ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ КРУПНОГАБАРИТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА ОСНОВЕ ВОЛНОВЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ
С.С. Прокшин, Е.В. Шалобаев
УДК 621.7:589.011.46
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ КРУПНОГАБАРИТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА ОСНОВЕ ВОЛНОВЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ
С.С. Прокшин, Е.В. Шалобаев
Предложена конструкция редуктора с волновой передачей с гибкими подшипниками, которая позволяет дополнительно уменьшить массогабаритные параметры электропривода запорной трубопроводной арматуры. Ключевые слова: электропривод, редуктор, волновые передачи, гибкие подшипники, крестовина.
Введение
В настоящее время развернулись широкие работы по модернизации действующих и строительству новых трубопроводов (большей частью нефте- и газопроводов, а также систем паропроводов и охлаждения на АЭС) [1–7]. Одна из задач, которую при этом необходимо решить – создать современную инфраструктуру, которая включает в себя разнообразные запорные устройства. Одним из основных элементов последних являются электроприводы трубопроводной арматуры (ТПА).
Ведущие производители многооборотных электроприводов ТРА применяют в своих конструкциях различные схемы расположения осей исполнительного двигателя и выходного звена электропривода, которые во многом обусловлены типом применяемого редуктора и исполнительного двигателя, а также требованиями экономики и эргономики [2].
Схема с пространственным расположением осей исполнительного двигателя и выходного звена электропривода широко применяется в конструкциях электроприводов таких фирм как ГЗ «Электропривод», «Тулаэлектропривод» (Россия), AUMA (Германия), «ZPA Pecky» (Чешская республика). Применение данной схемы обеспечивает минимальный размер по высоте, однако длина и ширина электропривода оказываются значительными [3–7].
Тульским государственным университетом совместно с ОАО «Мичуринский завод «Прогресс» разработана конструкторская документация на многооборотный интеллектуальный электропривод запорной ТПА с соосным (аксиальным) расположением осей [8] исполнительного двигателя и выходного звена электропривода 7МРЭП-110-00/280. Электропривод построен на базе многопоточного планетарного редуктора [9] и малогабаритного вентильного электродвигателя с постоянными магнитами.
Ведутся работы по модернизации и оптимизации конструкции не только собственно зубчатых передач, но и опор [10–11].
Целью данной работы является выработка мер по повышению эффективности применения ряда конструктивных приемов, позволяющих уменьшить массогабаритные характеристики редуктора и привода в целом за счет опор.
Гибкие подшипники – конструктивный прием, снижающий массогабаритные характеристики
Одним из дальнейших путей оптимизации конструкций редукторов с волновыми зубчатыми передачами (ВЗП) электропривода запорной ТПА по критериям минимальной массы и габаритов в диапазоне вращающих моментов 7000–15000 Н·м является использование гибких подшипников.
При использовании кулачкового генератора, который имеет форму эллипса, возможна ситуация, когда применение подшипников [12], производимых в соответствии с техническими требованиями по [13], приводит к неоправданному увеличению габаритов передачи: интервал диаметров наружных колец стандартных подшипников неприемлемо велик – подшипники № 824 и № 830 отличаются по внешнему диаметру на 40 мм, а подшипники № 848 и № 860 – на 80 мм. Устранение такого ограничения привело к следующему результату.
На рис. 1, 2, показана конструкция гибкого подшипника генератора с телами качения цилиндрической формы (например, роликами из шарикоподшипниковой стали ШХ 15, поставляемыми в виде свободных деталей или игольчатыми роликами по [14]) в двух видах – вдоль и перпендикулярно оси вращения.
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
65
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ КРУПНОГАБАРИТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА…
45
32
1 9 7 8
Рис. 1. Вид волнового редуктора вдоль оси вращения Кулачок 1 взаимодействует с телами качения – роликами 2, образуя с ними линейный контакт. Ролики 2 перекатываются по цилиндрической поверхности кольца 3, имеющего внешнюю сферическую форму с радиусом R = 0,5dk, сопряженную с внутренней поверхностью гибкого колеса 4 (dk – диаметр внутреннего цилиндра колеса 4 в недеформированном состоянии). Ролики (рис. 2) размещены в гнездах сепаратора, разъемного в осевом направлении и состоящего из обоймы 6 и кольца 7, охватывающих кулачок 1 с обеих сторон.
