close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Конструкторско-технологические методы повышения надежности планетарных редукторов мехатронных приводов трубопроводной арматуры

код для вставкиСкачать
HaIPaeaXpyKOnuCu
CyfⅢItOBHMmp滴I−eHHaFIt・eBIltI
KOHCTPyKTOPCKO−TEXHOJIOrHtIECKHEMETOI町IHOBI)IⅢEH聯
HA即鮒HOCTHHJIAHETAPHI・IXP叩yKTOPOBMEXATPOHHHX
HPHBOHOBTPyBOⅡPOBOFIHO癖APMATyPI)I
CHeIJHaJIE,HOCTbO5.02.18−Teop肋MeXaHH3MOBHMamHH
(TeXHKtIeCKHeHayKH)
ABTOPE①EPAT
抑CCePTa叩HHaCOHCKaHKeytIeHO漬CTeTIeHK
KaH則弧aTaTeXHHtIeCKHXHayK
CaHKT−HeTeP6ypr−2016
pa60TaBbIHOJIHeHaBCaHKT−HeTeP6yprcKOMHa叩OHaJlE・HOMKCC醐OBaTeJIbCKOM
yHHBePCHTeTeHHbopMauHOHHbIXTeXHOnOrHH・MeXaHHKKHOHTHKH
HayuHb軸博OB脚eub:器諾警認諾:T
odH叩a皿HE・IeOnnOHeHTbi… HJPXaIlOB①eFPpHBaHOBHtl
HOKTOPTeXHHtIeCKHXHayK,nPO¢eccop
⑪I・AOyBOくくH氷eBCK商rocy的pCTBeHHbIH
TeXHHtIeCKHHyHHBePCHTeTI4M・M・T・KaJlamHHKOBa〉),
nPOq)eCCOPKa¢e即bIITpoMbImJIeHHOeK
I−Pa棚aHCKOeCTPOHTeJIbCTBO
HOPO小eeBBJTa凪HCJTaBJIeoH岬OBm
邦爪TOPTeXHHtIeCKHXHayK,HPO加CCOPI−HII⑪ryH
くくIIeHTPaJIE・HH玩∴∴∴HHCTHTyT aBKa叩OHHOrO
MOTOPOCTPOeHHtI∴HMeHHH・H・BapaHOBa〉),「JIaBHHH
HaytIHH産coTPyHHHK
B明yuaHOpraHH3au肋:
①rEOyBOくくy函MCK滴rocyFIaPCTBeHHbIH
aBHauHOHHb滴TeXHKtIeCKHHyHHBePCHTeT〉〉
3auHTa
COCTOHTC鬼 4 0KTH6pH 2016r・B
tIaCOB
Ha 3aCe的HHH
抑ccePTauHOHHOrOCOBeTaH212・227・040PKCaHKT−HeTeP6yprcKOMHa叩OHaJIE・HOM
H。。,.e即BaTeJIbCKOM yHHBePCHTeTe HHbopMauHOHHbIX TeXHOnOr融・MeXaHKKH∴K
oHTHKHnOa即eCy:197101,CaHKT一HeTeP6ypr・KpoHBePKCKH琉IP・・H・49朝凪・331・
cFtHCCepTauHeHMO粗003HaKOMHTbC捕6H6JmOTeKeCaHKT−HeTeP6ypTCKOrO
H。叩。HaJIE,HOrOHCCJmOBaTeJIE,CKOrOyHHBePCHTeTaHHbopMauHOHHbIXTeXHOJIO〇滴・
MeXaHHKH∵rl0ⅡTHKHHOaHPeCy:197101,CaHKT−ITeTeP6ypr,KpoHBePKCK繭np・・H・49
HHaCa翫eh叫://fPpo・inno・ru/?pagel=16&page2=52&page−d=1&page−d2=147140
ABTOPeq)ePaTPa30CJlaHくく 〉〉
2016roHa.
ytIeHE,IHceKPeTaPb
FMCCepTaLIKOHHOrOCOBeTaFt212・227華
KaHHKFIaTTeXHHtIeCKHXHayK
三㌢一二ミニー
C.H.BacHJIE・KOB
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Одной из актуальных задач, стоящих в современных условиях перед
нефтегазовой, энергетической, химической и другими отраслями народного
хозяйства, как следует из положений Энергетической стратегии России до 2030
года, Стратегии инновационного развития Российской Федерации до 2020 года,
Государственной программы Российской Федерации «Охрана окружающей
среды» на 2012–2020 гг. и Климатической доктрины Российской Федерации
является повышение эксплуатационной надежности трубопроводной арматуры
(ТПА), в том числе таких важных ее элементов как механические трансмиссии
мехатронных приводов.
Основными причинами и факторами, способствующими возникновению
аварийных ситуаций на трубопроводах, являются: 1) рост исходных дефектов
(заводской брак), не выявленный в ходе испытаний при вводе в эксплуатацию
оборудования, 2) нарушение нормативных условий эксплуатации, в результате
т.н. «человеческого фактора». Рост влияния последнего фактора выражается в
характере аварийных ситуации, которые на рассматриваемых видах
производств могут привести к серьезным техногенным катастрофам, для
исключения которых необходимо использовать мехатронные приводы.
