Пути повышения нагрузочной способности и долговечности планетарных редукторов отечественного производства Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

3

МЕХАНИКА И МЕХАТРОНИКА

УДК 621.833.6

пути повышения нагрузочной способности и долговечности планетарных редукторов отечественного производства Е.А. Берлова

Рассмотрены сравнительные характеристики российских и зарубежных планетарных редукторов. Выявлены причины низкой нагрузочной способности отечественных редукторов, показаны методы повышения нагрузочной способности и долговечности.

Ключевые слова: редуктор, нагрузки, точность, сателлит, эпицикл, напряжения, крутящий момент.

Планетарные редукторы нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Однако редукторы отечественного производства обладают меньшими нагрузочными способностями и долговечностью, чем зарубежные аналоги. Ниже показаны пути повышения характеристик планетарных редукторов.

Основным достоинством планетарных передач является многопоточность передачи энергии. По этой причине планетарные передачи обладают меньшими габаритами и массой, чем редукторы простого ряда, при одинаковых нагрузках и долговечности. Многие широко распространенные схемы планетарных редукторов обеспечивают большие передаточные отношения при высоких значениях КПД [1]. Кинематическая схема планетарного редуктора приведена на рис. 1.

Рис. 1. Кинематическая схема планетарного редуктора: 1 - шестерня; 2 - сателлит; 3 - эпицикл; И - водило

Требования потребителей к редукторам обуславливают появление на рынке большого разнообразия различных типов и серий планетарных редукторов.

Фирмы-производители таких редукторов, как Flender и Hyosung выпускают, в основном, крупногабаритные редукторы с мощностью 15-75000 кВт и номинальным крутящим моментом 5300-32500000 Нм [2, 3]. Фирма Bonfiglioli выпускает широкий диапазон планетарных редукторов множества типоразмеров с моментом на выходе 1000-500000 Нм [4]; редукторы Alpha серии SP отличаются высокой точностью передачи движения [5]. Также широко распространены редукторы таких фирм, как Sumitomo, Brevini.

Российская промышленность выпускает серии планетарных редукторов, такие как 1МП, МРв, МПз, МПО и т.п. [6]. К сожалению, большинство редукторов было разработано десятилетия назад, имеет устаревшую конструкцию. Последней разработкой отечественной промышленности являются редукторы серии 3МП. В серии представлены редукторы с радиусами расположения осей сателлитов 25-160 мм с номинальным крутящим моментом 75-16000 Нм [7, 8]. При этом ряды типоразмеров российских редукторов гораздо реже, чем у иностранных аналогов.

На российских предприятиях (например, НТЦ «Редуктор») в данное время производится модернизация планетарных редукторов. Однако нагрузочная способность модернизированных редукторов невелика и превышает отечественные аналоги на 10-20%; отличия в конструкции незначительны.

Введение

Обзор состояния производства планетарных редукторов

Автором проведен анализ и сравнение технических характеристик зарубежных и отечественных редукторов. На рис. 2 приведена сравнительная характеристика зависимостей номинальных крутящих моментов на тихоходном валу от радиуса расположения осей сателлитов для зарубежных и отечественных планетарных редукторов.

Т2, Н-м 120 000100 00080 000

60 000' 40 00020 000

0

Рис. 2. Номинальный крутящий момент редукторов (Т2) в зависимости от радиуса водила (радиуса расположения осей сателлитов):

■■ 1МП "+ЗМП "*Flender "^Bonfiglidi Alpha Sumitomo *Brevini На рис. 3 приведены графики сравнения крутящего момента редукторов на единицу массы.

Т2, Н-м

200 000""

150 000-

100 000"

50 000-

-I-

-1-

200

400

600 800 1000 1200 1400 1600 m, кг

Рис. 3. Номинальный крутящий момент редукторов (Тг) в зависимости от массы: • ^ osuna "^Bonfi^iali -^Hender1 -*-Alpha * ЗмП

Из рассмотрения графиков, приведенных на рис. 2, 3, можно сделать выводы, что нагрузочная способность российских редукторов в несколько раз ниже зарубежных.