2
3 6 21
Рис. 2. Вид волнового редуктора в плоскости, перпендикулярной оси вращения
Для двухволнового генератора нагрузка Fn, приходящаяся на один внешний контакт ролика с поверхностью кулачка 1, определяется по формуле
Fn = 4,37 Fτ tg(αW)/2z = 4,37 2000 Tq tg(αW)/dw2z ,
(1)
где dW2 – начальный диаметр эпицикла 5 м; z – число роликов в гибком подшипнике; αW – угол зацепле-
ния в ВЗП; Tq – момент на гибком колесе 4 Н∙м; Fτ – допустимая сила, направленная по касательной (Н).
Используем формулу Герца для линейного контакта, представленную в следующем виде:
σn = 0,148 (Eпр Fn /lw ρпр)0,5.
(2)
Определяем относительную длину Ψl и относительный диаметр Ψd ролика, средний диаметр ку-
лачка генератора Dm, приведенный радиус кривизны в точке контакта ролика с поверхностью кулачка
генератора ρпр по формулам (3–6):
Ψl = lw / dw
(3)
Dm = dk – 2(S+dw),
(4)
ρпр = ρw ρк (ρw + ρк).
(5)
Подставляя в формулу (2) выражения (1), (3)–(5), получаем формулу для диаметра тела качения –
ролика в виде
dw = 3300 (Tq tg(αW) / Ψl ) 0,5 / dw2 σHP ,
(6)
где Eпр – приведенный модуль упругости (принимаем Eпр = 0,215∙106 МПа); S – толщина гибкого колеса
(указана на рис. 1); ρw = 0,5dw – радиус тела качения; ρк = 0,5dk – радиус кольца; k = 3300 (Н·мм)0,5 – раз-
мерный коэффициент. Допускаемое контактное напряжение σHP определяется так же, как для обычных
подшипников качения [15].
66 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
С.С. Прокшин, Е.В. Шалобаев
Важным элементом конструкции подшипника является сепаратор, определяющий упорядоченное движение роликов по эллиптической поверхности кулачка генератора 1. Каждый ролик при прохождении по кулачку движется с переменной скоростью и совершает колебательное движение относительно выбранного «нулевого» положения в гнезде сепаратора на величину ± е. Это явление может быть компенсировано зазорами f (рис. 2).
В реализованной конструкции зазор f соответствует величине деформирования гибкого колеса, сепаратор выполнен из углеродистой стали. При радиусе Rm ≈ 120 мм подшипник со стандартными роликами (dw = 25 мм; L = 40 мм) показывает достаточную нагрузочную способность при Тq = 15000 Н·м с генератором, содержащим 24 ролика.
Заключение
Сравнение предлагаемой конструкции с аналогами показывают ее высокую эффективность. В частности, приводы с червячной передачей фирмы ROTORK и приводы типа ЭВИМТА допускают удельный момент 9,4–19 Н·м/кг, тогда как предлагаемый привод – 100–120 Н·м/кг, т.е. имеет десятикратное преимущество.
Объемные параметры предлагаемого волнового редуктора относительно классических схем, изложенных в трудах проф. Е.Г. Гинзбурга, уменьшены на 15–25% в основном за счет изменения конструкции гибкого колеса – перехода от асимметричной относительно плоскости, перпендикулярной оси вращения, конструкции типа «стакан» к симметричной типа «труба». При этом уменьшается длина гибкого колеса по оси. Передача движения от колеса к валу происходит за счет четырех пальцев (своеобразных направляющих типа «крестовина»).
Объемные характеристики привода определяются в основном размерами механизма ручного дублера.
Литература
1. Йонатис Р.Р. Перспективные требования к модернизации трубопроводной арматуры для АЭС // Арматуростроение. – 2004. – № 1. – C. 13–15.
2. Гуревич Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры: промышленная трубопроводная. Конструирование трубопроводной арматуры. 5-е изд. – М.: ЛКИ, 2008. – 416 с.
3. Гольдфарб В.И., Трубачев Е.С. Что делать и чего не делать при выборе и проектировании редукторов ТПА // Арматуростроение. – 2010. – №1. – С. 30–35.
