения м/с 3,11

Материалы звеньев передачи приняты для сочетания материалов звеньев

пары (сталь - бронза и сталь - сталь) по рекомендациям [26]:

С Л

- материал червяка - сталь 40Х (Е1 = 1,96 • 10 Н/мм );

С Л

- материал колеса - сталь 45 ^ = 1,96 • 10 Н/мм ).

Приведенный модуль упругости для двух сочетаний материалов Епр рас-

л

считан по формуле 3.11, Н/мм :

_ 2 ■ 1,96-105 ■ 1,96- 105 _ 5 Н

Епр2 " 1,96 -105 + 1,96 -105 " 1,96 '10 Ш' Силовой расчет передачи выполнен по формулам 3.16 - 3.17. Силовые параметры передачи приведены в таблице 4. 4.

Таблица 4.4 - Результаты силового расчета спироидной передачи

Параметр Ед.изм. Обозн. Значение

Число передаточное спироидной пары — "12 60

Расстояние межосевое мм 60

Вращающий момент на валу колеса номинальный Н-м т2 95

Результирующая сила в зацеплении Н G 1900

Удельная нагрузка номинальная Н/мм q 72,2

Приведенный модуль упругости Па £др 2 1,96 • 1011

В качестве смазочного материала для спироидного редуктора, в соответствии с рекомендациями [93], принято масло трансмиссионное ТНК Транс Ойл

В01-В5 ОЬ-4

Таблица 4.5 - Характеристики масла ЛУКОЙЛ СТИЛО ПРЕМИУМ 150 СТО 79345251-043-2012

Параметр Ед. изм. Значение

Диапазон температур рабочий °С 30.. .120

Вязкость кинематическаяпри 100 °С мм2/с 19,9

Вязкость кинематическаяпри 40 °С мм2/с 150

Индекс вязкости --- 150

Температура вспышки °С 240

Температура застывания °С -47