Диссертация базируется на работах Э.Б. Айрапетова, В.Л. Басенюка,
О.В. Береснева,
К.Н. Войнова,
В.И. Гольдфарба,
В.Л. Дорофеева,
В.Н. Кудрявцева, Ф.И. Плеханова, К.В. Подмастерьева, В.Я. Распопова,
А.И. Сандлера,
П.Г. Сидорова,
Г.А. Снесарева,
В.Е. Старжинского,
Ю.Н. Сухорукова, Б.П. Тимофеева, И.Т. Тер-Матеосянца, В.В. Шульца, так и
зарубежных ученых - К. Арнаудова, К. Минкова, П. Парушева (Болгария),
Э. Калленбаха, Г. Винера (Германия), М. Чеккарелли (Италия), З. Домбека,
В. Олексюка (Польша).
В работах указанных авторов изложены, в основном, традиционные
подходы к проектированию и производству редукторов (зубчатых передач,
опор), однако развитие современной науки требуют внесения существенных
корректив, отражающих как текущее состояние техники и технологии, так и
перспектив их развития.
Вопросы обеспечения безопасности магистральных трубопроводов
приобрели в последнее время особую актуальность в связи с реализацией
новых масштабных проектов, характеризующихся максимальными значениями
давлений рабочей среды, диаметрами трубопроводов и сложными условиями
окружающей среды. Так, строящийся магистральный нефтепровод «Восточная
Сибирь – Тихий Океан» будет проходить через районы с высокой сейсмической
опасностью, где температура может опускаться до минус 60 0С. В настоящее
время в эксплуатации находится значительное число трубопроводов ещё
советской постройки. Отсюда износ основных фондов составляет: по линейной
части магистральных трубопроводов более 60%. Кроме того, идет
широкомасштабное строительство газо- и нефтепроводов («Северный поток-2»,
«Сила Сибири» и другие), где в большом масштабе используются мехатронные
4
приводы. Отсюда задача исследования причин возникновения аварийных
ситуаций и повышения качества трубопроводной арматуры, в том числе
массово используемых мехатронных приводов, является актуальной.
Область
исследования.
Содержание
диссертационной
работы
соответствует паспорту специальности 05.02.18 – Теория механизмов и машин:
п.1. Методы кинематического и динамического анализа (в том числе
математического моделирования и экспериментального исследований)
механизмов; п.2. Синтез (в том числе автоматизированное проектирование)
структурных и кинематических схем механизмов и обобщенных структурных
схем машин, оптимизация параметров.
Задачи исследования: настоящей работы являются разработка
конструкторско-технологических
методов
повышения
надежности
разрабатываемых приводов, за счет повышения точности, снижения
массогабаритных параметров, нагрузки в зацеплении и на опорах сателлитов,
что в итоге приведет к повышению конкурентоспособности и
импортозамещению приводов ТПА.
Объектом исследования является планетарный редуктор мехатронного
привода трубопроводной арматуры.
Предметом исследования являются конструкторско-технологические
методы повышения надежности планетарного редуктора мехатронного
электропривода трубопроводной аппаратуры.
Цель исследования – синтез планетарного редуктора мехатронного
привода трубопроводной арматуры и разработка конструкторскотехнологических методов повышения его надежности, а также создание
методики предупреждения отказов механических трансмиссий мехатронных
приводов ТПА на этапе их проектирования.
Для достижения поставленной цели и задач были выполнены следующие
этапы:
– произведен анализ причин аварий и отказов трубопроводной арматуры
в части дефектов механических компонентов приводов с выявлением причин
дефектов, приводящих к отказам;
– проанализированы структурные и кинематические схемы с целью
получения минимальных массогабаритных параметров при максимальном
передаточном отношении, который привел к синтезу многопоточных
планетарных редукторов;
– на основе анализа динамических особенностей эксплуатации зубчатого
зацепления разработаны методы использования погрешностей изготовления
для модификации их профиля, повышение точности колес, а также предложена
конструкция гибких опор сателлитов,
– разработана методика предотвращения отказов планетарных редукторов
мехатронных приводов трубопроводной арматуры на этапе их проектирования
(учет возможных повреждений зубьев при выборе материалов, назначении
технологий зубонарезания и с учетом условий эксплуатации на основе фотоэталонов по ГОСТ 31381-2009).
5
Методы исследования. Работа выполнена с использованием таких
методов исследования как системный анализ, вероятностный метод, метод
математического моделирования. Экспериментальные исследования проведены
с использованием серийного и опытно-экспериментального технического и
технологического оборудования.
