CC BY
357
УДК 621.831
МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГЛАВНОГО РЕДУКТОРА
ВЕРТОЛЕТА
П.Г. Сидоров, А.В. Плясов
Разработаны теория, методология и современный инструментарий для проектирования многопоточных рычажно-зубчатых передач и созданы принципиально новые мирового уровня технические решения на их реализацию, не имеющие аналогов в науке и технике, в том числе, на современные двухдвигательные вертолеты с одним или двумя встречно-вращающимися винтами.
Ключевые слова: планетарная передача, асинфазность, квазидифференциал, водило, сателлит, вертолет, встречные винты, двигатель.
Облик современного вертолета во многом определяется обликом его главного редуктора, который зависит от воспроизводимой передаточной функции и от пространственного расположения параллельных горизонтальных осей вращения двух входных валов между собой и скрещивающейся практически под прямым углом с ними вертикальной осью одного или двух коаксиально расположенных между собой выходных валов, несущих один или два встречно-вращающихся воздушных винта ВПВ. Именно эти обстоятельства определяют облик главного редуктора двухдвигательного вертолета типа Ми-6 или Ми-26 как трехступенчатого коническо-цилиндрическо-многопоточного и возложили главные кинематические функции на каждую из трех его ступеней.
Первая ступень, прежде всего, меняет направление двух мощност-ных подпотоков от каждого приводного двигателя на 90о, вторая переносит и суммирует мощностные подпотоки с четырех промежуточных валов на параллельно расположенный с ними центральный входной сборочный вал третьей ступени, а третья ступень совместно с двумя первыми преобразует параметры суммарного мощностного потока по скорости и моменту в соответствии с требованиями его потребителей - воздушного (Ми-6, Ми-26 и др.) или двух воздушных винтов встречного вращения (Ка-50-2 и др.)
Таким образом, в главном редукторе вертолета на первый план выдвигается воспроизводимое передаточное число и его разбивка по трем многопоточным ступеням, а поэтому совершенно очевидно, что для минимизации габаритов многопоточность третьей ступени всегда должна многократно (в три и более раз) превышать многопоточность её первых двух ступеней.
Для разъяснения сути предлагаемого университетом технического решения приведем известную кинематическую схему, широко распространенную в вертолетостроении, трехступенчатого комбинированного главного редуктора Р7 двухдвигательного одновинтового вертолета типа Ми-6
(рис. 1), включающего две рядовые двухпоточные коническую и цилиндрическую ступени от каждого двигателя на входе и замкнутую суммирующую неделимую двухступенчатую многосателлитную планетарную
ступень квазидифференциального типа по схеме (АА) ^ по классификации проф. В.Н. Кудрявцева ([1], стр. 16, табл. 1.2, вариант 3) на выходе, смонтированную на двух водилах \ и Н2, одно из которых Н2 жестко закреплено на корпусе (опорное), а другое Н1 является наиболее нагруженным выходным звеном ступени-квазидифференциала в целом [4].
Рис. 1. Базовая кинематическая схема развертки в вертикальной плоскости трехступенчатого главного редуктора типа Р-7 тяжелого одновинтового вертолета (разработчик - ФГУП «Завод им. В.Я. Климова»)
При шестисателлитном исполнении в дифференциале « а1 - Ь1 - И1» аС1 = 6 и десятисателлитном исполнении ас2 = 10 в механизме отбора
мощности в замкнутом контуре числа зубьев зубчатых звеньев, например, редуктора Р7 составляют: г! = 28; 22 = 67; 23 = 31; 24 = 139; га^ = 65;
2^^ = 31; гь1 = 127; 2а^ = 79; Zg2 = 31; = 141. Это соответствует стро-
го фиксированной реальной разбивке общего передаточного числа по трем ступеням в пропорции
«общ = “12 : «23 : = 2,39: 4,48: 6,36 = 69,2 (62,5). (1)
Такой результат (1) разбивки незамедлительно сказывается на габаритно-массовых параметрах как приводного двигателя, так редуктора, в
том числе и Р7, и максимальной его многопоточности в выходной ступени, которая, несмотря на асинфазность движений в кинематических потоках, определяется по формуле Кр = ас -еа, где еа - коэффициент перекрытия в рабочих зацеплениях замкнутого дифференциала. При углах профиля инструмента для нарезания зубчатых звеньев 250 и стандартном коэффи-
*
циенте радиального зазора в рабочих зацеплениях с = 0,25 максимальный коэффициент перекрытия не превышает 8а —1 ,67, а следовательно, в лучшем случае, максимально возможное число мощностных потоков в выходной ступени редуктора может составить Кр = ас • еа = 6 • 1,67 = 10.
