Научные основы проектирования плунжерных передач (12.12.2011)

Автор: Каракулов Максим Николаевич

Общая методика исследования. Теоретические исследования базируются на методах синтеза зубчатых зацеплений с использованием аналитических и численных методов решения систем линейных и нелинейных алгебраических, дифференциальных и интегральных уравнений. Алгоритмы проектирования передачи и оценки качественных показателей реализованы в виде программных подсистем, интегрированных в единую систему автоматизированного проектирования, и многократно опробованы в практике проектирования. Экспериментальные исследования базируются на использовании современного оборудования, в частности, ЭВМ с аналого-цифровыми преобразователями сигнала и средств измерительной техники в лабораторных условиях на специально разработанных установках. Регистрация данных и обработка результатов производится с помощью специально разработанного программного обеспечения.

Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и достоверность результатов исследований подтверждается: применением методов анализа и синтеза плоских зубчатых зацеплений, проверкой теоретических положений диссертации на известных частных решениях и экспериментальным подтверждением основных положений работы.

Научная новизна работы заключается в том, что разработаны научные основы проектирования и создания новых перспективных плунжерных передач при различных способах формообразования рабочих поверхностей элементов зацепления, в том числе:

разработана принципиальная структура процесса проектирования плунжерных передач с выделением основных этапов процесса, разграничением групп входных и оценочных параметров передачи, определением очередности проектных процедур на каждом этапе;

предложена классификация плунжерных передач, во-первых, определяющая их место среди аналогов, во-вторых, содержащая признаки, использование которых позволяет решить задачу синтеза новых кинематических и структурных схем плунжерных передач, в том числе с новыми не только структурными, но и функциональными свойствами;

на основе принципов инверсии, объединения и комбинации разработан метод синтеза структурных схем плунжерных передач, отличающихся различными функциональными свойствами, в частности, способом замыкания высшей кинематической пары в зацеплении “плунжер-колесо”, количеством ступеней и зон зацепления, видом зацепления (внешнее или внутреннее), комбинацией функционального назначения элементов передачи и другими;

разработан метод синтеза приближенного зацепления в плунжерной передаче с использованием математического аппарата теории зубчатых зацеплений и подходов, связанных с аппроксимацией расчетного профиля эвольвентным;

построены математические модели для анализа геометрии и кинематики плунжерной передачи, позволяющие осуществлять оценку ряда показателей качества передачи и выполнять комплексные аналитические и численные исследования влияния параметров передачи на указанные показатели;

разработаны математические модели для анализа кинетостатики плунжерных передач, оснащенных как механическим, так и газомеханическим волнообразователем, позволяющие, во-первых, оценивать потери мощности в зацеплении и направляющих, а, во-вторых, учитывать внешние механические воздействия для уточнения результатов синтеза передачи;

выполнены комплексные аналитические, численные и экспериментальные исследования нагруженности плунжерных передач, позволяющие, во-первых, определить предпочтительные интервалы параметров передачи при заданном уровне качественных показателей, а, во-вторых, являются научной основой для построения метода оценки нагрузочной способности плунжерных передач;

на основании результатов выполненных исследований показана область рационального промышленного применения плунжерных передач, редукторов и газомеханических приводов на их основе.

Практическая ценность работы заключается в:

разработке алгоритма синтеза новых схем плунжерных передач, применение которого позволило получить ряд решений, защищенных патентами РФ на изобретение;

разработке конструкций приводов с плунжерной передачей и газомеханическим волнообразователем, нашедших применение в механизмах управления стендов испытания нефтегазового оборудования; приводов с механическим волнообразователем, нашедших применение в конструкции стенда обкатки двигателей, и защищенных патентами на изобретение РФ;

разработке практических рекомендаций по выбору параметров и режимов работы привода с плунжерной передачей, оснащенной механическим или газомеханическим волнообразователем;

создании комплекса программ для автоматизированного проектирования и исследования плунжерных передач, включающего в себя подсистемы расчета геометрических параметров при заданном наборе оценочных показателей, а так же программы регистрации и обработки результатов экспериментальных исследований.

На защиту выносятся:

классификация плунжерных передач, позволяющая систематизировать передачи такого типа и определить их место среди аналогичных механизмов;

метод структурного синтеза схем плунжерных передач, позволяющий создавать новые схемы плунжерных передач с различными функциональными свойствами;

синтез плунжерных передач, оснащенных механическим или газомеханическим волнообразователем, при различных способах формообразования рабочих поверхностей элементов зацепления;

методы расчета качественных показателей плунжерных передач, позволяющие создать инженерную методику проектирования данных механизмов и определять область их рационального использования;

метод анализа нагруженного многопарного плунжерного зацепления, являющийся основой для построения метода оценки нагрузочной способности передач данного типа;

пакет прикладных программ для проектирования и исследования геометро-кинематических характеристик плунжерных передач, рациональные конструкции приводов с плунжерными передачами, оснащенными механическим или газомеханическим волнообразователями.

