CC BY
14
УДК 621.333
Е. А. Милованова, А. А. Милованов, А. И. Милованов
ПРИМЕНЕНИЕ ИДЕИ «ПЕРЕДАЧИ НЕЧАЕВА» ПРИ РАЗРАБОТКЕ КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ ТЯГОВОГО ПРИВОДА ЛОКОМОТИВА С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ ПОТОКАМИ МОЩНОСТИ
Предложена конструкторская разработка зубчатой передачи с высокими показателями технологичности при изготовлении и эксплуатации. Обоснована возможность реализации на базе этой зубчатой передачи компоновочной схемы тягового привода с параллельными потоками мощности.
В статье представлена разработка, которая 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 однодвигательному; от индивидуального однодвигательного к индивидуальному много двигательному.
В практике отечественного производства железнодорожных подвижных транспортных средств реализована схема индивидуального однодвигательного 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 средств охлаждения (для сравнения: двигатели электропоездов вдвое меньшей мощности в этих средствах не нуждаются).
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 в виде ступени зубчатых колес с внешним зацеплением. При этом ремонтопригодность передачи соответствует самому низкому технологическому уровню: при достижении определенной степени износа зуба шестерни она подлежит замене на шестерню первой категории. Повышение требований к увеличению веса состава вызывает рост нагрузки на зуб, приводит к интенсификации отказов передачи.
Первым шагом при решении задачи повышения эксплуатационных качеств тягового привода железнодорожного подвижного транспортного средства стала разработка торцевой зубчатой передачи с внутренним зацеплением [3].
Исходной информацией при разработке этой передачи стали сведения о техническом решении «передача Нечаева» [4], согласно которому зубчатая передача с внутренним зацеплением торцевых зубьев 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 передачи Нечаева имеет форму участка внешней петли «улитки Паскаля», что дает возможность при относительно высоких значениях передаточного отношения ступени зацепления обеспечить высокое значение коэффициента перекрытия.
Например, при числе зубьев шестерни Zm = 4, числе зубьев колеса ZK = 12, передаточном числе i = 3 коэффициент перекрытия e имеет значение 1,5.
Изготовление плоского профиля зубьев ведомого колеса передачи Нечаева не связано с
78 ИЗВЕСТИЯI Транссиба N2 3Ц1
какими-либо технологическими трудностями 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 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, передача Нечаева не обеспечивает в полной мере выполнение требований к ее ремонтопригодности. 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.
Предложенная конструкция торцевой зубчатой передачи с внутренним зацеплением решает задачу 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.
В предлагаемой передаче эта задача решается 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 рабо-чая поверхность зуба ведомого колеса, выполненного в виде выступа на торцевой поверхно-сти 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 рисунке 1 представлена кинематическая схема предлагаемой передачи, где 1 и 2 - зубья шестерни и колеса. Рекомендуемое минимальное число зубьев шестерни - 6 (при передаточном отношения передачи, равном 3, коэффициент перекрытия принимает значение 1, 3).
Рисунок 1 - Кинематическая схема торцевой зубчатой передачи
Если зуб шестерни имеет форму усеченного конуса или цилиндра, взаимодействие с зубом колеса осуществляется в линейном контакте. При бочкообразном зубе шестерни контакт с зубом колеса точечный.
Результаты геометрических построений и модельных исследований свидетельствуют о
№2031121) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 79
том, что в торцевой зубчатой передаче с внутренним зацеплением [3] при постоянном передаточном отношении для зубьев шестерни, имеющих форму тел вращения (усеченного конуса, цилиндра, бочкообразного тела), сопряженным профилем зуба колеса предлагаемой передачи служит плоскость.
Техническим результатом предложенного решения является существенное упрощение технологии и снижение стоимости производства высоконадежной и ремонтопригодной механической передачи, применение которой возможно в широком диапазоне нагрузок и передаточных отношений. Перечень технологических операций при изготовлении и восстановительном ремонте ограничен наиболее обеспеченными оснасткой и станочным оборудованием: сверление, токарная обработка, плоское фрезерование, шлифовка.
Простота конструктивной схемы порождает многовариантность ее практической реализации, дает конструктору возможность поиска наивыгоднейшего решения, обеспечивающего создание условий для равномерного износа рабочих поверхностей элементов зацепления. Для зубьев шестерни это может быть достигнуто, например, следующим простым приемом: способ монтажа зуба шестерни на ее венце может быть выбран таким, чтобы обеспечивалась возможность менять его положение поворотом относительно собственной оси симметрии при регламентном обслуживании, согласованном с интенсивностью износа рабочей поверхности.