Научной новизной обладают следующие положения, выносимые на
защиту:
– синтез структурных и кинематических схем планетарного редуктора для
снижения массогабаритных и нагрузочных параметров;
– методы создания квазимодификации профилей зубьев и повышения
точности зубчатых колес (исключения кромочного контакта и кромочного
удара посредством квазибочкообразности профилей зубьев (за счет
использования погрешности изготовления, для корректировки пятна контакта и
повышения точности колеса с целью уменьшения виброактивности и
повышения плавности зацепления, снижения нагрузки в зацеплении,
повышения КПД);
– методика предотвращения отказов планетарных редукторов
мехатронных приводов трубопроводной арматуры на этапе их проектирования
(учет возможных повреждений зубьев при выборе материалов, назначении
технологий зубонарезания и с учетом условий эксплуатации на основе фотоэталонов по ГОСТ 31381-2009 и с использованием перспективных технологий).
Практическая значимость. Ценность результатов данной работы
заключается: в повышении качества (надежности, точности (по нормам
кинематической точности, плавности, контакта и бокового зазора
ГОСТ 1643-81), снижение виброакустических характеристик зацепления и
массогабаритных параметров), уменьшении себестоимости и сокращения
сроков производства мехатронного привода в целом.
Достоверность
результатов.
Достоверность
и
обоснованность
полученных результатов подтверждается теоретическим обоснованием,
экспериментальной оценкой эффективности разработанных методов,
результатами внедрения в практику.
Внедрение
результатов.
Результаты
диссертационной
работы
использованы: в рамках инновационной научно-технической программы
Минобразования РФ «Прогрессивные зубчатые передачи» (1999-2003) и в
цикле работ по выполнению договора о сотрудничестве между Университетом
ИТМО и Институтом механики металлополимерных систем НАН Беларуси для
повышения конкурентоспособности и импортозамещения приводов ТПА; при
разработке стандартов (ГОСТ 31381-2009 «Колеса зубчатые. Виды
повреждений» и ГОСТ 13755-2015 «Передачи зубчатые цилиндрические
эвольвентные. Исходные контуры», разработанных Объединенным институтом
машиноведения НАНБ (Минск) - ИММС НАНБ (Гомель), в приложениях по
модификациям профилей зубьев); в отчете ТулГТУ по НИР, выполненным в
2011 г. по заданию Минобрнауки России; при разработке программы
«Моделирование процесса обработки зубчатого колеса червячной зуборезной
фрезой при любых комбинациях конструктивных параметров конволютных,
6
архимедовых и эвольвентных фрез» (НИР № 610538 «Разработка программноаппаратного комплекса коррекции и диагностики состояния опорнодвигательной системы человека» Университет ИТМО, кафедра Мехатроники,
2016 г.); при совершенствовании программного обеспечения (создание
модификаций зубьев) для «печати» зубчатых колес из металлозаменяющих
пластмасс
на
ООО
«Политех-Инжиниринг»;
использованы
для
совершенствования технологии зубофрезерования в ООО «СпецПриводМаш»
(СПб); в учебном процессе кафедр «Компьютерного проектирования и
дизайна» и «Мехатроники» Университета ИТМО (СПб); для введения
дополнений и корректив в квалификацию мехатронных объектов рекомендации
комиссии по терминологии Международной федерации по продвижению науки
о механизмах и машинам в области мехатроники.
Использование результатов работы подтверждено актами внедрения.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной
работы докладывались и обсуждались на 22 научных конференциях и
семинарах различного уровня: XXXIX-XLIII, XLV научная и учебнометодическая конференция НИУ ИТМО (2010-2014, 2016, Санкт-Петербург);
The 7th International scientific conference Research and Development of Mechanical
Elements and Systems (2011, Zlatibor, Serbia); 8-й Международный конгресс
«Машины, технологии и материалы» (2011, Варна, Болгария); Международной
конференции «Поликомтриб» (2011, Гомель, Беларусь); 1-я Международная
конференция по приводам ТПА (2011, Тула); Международная конференция
«Зубчатые передачи» (2013, Севастополь); Международная конференция
«Теория и практика зубчатых передач» (2014, Ижевск); Международный
семинар в рамках 25-го Рабочего заседания постоянной комиссии по
терминологии Международной федерации по ТММ (2014, Санкт-Петербург);
4-я Международная научно-практическая конференция «Современное
машиностроение. Наука и образование» (2014, Санкт-Петербург); IFToMM
Workshop on History of Machine and Mechanism Science – HMMS (2015, SaintPetersburg); Межвузовские семинары на кафедре «Мехатроники» Университета
ИТМО (2013-2016, Санкт-Петербург).
Личный вклад автора. Все исследования, расчеты и полученные в
диссертационной работе результаты получены автором при консультации его
научным руководителем.
Публикации.
По
материалам
диссертационных
исследований
опубликовано 11 печатных работ, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК.
По результатам исследований получено 1 свидетельство о государственной
регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, четырех глав, заключения, списка литературы, пяти приложений.
Общий объем диссертации составляет 165 страницы, включая 58 рисунков, 7
таблиц. Список литературы включает 208 наименований.
7
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и
задачи исследования, научная новизна и практическая значимость результатов,
определен объект и предмет исследования, приведена информация о
достоверности, внедрении и апробации результатов работы.
