CC BY
34
УДК 535.8 Милованова Евгения Алексеевна,
канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроподвижной состав» ИрГУПС тел.: (3952) 34-29-36, ж.д. 3-83-10, сот. 8-902-512-97-49, e-mail: amilovanov@irgups.ru
Тупицын Алексей Альбертович, канд. техн. наук, доцент кафедры «Прикладная механика» ИрГУПС, тел.: (3952) 65-70-71, ж. д. 3-83-10, e-mail: altfr@mail.ru Милованов Алексей Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретические основы электротехники» ИрГУПС,
тел.: (3952) 33-11-30, ж. д. 3-83-10, сот. 8-964-120-39-30
КИНЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТОРЦЕВОЙ ЗУБЧАТОЙ ПЕРЕДАЧИ С ВНУТРЕННИМ ЗАЦЕПЛЕНИЕМ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЁ ПРИМЕНЕНИЯ В КОНСТРУКЦИИ ТЯГОВОГО ПРИВОДА ЛОКОМОТИВА
E.A. Milovanova, A.A. Tupitsin, A.A. Milovanov
VELOCITY AN ALYSIS OF AN END DRIVING GEAR WITH THE INTERNAL CATCHING DEVICE FOR THE EVALUATING OF ITS FUTURE APPLICATION IN THE CONSTRUCTION OF THE QUILL DRIVE LOCOMOTIVE
Аннотация. Предложена конструкторская разработка зубчатой передачи с высокими показателями технологичности при изготовлении и эксплуатации. Обоснована возможность реализации на базе этой передачи компоновочной схемы тягового привода с параллельными потоками мощности.
Ключевые слова: зубчатая передача, тяговый привод, компоновочная схема, параллельные потоки мощности.
Abstract. An engineering development of the driving gear with high technological indexes during the manufacturing and operation has been suggested here. Also a possibility of the quill drive layout diagram with parallel flow capacity value instantiation on the base of this driving gear has been proved.
Keywords: driving gear, quill drive, layout diagram, parallel capacity flows.
1. Введение
Выполняемая работа относится к области исследований возможности реализации новых технических решений на железнодорожном транспорте, в частности к разработкам перспективных схем тягового электропривода.
Из теории электропривода [1] известен ряд прогрессивности реализуемых схем взаимодействия электрических двигателей с потребителями энергии - исполнительными механизмами: от группового электропривода к индивидуальному од-
нодвигательному; от индивидуального однодвига-тельного к индивидуальному многодвигательному.
В практике отечественного производства железнодорожных подвижных транспортных средств реализована схема индивидуального од-нодвигательного электропривода: один двигатель обслуживает одну колесную пару.
Значительные мощности (800-900 кВт), реализуемые при обеспечении движения, диктуют необходимость применения дополнительных технических средств для создания условий нормальной работы тяговых двигателей, прежде всего громоздкой системы охлаждения.
Существенным конструктивным недостатком известных схем являются стесненные габариты [2] тягового привода, обусловленные, в том числе, конструкцией механической передачи вращательного движения от вала двигателя к оси колесной пары, выполненной в виде ступени зубчатых колес с внешним зацеплением. Соответственно, обеспечение смазки взаимодействующих рабочих поверхностей зубчатого зацепления потребовало выполнения громоздкого редуктора. При этом ремонтопригодность передачи соответствует самому низкому уровню технологичности в эксплуатации: при достижении определенной степени износа зуба шестерни она подле -жит замене на шестерню первой категории, то есть практически не ремонтопригодна. Повышение требований к увеличению веса состава вызывает рост
иркутским государственный университет путей сообщения
нагрузки на зуб, приводит к интенсификации отказов передачи.
