Вслед за научным материалом «О неконкурентности российских зубчатых передач и редукторов с зацеплением Новикова», опубликованном в предыдущем выпуске журнала, редакция представляет вниманию читателей следующую статью генерального директора ООО «НТЦ «РЕДУКТОР», канд. техн. наук В. И. Парубца «Новые свойства зацепления поверхностей червячных передач». По мнению автора, учет новых свойств зацепления поверхностей червячных передач приведет к необходимости заново переписать теорию зацепления червячных передач, учебники, ГОСТы, методики их расчетов.
— Валерий Иванович, что вы считаете необходимым сказать, чтобы технические специалисты, прочтя вас, не поверхностно, а более обстоятельно и глубоко изучили вашу научную статью?
— В обновленной путинской Стратегии опережающего научно-технологического развития России самокритично констатируются негативные тенденции этого развития, создающие угрозу дальнейшего отставания России от ее глобальных конкурентов. Одной из существенно негативных тенденций (см. п.11.б. Стратегии) является низкая восприимчивость экономики, промышленности и ее многочисленных структур и сообществ к научно-технологическим новшествам. Причем эта невосприимчивость намного более глубокая, чем последние 34 года. Я неоднократно информировал научно-технологическую общественность о безнадежном отставании редукторной отрасли России, применяющей до настоящего времени глобоидные передачи по ГОСТ 24438‑80 и ГОСТ 17696‑89. Наши глобальные конкуренты повсеместно отказались от их применения примерно 100 лет назад. Моя предыдущая статья «О неконкурентности российских зубчатых передач и редукторов с зацеплением Новикова» по существу раскрывает причины полнейшей неконкурентности российской редукторной науки и технологий и полную неспособность противостоять беспрепятственному проникновению зарубежных редукторных фирм во все российские отрасли промышленности, связанной с масштабным применением редукторов с зацеплением Новикова при их упрощенном изготовлении.
Изучив путинскую обновленную Стратегию опережающего научно-технологического развития России, я присоединяюсь к ее реализации. Поэтому представляю вниманию специалистов промышленных предприятий, НИИ и КБ для изучения информацию о принципиально новых свойствах зацепления поверхностей червячных передач, применение которых позволит существенно повысить эксплуатационную конкурентоспособность российских червячных передач и редукторов, проявляющуюся:
- в повышенных в 2‑5 раз сроках их эксплуатации,
- в повышенном на 5‑12% их КПД и экономии используемой электроэнергии,
- в сохранении эксплуатационной работоспособности редукторов при значительных их перегрузках,
- в новой возможности ввода в эксплуатацию редукторов на номинальную нагрузку без этапа длительной приработки.
Все эти эксплуатационные эффекты более 25 лет учитываются в НТЦ «РЕДУКТОР» при проектировании и изготовлении червячных передач и редукторов, благодаря чему при эксплуатации они постоянно превосходят изделия наших конкурентов.
Изучив и введя в повсеместную практику эту ценную информацию, которой я собираюсь поделиться со специалистами, у российских потребителей редукторной техники появится больше уверенности в преимуществах российской науки— движущей силе российского редукторостроения. И тем меньше останется сомнений в выборе, к кому можно обратиться с вопросами разработки и изготовления современных надежных и долговечных передач, редукторов и мультипликаторов.
— Валерий Иванович, в вашей статье «Повторный контакт в цилиндрической червячной передаче», опубликованной ранее в 1982 и в 2005 годах в журналах «Вестник машиностроения» и «Редукторы и Приводы», вы утверждали, что найденные вами новые свойства зацепления поверхностей червячных передач заставят заново переписать теорию зацепления червячных передач, учебники, стандарты, методики расчетов червячных передач. Вы продолжаете утверждать это?
— Да, я продолжаю утверждать о настоятельной необходимости заново переписать теорию зацепления червячных передач, учебники, стандарты и методики их прочностного, теплового и эксплуатационного расчетов, потому что я это проверил и проверяю многократно в течение 30 лет на практике, являясь руководителем НТЦ «РЕДУКТОР», который спроектировал и изготовил тысячи червячных передач и редукторов с повышенными эксплуатационными свойствами, учитывающими эти новые свойства зацепления поверхностей червячных передач.
— А вы приведете один-два примера?
— Пожалуйста! Располагая начальный контакт на зубьях колеса в зоне повторного контакта, я добился того, что все изготавливаемые нами червячные передачи вводятся в эксплуатацию без ступенчатого нагружения, ранее предусматриваемого по всем методикам эксплуатации.