В первой главе проведен анализ аварий, отказов трубопроводной
арматуры и их последствий. Основными причинами и факторами,
способствующими возникновению аварийных ситуаций, являются:
1) рост исходных дефектов (заводской брак), не выявленных в ходе
испытаний при вводе в эксплуатацию оборудования,
2) нарушение нормативных условий эксплуатации в результате
человеческого фактора.
Среди отказов существенный удельный вес имеют отказы приводов ТПА.
При анализе причин их отказов были использованы рекламационные акты,
отчёты и акты по результатам исследования приводов, досрочно снятых с
эксплуатации. Материалы анализа систематизированы: по количеству
неисправностей механической части приводов ТПА; по причинам и
последствиям; по отказам, выявленным при сервисном обслуживании; по
отказам, являющихся причинами инцидентов; по характеру и количеству
повторяющихся отказов и повреждений. На рисунках 1 – 6 представлены
наиболее распространенные дефекты, переходящие впоследствии в отказы.
Рисунок 1.Механическое
изнашивание
Рисунок 4. Возникновение
трещины
Рисунок 2. Контактная
усталость
Рисунок 5.
Развитие трещины
Рисунок 3. Механическое
изнашивание в период пуска
под нагрузкой
Рисунок 6.
Разрушение зуба
На рисунке 7. приведены типовые отказы и повреждения механических
трансмиссий ТПА – на втором месте находятся сателлиты, а на первом – их
подшипники. Поэтому встает вопрос о повышении надежности зубчатого
зацепления сателлитов и их опор, и выявлении причин, приводящие к отказу
элементов планетарного редуктора.
8
Рисунок 7. Типовые отказы и повреждения механических трансмиссий ТПА
В работе сформированы положения, на которые необходимо базироваться
при проектировании мехатронных приводов. На рисунке 8. Представлены
предложения по классификации мехатронных объектов с доработкой по
критериям
сложности
изготовления,
интерактивности
управления,
корпусности, ремонтопригодности, координатности.
Рисунок 8. Предложения по классификации мехатронных объектов
Мехатронные системы, к которым относятся указанные выше приводы –
это сложные технические системы, иерархия которых строится по принципу от
менее сложного к более сложному и представляет собой следующую
структурную цепь: модуль (узел) – машина – комплекс. Редуктор с
9
исполнительным механизмом вместе с электродвигателем и встроенным
управляющим блоком и сенсорной подсистемой составляют мехатронный
модуль, имеющий специфические подходы при проектировании.
Во второй главе проведен анализ планетарных редукторов по критериям
обеспечения минимальных массогабаритных размеров при максимальном
передаточном отношении (таблица 1), который приводит к выбору
двухступенчатого многопоточного планетарного редуктора в качестве
механической компоненты мехатронного привода (рисунок 10).
Двухступенчатая планетарная передача
состоит из корпуса 1, входного вала 4 с малыми
центральными колесами 2, 3, подвижное 13 и
неподвижное 12 большие центральные колеса, по
крайней мере, одну пару одновенцовых
сателлитов 8, 9, установленных на общей оси 11
водила 7. Суммы чисел зубьев 2 и 3 с 8 и 9 в обеих
ступенях равны между собой, что обеспечивает
параллельность осей. Числа зубьев центральных
колес и сателлитов тихоходной планетарной
ступени выбираются из параметрических рядов
Рисунок 9.
так, что половина их разности равна числу зубьев
Кинематическая схема сателлитов
этой
ступени.
Вариабельность
двухступенчатой
конструкций изображена на рисунках 9 и 13.
планетарной передачи
Узкий диапазон передаточного отношения в одной ступени полностью
устранен в новых двухступенчатых неделимых многопоточных передачах с
входом на водило через быстроходную рядовую зубчатую передачу и выходом
на большое центральное колесо. Неделимость новых двухступенчатых
многопоточных передач – признак их мехатронности, так как при их
разделении качество резко снижается. Показано, что характеристики серийных
редукторов электроприводов, используемые в мировом арматуростроении,
практически исчерпали свои возможности по энерго- и ресурсосбережению,
надежности и нагрузочной способности, и необходимо искать новые пути для
совершенствования приводов (таблица 1).
В работе представлен планетарный редуктор, разработанный ТулГУ с
соосным расположением осей исполнительного двигателя и выходного звена
привода 7МРЭП-110-00/280 (таблица 1). Эта схема позволяет минимизировать
массогабаритные характеристики многооборотного электропривода, что
требует применения исполнительного двигателя с большим центральным
отверстием для прохода выдвижного штока арматуры.
Применение вентильного электродвигателя с постоянными магнитами и
системы управления, обеспечивающей регулирование по скорости и моменту,
что позволяет существенно сократить типоразмерный ряд по сравнению с
имеющимися аналогами. Бесконтактность двигателя предоставляет широкие
возможности функционирования в самых тяжелых условиях и режимах.
10
В совместной работе с ТулГТУ реализована схема планетарного редуктора
типа 3К, которая признана наиболее оптимальной, не только теоретически, но и
на практике (рисунок 9.).
