CC BY
149
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
УДК 621.833
А. А. СИЛИЧ
Тюменский государственный нефтегазовый университет
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПЕРЕДАЧ РЕДУКТОРОВ СТАНКОВ-КАЧАЛОК____________________________________
Разработаны математические модели способов обработки зубчатых колес на базе дискового инструментального колеса, которые доказывают возможность теоретически точного формообразования зубчатых колес. Проведены исследования станочного зацепления, на основе которых создана методика проектирования инструментов и изготовлены опытные партии шеверов. Экспериментальные исследования показали, что процесс шевингования позволяет в 1,5—2,5 раза повысить точность и в 5—10 раз снизить шероховатость рабочих поверхностей зубьев.
Ключевые слова: математическая модель, дисковое инструментальное колесо, шевер, станочное зацепление, эксперимент, процесс шевингования, точность колес.
В настоящее время в приводе станков-качалок при добыче нефти широкое распространение нашли цилиндрические редукторы с передачами Новикова. Изготовление зубчатых пар передач Новикова на ремонтно-сервисных предприятиях, занимающихся обслуживанием станков-качалок, не соответствует современным требованиям и достижениям в области производства зубчатых колес цилиндрических передач Новикова. Это проявляется как при технологическом обеспечении процесса зубообработки, так и при метрологическом обеспечении производства колес. Указанные причины являются определяющими, которые сказываются на невысокой долговечности и надежности работы данных передач, произведенных на ремонтных предприятиях севера Тюменской области.
В Тюменском государственном нефтегазовом университете на протяжении ряда лет проводятся работы по совершенствованию технологического и метрологического обеспечения производства зубчатых колес цилиндрических передач Новикова. К настоящему времени доказано, что с помощью дискового инструмента (шевера, зубчатого хона, накатника) возможно теоретически точное формообразование боковой поверхности зубьев колеса передач Новикова практически со всеми исходными контурами, которые нашли применение к настоящему времени. Для зубчатых передач с исходными контурами ЮТЗ-65 и НИИМ и ПМ-5А были спроектированы инструменты — шеверы и процесс шевингования был опробован как в лабораторных, так и заводских условиях и принят к внедрению на ряде предприятий.
При аналитическом доказательстве возможности обработки колес передач Новикова использовался обобщенный исходный контур, представленный на рис. 1. С ним связана система координат Бр(Хр,У). Цифрами в кружках обозначены номера участков исходного контура. Переход от обобщенного исходного контура к конкретному исходному контуру осуществляется путем соответствующего задания параметров исходного контура. Уравнения производящей поверхности зубьев рейки в проекциях на
оси координатной системы представлены в следующем виде:
криволинейные участки:
Хрг = Рг «Л О г + Ьг
Ур1 = р, СМ О, + С,
= и
прямолинейные участки:
(1)
Хр1 = К- - V) соя а 0 ¥Р, = К- - V) я гп а о + ^
(2)
где иг, т и и — независимые параметры г-го участка производящей поверхности, рг, Ь, с. — радиус и координаты центра кривизны круговых участков исходного контура в системе координат 5р, а0 — угол профиля прямолинейного участка, шг — расстояние от начала прямолинейного участка до делительной прямой.
При выборе геометро-кинематической схемы (ГКС) станочного зацепления и обоснования возможности ее использования для обработки колес необходимо учитывать ряд условий:
— геометрия инструмента должна быть сопоставима по сложности с геометрией обрабатываемых колес;
— ГКС должна воспроизводиться на современном оборудовании;
— ГКС должна удовлетворять условию универсальности;
— ГКС должна обеспечивать в станочном зацеплении коэффициент перекрытия, достаточный для реализации методов свободного обката.
Финишная обработка зубчатых колес может реализоваться как по схеме винтового зацепления, так и по схеме зацепления пары колес при параллельных осях. Зубья инструмента могут быть либо прямыми, либо косыми.