2. Разработка новой конструкции зубчатой передачи
К обоснованию выбора схемы передачи привлечены сведения о разработках по созданию ротационных механизмов, использующих разно -образные виды зацепления в передаче для повышения ее надежности, ремонтопригодности, долговечности, расширения диапазона реализуемых передаточных отношений. В качестве основного прототипа выбрана передача Нечаева [3, 4] с внутренним зацеплением торцевых зубьев. Такое конструктивное исполнение позволяет значительно увеличить передаточное отношение ступени зацепления (при уменьшении ее габаритов и металлоемкости) по сравнению с зубчатой передачей, использующей эвольвентный профиль рабочей поверхности зуба. Этот результат обеспечен тем, что выпуклый рабочий профиль зубьев шестерни, выполненных в виде выступов на торцевой поверхности венца малого (ведущего) колеса зацепления, ограничен параметрами «улитки Паскаля», а зубья ответного (ведомого) колеса, выполненные в виде выступов на торцевой поверхности его венца, имеют плоские рабочие поверхности. Линия зацепления известной передачи имеет форму участка внешней петли «улитки Паскаля», что дает возможность при относительно высоких значениях передаточного отношения ступени зацепления обеспечить высокое значение коэффициента перекрытия.
При этом существенным достоинством является то, что изготовление плоского профиля зубьев ведомого колеса передачи Нечаева не связано с какими-либо технологическими трудно -стями в силу простой геометрической формы, а значит несложной технологии механической обработки их поверхностей. В то же время изготовление малых колес передачи при масштабных переходах, обусловленных изменением величины передаваемой нагрузки, в каждом новом случае представляет собой самостоятельную, достаточно сложную инженерную задачу. Это вызвано отсутствием в перечне механической оснастки, предназначенной для изготовления зубчатых колес различных размеров, унифицированных средств, пригодных для выполнения рабочей поверхности зуба, ограниченной параметрами «улитки Паскаля».
Кроме того, не обеспечено в полной мере выполнение требований к ремонтопригодности
передачи. Восстановительный ремонт изношенных рабочих поверхностей торцевых зубьев большого (ведомого) колеса передачи не вызывает значительных трудностей (основная операция в этом случае - шлифовка), в то время как восстановление с помощью той же операции (другие практически невозможны) изношенной рабочей поверхности (профилированной по параметрам «улитки Паскаля») зубьев малого колеса затруднено, как и при изготовлении, отсутствием унифицированных средств, способных обеспечить соблюдение рабочего профиля при шлифовке.
Предлагаемое техническое решение [5] позволяет добиться существенного упрощения и унификации технологического процесса изготовления рабочих звеньев передачи в широком диапазоне их типоразмеров и передаточных отношений, реализуемых передачей. При этом обеспечивается повышение надежности, ремонтопригодности, долговечности передачи.
Эти задачи в торцевой зубчатой передаче с внутренним зацеплением решаются тем, что рабочая поверхность зубьев шестерни (малого колеса), выполненных в виде выступов на торцевой поверхности ее венца, представляет собой боковую поверхность тела вращения, например усеченного конуса (цилиндра, бочкообразного тела): в сечениях зуба, перпендикулярных оси вращения шестерни, эта рабочая поверхность ограничена окружностью. Сопрягающаяся с зубом шестерни рабочая поверхность зуба ведомого колеса, выполненного в виде выступа на торцевой поверхности венца колеса, имеет плоский профиль. При этом соблюдение необходимого требования к зацеплению, заключающегося в том, что общая нормаль к сопряженным поверхностям должна проходить через полюс зацепления, обеспечивается тем, что линия зацепления имеет форму участка внутренней петли «улитки Паскаля».
На рис. 1 представлена кинематическая схема предлагаемой передачи, где 1 - зуб шестерни, 2 - зуб колеса. Рекомендуемое минимальное число зубьев шестерни - 6 (при передаточном отношении передачи, равном 3, коэффициент перекрытия принимает значение 1,3).
Проверка результатов геометрических построений была осуществлена с помощью модели зубчатой передачи с внутренним зацеплением и постоянным передаточным отношением
, = ^ = 59 = 2,95 -
г, 20
Форма профиля зубьев ведомого колеса была получена графическим построением. Результаты модельных исследований свидетельствуют, что в торцевой зубчатой передаче с внутренним зацеплением при постоянном передаточном отношении для зубьев шестерни цилиндрической формы сопряженным профилем зуба колеса предлагаемой передачи служит плоскость.