4. Каталог продукции. Приводы трубопроводной арматуры. – Ижевск: НПП «Механик», 2008. – 23 с. 5. Мозжечков В.А. Третье поколение тульских электроприводов для атомных станций – серия ЭП 4 //
Арматуростроение. – 2010. – № 2. – С. 82–85. 6. Гольдфарб В.И., Главатских Д.В., Трубачов Е.С., Кузнецов А.С., Иванов Д.Е., Лукин Е.В., Пузанов
В.Ю. Спироидные редукторы трубопроводной арматуры. – М.: Вече, 2011. – 222 с. 7. Итбаев В.К., Прокшин С.С., Громаковский Д.Г., Васильев А.В. Волновая зубчатая передача в элек-
троприводах трубопроводной арматуры // Вестник СГАУ им. С.П. Королева. – 2009. – № 4. – С. 123–
127.
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
67
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ …
8. Шалобаев Е.В., Монахов Ю.С. Оптимизация габаритов соосных схем редукторов // XXXII неделя науки СПбГУ. 24–29 ноября 2003 г. Материалы межвузовской конференции. – СПб: СПбГУ, 2004. – С. 113–115.
9. Сидоров П.Г., Пашин А.А., Плясов А.В. Многопоточные зубчатые передачи: структура, образование, кинематические и силовые связи, классификация и перспективы применения // Приводная техника. – 2010. – № 4. – С. 25–30.
10. Шалобаев Е.В. Модернизированные редукторы отечественного производства // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – Орел, 2010. – № 6/2. – С. 105–115.
11. Прокопенко В.А., Чернов И.А. Динамика шпиндельных гидростатических подшипников при использовании диафрагменных регуляторов // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – 2011. – № 3. – С. 57–61.
12. ГОСТ 23179-78. Подшипники гибкие шариковые радиальные. – Введ. 01.01.80. – М.: Изд-во стандартов, 1980. – 118 с.
13. ГОСТ 520-2002. Подшипники качения. Общие технические условия. – Введ. 01.07.2003. – М.: Изд-во стандартов, 2002. – 70 с.
14. ГОСТ 6870-81. Подшипники качения. Ролики игольчатые. Технические условия. – Введ. 01.01.82. – М.: Изд-во стандартов, 1981. – 10 с.
15. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2 кн. Кн. 2 / В.В. Алисин, Б.М. Асташкевич, Э.Д. Браун и др. – М.: Машиностроение, 1979. – 358 с.
Прокшин Сергей Сергеевич Шалобаев Евгений Васильевич
– Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ), кандидат технических наук, доцент, okmim@ugatu.ac.ru
– Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, профессор,
директор Академии методов и техники управления, shalobaev47@mail.ru
68 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
УДК 621.7:589.011.46
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ КРУПНОГАБАРИТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА ОСНОВЕ ВОЛНОВЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ
С.С. Прокшин, Е.В. Шалобаев
Предложена конструкция редуктора с волновой передачей с гибкими подшипниками, которая позволяет дополнительно уменьшить массогабаритные параметры электропривода запорной трубопроводной арматуры. Ключевые слова: электропривод, редуктор, волновые передачи, гибкие подшипники, крестовина.
Введение
В настоящее время развернулись широкие работы по модернизации действующих и строительству новых трубопроводов (большей частью нефте- и газопроводов, а также систем паропроводов и охлаждения на АЭС) [1–7]. Одна из задач, которую при этом необходимо решить – создать современную инфраструктуру, которая включает в себя разнообразные запорные устройства. Одним из основных элементов последних являются электроприводы трубопроводной арматуры (ТПА).
Ведущие производители многооборотных электроприводов ТРА применяют в своих конструкциях различные схемы расположения осей исполнительного двигателя и выходного звена электропривода, которые во многом обусловлены типом применяемого редуктора и исполнительного двигателя, а также требованиями экономики и эргономики [2].
Схема с пространственным расположением осей исполнительного двигателя и выходного звена электропривода широко применяется в конструкциях электроприводов таких фирм как ГЗ «Электропривод», «Тулаэлектропривод» (Россия), AUMA (Германия), «ZPA Pecky» (Чешская республика). Применение данной схемы обеспечивает минимальный размер по высоте, однако длина и ширина электропривода оказываются значительными [3–7].
Тульским государственным университетом совместно с ОАО «Мичуринский завод «Прогресс» разработана конструкторская документация на многооборотный интеллектуальный электропривод запорной ТПА с соосным (аксиальным) расположением осей [8] исполнительного двигателя и выходного звена электропривода 7МРЭП-110-00/280. Электропривод построен на базе многопоточного планетарного редуктора [9] и малогабаритного вентильного электродвигателя с постоянными магнитами.
Ведутся работы по модернизации и оптимизации конструкции не только собственно зубчатых передач, но и опор [10–11].