Это явно недостаточно даже для обеспечения равнопрочности зубчатых звеньев в трех ступенях редуктора типа Р7, так как первые две ступени увеличивают входной крутящий момент в 10,7 раза, резко нагружая звенья входной ступени и редуктора в целом.
Напрашивается однозначный вывод, что в трехступенчатых главных редукторах типа Р7 или их аналогов ВР-26 и др. неудачно, хотя и не по вине конструкторов, выполнены выбор (иобщ = 69,2) и разбивка общего передаточного числа по трем ступеням. Причина лежит в отсутствии на период их создания новых технических решений на выходную многопоточную трансмиссию с широкими возможностями по воспроизведению передаточных функций [1-4, 6] (62,5 — иобщ —100 и более).
Исходя из минимальных габаритно-массовых параметров вертолета в целом (и не только вертолета) оптимальным решением его трехступенчатого многопоточного редуктора могут считаться технические исполнения со следующей разбивкой общего передаточного числа по зубчатым ступеням
62,5 — и12: и23: «Ь =(2,0...2,5): (2,0...3,0) :(10,0...35,0) —100. (2)
Это, прежде всего, позволит перейти на более компактные высокоскоростные приводные двигатели с частотой вращения роторов
пдв = 12000...15000 мин-1 и решить проблему высокой энерговооруженности машин.
Разумеется реализация в третьей неделимой многопоточной ступени передаточных чисел из диапазона 10 < и^ — 35 и более с одновременным увеличением при этом многопоточности ступени до двадцати потоков и более является сложной технической проблемой, неразрешимой в рамках традиционной методологии, решить которую стало возможным только после создания новой неделимой двухступенчатой планетарной передачи «3k-2g-h» [2] с входом и выходом либо на центральные зубчатые звенья а1 и Ь2 [3, 4], либо на водило h и центральное колесо Ь2 [4] с дискретно варьируемым передаточным числом в одном неизменном габарите.
На рис. 2 и 3 приведена предлагаемая базовая кинематическая схема трехступенчатого многопоточного двухдвигательного привода (двигатели не показаны) одновинтового вертолета легкого или тяжелого исполнения (Ми-6, Ми-26 и др.) с двадцатью и более силовыми потоками в выходной их ступени [4] и разбивкой передаточного числа по формуле (2).
Такая разбивка разгружает звенья силовой трансмиссии и переносит центр нагружения на выходное колесо с внутренними зубьями. При этом многопарность контактных пар в зацеплениях «g2і - Ь2» улучшает динамику привода в целом, увеличивая ресурс и надежность работы.
Рис. 2. Базовая кинематическая схема двадцатипоточного главного двухдвигательного привода тяжелых вертолетов типа Ми-6 и Ми-26 на основе неделимой двухступенчатой планетарной передачи «3k - 2g - Ь> в одиннадцатисателлитном исполнении в третьей
ступени
Главными отличительными признаками нового решения являются новая разбивка общего передаточного числа по трем ступеням и его выходная третья неделимая ступень, содержащая двухступенчатую квази-дифференциальную многопоточную передачу «3k - 2g - h» [2] с дискретным варьированием передаточного числа и1 ^ , определяемым
как и
Ъ
А Ъ1
= и \ • и,\ = ZЪ2 Лz при
а12Ъ2 а1И hЪ2
I0 <& = (za1 - 2а1) = (^2 - 2Ъ1) = (^2 - 2ё1) < 20>
(3)
ъ ъ
где и}и и и^Ъъ - передаточное число первой и второй планетарных степе-
2
ней, и
Ъ1
а^
і zъ1
1 +------1- и и
z
а1
Ъ
hЪ2
2Ъ2 ' za1
zЪ2 ' za1 zЪ1 ' za2
2аі ’ ^2 ’ zgl ’ zg2 ’ zЪl ’ zЪ:
числа зубьев зубчатых звеньев выходной многопоточной рычажнозубчатой ступени с одним общим водилом. Числа зубьев зубчатых звеньев, их модули зацеплений и другие параметры назначаются на основе инструментария многомерного синтеза, разработанного в ТулГУ [3, 4].
