CC BY
17
УДК 621.311 Колотое Андрей Васильевич,
к. т. н., доцент кафедры «Теория и конструирование механических систем» ПИ ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», тел. (8-391) 2-497-263, e-mail: kolotoff555@mail.ru.
Мерко Михаил Алексеевич, к. т. н., доцент кафедры «Теория и конструирование механических систем» ПИ ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», тел. (8-391) 2-497-263, e-mail: mma20010@mail.ru.
Беляков Евгений Викторович, старший преподаватель кафедры «Теория и конструирование механических систем» ПИ ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», тел. (8-391) 2-497-263, e-mail: belyakoff777@mail.ru.
Меснянкин Марк Вадимович, старший преподаватель кафедры «Теория и конструирование механических систем» ПИ ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», тел. (8-391) 2-497-263, e-mail: mesmark@yandex.ru.
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗУБЧАТЫХ МЕХАНИЗМОВ ПРИВОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ СО СВЯЗАННЫМИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ КОЛЕСАМИ
A. V. Kolotov, M.A. Merko, E. V. Belyakov, M. V. Mesnjankin
AUTOMATED DESIGNING OF GEAR MECHANISMS OF DRIVES OF THE PROCESS EQUIPMENT WITH CONNECTED CYLINDRICAL WHEELS
Аннотация. Рассмотрены особенности автоматизированного проектирования зубчатых механизмов приводов технологического оборудования со связанными цилиндрическими колесами.
Ключевые слова: зубчатые механизмы, привод, механизмы со связанными цилиндрическими колесами, объемный блокирующий контур, показатели качества.
Abstract. The article is focused on automated designing features of gear mechanisms of drives of the process equipment with connected cylindrical wheels.
Keywords: gear mechanisms, drive, mechanisms with the connected cylindrical wheels, volume blocking contour, quality indicators.
Зубчатыми механизмами приводов технологического оборудования со связанными цилиндрическими колесами являются механизмы, структура которых содержит хотя бы одно зубчатое колесо, одновременно образующее зацепления с двумя или более другими зубчатыми колесами. Особенности расчета геометрических параметров зубчатых колес механизмов данного вида представлены в работах И.А. Болотовского [1, 2].
Существующие методики расчетов зубчатых механизмов со связанными цилиндрическими колесами не всегда позволяют обеспечить требуемые величины показателей качества, а зачастую не дают однозначного приемлемого решения или вообще не имеют решений [3, 4]. Решение данной задачи для
зубчатых механизмов данного вида возможно только с помощью метода объемного блокирующего контура (ОБК). В этом случае достижение желаемых значений показателей качества возможно только при одновременном рассмотрении совместного существования областей (зон) параметров, обеспечивающих величины показателей качества зубчатых механизмов со связанными цилиндрическими колесами внешнего и внутреннего зацеплений [5...7]. При этом необходимо учитывать, что результат напрямую зависит от требований, предъявляемых к значениям геометрических параметров зацеплений, образованных связанными цилиндрическими колесами. Непосредственное влияние на точность получаемого результата оказывают: коэффициент торцового перекрытия, заострение головок зубьев, интерференция, положение полюса зацепления, приведенный радиус кривизны профилей зубьев в полюсе, скорость общей контактной точки при ее движении по профилю зуба, скорость скольжения в заданной контактной точке, удельные скольжения в нижних точках активного профиля зуба и др.
Каждый из перечисленных параметров в той или иной мере оказывает существенное влияние на эксплуатационные показатели как механизма, так и всего привода в целом. Например: для получения требуемых значений коэффициентов, учитывающих форму зуба и концентрацию напряжений, необходимо осуществить выбор значений
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
коэффициентов относительного смещения для всех связанных цилиндрических колес, находящихся в зацеплениях в области объемного блокирующего контура, соответствующей положительным значениям данных параметров. При этом наиболее оптимальные значения коэффициентов относительного смещения определяются пересечением поверхностей выровненных удельных скольжений. Рост значений данных коэффициентов приводит к увеличению углов зацепления для каждой пары связанных колес. Это обстоятельство увеличивает начальные межосевые расстояния, что, в свою очередь, способствует уменьшению контактных напряжений в зоне контакта зубьев связанных колес в каждом зацеплении. Если выбранная точка находится внутри объемного блокирующего контура и лежит на пересечении поверхностей, образованных проекциями линий выровненных удельных скольжений плоских блокирующих контуров соответствующих пар зацеплений, то можно считать, что получен оптимальный вариант сочетания значений коэффициентов относительного смещения для всех связанных цилиндрических колес. В этом случае износ контактных поверхностей зубьев любого колеса будет иметь место в полюсе их зацепления, что вызовет рост контактной выносливости механизма со связанными колесами.