Таблица 1. Сравнительные массогабаритные и нагрузочные характеристики
мехатронных приводов отечественного и импортного производства
Модель
Tн,
Габаритные
m,
,
электропривода
Нм об/мин размеры, мм
кг
«ZPA Pecky», Печки, Чехия
MON500/690-40
414
40
777*382*455 93
ЗАО «Тулаэлектропривод» ЭП4 РВ-В-630-45*
315
45
851*432*769 94
AUMA, Германия
SA 14.5AUMA NORM
250
45
720*375*420 57
«ZPA Pecky», Печки, Чехия
MON 630/945-35
567
35
777*382*455 97
ЗАО «Тулаэлектропривод»
ЭП4 РВ-В-1000-32 *
500
32
851*432*769 90
AUMA, Германия
SA 16.1 AUMA NORM 500
32
864*422*470 86
ТулГУ и ОАО МЗП
7МРЭП -110 -00/280
580
48
50
 396*428
ТулГУ и ОАО МЗП
7МРЭП -110 -00/280
700
40
50
 396*428
ТулГУ и ОАО МЗП
7МРЭП -110 -00/280
1725
16
50
 396*428
ЗАО «Тулаэлектропривод»
ЭП4 РВ-Г-2000-11 *
1000
11
851*432*769 90
AUMA, Германия
SA 30.1AUMA NORM 1400
11
922*400*630 190
* - с электронным интеллектуальным модулем. Tн - номинальный момент на выходном валу,
ω - cкорость вращения выходного вала, m – масса.
Фирма – производитель
Как видно из таблицы 1 реализация идей импортозамещения в приводной
технике предлагается реализовывать с применением многопоточных
планетарных
редукторов.
Кинематическая
схема
комбинированного
многопоточного привода на базе квазидифференциальной передачи 3k–2g–h
представлена на рисунке 10.
Структурная схема многооборотного
электропривода нового поколения с
многопоточной
трансмиссией
и
рядовой цилиндрической прямозубой
передачей с внутренним зацеплением
включает: I – электродвигатель; II –
многопоточная трансмиссия; III –
запорная
арматура
на
основе
винтового механизма; 1 – входная
шестерня быстроходной ступени; 2,3
– входы на блок управления и ручной
привод; 4 – ходовая гайка; 5 –
ходовой винт; 6 – колпак; 7 –
выходное звено трансмиссии; 8 –
датчик крутящего момента.
Рисунок 10. Структурная схема многооборотного электропривода
На рисунке 11. приводится визуализация рабочих зацеплений второй
планетарной ступени многопоточного планетарного редуктора.
11
Рассмотрены
динамические
особенности
зубчатого зацепления при кромочном ударе в
планетарном редукторе (рисунок 12.).
На рисунке 12. (а) указана общая схема
зубчатого
зацепления
и
следующие
обозначения: Р – полюс зацепления, О1О2 –
линия межосевого расстояния; ρ1 и ρ2 –
радиусы кривизны контактирующих профилей
в точке контакта «b»; а1а2 – линия зацепления.
Диаметры сателлитов и колес: окружностей
выступов - dа1 и dа2; делительных окружностей
Рисунок 11. Визуализация
d1 и d2; основных окружностей db1и db2. «ab» –
рабочих зацеплений второй расстояние по нормали от линии зацепления.
планетарной ступени
α = 20о – угол зацепления.
На рисунке 12. (б) указана увеличенная зона зацепления в районе
полюса Р.
а)
б)
Рисунок 12. Схема зубчатого зацепления при кромочном ударе: а) общая схема
зубчатого зацепления; б) увеличенная зона зацепления в районе полюса Р
Максимальная сила кромочного удара, обусловленная погрешностями
изготовления:
Fmax 
Vk2 m
4 2 C
( 1  2 1  1) ,
2
Vk m
(1)
где m – приведенная масса контактирующих колес (2); С1 – жесткость сателлита;
– скорость кромочного удара зубьев (3); δ – суммарная погрешность шага
зацепления колес, характеризующая плавность хода (5);
m
m1  m2
m1  m2
(2)
где m1 – приведенная масса сателлита; m2 – приведенная масса сопрягаемого с
ним колеса;
Vk  2 2  а
(3)
где a – расстояние между профилями зуба на расстоянии «аb» от линии
зацепления
12
2
)
1
 2
 2
  s1  s2  1  1  2  2
2
2
а   2 (1 
(4)
(5)
Предложена конструкция планетарного редуктора привода ТПА по
критериям минимальной массы и габаритов с применением гибких
подшипников в опорах сателлитов, которые обладают большим ресурсом за
счет снижения нагрузки (за счет многопоточности) и износа (из-за снижения
нагрузки, податливости), чем достигают 15 000 ч. (по данным УГАТУ).
Определена причина выхода из стоя сателлитов в планетарном редукторе
и их опорах, которая заключается, в значительной мере, наличием кромочного
удара (из-за кромочного контакта, получаемого вследствие погрешности
изготовления). Для ликвидации кромочного удара необходимо применять
модификацию зуба в виде бочкообразности, которая позволяет сместить пятно
контакта к средней плоскости колеса (рисунок 13.).