Рис. 3. Схема визуализации рычажно-зубчатых цепей двадцатипоточной силовой трансмиссии «3k-2g-h» в структуре главного привода: а - входная планетарная ступень; б - выходная квазидифференциальная ступень
Ниже для сравнительной оценки серийных образцов с предлагаемыми вариантами приводятся три исполнения главного редуктора:
Серийный вариант с приводным двигателем пдв = 8300 мин-1 и параметрами редуктора Р7 на базе замкнутого дифференциала по схеме
И
И
(ААУаЪ/Ъ [1]: = 6’36; -^1 = 2СЪ + :ъ = 192; а"1 = 0>25-Е = 48; °€1 = 6;
КР1 = % ' еа1 = 10; -а1 = 60; -g1 = 31; -Ъ1 =127 ; -Е2 = -а2 + -Ъ2 = 220 ;
*
а^2 =55; ас2 =10; KF2 = ас2 ■ еа2 =16; -а2 = 79; -£2 =31; -ъ2 =141 при
расчетном модуле в зацеплениях по ГОСТ 21354-87 из условий изгибной тр > 10,38 мм и контактной выносливости их зубьев тн > 8,4 мм.
Первый новый очевидный вариант Р7М1 по схеме рис. 2 с парамет-
292
рами редуктора: = 17,62; г^2 = zal + гъ2 = 220; г^2 = z£l;
* *
aWl = aw2 = 55 ; асх = ас2 = 10; КР1 = К^2 = ас ' = 18 ; г^2 = 141;
zg2 = 31; га2 = 79; Лг = 2 = 8; га1 = 87; Zg1 = 23; = 133. Соответ-
иъ , а12Ъ2
ственно расчетный модуль зацеплений по ГОСТ 21354-87 составляет тр = 8,16 мм и тн = 6,7 мм . Разбивка общего передаточного представляется при мобщ = 69,2 как и^ : М23 : иЪЪ = 1,96 : 2,0: 17,62
Второй наиболее целесообразный вариант Р7М2 модернизацией главного привода с двигателем пдв = 8300 мин-1 на базе трансмиссии «3k - 2g - h » вытекает из целесообразности «мелкомодульного» изготовления зубчатых звеньев, а, следовательно, увеличения чисел зубьев сателлитов таким образом чтобы они всегда играли роль шестерни в зацеплениях сателлитов с центральными колесами « а1 - gl/•», « gl/• - Ъ1», « а2 - g21», « g21 - Ъ2 »• Выбирая из интервала 250 < = га + = га + < 400
суммарное число зубьев центральных колес, например, = 308, которое должно быть кратно многопоточности аС1 = аС2 и задаваясь передаточным
числом иЪ ъ , например, = 15, находим гъ2 = Лг • иЪ ^ = 13 -15 =
= 195 при Лг = гъ2 - = 13 . Соответственно находим га2 = - гъ2 = 113
и Zg2 = 0,5(гъ2 - га2 )= 41. Числа зубьев в первой планетарной ступени определяется как: = гъ2 - Лг = 182; Zg1 = 28 и га = га2 + Лг = 126.
Соответственно расчетный модуль всех рабочих зацеплений по ГОСТ 21354-87 составит тр = 6,3 мм и тн = 4,7 мм. Разбивка общего передаточного числа иобщ = 69,2 в этом случае представляется как
мп : М23 : и^ъ = 2: 2,3:15 для вертолетов с параметрами редуктора Р7 и соответственно при иобщ = 62,5 разбивка и^ : и23 : = 2:2,1:15 для вер-
толетов с параметрами редуктора ВР-26. Расчетный модуль зацепления в этом случае составит тр = 7,35 мм и тн = 5,5 мм (исполнение ВР-26М).
Для наглядного представления целесообразности модернизации главных приводов в отечественных вертолетах нового поколения ниже в таблице приводятся сравнительная оценка серийных и предлагаемых Тул-ГУ технических решения по некоторым выходным параметрам.
Результаты сравнения приводим в таблице без комментариев.
Сравнительные выходные параметры серийных и предлагаемых ТулГУ решений на главный привод вертолета
№ п/п Некоторые выходные характеристики привода Варианты исполнения
Р7 ВР-26 Р7М2** ВР- 26М**
1 Частота вращения входного и выходного валов, мин-1 8300/ /120 8300/ /132,8 8300/ /120 8300/ /132,8
2 Мощность на винтовом движителе, кВт 9560 16750 9560 16750
3 Расчетный модуль зацеплений, мм: тр, тН 10.4 8.4 6,3 4,7 7,35 5,5
4 Г абариты редуктора: - высота, мм - длина, мм - ширина, мм 2795.0 1852.0 1550.0 3020.0 2500.0 1950.0 * *
5 Удельная металлоемкость, кг/Нм 0,0042 0,003 < 0,002 < 0,002
6 Многопоточность привода KF _ ac ' sa 10 16 > 20 > 20
7 Разбивка передаточного числа _ bi иобщ _ u12 х u23 х ua>2 2,39/4,8/6,36 2,4/4,4/6,4 2,0/2,3/15 2/2,1/15
8 Конструктивные избыточные связи в одном потоке мощности 6 — 2 2
9 Возможности по увеличению скорости приводного двигателя K _ пдв max / пдв у 1,0 1,0 1,5 1,5
* - требуется твердотельное моделирование (3D моделирование);
** - рациональные, но не оптимальные варианты исполнения, которые будут получены на основе многомерного синтеза по заданию ОАО «Вертолеты России».