Используя основные положения, рекомендованные для выбора коэффициентов относительного смещения по плоским блокирующим контурам [1, 2], авторы сформировали алгоритм определения параметров, оказывающих основное влияние на величины показателей качества зубчатых механизмов со связанными цилиндрическими колесами методом объемного блокирующего контура [8], состоящего из следующих основных модулей (рис. 1):
1. Модуль исходных данных, которые разделены на два направления:
- параметры зубчатых колес и зацеплений, где z1, z2, z3 - числа зубьев связанных колес;
12 23 13
в - угол наклона зубьев; а№ , ак , а№ - начальные межосевые расстояния каждого зацепления;
- параметры нормального исходного производящего контура, а - угол профиля зуба рейки,
т - модуль зацепления; к*а - коэффициент высоты головки зуба; к* - коэффициент граничной высоты; с - коэффициент радиального зазора; к** - коэффициент высоты модификации головки
зуба; А - коэффициент глубины модификации головки зуба.
2. Модуль формирования плоских блокирующих контуров, ограниченных линиями интерференции.
3. Модуль формирования объемного блокирующего контура, ограниченного поверхностями интерференции.
4. Модуль ввода значений показателей качества, где вО2, 8а3,в О3 - коэффициенты торцо-
12 23 13
вого перекрытия зацеплений; sa , sa , sa - коэффициенты толщины зубьев на поверхности вершин колес в каждом зацеплении; х12 3 > х12 3тт - условие, ограничивающее подрез
зубьев колес; $Р1 = &р2 , &р2 = &Р3, &Р1 = &Р3 - коэффициенты выравненных удельных скольжений для каждой пары зацепления.
5. Модуль формирования плоских блокирующих контуров, ограниченных линиями показателей качества.
6. Модуль формирования объемного блокирующего контура, ограниченного поверхностями показателей качества.
7. Модуль логической операции, определяющий, задано или нет значение начального межосевого расстояния, который при результате «да» обеспечивает переход к модулю 8, а при «нет», соответственно, переводит к модулю 9.
8. Модуль логической операции, определяющий, заданы или нет значения начального межосевого расстояния для всех трех зацеплений, который при результате «да» обеспечивает переход к модулю 10, а при «нет», соответственно, переводит к модулю 11.
9. Модуль формирования областей совместного существования для всех зацеплений механизма со связанными колесами, которые определят пространство объемного блокирующего контура, ограниченного поверхностями показателей качества.
10. Модуль формирования решения, которое в каждом частном случае может быть удовлетворяющим или не удовлетворяющим задаваемым (принятым) критериям.
11. Модуль формирования решения, представляющий собой диапазон величин коэффициентов относительных смещений хг, х2 и х3 для
каждого колеса, которые обеспечивают условия «вписывания» всех зацеплений в регламентированные начальные межосевые расстояния при заданном сочетании показателей качества.
12. Модуль логической операции, определяющий, соответствуют или нет полученные результаты принятым критериям, который при результате «да» обеспечивает переход к модулю 4, а при «нет», соответственно, к модулю 13.
Современные технологии. Математика. Механика и машиностроение
Модуль исходных данных:
Параметры зубчатых колес и зацеплении........................
Параметры нормального исходного
производящего коптунтура..........................:с \hg\A .
_1_
Модуль формировании плоских блокирующих контуров ограниченных линиями интерференции
= * т=
Модуль формирования О&ьемкого блокирующего контура ограниченного 110Вфхностяыи интерференции
I
1 Модуль пгсода значений показателен ¡сачила:
Коэффициент торцового перекрытия____
Коэффициент толщины зуба на поверхности першин кшсс..............
Услопие. ограничивающее подрез зубьев , г
Коэффициенты выравнен ныл удельных скольжении
и .„за в.
