CC BY
22
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
Вип.№Ю
2000 р.
МАШИНОБУДУВАННЯ
УДК 621.833
Маргулие М.В.*
ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРИВОДОВ МАШИН РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Обоснована необходимость улучшения технико-экономических показателей приводов машин посредством разработки новых оптимизированных конструкций по критерию минимальной массы. Показана необходимость применения в разрабатываемых приводах прогрессивных высокооборотных двигателей, высокоэкономичных передаточных механизмов с планетарными и волновыми передачами, жо-номнолегированных высококачественных марок сталей для деталей передач. При-„ ведены конструкции новых высокоэкономичных приводов с волновыми передачами для машин различного назначения.
Анализ технико-экономических показателей приводов металлургических, транспортных, горнорудных, грузоподъемных и других машин, выполненный отечественными и зарубежными учёными, показал, что они не соответствуют современным требованиям и должны быть значительно улучшены [1, 2, 3]. Таким образом, совершенствование приводов машин в настоящее время является одной из актуальнейших проблем машиностроения. Это связано с тем, что привод является наиболее сложной, трудоёмкой и ответственной частью любой машины. От его качества в большой мере зависит производительность, надёжность, долговечность и экономичность машины. Привод обычно включает двигатель, соединительное звено (муфта и т.п.) и передаточный механизм,функционирующий как редуктор (замедлитель) или мультипликатор (ускоритель). Основными критериями оценки качества привода приняты : удельные массоёмкость (кг/Н.м) и энергоёмкость (кВт«ч/Н.м), габаритные размеры, динамическая, шумовая, температурная характеристики, КПД, надежность, себестоимость изготовления и эксплуатации. Существенное улучшение основных эксплуатационных показателей приводов возможно при разработке новых оптимизированных конструкций их с использованием прогрессивных маломассо-ёмких высокооборотных электродвигателей и передаточных механизмов, включающих планетарные и волновые зубчатые передачи (ВЗП), имеющие в 1,5-2^ меньшую удельную массоёмкость, чем аналогичные цилиндрические, конические и червячные передачи [1,4,9,10].
В подтверждение к вышеизложенному на рис.1 представлен график изменения удельной массоёмкости Км передаточных механизмов в зависимости от вида передач при одинаковом значении выходного момента Твых. Из графика следует ,что наименьшие значения удельной массоёмкости имеют ВЗП- Кмвзп — (0,15-0,30) кг/Н.м, у ближайших к ВЗП по этому параметру планетарных передач он в 2 раза больше - Кмпл ~ (0,30-0,60) кг/Н.м . Остальные передачи по удельной массоёмкости превышают ВЗП в несколько раз. Т.о., ВЗП, как передаточный механизм, наименее массоёмок в сравнении с неволновыми механизмами, т.е. экономичнее, не учитывая, что ВЗП обеспечивает существенное уменьшение габаритных размеров, динамики, увеличение КПД, кинематической точности и другие преимущества [1,2]. Использование привода с уменьшенными массой и габаритными размерами соответственно уменьшает массу и габариты опорных частей (рам) и машины в целом. Уменьшение же вращающихся групп масс привода (ротора, передач, муфты) соответственно уменьшает их момент инерции, динамические нагрузки, энергоемкость, увеличивает КПД, надёжность и долговечность.
' 111 1 У, д-р техн. наук, проф.
Км, кг/Н.м
ного момента Твых: 1 -коническо-циливдрические передачи; 2-циливдрические передачи; 3-планегарные передачи типа 2К-Н; 4-плаиетарные передачи типа ЗК; 5 - ВЗП американской фирмы USM; 6-ВЗП японской фирмыHaseg 7-ВЗПконструкции MIIC II; MBTV(i Москва); 8-ВЗПконструкцииПГТУ; 9-ВРПи ВШП конструкции ПГТУ(г.Мариупбль) [9Д0Д2ДЗ].
С целью уменьшения массоёмкости привода и машины в целом рационально использование экономнолегированных высококачественных марок сталей типа ЗОХГСА, 35ХГСА, 14Х2ГМР и др. и прогрессивных методов получения заготовок [1]. Кроме того , учитывая высокую стоимость материалов (заготовок) и мехобработки достаточно сложных деталей типа зубчатых колёс , вал-шестерен, корпусных деталей и комплектующих покупных изделий (подшипников качения и др.), снижение массоёмкости передаточного механизма с ВЗП , значительно увеличивает экономичность привода как при изготовлении, так и эксплуатации за счёт уменьшения количества необходимых запасных частей. Исследования по оптимизации конструктивно-технологических параметров приводов машин, проведенные отечественными и зарубежными учёными [5,7,8] показали, что в качестве функции оптимизации F(x]i целесообразно принимать массу привода Мир , являющуюся одним из основных показателей рациональности конструкции изделия. Т.о., оптимизация параметров привода сводится к всемерной минимизации его массы при обязательном выполнении заданных технических ограничений. Т.е. функция оптимизации может быть представлена в виде
п
F(xy=Mnp=£mi —*■ min, 0)
n i-1
где Emi- масса привода в целом; mi,im...mn- массы двигателя, соединительного звена и состав-i=]
ных частей передаточного механизма.