В работе предложены методы получения
бочкообразности (продольной модификации зуба)
без применения дополнительной оснастки и
настройки оборудования за счет погрешностей
направления
зуба.
В
первом
методе
квазибочкообразность
образуется
при
использовании метода смены технологической
Рисунок 13. Зубья с
базы при повторном нарезании зубьев сателлита.
продольной модификацией Во втором методе необходимо переворот сочетать
(бочкообразностью)
с
поворотом
на 180о.
Последнее позволит расширить преимущества предложенного
технологического метода за счет выравнивания погрешностей шага колеса, что
снижает влияние торцовых биений заготовки и увеличивает плавность
передачи движения (рисунок 14.).
а)
б)
Рисунок 14. Метод «Изменение технологической базы»
а) базирование по 1 базе; б) базирование по базе 2
Метод смены технологической базы математически описывается
следующими зависимостями:
F Ft 2Smax
 
,
B da
B
(6)
13
где Fβ – погрешность направления зуба (параметр нормируется в зависимости
от степени точности колеса и габаритов колеса); Ft – торцевое биение зубчатого
венца относительно базовой оси колеса; B – номинальное значение ширины
зубчатого венца; da – номинальное значение диаметра выступов зубчатого
колеса; 2Smax – максимальная величина зазора в сопряжении базового отверстия
и оправкой шпинделя станка.
Будем считать, что внешний радиус R (0,5da), наибольшая толщина зуба B,
наименьшая толщина зуба b и угол φ0, для которого tg 0  ( B  b / 2R) задаются
без ошибки.
В результате использования метода «Изменение технологической базы»,
пятно контакта смещается к средней плоскости колеса, помогая избежать
кромочного контакта, что ведет к повышению надежности планетарного
редуктора мехатронного привода и, соответственно, снижает возможность
появления дефектов, которые могут перерасти в отказ механической части
мехатронного привода. Сделаны предложения по новейшим методам
технологического обработки элементов редуктора.
Третья глава посвящена прогнозированию надежности узлов
планетарного редуктора мехатронного привода запорной арматуры. Для оценки
надежности деталей и узлов планетарных редукторов мехатронных приводов
ТПА традиционно используют законы Вейбулла, экспоненциальный закон,
логарифмический нормальный.
Прогнозирование надежности оборудования осуществляется на стадиях
разработки технического задания, эскизного и технического проектов.
Основная характеристика таких моделей – распределение времени перехода из
одного состояния в другое, иначе распределение наработки до появления
дефекта и наработки до появления отказа. Вероятность отказа, когда
накопление дефектов превращается в отказ, описывают формулой Пуассона:
t
Pn (t 0 , t ) 
[   H (u )du ]n
t0
n!
t

  ( u ) du
e
t0
,
(7)
где
n
–
количество
дефектов,
–
поток
дефектов,
 H (t)
(t0, t) – время наработки на отказ.
Вычислением вероятностей и среднего времени безотказной работы
подтверждается повышение надежности с применением модифицированного
зуба (квазибочкообразность), которая равна 0,9772 или составляет 97,5%
(ближайшее табличное значение квантиля UPтабл.= – 2,00, рисунок 15.), что
составляет 15 856 часов. По паспортным данным ресурс составляет 15 000 ч., то
есть на 5,33% вырос запас надежности привода.
14
1
0,96
P(t)
0,98
0,94
-2,89
-2,8
-2,71
-2,62
-2,53
-2,44
-2,35
-2,25
-2,16
-2,07
-1,97
-1,88
-1,79
-1,7
0,92
U
Рисунок 15. Вероятность безотказной работы
Четвертая глава посвящена проведению эксперимента. Реализация,
предлагаемой в работе квазибочкообразности, проведена на профильном
предприятии OOO «СпецПриводМаш» (СПб), где получены зубья сателлита
описанными выше методами «Изменение технологической базы».
В процессе эксперимента (рисунок 16.) нарезана серия прямозубых колес
(10 штук с параметрами: число зубьев Z=25; модуль m=2 мм; диаметр
выступов зубьев da=54 мм; ширина венца B=20 мм, степень точности 9-А
ГОСТ 1643-81, погрешность направления зуба Fβ=22 мкм) с изменением
базовой поверхности и дополнительным поворотом колеса на 180 0 (рисунки
17 – 19). Этим способом изготовлены сателлиты для планетарных редукторов.
а)
б)
в)
г)
Рисунок 16. Этапы эксперимента: а) начало процесса нарезания зубьев
сателлита; б) получение формирования зубьев при первичном нарезании; в)
Отвод инструмента и смена технологической базы; г) вторичное (чистовое)
нарезание зубьев.
Рисунок 17.
Экспериментальное
колесо
Рисунок 18.
Квазибочкообразность
зуба
15
Рисунок 20. Пятно
контакта
модифицированного
зацепления
Рисунок 19. Срез на
противоположной кромке
после вторичного
нарезания
С использованием стенда для исследования цилиндрических колес
получено пятно контакта после модифицированного зацепления (рисунок 20.),
которое смещено к средней плоскости колеса, хотя заметно отклонение к торцу
один.