<д - а: - (Л -
~ &р2 - ^рз'^р! - I
Модуль форм про паи н я плоских блокирующих контуров ограниченных Лин н я ми качественных показателей
Модуль формирования объемного блокирующего контура ограниченного
14
Модуль расчета параметров механизма
Рис. 1. Алгоритм определения параметров, оказывающих основное влияние на величины показателей качества зубчатых механизмов со связанными цилиндрическими колесами методом объемного блокирующего контура
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
13. Модуль вывода результата.
14. Модуль расчета параметров механизма.
С целью повышения эффективности процесса проектирования зубчатых механизмов приводов технологического оборудования со связанными цилиндрическими колесами авторами разработан программный комплекс (ПК) «Контур», реализующий данный алгоритм. При создании ПК «Контур» предпочтение было отдано среде программирования Borland Delphi и открытой графической библиотеке, использующей технологию OpenGL, что позволяет сформировать независимый от языка программирования кросс-платформенный программный интерфейс, необходимый для написания приложений, применяющих двумерную или трёхмерную компьютерную графику. Для удобства использования ПК «Контур» снабжен программой инсталляции, которая позволяет установить на персональный компьютер пользователя весь комплекс с минимальным количеством действий. После проведения данных мероприятий на рабочем столе ПЭВМ появляется иконка, нажатием на которую осуществляется запуск программного комплекса, что сопровождается появлением на экране монитора окна модуля исходных данных (рис. 2). В ячейках этого окна необходимо указать значения не только параметров зубчатых колес с учетом особенностей обоих видов зацеплений, но и параметров нормального исходного производящего контура, принадлежащего режущему инструменту. Далее нажатием кнопки «Enter» на клавиатуре ПЭВМ запускается расчет геометрических параметров для каждой
пары зацепления связанных цилиндрических колес зубчатого механизма, который может выполняться для обоих видов зацепления. Полученный результат передается в модуль формирования плоских блокирующих контуров, что способствует его активации. Результат вычислений, выполненных модулем исходных данных может быть транслирован в программные средства Microsoft Word или Microsoft Excel нажатием кнопки, содержащейся во вкладке «Отчет».
Получив необходимую информацию, модуль формирования выполняет построение плоских блокирующих контуров для каждого зацепления связанных цилиндрических колес. Результат построения передается в модуль формирования объемного блокирующего контура, что обеспечивает его запуск.
Модуль ОБК начинает работу с формирования глобальной системы координат X = {0;X1;X2;X3}, состоящей из трех координатных плоскостей h - X1, 0, X2; v - X1,0, X3; w - X2, 0, X3. На координатных плоскостях глобальной системы располагаются плоские прямоугольные (декартовые) системы координат
h - X = {0h;xih;x2h К v - X = {0v ;xiv ;^ w -X = 0w; x2w ; x3w}, каждая из которых соответствует паре колес, образующих зацепление. Затем с системами координат каждой координатной плоскости совмещаются системы координат соответствующего плоского блокирующего контура, построенного предшествующим модулем, что обеспечивает их правильное позиционирование в гло-
Рис. 2. Вид окна модуля исходных данных ПК «Контур»
Современные технологии. Математика. Механика и машиностроение
бальной системе координат. Проецирование кривых показателей качества плоских блокирующих контуров, расположенных на соответствующих координатных плоскостях к = х1к х2к, V = х1у х3у, ™ = х2№ х3„, осуществляется построением объемного блокирующего контура. ОБК формируется пересечением поверхностей, образованных совокупностью координат точек, определяющих положение линий интерференции зубьев на плоских блокирующих контурах, расположенных на соответствующих координатных плоскостях глобальной системы координат. ОБК имеет собственную систему координат £ = {0; х1; х2; х3}, расположен-
ную в глобальной системе координат £ = {0;Х1;Х2;Х3}, а точка 0, соответствующая началу отсчета собственной системы координат £ = {0; х1; х2; х3}, не совпадает с точкой 0, являющейся началом отсчета глобальной системы координат £ = {0;Х1;Х2;Х3}. Полученный результат передается в модуль ввода значений показателей качества, что сопровождается выводом на экран соответствующего окна (рис. 3, а).
