CC BY
23
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2007 р. Вип. № 17
МАШИНОБУДУВАННЯ
УДК 621.833
Маргулис М. В.1, Ляшенко В. И.2, Пеклич М. М.3
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НОВОГО ВЫСОКОЭКОНОМИЧНОГО ПРИВОДА С ОДНОВОЛНОВОЙ ЗУБЧАТОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ
Впервые разработана силовая одноволновая зубчатая передача для механизмов передвижения металлургических машин. Обоснована технике - экономическая эффективность привода, масса уменьшена в 3 - 3.5 раза по сравнению с используемым традиционным приводом. Приведена конструктивная схема разработанного привода с ВЗП. Дан сравнительный анализ исходного цилиндрического и создаваемого волнового передаточного механизмов на наличие избыточных связей. Показано, что разработанный механизм не имеет избыточных связей, что позволяет уменьшить требования к точности изготовления его элементов и себестоимости изготовления, а также увеличить надежность привода.
Важнейшими проблемами машиностроения в данное время являются: повышение надежности и долговечности создаваемых машин при минимальной их массоемкости, энергоемкости и себестоимости изготовления. Актуальность указанных проблем особенно важна для приводов машин, так как они являются наиболее сложными и трудоемкими частями для изготовления. От их массоемкости и габаритных размеров существенно зависит масса опорных частей и машины в целом. Анализ научных публикаций, а также приводов с ВЗП, выпускаемых на крупнейших предприятиях Украины и России (ОАО «Азовмаш», ОАО «Новокраматорский машиностроительный завод», «Уралмаш»), подтверждает значимость этих проблем. Так, приводы металлургических машин, таких как: сталевозы, чугуновозы, скраповозы и др. имеют большую массоемкость и габариты, недостаточную технологичность конструкции и как следствие большую себестоимость [1, 2]. В настоящее время ОАО «Азовмаш» осуществляет серийное производство металлургических машин. Передаточным механизмом передвижения этих машин является трехступенчатый цилиндрический редуктор с косозубыми передачами. Передаточное число данного механизма U = 100, масса - 880 кг. Кроме значительных габаритов и массы, данный механизм обладает большой трудоемкостью изготовления и, как следствие, значительной себестоимостью.
Целью данной статьи является разработка высокоэкономичного унифицированного привода таких машин с применением волновых зубчатых передач. Для улучшения конструкции приводов этих машин и минимизации их себестоимости за счет снижения массоемкости и трудоемкости изготовления привода, а также для улучшения динамических характеристик машины в целом, целесообразно в качестве механизма передвижения использовать ВЗП [1 - 3]. Учитывая изложенное, по методике ПГТУ разработан передаточный механизм передвижения, который содержит ВЗП с необходимыми характеристиками: U = 100, мощность N = 22 кВт, частотой вращения двигателя п = 750 об/мин, входным моментом МВх = 243 Н м, выходным моментом МВых = 21 кН м и массой 250 кг.
На рис. 1 приведена конструкция привода с силовой ВЗП, включающая в себя электродвигатель 1, соединенный с помощью муфты 2 с эксцентриковым валом 3 (рис. 2), на котором установлены крайние диски 5, 6 и на подшипниках 4 средний диск 7 (рис. 3). Средний
1 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ПГТУ, аспирант
3 ОАО «Азовмаш», главный конструктор
диск установлен с возможностью деформации гибкого колеса (ГК) 8 (рис. 5,1), представляющее собой гибкую оболочку диаметром 263 мм, с зубчатым венцом ш = 1.75 мм и ъ = 202, которое входит в зацепление с жестким колесом (ЖК) 9: ш = 1.75 мм и ъ = 203 (рис. 5,2). В данном ВЗП ГК остановлено, а ЖК вращается. На внутренней поверхности ГК в месте его контакта со средним диском выполнен кольцевой выступ, заменяющий традиционно применявшееся ранее подкладное кольцо. На внутренней стороне около торцев ГК выполнены шлицы т = 8мм, которые соединены с крайними дисками. Зубчатая передача, передающая колесной паре машины вращающий момент, выполнена в виде зубчатого венца, расположенного на внешней стороне ЖК и двух зубчатых колес, установленных на валу 10.
Корпус ВЗП выполнен разъемным и состоит из ЖК передней и задней крышек 11, 12.
Передача работает следующим образом. Вращающий момент от электродвигателя через двойную зубчатую муфту передаётся на эксцентриковый вал . При вращении эксцентрикового вала средний диск создаёт одну зону волнового зацепления между ГК - ЖК, деформируя ГК. При этом ведомым является жёсткое колесо. Крайние диски, находясь в соединении с гибким колесом, обеспечивают силовое уравновешивание генератора волн. Жёсткое колесо с помощью внешнего зубчатого венца передаёт вращение на вал, приводя в движение пару колёс металлургической машины.
Рис. 1 - Конструктивная схема привода механизма передвижения с одноволновой ВЗП
Рис. 3 - Средний 1 и крайний 2 диски генератора волн В данной конструкции ВЗП, как это указано выше, используется ГК с зубчатым венцом, расположенным посередине колеса (рис. 4,1). Экспериментально установлено, что данная конструкция рациональна, так как такое расположение зубчатого венца обеспечивает равномерное распределение нагрузки по оболочке. В случае если зубчатый венец располагается ближе к торцу ГК (рис. 4,2), нагрузка распределяется не равномерно, что ухудшает условия работы ГК.