— Прошло 40 лет после того, как вы обнаружили эти принципиально новые, ранее не учитываемые свойства зацепления поверхностей червячных передач. Изменилось ли что‑то за этот период?
— Да, немного изменилось. Многие прежние редукторные заводы, производившие червячные и глобоидные редукторы, исчезли. А НТЦ «РЕДУКТОР», опирающийся на новые научные знания, устойчиво функционирует и развивается. Но одного промышленного предприятия НТЦ «РЕДУКТОР» для великой России слишком мало. Президент В. Путин, утвердивший новую Стратегию научно-технологического развития России, повернул и поворачивает сознание и ценности всего гражданского сообщества к тому, что основой основ является устойчивый суверенитет и независимость России, базирующийся на самых передовых научных знаниях как в оборонной, так и в гражданских отраслях. Сегодня это впечатляюще доказано «Калибрами», «Орешниками». И чтобы быть по‑настоящему независимыми, пришла очередь доказать то же самое в других значимых для России сферах ее жизнедеятельности.
Далее читайте мою статью в ее упрощенном и сокращенном варианте. Полный текст статьи вы можете получить в НТЦ «РЕДУКТОР».
(рис. Реклама)
Новые свойства зацепления поверхностей червячных передач
Автор В. И. Парубец, канд. техн. наук, генеральный директор ООО «НТЦ «РЕДУКТОР», г. Санкт-Петербург
Погрешности изготовления и монтажа червячной передачи вследствие их неопределенного характера приводят к случайному положению начального контакта в зацеплении. Это по-разному влияет на работоспособность передачи; пятно начального контакта по ширине зуба колеса, оказывающееся в его зоне выхода или входа (выход — участок боковой поверхности зуба, расположенный со стороны выхода витка червяка из зацепления; вход — со стороны входа червяка в зацепление), соответственно повышает или понижает работоспособность передачи. Такую закономерность обнаружили экспериментально и используют для повышения надежности червячной передачи путем преднамеренного искажения ее сопряженных поверхностей и локализации контакта в заданной зоне зуба. Положительное влияние смещения начального контакта в зону выхода связывают, как правило, с улучшенными геометро-кинематическими показателями такого контакта, стимулирующими образование устойчивых масляных пленок. Однако если для средней зоны зуба и зоны выхода различия в геометро-кинематических показателях контакта действительно существенны, то зоны входа и выхода характеризуются примерно равными значениями этих показателей. Таким образом, удовлетворительного объяснения наблюдаемого на практике эффекта пока нет.
Автор исследовал и нашел, что в зацеплении рабочих поверхностей червячных передач существует повторный контакт, заключающийся в том, что одна и та же контактная точка поверхности ∑1 витка червяка при разных его угловых положениях дважды вступает в контакт с поверхностью ∑2 зуба червячного колеса. Такие точки на рабочей поверхности червяка названы точками первого типа.
Кроме точек первого типа, на рабочей поверхности витка червяка есть точки второго типа, которые в контакт с рабочей поверхностью зубчатого колеса вступают лишь один раз. Это ранее известные обыкновенные узловые точки контакта, огибающие мгновенные линии контакта на поверхности ∑1 витка.
Рис. 1. Линии мгновенного контакта на поверхностях ∑1 витка червяка и ∑2 зуба колеса с точками первичного и повторного контактов; штриховая кривая — граница между активной ∑2 и переходной ∑2п поверхностями зуба
Рис. 2. Зоны зацепления поверхностей ∑1 и ∑2 червячной передачи, характеризующие их первичный, повторный и одинарный контакты:
а) зона Кп первичного и повторного контактов и зона Ко одинарного контакта на поверхности ∑1 витка червяка;
б) зоны первичного К’п, повторного К’’п и одинарного К’о контактов на поверхности ∑2 зуба колеса
Рис. 3. Положение контактной точки b поверхности ∑1 витка червяка относительно линии I’2 мгновенного контакта и масляной ванны редуктора
Рис. 4. Положение линии Iδ=0 на поверхности ∑2 зуба колеса, в точках которой вектор скорости скольжения касателен к мгновенной линии контакта
Рис. 5. Зависимость размеров и положения зоны К’’п повторного контакта на зубе колеса червячной передачи (aW=100мм, m=5мм, q=9) при различных значениях числа витков z1 , числа зубьев z2 и коэффициента смещения χ:
а) z1 = 1, z2 =29, χ=1;
б) z1 =4, z2 =29, χ=1;
в) z1 =4, z2 =33, χ=-1;
г) z1 =4, z2 =35, χ=-2
Точки третьего типа в контакт с рабочей поверхностью ∑2 не вступают; они находятся между линией lу и основанием витка червяка. Построения на рис. 1 4 иллюстрируют повторный контакт в червячной передаче с эвольвентным червяком, имеющей межосевое расстояние аw=100мм, модуль m=5мм, коэффициент диаметра червяка q=9, число витков червяка z1 =4, число зубьев колеса z2 =31, коэффициент смещения червяка χ=0. На рис. 5 показаны размеры и положения зоны повторного контакта на зубе колеса червячной передачи: аw=100мм, m=5мм, q=9 для различных сочетаний z1 , z2 и χ. Совокупность множества положений мгновенных линий контакта и точек их пересечения на поверхности ∑1 витка образует зону Кп (рис. 2, а), каждая точка которой, за исключением самой линии lу , дважды вступает в контакт с поверхностью ∑2 зуба: первый раз — с точкой, расположенной в зоне К`п , второй — с точкой, расположенной в зоне К«п (рис. 2, б). Границей, разделяющей зоны К`п и К«п на зубе, является линия l’у . На поверхностях ∑1 и ∑2 существуют также зоны Ко и К`о одинарного контакта.