На рисунке 21. показаны измерения длины общей нормали сателлита,
выполненные до модификации (a,в,д) и после модификации (б,г,е). При этом
замеры (a,б) сделаны в средней плоскости, (в,г) – на торце с кромочным
контактом и (д,е) – на противоположном торце.
а)
б)
в)
г)
д)
е)
Рисунок 21. Результаты измерений длины общей нормали
16
Результаты контроля длины общей нормали свидетельствуют о
повышении точности по нормам плавности на 55 мкм, что привело к снижению
нагрузки на 10,8% (рисунок 22.).
При этом необходимо учитывать, что профили зубьев при
зубофрезеровании методом обката имеют разную точность изготовления,
которая вызвана прижимом фрезы к одному из профилей, порядок которой
колеблется примерно в том же интервале. Поэтому нагрузка может быть
снижена еще и за счет повышения точности колеса путем квазимодификации.
Нагрузка, кН
30
20
10
0
138
158
178
198
218
238
258
мкм
Рисунок 22. Снижение нагрузки в зацеплении за счет повышения точности
изготовления в результате квазимодификации
Изготовлены несколько планетарных редукторов с модифицированными
зубьями, полученными традиционным способами зубообработки и с методом
смены баз, которые прошли стендовые и опытно-промышленные испытания,
которые показали уменьшение шума на 4-7 дБ (таблица 2).
Таблица 2. Данные измерения уровня шума на основании 5 замеров.
Номер
редуктора
№1
№2
№3
Уровень шума, дБ
(среднее значение)
72
65
68
№1. Планетарный редуктор
традиционного изготовления
№2. и №3. Планетарный
редуктор с квазибочкообразным
зубом.
На основе анализа современного состояния разработок приводов ТПА и
имеющихся перспектив развития техники и технологии с учетом исследований,
проведенных в работе, была предложена методика предотвращения отказов
механических приводов ТПА на этапе проектирования, алгоритм которой
изображен на рисунке 22. Суть методики – в использовании фото-эталонов
ГОСТ 31381-2009 видов повреждений зубьев, получаемых при определенных
параметрах зубонарезания и эксплуатации.
17
Рисунок 23. Методика предотвращения отказов механических трансмиссий
мехатронных приводов ТПА
На рисунке 24. представлены этапы получения зубчатого колеса с
применением аддитивных технологий.
а)
б)
в)
Рисунок 24. Этапы получения зубчатого колеса с применением аддитивных
технологий: а) модель, б) программа, в) «напечатанное» зубчатое колесо
18
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенного исследования поставленная цель достигнута:
обоснован выбор параметров механической части мехатронного привода и
разработаны конструкторско-технологические методы повышения надежности
планетарного редуктора мехатронного привода трубопроводной арматуры.
Основными результатами работы являются:
1. синтез структурных и кинематических схем планетарного редуктора
для снижения массогабаритных параметров и уменьшения нагрузки в
зацеплении и в опорах сателлитов с применением многопоточных планетарных
передач. Применение оригинальных гибких подшипников в свою очередь
повышает долговечность опоры сателлита более чем в 2 раза;
2. экспериментально подтверждены методы создания квазимодификации
профилей зубьев и повышения точности зубчатых колес (исключения
кромочного контакта и кромочного удара посредством квазибочкообразности
профилей зубьев (за счет использования погрешности изготовления, для
корректировки пятна контакта и повышения точности колеса с целью
уменьшения виброактивности и повышения плавности зацепления, снижения
нагрузки в зацеплении, повышения КПД). Применение метода со сменой баз
позволило избежать кромочного контакта, повысить точность по нормам
плавности (уменьшение отклонения средней длины общей нормали на 55 мкм).
Это позволило повысить долговечность при вероятности наработки на отказ
0,99 (при паспортных данных 15 000 часов) составляет 15856 часов,
соответственно ресурс эксплуатации привода увеличился на 5,72%, а также
снизить нагрузку в зацеплении на 10,8% в старт-стопных режимах, уменьшить
виброактивность зацепления и снизить уровень шума на 4-7дБ;
3. предложенная методика предотвращения отказов планетарных
редукторов мехатронных приводов трубопроводной арматуры на этапе их
проектирования (учет возможных повреждений зубьев при выборе материалов,
назначении технологий зубонарезания и с учетом условий эксплуатации на
основе фото-эталонов по ГОСТ 31381-2009) получила внедрение в ООО
«СпецПриводМаш» и ООО «Технокон». Методика позволила заложить на
стадии проектирования те характеристики (выбор материала, техпроцессы,
условия эксплуатации), которые позволили предотвратить выход из строя
механической части мехатронного привода. В рамках методики изготовлены
зубчатые колеса с модифицированным профилем при помощи аддитивных
технологий из металлозамещающих пластмасс;
4. улучшение точностных и динамических характеристик планетарного
редуктора мехатронного привода достигается практически без дополнительных
стоимостных затрат на технологическую оснастку и другое оборудование
(модификаторы станков), которое может достигать от 10 до 30% от стоимости
нового зуборезного станка (5-15 млн. руб.).
