Конструктивно-технологический дайджест
Железнодорожного машиностроения
Арочная зубчатая передача
Применение зубчатых колес с арочными зубьями для наружного зацепления вместо прямозубых, косозубых и шевронных является эффективным направлением повышения нагрузочной способности и долговечности, улучшения плавности работы и снижения уровня шума зубчатых передач.
Рис.1 Арочные цилиндрические зубчатые колеса
Эффект, который был получен в конических передачах с круговыми зубьями, можно ожидать и в цилиндрических колесах при переходе от прямолинейной к криволинейной продольной форме зубьев.
Арочное колесо не имеет разреза посредине венца для выхода зуборезного инструмента, как это есть у шевронных колес, благодаря чему его зуб обладает более высокой жесткостью. Даже и без учета разреза арка по жесткости превосходит шеврон.
Рис.2 Вид на арочное колесо с торца
У арочного колеса зубья и впадины между ними имеют постоянную соответственно толщину и ширину (Рис.2). Как и все другие виды эвольвентных передач, арочные весьма терпимы к колебаниям межосевых расстояний и перекосам осей.
Изготовление
Отсутствие широкого использования в технике именно цилиндрических эвольвентных арочных передач связано не с какими-то их недостатками или ограничениями, а исключительно с отсутствием технологии, позволяющей изготавливать эти передачи с достаточной точностью при высокой производительности. Теперь такая технология разработана, прошла промышленные испытания и подготовлена к широкому внедрению в производство.
Анализ зацепления колес с арочными зубьями с применением автоматизированного комплекса T-FLEX
Рабочая поверхность арочного зуба представляет собой поверхность, описываемую эвольвентой, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси колеса, которая перемещается вдоль этой оси и поворачивается относительно нее.
Параметры линии смещения исходного контура арочного зуба (рис. 6) определяются параметрами исходной кривой на развертке делительного цилиндра зубчатого колеса. В качестве такой кривой используется дуга окружности радиуса Ra с центром, расположенным на центральной продольной оси развертки делительного цилиндра. Условие непрерывности взаимодействия зубьев состоит в том, что вторая пара взаимодействующих зубьев должна войти в зацепление прежде, чем выйдет из зацепления первая пара. В дальнейшем рассматривается ситуация, когда коэффициент перекрытия больше единицы. Для непрерывности зацепления необходимо, чтобы угол перекрытия был больше углового шага.
Рис.6 Схема формирования линии смещения исходного контура арочного зуба
Разработанный метод анализа позволяет определить закономерности контактного взаимодействия зубьев в пределах угла перекрытия от положения входа зубьев в зацепление до положения выхода и оценить эффективность арочного зацепления в сравнении с существующими. Этот метод основан на определении продольного и поперечного профилей зубьев путем решения системы уравнений, описывающих геометрию боковых поверхностей арочных зубьев, с использованием программного комплекса T-FLEX.
По координатам точек контактирующих рабочих поверхностей зубьев автоматически определяется форма линии контакта взаимодействующих поверхностей зуба. Возможные формы линии контакта выпуклой и вогнутой сторон зубьев арочного цилиндрического зацепления, смоделированные в T-FLEX CAD, представлены на рис. 7 и 8.
Рис. 7. Положение линий контакта на угле перекрытия на вогнутой и выпуклой рабочих поверхностях арочного зуба
Рис. 8. Распределение линий контакта на вогнутой и выпуклой рабочих поверхностях зубьев арочного цилиндрического зацепления
Анализ арочного зацепления показал, что линия контакта в центральной части зоны перекрытия распределяется по всей длине зубьев, а на граничных участках при входе и выходе из зоны перекрытия выходит на кромки зубьев колес. Увеличение усилий вблизи торца может привести к быстрому износу или крошению зубьев колес. В то же время такое положение линии контакта на рабочих поверхностях арочных зубьев колес способствует плавной и бесшумной работе зацепления по сравнению с прямозубым зацеплением.
Вместе с тем анализ существующего арочного зацепления показал, что нагрузка на зубья по длине пятна контакта распределена неравномерно, так как распределенная сила в каждом сечении действует на зубья под разными углами к оси симметрии сечения зуба и с разными плечами относительно его ножки из-за смещения пятна контакта вдоль эвольвентного профиля зуба в каждом сечении. В связи с этим на базе предложенного метода анализа разработана усовершенствованная методика синтеза зацепления арочных зубчатых колес, лишенных указанных недостатков.
Арочное зацепление обеспечивает повышение износостойкости и нагрузочной способности вследствие увеличения угла перекрытия, числа зубьев, одновременно находящихся в зацеплении, исключения выхода пятна контакта на кромки зубьев колес и равномерного распределения нагрузки по длине зуба благодаря оптимальной форме пятна контакта. Решение этой задачи может быть достигнуто в том числе и за счет изготовления арочных колес с зубьями бочкообразной формы.
Рис. 9. Результаты статического анализа арочных зубьев бочкообразной формы в системе T-FLEX Анализ
Рис. 10. Результаты статического анализа арочных зубьев бочкообразной формы в системе T-FLEX Анализ
Рис. 11. Результаты статического анализа зубьев с прямозубым зацеплением
Применение
В редукторах упаковочных машин
Первые две опытные передачи модуля 4 мм с числом зубьев 18 и 32, были установлены в августе 2008 г. в высокоскоростных редукторах упаковочных машин листопрокатного цеха металлургического завода «Северсталь». После двухлетнего периода эксплуатации колеса были осмотрены комиссией завода «Северсталь», которая удостоверилась, что передачи работают плавно и бесшумно, износ практически не заметен (Рис.12). Колеса продолжают эксплуатироваться.
Рис. 12 Износ зубьев арочных колес после двух лет эксплуатации
Эти результаты тем более впечатляют, что штатные прямозубые колеса, работающие в неблагоприятных условиях в непрерывном трехсменном реверсивном режиме, приходилось заменять каждые три-четыре месяца.
Редуктор нефтяной качалки
В этом узле колеса Новикова заменены на эвольвентные арочные. Шум собранного редуктора равен 70 дБ, как при работе вхолостую, так и под нагрузкой. Обеспечено беззазорное зацепление во всех передачах. Узел проходит стендовые испытания при непрерывной трехсменной работе, после чего будет направлен для производственных испытаний на буровую.
Существенное повышение нагрузочной способности и надёжности передач делают арочные колеса особо значимыми для тяжело нагруженных машин, используемых в непрерывных производствах (металлургическом, угольном, нефтегазовом и др.). Во многих других машиностроительных производствах использование арочных зубчатых колес позволит модернизировать эксплуатируемое оборудование путем повышения скоростных характеристик приводов с одновременным повышением нагрузочной способности, износостойкости, надежности; снижением уровня шума и массогабаритных показателей. Для транспортных и некоторых других машин снижение шума – это требование экологичности, с учетом того, что шум является серьезным загрязнителем окружающей среды.