Реализация работы. На базе плунжерной передачи спроектированы и изготовлены редукторы и приводы общемашиностроительного применения: ПВР-1, ПВР-11, ПВР-2, ПВР-3, газогидравлические двигатели ПГД-1 и ПГД-2. Опытно-промышленный образец ПГД-1 внедрен в качестве исполнительного механизма стендов испытания газонефтепроводной арматуры ФГУП ”Воткинский завод” (г. Воткинск). Плунжерный редуктор ПВР-2 нашел применение в модернизированном стенде испытания двигателей внутреннего сгорания ООО “Уралреммаш” (г. Ижевск). Технические предложения и рекомендации по эксплуатации плунжерных передач в составе приводов общемашиностроительного применения используются в проектно-конструкторской деятельности ООО ”Завод нефтегазового оборудования “Техновек”” (г. Воткинск). Результаты исследований и разработанные методики проектирования плунжерных передач используются в учебном процессе в ГОУ ВПО “Ижевский государственный технический университет”.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждались: на Международной научно-технической конференции “Информационные технологии в инновационных проектах”, г. Ижевск, 2003 г.; на Международной научно-технической конференции ”Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук”, г. Ульяновск, 2004 г.; на Международной научно-практической конференции “Технологическое обеспечение качества машин и приборов”, г. Пенза, 2008 г..; на Международной научно-технической конференции “Проблемы исследования и проектирования машин”, г. Пенза, 2008 г.; на VI выставке-сессии инновационных проектов ИжГТУ, г. Ижевск, 2008г.; на научно-технической конференции с международным участием “ Теория и практика зубчатых передач и редукторостроения ”, г. Ижевск, 2008 г.; на Международном симпозиуме "Intelligent Manufacturing & Automation: Focus on Next Generation of Intelligent Systems and Solutions", г. Трнава (Словацкая Республика), 2008 г.; на Окружной конференции молодых ученых “Наука и инновации XXI века”, г. Сургут, 2008 г.; на научно-практической конференции “Перспективы развития техники приводов трубопроводной арматуры”, г. Тула, 2009г.; на Международной конференции “Motion and Power Transmissions ”, г. Мацушима (Япония), 2009г.; на VIII Международной специализированной выставке “Нефть. Газ. Химия”, г. Ижевск, 2009г.; на I Окружном инновационном конвенте, г. Н.-Новгород, 2009г.; на II Всероссийском инновационном конвенте, г. С.-Петербург, 2009г.; на II Международном форуме молодых ученых “EQ-2010”, г. Ижевск, 2010г..

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 56 печатных работах, в том числе одной монографии и 18 работ, напечатанных в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, из них 7 патентов РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка (219 наименований) и приложений.

Она изложена на 255 страницах машинописного текста, включающих 173 рисунка и 18 таблиц, приложения на 7 страницах. Общий объем работы составляет 275 страниц.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемого вопроса, ставятся цели и формулируются задачи исследования, показана преемственная связь диссертации с достижениями науки в данной области исследования, описывается преимущественная область применения разработанных передач.

Освещён вклад ведущих отечественных ученых в области исследования аналогичных механизмов, в том числе: планетарных зубчатых передач с малой разницей в числе зубьев, волновых передач с гибкими зубчатыми колесами (ГЗК), передач с промежуточными телами качения или скольжения.

Проанализирован ряд работ зарубежных ученых, которые ведутся в смежных направлениях совершенствования зубчато-кулачковых механизмов.

Первая глава посвящена общей характеристике плунжерных передач. Здесь рассматриваются зубчато-кулачковые механизмы и показано место среди них плунжерных передач, дается описание основных разновидностей плунжерных передач и особенностей их геометрии и кинематики, формулируются перспективные направления развития и задачи работы.

В соответствии с принятой классификацией плунжерные передачи могут быть отнесены к зубчато-кулачковым механизмам (рис. 1), имеющим промежуточные звенья между ведущим и ведомым звеньями и совмещающим в себе признаки и структуру нецентрального кулачкового и зубчатого механизмов, что расширяет область их возможного применения.

Предложена классификация плунжерных передач по: признаку расположения плунжеров относительно оси ведущего звена, числу волн генератора, форме боковой поверхности плунжера, принципу волнообразования, способу кинематического замыкания в паре плунжер-генератор.

Выполнено сопоставление плунжерных передач с ближайшими по структуре аналогами по инерционным характеристикам (рис. 2, а) и КПД (рис. 2, б), показавшее, с одной стороны, преимущества первых и с другой – области их предпочтительного применения – небольшие частоты вращения и передаточные отношения в диапазоне от 10 до 60 в одной ступени.

Рассмотрены типовые конструкции редукторов с плунжерной передачей (рис. 3). Показано, что сочетание плунжерной передачи с газомеханическим генератором волн создает уникальную возможность построения на их основе перспективных приводов трубопроводной арматуры, использующих транспортируемую среду (газ или жидкость) в качестве рабочего тела двигателя. Дано сопоставление таких редукторов (ПВР-2) с ближайшими аналогами (в том числе с планетарными и цевочными редукторами) по важнейшему показателю – относительной массе (рис. 4), которое очевидно показало достоинства редукторов с плунжерной передачей.

При анализе особенностей кинематики плунжерных передач выведена формула передаточного отношения, показывающая возможность получения достаточно большого диапазона передаточных отношений при небольшом изменении параметров передачи. Сопоставление плунжерных передач с аналогами позволило выявить геометрические особенности профилирования зубьев элементов передач, делающее применение первых предпочтительным в определенных условиях эксплуатации.

В заключении главы сформулированы основные направления исследования, важнейшими из которых являются разработка принципиальных основ структурного и параметрического синтеза плунжерных передач, разработка методов анализа и синтеза геометрии их зацепления, выполнение комплексных исследований геометрии, кинематики, кинетостатики плунжерного зацепления, анализ его нагруженного состояния и экспериментальная оценка его качественных показателей.

Во второй главе решаются вопросы построения принципиальной структуры процесса проектирования плунжерных передач, в том числе рассмотрения постановок задачи проектирования, собственно построение структуры этого процесса, синтез структурных схем плунжерных передач.


загрузка...