В качестве технических ограничений принимаются функционально необходимые точностные, жесткостные, прочностные, динамические , вибрационные и другие характеристики составных частей пригода .которые обеспечат высокие эксплуатационные показатели, приведенные выше. С учетом изложенного нами была разработана методика конструктивно-технологической оптимизации приводов с ВЗП [5,7]. На ее основе был впервые создан и внедрен в действующие машины ряд приводов с высокими технико- экономичными показателями (смотри таблицу и рис.2).
Таблица - Технические характеристики высокоэкономичных приводов различных машин с вы-сокомоментными ВЗП и традиционными неволновыми передачами.
Наименование машин.где внедрены приводы с ВЗП
Параметры Конверто- Мельница . Миксеры. Экскава- Конвер- Экскава-
ры вмес- рудораз- вместамо-' тор шага- торы вме- тор: ротор-!
тимостью мольная стью ющий од- сти-мостью ный ЭРШР-1
160-250 т вмести- 400-6100 т иоков- 350-450 т 1600 |
мостью шовын 0=5000 |
50 м' ЭШ10/70 м'/час
Мощность элек- I
тродвигателя. 60 15 44 450 500 7,5 ;
кВт 1
Частота вращения 960 600 1100 1000 - .1000 730
вала элек-
трод.,мин"1 " ■
Номинальный 200 300 500 1550 6000 80
крутящий момент |
на выходе,кН.м.
Диаметр гибкого 800 1270 1200 1700 2500 V' 735
колеса, мм
Модуль волнового 1.25 2,0 1,25и2,5 2,75 5,0 1
зацепления, мм
Передаточное 296 300 455и380 298 300 365
число ВЗП ■
Коэффициент по- 0,83/0,76 0,82/0,8 0,75/0,7и 0,86/0,71 0,8/0,75 0,89/0,74
лезного действия 0,73/0,7
Уровень шума, дБ 75 78 84 79 80 72
Масса, кг 4300/ 7000/ 10500/ 26000 / 115000/ 2000/
7600 14300 17800 42000 380000 4900
Габаритные раз- . 01200 02300 800 2800 4500 0800
меры, мм 4290/ »2100 ♦1500 ♦2300 ♦3500 * 1200/
- 5150 *1800/ *3900 / * 1470/ ♦3200 / 1460
*4300 4200 31 об 4200 6700 ♦1.100
*1300 ♦3050 *2700 ♦3200 ♦5200 .■»950
*2100 ♦1700 82100 *4700
Трудоёмкость из-
готовления в нор- 750/800 1300/1370 1900/1800 2700/2550 4500/4500 400/390
мочасах
Год внедрения на 1971
машинах 1987 1986 1984 1989 Рабочий
проект
Количество соз-
данных ВЗП 4 20 2 2 2
Примечание. Дробные значения параметров включают: в числителе- значения для приводов с ВЗП, а в знаменателе- для традиционных (заменяемых) приводов.
Рис. 2- Конструкции новых высокоэкономичных приводов с волновыми зубчатыми передачами для различных машин : а,б)-конверторов; в)- миксеров; г)-рудорозмолышх мельниц емкостью 50м7час (двигатель и соединительное звено не показаны); д)-экскаваторов одноковшовых шагающих - ЭШ10/70; е) -экскаваторов роторных -> ЭРШР-1600; 1- двигатель; 2 -ВЗП; 3 - соединительное звено.
Примечание. Технические характеристики этих приводов см. в таблице.
Приводы с ВЗП неоднократно экспонировались на выставках и были награждены медалями и дипломами почета; на конструктивные и технологические решения при их создании получено свыше 30-ти авторских свидетельств и патентов на изобретения -
Как показали исследования силовых приводов с ВЗП, они достаточно работоспособны при больших передаточных числах- и=(60-500 и более), когда деформация гибких зубчатых колёс (ГЗК) невелика [2], При малых передаточных числах- и<=60 возникают большие деформации ГЗК и соответственно предельные значения изгибных напряжений при циклическом нагруже-нии ВЗП, ограничивающие их долговечность. Учитывая большую потребность техники в передаточных механизмах общемашиностроительного назначения с передаточными числами в пределах 1)~( 15-60) [9], группой исследователей под руководством автора были разработаны , изготовлены , запатентованы и испытаны приводы с волновыми роликовыми (ВРП) и шариковыми передачами ВШП с малым кинематическим эффектом (11=25-30). Специфичным для ВРП и ВШП является использование в качестве контактирующих элементов волнового зацепления вместо зубьев роликов и шаров и соответствующих им цилиндрических и шарообразных впадин, у которых практически отсутствуют концентраторы напряжений, характерные для впадин зубвенцов ГЗК и способствующие низкой долговечности- их при больших деформациях и циклических нагрузках. Испытания ВРП и ВШП на долговечность были успешными, что явилось подтверждением правомерности наших рекомендаций по их проектированию и технологии изготовления [12,15]. Параллельно с ВРП и ВШП нами разрабатывалась новая силовая од-новолновая зубчатая передача (ОВЗП), у которой в два раза большее передаточное число в одной ступени, чем у двухволновой ВЗП аналогичного эксплутационного назначения и она значительно компактнее. Ранее создавались лишь кинематические ОВЗП, т.к. силовые ОВЗП были неработоспособны из-за силовой неуравновешенности генератора волн и большой виброактивности при передаче рабочей нагрузки. Это связано с односторонним (из-за наличия одной волны деформации) неосесиметричным нагружением ГЗК в процессе работы ОВЗП под нагрузкой [15]. Нами впервые был создан и запатентован привод с силовой ОВЗП [14],стендовые испытания которого прошли успешно, а виброактивность практически отсутствовала.