В развитие идеи обеспечения возможности равномерного распределения износа рабочих поверхностей в непрерывном процессе работы передачи (без остановок на регламентное обслуживание) предложено техническое решение, согласно которому зуб шестерни фактически становится «третьим телом» - промежуточным звеном между венцом шестерни и колесом [5].
Это 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 (до 5 %) 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.
Как вариант, 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, меди или 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 гальванпокры-тием. Твердая «смазка» может быть нанесена путем внедрения в рабочую поверхность ножки зуба шестерни материала (например, графита), повышающего антифрикционные свойства в зоне контакта.
При реализации технического решения [5] обеспечивается возможность использования в процессе работы полного кругового профиля зуба шестерни в качестве рабочей поверхности, что повышает 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.
Технические решения [3, 5], предлагающие альтернативную схему механической передачи, привлекаются для решения задачи повышения эксплуатационных качеств тягового привода железнодорожного подвижного транспортного средства.
В поиске эффективных мер по повышению этих качеств родилось техническое решение «Компоновочная схема тягового привода железнодорожного подвижного транспортного средства с параллельными потоками мощности» [5], согласно которому эта задача решается
80 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №2311
тем, что 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, равное 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 их суммарная мощность соответствует мощности, потребной для осуществления движения транспортного средства с заданными параметрами.
Предлагаемая компоновочная схема может быть выполнена в двух вариантах: с опорно-осевым (рисунок 2) и опорно-рамным (рисунок 3) подвешиванием пакета тяговых двигателей. Выбор схемы для практической реализации определяется требованиями, предъявляемыми 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 спо-собность конструкции передачи допускать радиальные перемещения шестерни относительно колеса в процессе работы. Для пакета тяговых двигателей в этом случае применяются известные [7] 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.
В качестве иллюстрации на рисунке 2, представлена компоновочная схема тягового привода с опорно-осевым, на рисунке 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.
Б-Б А-А
Рисунок 2 - Компоновочная схема тягового привода с опорно-осевым подвешиванием
пакета тяговых двигателей
м;п3!11) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 81
Ожидаемый технический результат реализации предлагаемой компоновочной схемы заключается в: решении проблемы стесненных габаритов электропривода; повышении уровня технологичности при изготовлении и обслуживании элементов механизма тягового привода; повышении надежности работы системы тяги при параллельной работе электродвигателей; расширении возможностей использования асинхронных электродвигателей.
Б-Б А-А
Рисунок 3 - Компоновочная схема тягового привода с опорно-рамным подвешиванием
пакета тяговых двигателей
Список литературы
1. Ключев, В. И. Теория электропривода [Текст] / В. И. Ключев. - М.: Энергоиздат, 1985. -560 с.
2. Механическая часть тягового подвижного состава [Текст] / И. В. Бирюков, А. Н. Са-воськин и др. - М.: Транспорт, 1992. - С. 282 - 296.
3. Пат. 2354870 Российская Федерация, МПК Б16Н 1/10. Торцевая зубчатая передача с внутренним зацеплением [Текст] / Тупицын А. А., Каргапольцев С. К., Милованов А. П., Ту-пицын А. А., Ревенский А. А; заявитель и патентообладатель Иркутский гос. ун-т путей сообщения - № 2007144586/11; заявл.04.12.2007; опубл.10.05.2009, Бюл. № 13. - 7 е.: ил.
4. Торцовые зубчатые передачи и механизмы, построенные на их базе [Текст] / А. И. Нечаев, Е. Г. Синенко, П. Н. Сильченко // Наука - производству. - 2000. - № 3 (28). - С. 47 - 50.
5. Пат. 77374 Российская Федерация, МПК Б16Н 1/00. Шестерня для торцевой зубчатой передачи с внутренним зацеплением [Текст] / Тупицын А. А., Милованов А. И., Ревенский А. А; заявитель и патентообладатель Иркутский гос. ун-т путей сообщения -№ 2008115572/22; заявл.21.04.2008; опубл.20.10.2008, Бюл. № 29. - 1 е.: ил.
6. Пат. 2412072 Российская Федерация, МПК В61 С 9/00. Компоновочная схематягового привода железнодорожного подвижного транспортного средства с параллельными потоками мощности [Текст] / Милованова Е. А., Милованов А. А., Милованов А. И., Тупицын А. А., Тупицын А.А; заявитель и патентообладатель Иркутский гос. ун-т путей сообщения -№ 2009124142; заявл.24.06.2009; опубл.20.02.2011, Бюл. № 5. - 4 е.: ил.
7. Левитский, Н. И. Колебания в механизмах [Текст] / Н. И. Левитский. - М.: Наука, 1988. - 336 с.
ИЗВЕСТИЯ Транссиба
№ 3(1 2012
82