Рассмотренная особенность контакта существенно влияет на свойства локальных зон зацепления поверхностей передачи, позволяет объяснить наблюдаемые в экспериментах различия в уровне ее эксплуатационных показателей при начальном контакте на входе и на выходе.
Смазочный материал в зону контакта червячной передачи традиционного исполнения, т.е. с червяком, расположенным под колесом в масляной ванне редуктора (рис. 3), вносится поверхностью ∑1 витка червяка. При этом условия подвода смазочного материала в зоны первичного и повторного контактов и условия отвода тепла из этих зон существенно различны.
На входе нормальная к контактной линии составляющая скорости движения контактной точки поверхности ∑1 больше, чем скорость движения самой линии контакта по поверхности ∑2 в том же направлении. Поэтому для некоторого момента зацепления, предшествующего, например, мгновенной линии контакта l’2 , контактная точка b, обозначенная на рис. 3 как b (– dl), находится перед линией l’2 — dl, в зоне избыточного давления смазочного материала, нагнетаемого вращающимся червяком в сужающийся между поверхностями ∑1 и ∑2 зазор.
В последующий за линией l’2 момент зацепления точка b, обозначенная как b (+ dl), находится за линией l’2 +dl, в зоне недостаточного давления смазочного материала, так как линия l’2 +dl является естественной преградой для ее проникновения к точке b. Поэтому повторное вступление в контакт любой точки происходит при ухудшившихся условиях смазывания.
Условия смазывания при повторном контакте ухудшаются также вследствие неравных возможностей в отношении отвода тепла. Если некоторый локальный участок зоны Кп на поверхности витка вступает в первичный контакт относительно охлажденным, поскольку перед этим он находился в масляной ванне редуктора, то за время поворота червяка на угол ∆φ1 , когда возможности отвода тепла в окружающую среду редуктора ограничены, он не успевает охладиться и в повторный контакт вступает с повышенной локальной температурой, что ухудшает условия образования масляных пленок и несущей способности в зоне повторного контакта. Это особенно важно для начального периода эксплуатации червячной передачи, когда происходит формирование контактного состояния ее поверхностей после механической обработки. В передаче с начальным контактом, расположенным на входе, в зоне К’п , и расширяющимся на выходе, в зоне К«п , возможности удовлетворительного формирования поверхности зуба в зоне К«п ограничены из за ухудшенных условий поступления смазочного материала и повышенной локальной температуры точек поверхности ∑1 , повторно вступающих в контакт. Это и является одной из причин рисок, задиров и других нежелательных явлений, снижающих эксплуатационные показатели передачи.
Качественно иные явления имеют место в червячной передаче с начальным контактом на выходе и расширяющимся по направлению входа. Если начальный контакт передачи сконцентрирован в зонах К«п , К’о , то зацепление происходит в условиях одинарного контакта, и зона К«п формируется при обильном подводе смазочного материала и улучшенных возможностях отвода тепла. В зоне расширяющегося контакта протекают процессы, подобные шевингованию или полированию поверхностей передачи. Расширение контакта на входе, за линией l’у (рис. 2, б), и формирование зоны К’п также происходят в условиях благоприятного первичного контакта, а отрицательное влияние появляющегося в зоне К«п повторного контакта в этом случае ослабевает, так как зона К«п ранее уже сформирована в условиях одинарного контакта.