0

Методы повышения нагрузочной способности и долговечности

Для увеличения нагрузочной способности и долговечности редукторов можно использовать следующие методы [1]:

1. обеспечение равнопрочности зацепления центрального колеса - сателлита и сателлита - эпицикла, что достигается заменой материала эпицикла;

2. применение косозубого, шевронного или арочного зацепления;

3. повышение точности производства как зубчатых колес, так и других элементов редуктора;

4. использование безопорного водила (в целях повышения одновременности работы сателлитов);

5. уточнение методов расчета планетарных редукторов, в частности, решение статически неопределимой задачи в зацеплении при количестве сателлитов больше трех;

6. введение в расчет упругой динамической модели с распределенными параметрами;

7. использование более сложных динамических моделей, в частности, применение метода конечных элементов для моделей с распределенными параметрами, в целях обеспечения одновременной работы сателлитов.

Применение методов 1 и 2 обусловливается решением задачи обработки внутреннего зуба на эпицикле (прямого, косого, арочного, шевронного) при высокой твердости материала эпицикла (около 60 ИЯСэ). Такая возможность появилась в новых конструкциях станков, обеспечивающих обработку внутреннего косозубого зацепления после цементации с закалкой. Эффективность этих методов показана ниже.

Повышение точности производства зубчатых колес (метод 3) упирается в такие проблемы, как устарелость и отсталость нормативно-технической документации, в частности, ГОСТ 1643-81 [9], игнорирование требований последних рекомендаций ISO 1328 [8] и др. Одновременно отечественное производство сталкивается с устарелым станочным парком и низкой квалификацией рабочих. Совокупность этих проблем не позволяет надеяться на быстрое преодоление разрыва в точности изготовления отечественных и зарубежных планетарных редукторов.

Реализация методов 4-7 связана с совершенствованием расчета планетарных передач. Метод увеличения нагрузочной способности при использовании косозубого зацепления взамен прямозубого хорошо известен, однако его применение требует коренной переработки всего узла сателлита. Это связано с изменением конструкции подшипника, а, следовательно, и осей сателлитов. В зарубежных редукторах для нейтрализации осевого усилия в зацеплении используются сдвоенные сателлиты.

Обобщая сказанное, можно сделать вывод, что увеличение нагрузочной способности возможно лишь при кардинальном изменении всей конструкции планетарного редуктора.

Результаты расчетов

Исследованы два двухступенчатых планетарных редуктора: с радиусом водила 31,5 мм и крупногабаритный редуктор с радиусом водила 125 мм. Для расчетов использованы следующие исходные данные. Шестерня: материал - сталь 12ХНЗА; термохимическая обработка - цементация, закалка; финишная обработка - шлифование; твердость активных поверхностей зубьев - 58-61 ИЯСэ; степень точности - 6 по [9]. Сателлит: материал - сталь 12ХНЗА; термохимическая обработка - цементация, закалка; финишная обработка - шлифование; твердость активных поверхностей зубьев - 58-61 ИЯСэ; степень точности - 6 по [9]. Эпицикл: материал - сталь 40Х; термоулучшение; твердость активных поверхностей зубьев - 248-293 НВ; степень точности - 8 по [9]. Параметры редукторов приведены в табл. 1.

Число зубьев Модуль, мм Коэффициент смещения Ширина зубчатого венца, мм Номинальный крутящий момент, Нм

m ■ m Быстроходная ступень Шестерня 25 1,25 0,4 20 124

Сателлит 26 0 14

Эпицикл 77 0 8

Тихоходная ступень Шестерня 13 1,25 0,4 28

Сателлит 38 0 25

Эпицикл 89 0 18

3МП-125 Быстроходная ступень Шестерня 14 3 0,45 37 5000

Сателлит 53 0,077 34

Эпицикл 121 0,077 35

Тихоходная ступень Шестерня 23 5 0,1 77

Сателлит 28 - 0,1 75

Эпицикл 79 - 0,1 77

Таблица 1. Геометрические параметры редукторов

Рассмотрим случай замены материала и способа термообработки эпицикла. Расчеты производились по методикам В.Н. Кудрявцева [1]. Все полученные в результате расчеты приведены в табл. 2, 3. Как видно из результатов расчетов, замена материала эпицикла увеличивает допускаемые контактные напряжения и напряжения изгиба, в связи с этим увеличивается запас прочности в зацеплении сателлит-эпицикл.