Техническим результатом практической реализации предложенной конструкции [5] является существенное упрощение технологии и снижение стоимости производства высоконадежной и ремонтопригодной механической передачи, применение которой возможно в широком диапазоне нагрузок и передаточных отношений. В ходе реального проектирования был осуществлен сравнительный прочностной расчет для ступени зубчатого зацепления силового привода электровоза ВЛ80 и торцевой зубчатой передачи с внутренним зацеплением и тем же передаточным отношением. Результаты расчета свидетельствуют о существенном преимуществе предлагаемой передачи по запасу прочности при сохранении сравнимых кинематических параметров ступени зацепления. Перечень технологических операций при изготовлении и восстановительном ремонте ограничен наиболее обеспеченными оснасткой и станочным оборудованием: сверление, токарная обработка, плоское фрезерование, шлифовка.
Конструкция передачи обеспечивает создание условий для равномерного износа рабочих поверхностей элементов зацепления. Для зубьев шестерни это достигается, например, следующим простым приемом: способ монтажа зуба шестерни на ее венце позволяет менять его положение поворотом относительно собственной оси симметрии при регламентном обслуживании, согласованном с интенсивностью износа рабочей поверхности.
Обеспечение возможности равномерного распределения износа рабочих поверхностей
в непрерывном процессе работы передачи (без остановок на регламентное обслуживание) достигается тем, что конструкционная посадка для размещения ножки зуба шестерни в гнезде ее венца назначается такая, что момент трения скольжения в кинематической паре «зуб шестерни - зуб колеса» незначительно (на 5-10 %) превосходит противоположный ему момент трения покоя в кинематической паре «ножка зуба шестерни - гнездо в ее венце». В этом случае, при работе передачи обеспечено качение без скольжения в относительном движении зуба шестерни и зуба колеса, при котором выполняется условие равномерного распределения интенсивности износа их рабочих поверхностей [6]; зуб шестерни при этом фактически становится «третьим телом» - промежуточным звеном между венцом шестерни и колесом.
Для снижения коэффициента трения в кинематической паре «ножка зуба шестерни - гнездо в ее венце», между боковой (рабочей) поверхностью ножки зуба и поверхностью гнезда может размещаться промежуточный слой металла, например свинца, собственная пластичность которого превосходит пластичность материала зуба шестерни и ее венца. Создание этого слоя, выполняющего роль твердой «смазки», на боковой поверхности ножки зуба выполняется, например, путем плазменного напыления или гальванпокрытием.
При реализации технического решения [6] обеспечивается возможность использования в процессе работы полного кругового профиля зуба шестерни в качестве рабочей поверхности, что повышает долговечность и работоспособность передачи. Кроме того, повышением роли трения сцепления в паре «зуб шестерни - зуб колеса» снимается необходимость надежного обеспечения зоны их взаимодействия смазкой. Нет сомнений, что практическая реализация этих технических решений относится к области нанотехнологий, например при нанесении покрытий на рабочие по-
иркутским государственный университет путей сообщения
верхности зубьев, что существенно облегчается простотой их геометрической формы.
3. Разработка компоновочной схемы тягового привода железнодорожного подвижного транспортного средства с параллельными потоками мощности
Технические решения [5,6], предлагающие альтернативную схему механической передачи привлекаются для решения задачи повышения эксплуатационных качеств тягового привода железнодорожного подвижного транспортного средства.
В новом техническом решении [7] механическая передача вращательного движения от вала двигателя к оси колесной пары выполнена в виде параллельных ступеней торцевой зубчатой передачи с внутренним зацеплением при общем ведомом зубчатом колесе, содержащей количество шестерней равным числу ступеней передачи, с возможностью создания параллельных потоков мощности тяговых двигателей, оси роторов которых расположены на дуге окружности, концентричной оси колесной пары; при этом количество тяговых двигателей равно числу ступеней передачи, а суммарная их мощность соответствует мощности, потребной для осуществления движения транспортного средства с заданными параметрами.
Предлагаемая компоновочная схема может быть выполнена в двух вариантах: с опорно-осевым и опорно-рамным подвешиванием пакета тяговых двигателей. Выбор схемы для практической реализации определяется требованиями, предъяв-
ляемыми к назначению транспортного средства. При этом в случае применения схемы с опорно-осевым подвешиванием опасность разрушения двигателя и оси колесной пары значительно уменьшена по сравнению с известными промышленными аналогами [2] за счет уравновешивания в передаточных ступенях, и без того малых (обусловленных особенностями конструкции передачи), радиальных составляющих усилий давления в паре «зуб шестерни - зуб колеса». В случае применения схемы с опорно-рамным подвешиванием используется способность конструкции передачи допускать радиальные перемещения шестерни относительно колеса в процессе работы. Для пакета тяговых двигателей в этом случае применяются известные [8] приемы синхронизации в механических колебательных системах путем включения в конструкцию пакета тяговых двигателей механизма синхронизации перемещений двигателей в радиальном направлении относительно оси колесной пары. Значения кинематических характеристик перемещений определяются жесткостью системы подвешивания.