В ячейках окна модуля ввода необходимо указать значения показателей качества, которыми должен обладать проектируемый зубчатый механизм со связанными колесами. Эти данные вместе
А, =ол
е г-1 к
8а = 12. /
£а = ¡Л. ? . / /
1 __; К у /
м. 1
/ \ \0 / 1 У
Д", -0.2/ 1 / / ч и
£ ■■ и .4/ ъ л ш к ? / 2
2 1 Т —" V- --0
Х2 = 7 / 1 1 ■Л \ =0.}
—1-1- Х1 =х1т„, ' / / \ =0.4
'щ =0 \ =0 ; Л" м>
...... \ \ А, \ V 4 ' 1 л / Н г /
- 3 \ Г\ У- Ч / \ / \ 1,2
й» '¿¿¿¿ж / 1 у \ \
ч. \ \ \
\ % о/ ъ / * у Ьн>
к ¡¡к V и
,2 =1 V 2
г -Х2 Х2м ' 1 / Г 1 /
*5 = |/ \ — N у
Л % Л V
__1. 1 Г 1 Г =£ д \
В)
1.1 ц ]Е = га 1 V
Е<* = Л г' /
—X, э !> ''А =0 4
„ / 1 -л чг Ч1 =° 2
Г ¡Л 1 А И 1 =0
-в/ / А ¡0,
% 1
% =0.4 / л £ / 2
= Ч/ 1 \ Г
=х3, ! / 1— V 1пнп
х3 нп Л ^ п
Х- Г -1
б)
г)
Рис. 3. Вид результата работы модулей 3 и 5 в программной среде «Контур»: а - объемный блокирующий контур в глобальной системе координат, образованный поверхностями интерференции; б, в, г - плоские блокирующие контуры, ограниченные линиями интерференции, с нанесенными линиями показателей качества на соответствующих координатных плоскостях для колес z1 и z2 - к; колес z2 и г3 - w; колес z1 и z3 - V
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
с результатами работы модуля ОБК передаются в модуль формирования плоских блокирующих контуров для нанесения ограничительных линий на их поверхности, что обеспечивает учет заданных величин показателей качества в ячейках окна этого модуля.
В результате получаем плоские блокирующие контуры, ограниченные линиями интерференции, с нанесенными линиями показателей качества на соответствующих координатных плоскостях для колес Zj и z2 - h; колес z2 и z3 - w; колес zx и z3 - v (рис. 3, б—г). Данные действия позволяют
реализовать процесс формирования плоских блокирующих контуров, ограниченных линиями показателей качества. Эти контуры передаются в модуль формирования объемного блокирующего контура с целью нанесения ограничений на его объем поверхностями показателей качества.
Полученный ОБК (рис. 4, а) передается в модуль логической операции, который определяет, задано или нет значение начального межосевого расстояния. При результате «да» обеспечивает переход к модулю 8, а при «нет» соответственно переводит к модулю 9.
Все дальнейшие действия ПК «Контур» реализует посредствам работы одного из модулей формирования 9.. .11. Выбор коэффициентов относительного смещения при заданных межосевых расстояниях для трех зацеплений осуществляется посредством проецирования линий соответствующих суммарным коэффициентам смещения для всех зацеплений Xj + x2 = x£ , x2 + x3 =
и xj + x3 = x ^ . Точка пересечения этих линий
в объемном блокирующем контуре однозначно определит значения коэффициентов относительного смещения для каждого из колес (рис. 4, б). При этом в каждом частном случае получается только одно возможное решение, удовлетворяющее принятым критериям. Определение коэффициентов относительного смещения при заданных межосевых расстояниях для двух зацеплений аналогично выше представленному случаю с той лишь разницей, что на координатные плоскости осуществляется наложение не трех прямых, а двух для соответствующих зацеплений. При этом имеем не однозначное решение, а диапазон значений коэффициентов относительного смещения для каждого колеса. Полученные результаты передаются в модуль логической операции, а также могут транслироваться в программное средство Microsoft Word (рис. 4).