Целью данной работы является выработка мер по повышению эффективности применения ряда конструктивных приемов, позволяющих уменьшить массогабаритные характеристики редуктора и привода в целом за счет опор.
Гибкие подшипники – конструктивный прием, снижающий массогабаритные характеристики
Одним из дальнейших путей оптимизации конструкций редукторов с волновыми зубчатыми передачами (ВЗП) электропривода запорной ТПА по критериям минимальной массы и габаритов в диапазоне вращающих моментов 7000–15000 Н·м является использование гибких подшипников.
При использовании кулачкового генератора, который имеет форму эллипса, возможна ситуация, когда применение подшипников [12], производимых в соответствии с техническими требованиями по [13], приводит к неоправданному увеличению габаритов передачи: интервал диаметров наружных колец стандартных подшипников неприемлемо велик – подшипники № 824 и № 830 отличаются по внешнему диаметру на 40 мм, а подшипники № 848 и № 860 – на 80 мм. Устранение такого ограничения привело к следующему результату.
На рис. 1, 2, показана конструкция гибкого подшипника генератора с телами качения цилиндрической формы (например, роликами из шарикоподшипниковой стали ШХ 15, поставляемыми в виде свободных деталей или игольчатыми роликами по [14]) в двух видах – вдоль и перпендикулярно оси вращения.
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
65
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ КРУПНОГАБАРИТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА…
45
32
1 9 7 8
Рис. 1. Вид волнового редуктора вдоль оси вращения Кулачок 1 взаимодействует с телами качения – роликами 2, образуя с ними линейный контакт. Ролики 2 перекатываются по цилиндрической поверхности кольца 3, имеющего внешнюю сферическую форму с радиусом R = 0,5dk, сопряженную с внутренней поверхностью гибкого колеса 4 (dk – диаметр внутреннего цилиндра колеса 4 в недеформированном состоянии). Ролики (рис. 2) размещены в гнездах сепаратора, разъемного в осевом направлении и состоящего из обоймы 6 и кольца 7, охватывающих кулачок 1 с обеих сторон.
2
3 6 21
Рис. 2. Вид волнового редуктора в плоскости, перпендикулярной оси вращения
Для двухволнового генератора нагрузка Fn, приходящаяся на один внешний контакт ролика с поверхностью кулачка 1, определяется по формуле
Fn = 4,37 Fτ tg(αW)/2z = 4,37 2000 Tq tg(αW)/dw2z ,
(1)
где dW2 – начальный диаметр эпицикла 5 м; z – число роликов в гибком подшипнике; αW – угол зацепле-
ния в ВЗП; Tq – момент на гибком колесе 4 Н∙м; Fτ – допустимая сила, направленная по касательной (Н).
Используем формулу Герца для линейного контакта, представленную в следующем виде:
σn = 0,148 (Eпр Fn /lw ρпр)0,5.
(2)
Определяем относительную длину Ψl и относительный диаметр Ψd ролика, средний диаметр ку-
лачка генератора Dm, приведенный радиус кривизны в точке контакта ролика с поверхностью кулачка
генератора ρпр по формулам (3–6):
Ψl = lw / dw
(3)
Dm = dk – 2(S+dw),
(4)
ρпр = ρw ρк (ρw + ρк).
(5)
Подставляя в формулу (2) выражения (1), (3)–(5), получаем формулу для диаметра тела качения –
ролика в виде
dw = 3300 (Tq tg(αW) / Ψl ) 0,5 / dw2 σHP ,
(6)
где Eпр – приведенный модуль упругости (принимаем Eпр = 0,215∙106 МПа); S – толщина гибкого колеса
(указана на рис. 1); ρw = 0,5dw – радиус тела качения; ρк = 0,5dk – радиус кольца; k = 3300 (Н·мм)0,5 – раз-
мерный коэффициент. Допускаемое контактное напряжение σHP определяется так же, как для обычных
подшипников качения [15].
66 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
С.С. Прокшин, Е.В. Шалобаев
Важным элементом конструкции подшипника является сепаратор, определяющий упорядоченное движение роликов по эллиптической поверхности кулачка генератора 1. Каждый ролик при прохождении по кулачку движется с переменной скоростью и совершает колебательное движение относительно выбранного «нулевого» положения в гнезде сепаратора на величину ± е. Это явление может быть компенсировано зазорами f (рис. 2).