Р
*зубчатый бенец /зубчатый Ьенец 1) 2)
Рис. 4 - Варианты расположения зубчатого венца и эпюры напряжений ГК от вращательного момента:
а) зубчатый венец посредине ГК; б) зубчатый венец у торца ГК Р - радиальная сила от генератора волн
Кроме того, в данном случае для дополнительного уравновешивания ГК установлены диски связанные с ГК шлицевыми венцами.
1
Рис 5 - Гибкое 1 и жесткое 2 колеса ВЗП
Данная ВЗП рациональнее заменяемого механизма, так как не имеет избыточных связей как показал кинематический анализ, приведенный ниже. Число избыточных связей определяем по формуле Малышева [1]:
д = 1¥-6-п + 5- Ру +4-Рп.+3-Рш+2-РИ + Р1,
где ц - число избыточных связей; - подвижность механизма; п - число подвижных звеньев;
Ру ... Р1 - число кинематических пар соответственно 5 ... 1 классов.
На рис. 6 изображена кинематическая схема исходного цилиндрического редуктора. Подвижных звеньев на схеме девять (выходной вал электродвигателя, четыре вала редуктора и четыре зубчатых колеса).
Рис. 6 - Кинематическая схема цилиндрического редуктора
Здесь девять пар V класса (подшипники), три пары III класса (зубчатые зацепления), и одна пара II класса (двойная зубчатая муфта). Таким образом, число избыточных связей цилиндрического редуктора равно:
д = 1_б-9 + 5-9 + 3-3 + 2 = 3
На рис. 7 приведена кинематическая схема ВЗП. Она имеет девять подвижных звеньев и одну пару V класса, шесть пар IV класса, шесть пар III класса и три пары II класса.
= 1-6-9 + 5-1 + 4-6+3-6 +2-3 = 0
т ^
3~
IV Л IVI
■III
6'
Т1Г7 7 2
с?
4
о »
.5
IV А ¡у]
■ III
__.'IV ш ± С^
—>-^ >—
Рис. 7 - Кинематическая схема ВЗП
Кинематическая схема на рис. 7 не имеет избыточных связей, а значит, позволяет расширить допуски на размеры деталей ВЗП, уменьшить трудоемкость их изготовления и повысить надежность механизма. Редукторы с ВЗП для тяжело нагруженных металлургических машин успешно применялись ранее, например, в конструкциях конверторов, миксеров и т. д. [5]. Применение ВЗП в этих механизмах привело к уменьшению 2 - 2.5 раза габаритных размеров и массоемкости, что дало существенный экономический эффект.
Эти механизмы имеют характерные для ВЗП большие передаточные отношения. Основной особенность данной ВЗП является относительно малое значение ее передаточного отношения и = 100. Эта величина лежит в диапазоне, широко распространенном для механизмов приводов машин. Для таких величин передаточных отношений прогрессивные ВЗП практически не применялись, так как при малых передаточных отношениях увеличивается высота зубьев волнового зацепления. Это вызывает значительное возрастание радиальной деформации гибкого колеса в районе волнового зацепления при входе - выходе зубьев,
следствием чего является рост напряженного состояния оболочки, что лимитирует долговечность гибкого колеса и механизма в целом [6]. Для оценки экспериментальных показателей рассматриваемого механизма с ВЗП необходимо его экспериментальные исследования и испытание на долговечность.
Выводы
1. Обоснована необходимость замены традиционных передаточных механизмов металлургических машин на ВЗП с малыми передаточными отношениями, применение которых позволит существенно снизить массоемкость привода в 3 - 3.5 раза, уменьшить динамические нагрузки до 30 - 40 % и увеличить КПД на 10 -15% (г| = 0.8 - 0.9), вследствие малых потерь на трение за счет отсутствия избыточных связей.
2. Разработана рациональная конструкция ВЗП для механизма передвижения металлургических машин, позволяющая получить высокий технико - экономический эффект за счет уменьшения массы и требований к точности его элементов (с 6 - 7 до 8 квалитета).
Перечень ссылок
1. Волков Д. П. Волновые зубчатые передачи./ ДП. Волков., А.Ф. Крайнев., М.В. Маргулис.-К.:Техника, 1976.-222с.
2. Волков Д.П. Волновые зубчатые передачи./ Д.П. Волков., А.Ф. Крайнев., М.В. Маргулис.-Будапешт, 1984.-317с.
3. МаргулисМ.В. Снижение материалоемкости машин.1 М.В. Маргулис. - К.: Знание, 1985.-64с.
4. Решетов Л.Н. Конструирование рациональных механизмов./ Л.Н. Решетов. - М.: Машиностроение, 1972,- 256с.
5. Маргулис М.В. Пути совершенствования приводов машин различного назначения./ М.В. МаргулисИ Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук, пр.- Мар1уполь, 2000,- Вип. № 10,-С.133-138.
6. Маргулис М.В. Создание высокоэкономичных силовых волновых передач с новыми видами зацеплений для передаточных механизмов с малыми передаточными отношениями./ М.В. МаргулисИ Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук, пр.- Мар1уполь, 2005,- Вип. № 15,-С. 97-100.
Рецензент: В.И.Капланов д-р техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 07.03.2007