При доказательстве возможности теоретически точного образования зубьев колес цилиндрических передач Новикова применялись методы одно- и двух-
Рис. 1. Обобщенный исходный контур
параметрического формообразования поверхностей, разработанные в теории зубчатых зацеплений [1, 2]. Уравнения боковой поверхности зуба инструмента, полученного с помощью производящей поверхности рейки в системе координат, связанной с инструментом, когда ось является осью вращения, для круговинтовых участков выглядят следующим образом:
Хи, = (Р,БШ и і + Ьі - ги - X) СОБ у и +
+ (р, біп и і + Ь - Хи) соб ри&д о, эт у и
¥иі = -(Рі БІП и і + Ьі - Ги - Хи) БІП у и +
+ (рі біп и і + Ьі - Хи) СОБ ЬиСїд о, соб у и гиі = -Рі СОБ о, БІП ри + (Ьі - Хи) СОБ р^дрисіди, - Сі / БІП ри + га у исідр„
, (3)
где Ьи — угол наклона зубьев инструмента, ги — делительный радиус инструмента, Хи — смещение исходного контура инструмента.
Уравнения боковой поверхности зуба колеса, образованного с помощью производящей поверхности рейки в системе координат, связанной с колесом, когда ось является осью вращения, для круговинтовых участков, имеют вид:
Хкі = (РіБі'П О,- + Ь + Ги + Хк ) СОБ у и -
- (р, БІП и, + Ь, + Хк )СОБ ркіїди,- БІП у к ¥кі = (Рі БІП и,- + Ь - Гк + Хк) БІП у к +
+ (р,БІП и, + Ьі + Хк )СОБ ркС(д»1 СОБ у к
гкі = -Рі СОБ и, БІП рк + (Ь + Хк )СОБ ркСгдрСди,
- с,/б,п р к + Гк у кс(др к
(4)
где Ьк — угол наклона зубьев колеса, гк — делительный радиус колеса, Хк — смещение исходного контура колеса.
Формообразование боковых поверхностей зубьев колес К с помощью производящих поверхностей инструментального колеса И осуществлялось по схеме винтового зацепления при наличии двух независимых параметров относительного движения инструмента: поступательного перемещения Б и вращательного движения фк. Было доказано, что при выбранной схеме формообразования инструмента боковая поверхность зубьев колес воспроизводится теоретиче-
ски точно и описывается системой уравнений (4). Следовательно, на базе такой математической модели возможна разработка финишных способов (шевингование и абразивное хонингование) обработки колес передач Новикова.
Для финишной обработки колес широкое применение нашли инструменты в виде зубчатых колес, реализующие метод огибания без жесткой кинематической связи в станочном зацеплении при коэффициенте перекрытия больше единицы. Это достигается применением колеса либо инструмента со смещением исходного контура. На основе созданной математической модели станочного зацепления и проведенных исследований была разработана методика проектирования инструментов в виде зубчатого колеса (шевера, хона) и изготовлены опытные партии шеверов с исходными контурами ЮТЗ-65 и НИИМ и ПМ-5А, фотографии которых представлены на рис. 2.
Экспериментальные работы по оценке эффективности шевингования колес передач Новикова проводились в четыре этапа:
1-й этап — выбор рациональных режимов при одностороннем способе шевингования колес; 2-й этап — оценка эффективности одностороннего способа шевингования колес при рациональных режимах обработки; 3-й этап — оценка эффективности двухстороннего способа шевингования колес в производственных условиях; 4-й этап — оценка эффективности двухстороннего способа шевингования колес в лабораторных условиях при рациональных режимах обработки.
На 1-м и 2-м этапах использовался шевер с исходным контуром ЮТЗ-65. На 3-м и 4-м этапах — с исходным контуром НИИМ и ПМ-5А. Способ шевингования зубчатых колес передач Новикова реализован на существующем технологическом оборудовании, предназначенном для обработки эвольвент-ных колес. В качестве примера на рис. 3 показан момент шевингования колес передач Новикова с исходным контуром НИИМ и ПМ-5А.