В реализованной конструкции зазор f соответствует величине деформирования гибкого колеса, сепаратор выполнен из углеродистой стали. При радиусе Rm ≈ 120 мм подшипник со стандартными роликами (dw = 25 мм; L = 40 мм) показывает достаточную нагрузочную способность при Тq = 15000 Н·м с генератором, содержащим 24 ролика.
Заключение
Сравнение предлагаемой конструкции с аналогами показывают ее высокую эффективность. В частности, приводы с червячной передачей фирмы ROTORK и приводы типа ЭВИМТА допускают удельный момент 9,4–19 Н·м/кг, тогда как предлагаемый привод – 100–120 Н·м/кг, т.е. имеет десятикратное преимущество.
Объемные параметры предлагаемого волнового редуктора относительно классических схем, изложенных в трудах проф. Е.Г. Гинзбурга, уменьшены на 15–25% в основном за счет изменения конструкции гибкого колеса – перехода от асимметричной относительно плоскости, перпендикулярной оси вращения, конструкции типа «стакан» к симметричной типа «труба». При этом уменьшается длина гибкого колеса по оси. Передача движения от колеса к валу происходит за счет четырех пальцев (своеобразных направляющих типа «крестовина»).
Объемные характеристики привода определяются в основном размерами механизма ручного дублера.
Литература
1. Йонатис Р.Р. Перспективные требования к модернизации трубопроводной арматуры для АЭС // Арматуростроение. – 2004. – № 1. – C. 13–15.
2. Гуревич Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры: промышленная трубопроводная. Конструирование трубопроводной арматуры. 5-е изд. – М.: ЛКИ, 2008. – 416 с.
3. Гольдфарб В.И., Трубачев Е.С. Что делать и чего не делать при выборе и проектировании редукторов ТПА // Арматуростроение. – 2010. – №1. – С. 30–35.
4. Каталог продукции. Приводы трубопроводной арматуры. – Ижевск: НПП «Механик», 2008. – 23 с. 5. Мозжечков В.А. Третье поколение тульских электроприводов для атомных станций – серия ЭП 4 //
Арматуростроение. – 2010. – № 2. – С. 82–85. 6. Гольдфарб В.И., Главатских Д.В., Трубачов Е.С., Кузнецов А.С., Иванов Д.Е., Лукин Е.В., Пузанов
В.Ю. Спироидные редукторы трубопроводной арматуры. – М.: Вече, 2011. – 222 с. 7. Итбаев В.К., Прокшин С.С., Громаковский Д.Г., Васильев А.В. Волновая зубчатая передача в элек-
троприводах трубопроводной арматуры // Вестник СГАУ им. С.П. Королева. – 2009. – № 4. – С. 123–
127.
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
67
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ …
8. Шалобаев Е.В., Монахов Ю.С. Оптимизация габаритов соосных схем редукторов // XXXII неделя науки СПбГУ. 24–29 ноября 2003 г. Материалы межвузовской конференции. – СПб: СПбГУ, 2004. – С. 113–115.
9. Сидоров П.Г., Пашин А.А., Плясов А.В. Многопоточные зубчатые передачи: структура, образование, кинематические и силовые связи, классификация и перспективы применения // Приводная техника. – 2010. – № 4. – С. 25–30.
10. Шалобаев Е.В. Модернизированные редукторы отечественного производства // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – Орел, 2010. – № 6/2. – С. 105–115.
11. Прокопенко В.А., Чернов И.А. Динамика шпиндельных гидростатических подшипников при использовании диафрагменных регуляторов // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – 2011. – № 3. – С. 57–61.
12. ГОСТ 23179-78. Подшипники гибкие шариковые радиальные. – Введ. 01.01.80. – М.: Изд-во стандартов, 1980. – 118 с.
13. ГОСТ 520-2002. Подшипники качения. Общие технические условия. – Введ. 01.07.2003. – М.: Изд-во стандартов, 2002. – 70 с.
14. ГОСТ 6870-81. Подшипники качения. Ролики игольчатые. Технические условия. – Введ. 01.01.82. – М.: Изд-во стандартов, 1981. – 10 с.
15. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2 кн. Кн. 2 / В.В. Алисин, Б.М. Асташкевич, Э.Д. Браун и др. – М.: Машиностроение, 1979. – 358 с.
Прокшин Сергей Сергеевич Шалобаев Евгений Васильевич
– Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ), кандидат технических наук, доцент, okmim@ugatu.ac.ru
– Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, профессор,
директор Академии методов и техники управления, shalobaev47@mail.ru
68 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)