Отдельно необходимо сказать о наличии в зоне К«п поверхности ∑2 линии lδ=0, в точках которой угол δ между вектором скорости скольжения витка червяка и зуба колеса и касательной к линии контакта равен нулю (рис. 4). Отрицательное влияние участка поверхности ∑2 в окрестности линии lδ=0 и плохих условий смазки, приводящих к возникновению рисок, задиров и т.д., хорошо известно.
Однако условия подвода смазочного материала в окрестность линии lδ=0, а вместе с тем и возможность формирования этого участка поверхности ∑2 зуба, предупреждения появления рисок, задиров будут также различными. В частности, в передаче с контактом, расширяющимся с выхода на вход, формирование этого участка поверхности ∑2 происходит при обильном подводе смазочного материала, и отрицательное влияние этой зоны зацепления будет слабее.
Сложилось представление об ограниченных возможностях ортогональных червячных передач в связи с существованием огибающей lу мгновенных контактных линий на поверхности ∑1 , и единственной мерой улучшения свойств контакта, исключающей либо смещающей за пределы зуба линию l’у в червячной передаче, считают переход к непрямому углу между ее осями.
Между тем для ортогональных червячных передач, имеющих преимущественно практическое применение, существует по крайней мере два эффективных пути улучшения свойств контакта, полностью исключающих из зацепления линию l’у и, следовательно, повторный контакт.
Первый из них основан на использовании зависимости размеров и положения зоны повторного контакта К«п от исходных геометрических параметров передачи. Зона К«п , как показано на рис. 5, а, б, сокращается с увеличением z1 и смещается в среднюю часть зуба, а с уменьшением χ также сокращается, но смещается на выход (рис. 5, в, г). Вместе с зоной К«п на выход смещается и линия lδ=0. При χ< — 1 сдвиг зоны К«п на выход и к вершине зуба усиливается, и она оказывается за пределами зуба (рис.5, г). Такая возможность, в частности, реализована в червячных передачах с χ = –2 и успешно используется рядом зарубежных фирм для улучшения эксплуатационных свойств червячных редукторов. Заметим, что для передачи со смещенной за пределы зуба зоной К«п назначение χ< — 1 следует согласовывать с выбором угла профиля αп витка червяка. За рубежом, например, применяют αп =14,5; 20; 25 и αп =30°, при этом бОльшие значения αп соответствуют повышенной заходности витков червяка. В показанном на рис. 5, г примере смещение зоны К«п за пределы зуба достигнуто при χ= — 2 и αп =32°. Другим направлением является поиск такого сочетания исходных геометрических параметров передачи, при котором условие f/φ1 =0 существования точек линии lу на поверхности червяка не будет выполняться. Это будет означать отсутствие повторного контакта в червячной передаче.
ВЫВОДЫ
1. Повышение эксплуатационных показателей цилиндрических червячных передач с начальным контактом на выходе достигается исключением отрицательного влияния повторного контакта на этапе формирования контактного состояния их поверхностей.
2. Для обоснованного выбора положения пятна начального контакта в червячной передаче его необходимо согласовывать с положением зон первичного и повторного контактов на зубе колеса. Как правило, начальный контакт на зубе должен быть расположен в зоне выхода витка червяка из зацепления, причем в передачах с положительным коэффициентом смещения червяка, преимущественно многозаходных, начальный контакт можно сдвигать в среднюю зону зуба больше, чем в передачах с отрицательным коэффициентом смещения. В многозаходной червячной передаче с отрицательным коэффициентом смещения червяка и зоной повторного контакта на выходе и у вершины зуба лучшим решением будет положение начального контакта в средней зоне зуба.
3. В ортогональной червячной передаче возможно улучшение свойств контакта либо смещением линии обыкновенных узловых точек и повторного контакта за пределы зуба, либо их полным исключением из зацепления. Вопрос о выборе исходных геометрических параметров ортогональных червячных передач с улучшенными свойствами контакта требует дополнительных исследований.
ИННОВАЦИОННАЯ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ (ИНТЦ) ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ И МЕХАНИЗМОВ «НТЦ «РЕДУКТОР»:
- Принимает заявки на изготовление оригинальных зубчатых передач и зубчатых механизмов.
- Разработает чертежи и 3D-модели зубчатых передач и механизмов.
- Испытает по согласованным методикам опытные образцы новых изделий.
- Изготовит опытные партии новых промышленных изделий. ¬ Освоит серийное производство новых изделий.
- Принимает на работу авторов новых промышленных идей и разработок.
Генеральный директор НТЦ «РЕДУКТОР» В. И. ПАРУБЕЦ