Быстроходная ступень Тихоходная ступень

Расчетное Допускаемое Расчетное (замена материала эпицикла) Допускаемое (замена материала эпицикла) Расчетное Допускаемое Расчетное (замена материала эпицикла) Допускаемое (замена материала эпицикла)

Контактные напряжения, МПа

Сателлит-эпицикл 920 640 1092 1288 809 640 888 1288

Напряжения изгиба, МПа

Сателлит 565 820 565 820 809 820 809 820

Эпицикл 419 498 483 820 636 498 734 820

Таблица 2. Редуктор 3МП-31,5; зацепление сателлит-эпицикл

Быстроходная ступень Тихоходная ступень

Расчетное Допускаемое Расчетное (замена материала эпицикла) Допускаемое (замена материала эпицикла) Расчетное Допускаемое Расчетное (замена материала эпицикла) Допускаемое (замена материала эпицикла)

Контактные напряжения, МПа

Сателлит-эпицикл 420 640 443 1288 988 640 1127 1288

Напряжения изгиба, МПа

Сателлит 248 820 248 820 582 820 582 820

Эпицикл 173 498 200 820 416 490 480 820

Таблица 3. Редуктор 3МП-125; зацепление сателлит-эпицикл

Быстроходная ступень Тихоходная ступень

Расчетное в=0° Расчетное Р=6° Расчетное Р=14° Расчетное Р=21° Допускаемое Расчетное Р=0° Расчетное Р=6° Расчетное Р=14° Расчетное Р=21° Допускаемое

Контактные напряжения, МПа

Сателлит-эпицикл 1092 1084 1013 943 1288 888 858 806 771 1288

Напряжения изгиба, МПа

Сателлит 565 477 431 389 820 809 760 561 512 820

Эпицикл 483 465 421 382 820 734 706 524 484 820

Таблица 4. Редуктор 3МП-31,5; зацепление сателлит-эпицикл

Быстроходная ступень Тихоходная ступень

е е е е е о е е е е е о

о £ ° т0 а Ii ^ Р о £ ° т6 а и Р Расчетно ß=14° Расчетно ß=21° м ае w с пу До о н° т0 а и Р о н° т6 а и Р Расчетно ß=14° Расчетно ß=21° м ае w с пу До

Контактные напряжения, МПа

Сателлит-эпицикл 443 408 368 348 1288 1127 1082 1062 1005 1288

Напряжения изгиба, МПа

Сателлит 248 202 184 139 820 582 546 374 343 820

Эпицикл 200 163 149 113 820 480 450 345 315 820

Таблица 5. Редуктор 3МП-125; зацепление сателлит-эпицикл

Результаты расчетов планетарных редукторов с косозубым зацеплением приведены в табл. 4 и 5. Изменяемым параметром выбран угол наклона зубьев ß =0-21°.

Таким образом, изменение угла наклона зубьев приводит как к уменьшению напряжений изгиба, так и контакта.

Заключение

Приведенные расчеты планетарных редукторов подтверждают, что изменение материала эпицикла и способа его обработки, а также применение косозубого зацепления приводят к увеличению нагрузочной способности и долговечности планетарных редукторов, Это, в свою очередь, позволяет увеличить номинальный крутящий момент на выходном валу редукторов до уровня зарубежных аналогов.

Литература

1. Планетарные передачи. Справочник / Под ред. В.Н. Кудрявцева, Ю.Н. Кирдяшева. - Л.: Машиностроение, 1977. - 536 с.

2. Каталог Planetary gear units. Planurex2 продукции фирмы Flender Service GmbH, 2009. - 48 с.

3. Каталог HyoSung Planetary Gear Reducer продукции фирмы Hyosung фирмы HyoSung Diamond Industrial Co., Ltd., 2009. - 12 с.

4. Каталог Transmital Bonfiglioli. Serie 300 продукции фирмы BONFIGLIOLI RIDUTTORI S.p.A., 2008. - 188 с.

5. Каталог Alpha SP+ продукции фирмы Wittenstein (alpha), 2006. - 96 с.

6. Анфимов М.И. Редукторы. Конструкции и расчет. - 4-е изд. - М.: Машиностроение, 1993. - 463 с.

7. Каталог продукции фирмы НТЦ «Редуктор», 2004.

8. Тимофеев Б.П., Абрамчук М.В. Анализ конкурентоспособности отечественного редукторостроения в части точности зубчатых колес и передач // Научно-технический вестник СПб ГУИТМО. - 2006. -№ 31. - С. 259-266.

9. ГОСТ 1643-81. Передачи зубчатые цилиндрические. Допуски. - Введ. 01.07.1981. - М.: Изд-во стандартов, 1981. - 45 с.

Берлова Елена Александровна - Санкт-Петербургский государственный университет информационных

технологий, механики и оптики, аспирант, berlova_@mail.ru