Для объективной оценки результатов экспериментов отклонения точностных параметров зубчатых колес были подвергнуты статистической обработке путем восстановления функции плотности распределения случайной величины [3, 4]. Результаты
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
Рис. 2. Шеверы с исходными контурами: а — ЮТЗ-65 и б — НИИМ и ПМ-5А
Рис. 3. Шевингование колес с исходным контуром НИИМ и ПМ-5А
Таблица 1
Доверительные интервалы показателей точности в предположении нормального закона распределения случайной величины при двухстороннем риске 5 %
Показатели в мкм Фрезерованных колес Оф Шевингованных колес Ош Х*ф/ Х*ш Оф/ Ош
Первая серия опытов по обработке зубчатых колес
Ргг 88,2<107,6<127 38,8 77,0<92,3<107,5 30,5 1,17 1,27
50,4<59,5<68,6 18,2 42,9<51,3<59,7 16,8 1,16 1,08
УпррХг 34,8<48,1<61,4 26,6 41,3<49,8<58,2 16,9 0,97 1,57
УлрХг 39,8<51,0<62,1 22,3 35,7<44,0<52,4 16,7 1,16 1,34
Вторая серия опытов по обработке вал-шестерен
Ргг 68,3<94,2<120, 51,9 30,8<38,8<46,9 16,1 2,43 3,22
Уп% 27,5<37,9<48,3 20,8 19,3<30,5<41,7 22,4 1,24 0,93
улрхг 28,6<38,6<48,6 20,0 18,0<25,3<32,6 14,6 1,53 1,37
Третья серия опытов по обработке зубчатых колес
Ргг 42,7<69,4<96,0 53,3 12,4<29,8<47,1 34,7 2,33 1,54
Ррг 24,2<41,0<57,8 33,6 12,4<23,9<35,4 23,0 1,72 1,46
Ург 12,8<21,3<29,7 16,9 5,8<8,4<10,9 5,1 2,54 3,31
Таблица 2
Доверительные интервалы показателей точности после восстановления эмпирического закона распределения случайной величины при двухстороннем риске 5 %
Показатели в мкм Фрезерованных колес Оф Шевингованных колес Ош Х*ф/ Х*ш Оф/ Ош
Первая серия опытов по обработке зубчатых колес
Frr 51,8<104,0<170 118, 42,2<82,6<144,0 102, 1,26 1,16
36,1<57,6<91,2 55,1 22,2<49,7<74,1 51,9 1,16 1,06
Уп% 16,5<46,1<107, 90,7 15,2<47,3<73,7 58,5 0,97 1,55
Улрт 17,0<52,5<98,6 81,6 17,6<43,1<70,4 52,8 1,22 1,55
Втрая серия опытов по обработке вал-шестерен
Frr 23,0<81,0<202, 179, 21,1<42,9<85,8 64,7 1,89 2,77
Уп% 7,4<32,8<82,8 75,4 5,9<22,6<90,9 85,0 1,45 0,89
Улрт 11,9<30,4<84,6 72,7 5,8<21,6<51,5 45,7 1,41 1,59
Третья серия опытов по обработке зубчатых колес
Frr 32,3<56,7<108, 75,6 13,7<27,8<57,8 44,1 2,04 1,71
Fprr 14,9<32,7<62,1 47,2 5,7<20,3<43,0 37,3 1,61 1,27
9,4<17,8<31,4 22,0 4,2<8,0<12,8 8,6 2,23 2,56
О 5 10 15 20 25 30 35 40 Ург,мкм
Рис. 4. Плотность вероятности наибольшей разности окружных шагов колес
Р
0,015
0,010
” 'Х \ - фрезерованные
/ / У / / / \ \ \ \ \ \ \ \ - шевинг ованные
\ \ \ \ \
\ \ \ \ \ \ \
0 20 40 60 80 100 120 140 160 Ргг,мкм
Рис. 5. Плотность вероятности радиального биения колес
проведенных лабораторных и заводских испытаний шевингования колес с исходным контуром НИИМ и ПМ-5А (этапы 3 и 4) представлены в табл. 1 и 2 после их статистической обработки. В этих таблицах Х*ф и Х*ш — средние значения контролируемых параметров колес после фрезерования и шевингования соответственно при нормальном законе распределения случайной величины и медианы при восстановленном эмпирическом законе в мкм, D ф и D ш — диапазоны рассеяния случайной величины в мкм, Frr — радиальное биение зубчатого венца, V — наибольшая разность окружных шагов колес, Vя13 хг и Ул хг —
отклонение осевых шагов по нормали по правой и левой сторонам зубьев колес, Fpr — накопленная погрешность окружного шага. В последних двух колонках таблицы приведены отношения величин, которые позволяют количественно оценить исправ-ляемость колес после шевингования.