На рис. 2 представлена схема с опорно-осевым, на рис. 3 - с опорно-рамным подвешиванием пакета тяговых двигателей. Обозначения на схемах: 1 - ось колесной пары; 2 - ступица пакета тяговых двигателей; 3 - тяговый двигатель; 4 -шестерня зубчатого зацепления; 5 - зубчатое колесо; 6 - подшипники скольжения; 7 - опорная рама тележки; 8 - букса; 9 - механизм синхронизации перемещений тяговых двигателей в радиальном направлении относительно оси колесной пары.
Рис. 3. Компоновочная схема тягового привода с опорно-рамным подвешиванием пакета тяговых двигателей
Заключение
Технический результат реализации предлагаемой компоновочной схемы заключается в повышении надежности работы системы тяги за счет резервирования при обеспечении работы механической передачи привода параллельными потоками мощности от пакета электродвигателей [9]. Кроме того, к достоинствам предлагаемых компоновочных схем тягового привода можно отнести:
- частичное решение проблемы стесненных габаритов электропривода;
- повышение уровня технологичности при изготовлении и обслуживании элементов механизма тягового привода;
- расширение возможностей использования асинхронных электродвигателей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ключев В. И. Теория электропривода. - М. : Энергоиздат, 1985. - 560 с.
2. Механическая часть тягового подвижного состава / Бирюков И. В., Савоськин А. Н., Бурчак Г. П. ... - М. : Транспорт, 1992. - С. 282-296.
3. А. с. 506714 СССР, МПК5 F 16 H 55/08. Зубчатая передача с торцовыми зубьями / А. И. Нечаев (СССР). - № 1908398/25-28 ; заявл. 17.04.73 ; опубл. 15.03.76, Бюл. № 10. - 2 с. : ил.
4. Нечаев А. И., Синенко Е. Г., Сильченко П. Н. Торцовые зубчатые передачи и механизмы, построенные на их базе // Наука производству. -2000. - № 3 (28). - С. 47-50.
5. Пат. 2354870 Российская Федерация, МПК7 F 16 H 1/10. Торцевая зубчатая передача с внутренним зацеплением / Тупицын А. А., Карга-
польцев С. К., Милованов А. И., Тупицын А. А., Ревенский А. А. ; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщ. - № 2007144586/11 ; заявл. 04.12.2007 ; опубл. 10.05.2009, Бюл. № 13.
- 7 с. : ил.
6. Пат. 77374 Российская Федерация, МПК F 16 H
1/00. Шестерня для торцевой зубчатой передачи с внутренним зацеплением / Тупицын А. А., Милованов А. И., Ревенский А. А. ; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей со-общ. - № 2008115572/22 ; заявл. 21.04.2008 ; опубл. 20.10.2008, Бюл. № 29. - 1 с. : ил.
7. Заявка 2009124142 Российская Федерация, МПК7 B 61 C 9/00. Компоновочная схема тягового привода железнодорожного подвижного транспортного средства с параллельными потоками мощности / Милованова Е. А., Милованов А. А., Милованов А. И., Тупицын А. А., Тупицын А. А. ; заявитель Иркут. гос. ун-т. путей сообщ. - № 2009124142/11 ; заявл. 24.06.2009 ; приоритет 24.06.2009.
8. Левитский Н. И. Колебания в механизмах. - М. : Наука, 1988. - 336 с.
9. Компоновочная схема тягового привода с параллельными потоками мощности для железнодорожного подвижного транспортного средства / Милованова Е. А., Милованов А. А., Милованов А. И., Ревенский А. А., Тупицын А. А., Тупицын А. А. // III тысячелетие - новый мир : тр. междунар. форума по пробл. науки, техники и образования. - М., 2009. - Т. 2. - С. 16-17.