Из-за отсутствия в нашем распоряжении числовых данных по зубчатым звеньям привода ВР-26 расчеты на контактную и изгибную их прочности не приводятся.
Заметим, что водило является промежуточным звеном привода и нагружено моментом значительно меньшим чем выходное звено - зубчатое колесо Ь2, а поэтому подшипники сателлитов только частично участвуют в формировании мощностных потоков и не являются наиболее нагруженными звеньями. Чего нельзя сказать про серийные приводы.
Рис. 4. Силовая четырнадцатипоточная трансмиссия привода
О простоте конструктивной компоновки и сборки зубчатых звеньев в сборочную единицу привода на рис. 4 в качестве примера приводится четырнадцатипоточный аналог силовой трансмиссии, предложенный и внедренный ТулГУ в привод МРЭПН-В088-50-640-50-432 для высокопроизводительных трубопроводных магистралей [6]. Компактность и совершенство привода не нуждаются в комментариях. Удельная масса привода снижена до 0,002 кг массы на 1 Нм воспроизводимого момента и не имеет аналогов в мировом машиностроении.
Благодаря статической определимости, одновенцовой конструкции сателлитов, размещению их на общих осях единого трехщекового водила, равным оптимальным углам зацепления во всех рабочих зацеплениях, простой формы и технологии изготовления всех зубчатых звеньев, возможности дискретного изменения уравнений кинематических связей (10 < Дг < 15) в одном неизменном габарите и асинфазности движения звеньев в силовых
потоках, - многопоточная трансмиссия «3k - 2g - h » [2] наилучшим образом удовлетворяет всем современным требованиям к силовым трансмиссиям движителей, в том числе и вертолетного уровня.
Список литературы
1. Планетарные передачи: Справочник / В.Н. Кудрявцев [и др.]; под общей ред. В.Н. Кудрявцева. М.: Машиностроение, 1977. 536 с.
2. Патент РФ №2146636 МПК: B64C27/14 Редуктор привода несущего винта вертолета / Кокшаров Н.Л., Трутников Н.П., Хромин Е.В., Хасанов Р.З., Дворкин В.Я. Опубл. 20.03.2000.
3. Патент РФ №2402707. МПК7: F16H1/28. Двухступенчатая планетарная передача / Сидоров П.Г., Сидоров О.П., Смелов Ю.Е., Пашин А.А., Плясов А.В., Ширяев И.А. Опубл. 01.2006.
4. Многопоточные зубчатые передачи : теория и методология проектирования / П.Г. Сидоров [и др.]; под общей ред. П.Г. Сидорова. М.: Машиностроение, 2011. 340 с.
5. Иосилевич Г.Б. Детали машин: учебник. М.: Машиностроение, 1988. 367 с.
6. Патент РФ №2457385. МПК F16K31/04. Универсальный высоко-моментный многооборотный электропривод запорной арматуры трубопроводного транспорта / Сидоров П.Г., Распопов В.Я., Дмитриев А.В., Пашин А.А., Терёшкин М.В., Ведешкин Ю.В., Плясов А.В. Опубл. 01. 2006.
Сидоров Петр Григорьевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, sidorovaklax. tula. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Плясов Алексей Владимирович, канд. техн. наук, доц., plasovatula.net, Россия, Тула, Тульский государственный университет
METHODOLOGY OF DESIGNING OF THE MAIN GEARBOX HELICOPTERS
P.G. Sidorov, A.V. Plyasov
Developed theory, methodology and modern tools for designing multithreaded lever-gears and created a principally new world-class level of technical decisions for their implementation, which have no analogues in science and technology, including modern twomotor helicopters with one or two counter-rotating screws.
Key words: planetary gear asinphase, quasi-differential, carrier, satellite, helicopter, counter screws engine
Sidorov Peter Grigorevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, sidorovaklax. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pljasov Alexey Vladimirovich, candidate of technical sciences, associate professor, plasova.tula.net, Russia, Tula, Tula State University
296