Некоторые результаты математической обработки результатов эксперимента в виде графиков представлены на рис. 4 и 5.
Лабораторные и заводские испытания шевингования колес передач Новикова позволяют сделать следующие выводы:
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
1. Шевингование при оптимальных режимах улучшает точностные показатели колес в 1,5 — 2,5 раза по сравнению с точностными показателями фрезерованных колес, а также значительно уменьшает разброс этих величин.
2. После шевингования значительно уменьшается шероховатость рабочих поверхностей зубьев (с Я210 — 20 у фрезерованных до Яа1,25 — 0,4 у шевингованных).
Библиографический список
1. Литвин, Ф. Л. Теория зубчатых зацеплений / Ф. Л. Литвин. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Наука, 1968. — 584 с.
2. Ерихов, М. Л. Применение принципа огибания с двумя независимыми параметрами к анализу и синтезу зубчатых зацеплений : дис. ... канд. техн. наук / М. Л. Ерихов. — Л., 1965. - 180 с.
3. Силич, А. А. О финишных методах обработки зубчатых колес цилиндрических передач Новикова / А. А. Силич, М. Л. Ерихов, Л. М. Голофаст // в-96 : Междунар. науч.-техн. конф. — Познань, 1996. — С. 317-321.
4. Силич, А. А. Разработка геометрической теории проектирования передач Новикова и процесса формообразования зубьев колес : автореф. ... д-ра. техн. наук / А. А. Силич. — Ижевск, 1999. — 32 с.
СИЛИЧ Александр Анатольевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры технологии машиностроения.
Адрес для переписки; kafedra_tm@tsogu.ru
Статья поступила в редакцию 11.04.2012 г.
© А. А. Силич
УДК 62101 А. И. СМЕЛЯГИН
И. В. ЮХНЕВИЧ
Кубанский государственный технологический университет, г. Краснодар
СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ И КИНЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОСТЫХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ВИБРОПЕРЕМЕШИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ___________________________________
Показано, что традиционные рычажные исполнительные механизмы (ИМ) виброперемешивающих устройств (ВПУ) не обеспечивают рациональные законы движения рабочих органов. Используя структурные математические модели механизмов и машин, предлагается оригинальный метод структурного синтеза простого ИМ ВПУ. Синтезирован новый ИМ ВПУ, у которого амплитуда колебаний рабочего органа не зависит от структуры и мощности привода, и проведен его кинематический анализ. Ключевые слова: виброперемешивающие устройства, рычажные механизмы, исполнительный механизм, структурный синтез, структурная математическая модель, кинематический анализ, метод замкнутых векторных контуров.
Высокое качество многих продуктов, получаемых в ходе химических реакций, может быть обеспечено только при необходимом уровне тепломассообмена, который обеспечивается главным образом перемешивающими устройствами.
В [1] показано, что наилучшие условия для тепломассообмена достигаются в виброперемешивающих устройствах (ВПУ), что позволяет сократить время протекания многих процессов в 1,5 — 2,0 раза, удельные капитальные и эксплуатационные затраты в 1,2—1,8 раза, а также улучшить качество получаемых продуктов по сравнению с применением классических перемешивающих устройств.
Рядом авторов [2, 3] указано на перспективность применения кривошипно-ползунных, кулисных и других рычажных механизмов в качестве исполнительных механизмов (колебательного привода) в аппаратах с ВПУ.
Однако непосредственное использование простых рычажных механизмов в ВПУ затруднено из-за того, что размеры кривошипа, определяющие в этих устройствах амплитуду колебаний рабочего органа, обусловлены не требованиями технологического процесса, а передаваемой приводом мощностью. Это чаще всего приводит к тому, что амплитуда колебаний рабочих органов таких ИМ неоптимальна для осуществления требуемого технологического процесса.
Для обеспечения оптимальных режимов перемешивания синтезируем ИМ ВПУ, у которого амплитуда колебаний рабочих органов не будет явно зависеть от размеров кривошипа.
Структурный синтез исполнительного механизма ВПУ. Синтез исполнительного механизма ВПУ проведем, используя методы и структурные математические модели, разработанные в [4].