Модуль 12 производит действия, связанные с определением, соответствуют или нет результа-
ты работы всех предшествующих модулей принятым критериям, и при результате «да» обеспечивает переход к модулю 4, а при «нет», соответственно, переводит к модулю 13. Возврат к модулю 4 указывает на отсутствие решения задачи при заданных показателях качества, что потребует корректировки их значений.
s 0.4
Рис. 4. Вид результата работы модулей 6 и 11: а - объемный блокирующий контур, ограниченный поверхностями показателей качества; б - объемный блокирующий контур, обеспечивающий формирование значений коэффициентов относительного смещения при заданных трех межосевых расстояниях
Модуль 13 осуществляет вывода результата работы всех предшествующих модулей с передачей данных в модуль 14, который выполняет рас-
чет параметров зубчатого механизма со связанными колесами с последующей передачей результата в программные средства Microsoft Word или Microsoft Excel.
Программный комплекс «Контур» реализует предлагаемый алгоритм и создает возможность для исключения ошибок при решении задачи по обеспечению показателей качества механизмов со связанными зубчатыми колесами посредством применения метода объемного блокирующего контура на стадиях расчета и проектирования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Болотовский И. А. Справочник по геометрическому расчету эвольвентных зубчатых и червячных передач. М. : Машиностроение, 1986. 448 с.
2. Болотовский И. А., Гурьев Б. И., Смирнов В. Э., Шендерей Б. И. Цилиндрические эвольвентные зубчатые передачи внутреннего зацепления. М. : Машиностроение, 1977. 174 с.
3. Сильченко П. Н., Колотов А. В., Мерко М. А., Швец Д. А. Методика определения коэффициентов относительного смещения для обеспечения требуемых качественных показателей зубчатых механизмов // Проблемы механики современных машин: материалы Третьей междунар. конф./ Вост. -Сиб гос. технол. ун-та. Улан-Удэ, 2006. Т. 1 С. 132 - 135.
УДК
Аннотация. Даны описание и принцип действия ВСЗУ. Представлены результаты экспериментальных исследований области разрежения в местах контакта устройства с плоским объектом. Приведены результаты расчета подъемной силы на основе данных измерений в зависимости от зазора между поверхностями устройства и пластины.
4. Сильченко П. Н., Колотов А. В., Мерко М. А., Швец Д. А. Метод построения объемных блокирующих контуров для зубчатых колес // Сб. докл. междунар. конф. по теории механизмов и механике машин. Краснодар / Кубан. гос. технол. ун-т, 2006. С. 81-135.
5. Сильченко П. Н., Колотов А. В., Мерко М. А. Построение объемных блокирующих контуров при расчете зубчатых передач с зацеплением двух и более колес для обеспечения всех требуемых эксплуатационных показателей // Технология машиностроения. 2006. № 9 С. 57-60.
6. Сильченко П. Н., Колотов А. В. , Мерко М. А. Анализ влияния параметров зубчатых колес для достижения необходимых качественных показателей // Технология машиностроения. 2007. № 11 С. 50-54.
7. Мерко М. А., Колотов А. В. , Меснянкин М. В Обеспечение минимизации скоростей удельных скольжений для рядных цилиндрических передач методом объемного блокирующего контура // Механики XXI веку : сб. докл. : VIII Всерос. науч.-тенх. конф. с междунар. участием. Братск : БрГУ, 2009. С. 50-52.
8. Колотов А. В. Обеспечение качественных показателей зубчатых передач со связанными зубчатыми цилиндрическими колесами : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Красноярск, 2006. 23 с.
Ключевые слова: захватное устройство, вихревое движение, струйное движение, подъем, подъемная сила.
Abstract. The description and principle of operation of vortex jet gripping device are presented. The results of experimental research in exhaustion area in the points of the device contact with a flat object are given. The results of ascensional power calculation on the basis of measurement depending on the
621.542:533.6.01 Конищева Ольга Васильевна,
к. т. н., доцент кафедры «Теория и конструирование механических систем» ПИ ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Брюховецкая Елена Викторовна к. т. н., доцент кафедры «Проектирование и экспериментальная механика машин» Политехнического института Сибирского федерального университета т. (391) 24-97-555
РАСЧЕТ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ ВИХРЕВОГО СТРУЙНОГО ЗАХВАТНОГО УСТРОЙСТВА (ВСЗУ)
O.V. Konischeva, E.V. Bruhovezckaya
THE CALCULATION OF ASCENSIONAL POWER FOR VORTEX JET GRIPPING DEVICE