Массо-габаритные параметры ВРП, ВШП, ОВЗП в 2,2-2,7 раза ниже, чем у традиционных (неволновых) приводов аналогичного эксплуатационного назначения. Т.е., их применение в машинах различного назначения может дать высокий технико-экономический эффект.
Выводы
1. Обоснована необходимость совершенствования приводов машин различного назначения с целью значительного улучшения их технико-экономических показателей и конкурентоспособности.
2. Показано, что основным направлением совершенствования приводов машин является разработка новых оптимизированных по конструктивно-технологическим параметрам приводов с использованием прогрессивных высокооборотных двигателей и передаточных механизмов с планетарными и волновыми (зубчатыми, роликовымии шариковыми) передачами, обладающими существенными преимуществами перед другими видами передач.
3 Представлены впервые созданные,высокоэкономичные, апробированные на действующих машинах приводы с волновыми зубчатыми передачами, обеспечивающие высокий технико-экономический эффект.
Перечень ссылок
1. МаргулисМ.В. Снижение материалоёмкости машин.-К.: Знание, 1985-64с.
2. Волков Д.П., Крайнев А. Ф., МаргулисМ.В. Волновые зубчатые передачи.-К. Техника, 1976-222с
3. Волков Д.П., Крайнев А. Ф., МаргулисМ.В. Волновые зубчатые передачи.-Будапешт: МИС-ЦАКИ, 1984.-317с.
4. Волков Д.П., Крайнев А. Ф. Планетарные,волновые и комбинированные передачи строительных машин.-М.: Машиностроение, 1986. - 430с.
5. Маргулис М.В. Методика оптимизации конструктивных параметров тяжелонагруженных волновых зубчатых передач // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб.науч. тр. -Мариуполь, 1996. -Вып2. - С 98-102.
6. Маргулис М.В. Основы расчёта иг методология создания высокомоментных волновых зубчатых передач для приводов тяжелых машин: Автореф. дне. на соискание ученой степени д-ратехн. наук.-J1.:ЛГГУ, 1991 -47с.
7- Маргулис М.В., Григорьев ВТ., Александров В.А. Технология изготовления основных деталей волновых зубчатых передач // Технология и организация производства. - 1974. -№4,- С.22-25.
8. Хог Э., Apopa Я. Прикладное оптимальное проектирование: Механические системы и конструкции. -М.:Мир,1983.-478с.
9. Редукторы и мотор -редукторы общемашиностроителБного применения, выпускаемые промышленностью в 1992г / Внииредуктор.-М.: ВНИИТЕМР, 1992.-16с.
10. ГинзбургЕ: Г. Волновые зубчатые псрдачи.-М.:Машиностроение. 1969.-159с.
11. Шувалов С.А. Теория и автоматизированное проектирование волновых зубчатых передач,-М:МВТУ. 1986.-,27с.
12. МаргулисМ.В., Сойбелъман И.Б. Разработка силового передаточного механизма с волновой роликовой передачей// Вестник Приазов. гос. техн. ун-та : Сб.науч. тр. -Мариуполь, 1995 -ВыпЛ.-С 115-118.
13. Просянок В. В., Маргулис М.В. Создание силового передаточного механизма с волновой шариковой передачей// Вестник Приазов. гос. техн. унАга: Сб. науч. тр. Мариуполь, 1997. -Вып.З.-С 88-90.
14. № 13958 Пат. Украины от 12.97. Одноволновая передача/МВ. Маргулис, А.В. Нечепуренко, А. С Алексеев.
15. Нечепуренко А.В., Маргулис М.В. Разработка оптимизированной конструкции силовой од-новолновой передачи // 5-я регион, науч.-техн.конф: (апрель, 1997): Тез. докл./ ПГТУ,-Мариуполь, 1997.-Т.2. Машиностроение.-С 12-13.
Маргулис Михаил Владимирович. Д-р техн. наук, проф. кафедры 'Технология машиностроения." Окончил Ленинградский государственный технический университет в 1960 году. Основное направление научных исследований - создание высокоэкономичных приводов машин различного назначения.