19
Результаты эксплуатации разработанных методов доказали правильность
теоретических моделей, и показали их рентабельность, которая обеспечивает
повышение технико-экономического уровня разрабатываемых приводов,
снижение трудоемкости и увеличение надежности работы приводов. Внесены
предложения по дополнению и корректировке классификации мехатронных
объектов в комиссию по стандартизации и терминологии Международной
федерации по продвижению науки о механизмах и машинах (г. Бухарест, 2016).
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК:
1. Суриков Д.Г. Причины разрушения зубьев зубчатых передач и меры по
предотвращению
разрушения
зуба
/
Д.Г.Суриков,
А.А.Маликов,
В.В.Лихошерст, Е.В.Шалобаев, В.Е.Старжинский // Справочник. Инженерный
журнал. – 2011.– № 10. – С.6-13. – 0,5 п.л. (30%).
2. Суриков Д.Г Обзор возможных отказов редукторов электроприводов /
Д.Г.Суриков, В.Е.Старжинский, Е.В.Шалобаев, Р.Т.Толочка // Тула: Известия
ТулГУ, 2011. – Вып. 5. – Ч.2. – С. 277-286. – 0,625 п.л. (20%).
3. Суриков Д.Г. Разработка методики предупреждения отказов
механических трансмиссий мехатронных приводов трубопроводной арматуры
// Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – Орел:
ОрелГТУ, 2015. – №5-2. – С.296-304. – 0,5625 п.л. (100%).
Свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ
4. Суриков Д.Г. Программа для моделирования процесса обработки
зубчатого колеса червячной зуборезной фрезой при любых комбинациях
конструктивных параметров конволютных, архимедовых и эвольвентных фрез.
Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №
2016616541 зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 15.06.2016 /
Д.Г.Суриков, А.И. Петров, М.Г. Акопян, С.С.Резников, О.В. Кузнецова. – М:
ФГБУ ФИПС, 2016.
Публикации в прочих изданиях:
5. Суриков Д.Г. Перспективы развития соосных многоступенчатых
редукторов / Д.Г.Суриков, К.С.Сечко, Е.В. Шалобаев // XXVIII Неделя науки
СПбГПУ. Ч.II. – СПб.: ГПУ, 2000. – С.29-30. – 0,125 п.л. (40%).
6. Суриков Д.Г. Из опыта проектирования соосных редукторов с блоками
зубчатых колес из пластмасс / Д.Г.Суриков, Ю.С.Монахов, Е.В.Шалобаев,
В.Е.Старжинский // XXXIII Неделя науки СПбГПУ. Ч.III. - 2005. - С.115-117. –
0,1875 п.л. (25%).
7. Суриков Д.Г. Новые технологии и материалы в учебных курсах для
приборостроителей / В.Е.Старжинский, Е.В.Шалобаев, Д.Г.Суриков // Сборник
трудов Всероссийской конференции: Оптика и образование. – СПб.: ГИТМО,
2006. – С.122-123. – 0,125 п.л. (30%).
8. Суриков Д.Г. Формирование облика современного многооборотного
электропривода запорной арматуры трубопроводного транспорта /
Д.Г.Суриков, П.Г.Сидоров, В.Я.Распопов, Е.В.Шалобаев, А.А.Пашин,
20
А.В.Плясов, // Материалы 8-го Международного конгресса МТМ-2011. –
Болгария, Варна. 2011. – Т.3. – С.109-112. – 0,25 п.л. (15%).
9. Surikov D. Failures of Mechatronic Modules of Motion / D.Surikov,
E.Shalobaev, V.Raspopov, V.Starzhinsky, V.Kukhar. // Mechatronic Modules of
Motion // The 7th international conference research and development of mechanical
elements and systems, Zlatibor, Serbia, 2011. – p. 195-197. – 0,375 п.л. (20%).
10. Суриков Д.Г. Особенности выбора вида сопряжения и расчета точности
металлополимерных и полимерных зубчатых передач / Д.Г.Суриков,
Е.В.Шалобаев, К.Н.Заикин и др. // Материалы Международной конференции
«Поликомтриб-2011», Гомель, Беларусь: ИММС НАН, 2011. – С.120-121. –
0,125 п.л. (20%).
11. Суриков Д.Г. Обзор отказов редукторов электроприводов /
Д.Г.Суриков, В.Е.Старжинский, Е.В.Шалобаев, Р.Т.Толочка // Электроцех. – М.
– 2012. – №6. – С.13-17. – 0,3125 п.л. (35%).
12. Суриков Д.Г. Упрочнение функциональных поверхностей для
повышения надёжности и работоспособности малогабаритных зубчатых
передач / Д.Г.Суриков, В.М.Медунецкий, Е.В.Шалобаев, Р.Р.Магдиев,
К.Н.Заикин // Современное машиностроение. Наука и образование: материалы
4-й Международной научно-практической конференции. – СПб. – 2014. –
С.400-407. – 0,5 п.л. (25%).
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа