Михаил Кауфман, инженер-конструктор, постоянный автор журнала ТПА, Канада
Несмотря на качественные достижения техники конца ХХ века, генерация движущего все механизмы крутящего момента продолжает выполняться древнейшим способом : зубчатыми колесами, реализующими принцип силоумножения рычагами Архимеда в своем бесконечном круговом движении.
Причиной такого морального сверхдолголетия и широты распространения зубчатых передач является то, что никакие виды моторов, основаных на электромагнетизме, давлении газов или жидкости с напряженностями нормального поля 0,05—1,0—20 МПа соответственно, не способны создать тех крутящих моментов, что зубчатые передачи с напряженностью «поля» стали 2 000 МПа, даже в 33-кратно больших занимаемых объемах [ 4 ]. Общим законом аппаратов, генерирующих крутящий момент, оказывается еще и то, что тяговая компонента напряженности поля еще десятикратно ниже, если ее относить ко всей наружной поверхности аппарата.
Среднестатистическое значение передаточного числа редукторов в общем машиностроении равно 33. Наибольшая величина крутящего момента в бесконечном движении в наименьшем объеме и поныне создается подвижным контактом стальных тел, и на совершенствование их форм человечество вынуждено будет продолжать затрачивать энергию мысли, труд, время до тех пор, пока не овладеет магнитными или иными полями сорокакратно большей напряженности.
Многократную интенсификацию использования занимаемого колесами передач пространства обеспечивает применение планетарного движения, и поэтому доля производства таких передач в технике продолжает прогрессивно нарастать, распространяясь в тяжелое машиностроение.
Планетарные зубчатые передачи – старшие сестры обогнавших их в распространении подшипников качения : они состоятиз такого же числа движущихся по таким же траекториям и имеющих такую же кинематику основных деталей, только снабженых зубьями. Это потенциально позволяло так же, как и для подшипников, сконцентрировать и специализировать их производство и централизовано выпускать в виде не более широкой номенклатуры готовых узлов соосной трансформации крутящих моментов. Но к рубежу актуальности такой централизации техника подошла лишь спустя целяй ХХ век, в первую очередь в рамках крупнейших фирм и национальной промышленности.
В России в 70-е годы истекшего века под давлением отставания производства от желаемых темпов и планов и под лозунгами экономии расхода стали Министерства тяжелого машиностроения и станкостроения приоткрыли путь процессу всесоюзной унификации передач. Был организован специализированый институт ВНИИРЕДУКТОР в г. Киеве на базе редукторного завода, а московский ЦНИИТМАШ разработал и утвердил Всесоюзный Типаж редукторов, в том числе и планетарных. Но ВНИИРЕДУКТОР не смог подняться над кругом своих заводских интересов, а разработки ЦНИИТМАШа по планетарным передачам были чисто кабинетными.
Гораздо более широкую апробацию реальной конструкции планетарных передач в 10-кратном диапазоне линейных размеров для фейерверка новых горнорудных машин автору к этому рубежу удалось произвести на объектах развивавшегося института НИПИГОРМАШ, располагавшего собственным опытным заводом, и на некоторых экскаваторах Уралмашзавода, пробиваясь сквозь традиции различных заводских школ [ 2 ].
Такому ходу дел содействовали три свойства развитой конструкции и исполнения этих передач : во—первых, беспрепятственность встраивания не содержащих ни корпусов, ни каких других элементов, кроме трансформаторов момента, модульных блоков внутрь всевозможных механизмов; во—вторых, упругая безмуфтовая подвеска сателлитов в сочетании с гибкостью корон, допускавшая их изготовление по 8-й степени точности, приемлимой для станочного оборудования рядовых заводов, и, наконец, в—третьих, исключение уравнительных механизмов. Всесоюзная статистика обнаружила, что встраиваемых внутрь механизмов передач болеечем в 100 раз больше,чем отдельно производимых зубчатых редукторов. Таким образом, встраиваемость трансформаторов крутящего момента – приоритетное качество этого класса продукции.
И именно планетарные схемы передач, обладающие радиальной уравновешенностью сил всех центральных звеньев, в наиболее полной мере пригодны для этой цели встраивания. Кроме того, планетарные передачи всегда соосны и у них у всех межосевое расстояние равно нулю и, таким образом, различные габаритные размеры взаимозаменяемы.
На оказавшиеся вне конкуренции конструкцию, исполнение, типаж и систему унификации ряда планетарных передач, предложеных и раработаных автором под флагом НИПИГОРМАШ, Министерством тяжелого машиностроения был утвержден нормативный руководящий технический материал РТМ 24. 179. 03—72 «Передачи зубчатые, планетарные секционные. Конструкция, размеры, технические условия». Первоначально даже афишировалось предоставить под выпуск редукторных узлов строившийся специализированный цех. Но цех был использован под продукцию текущего плана, а секционные передачи успешно пробили себе дорогу самостоятельно благодаря собственным техническим преимуществам и пошли своим ходом.
Наиболльшую почву эти унифицированные планетарные модули, сокращавшие занимаемое место и время проектирования машин, а также повышавшие технический уровень и сроки службы приводов, нашли в горнорудном машиностроении СССР. Апробированая конструкция планетарных передач с гибкими уравнительными элементами, заложеная в РТМ, не требовавшая ни внутреней муфтовой подвески ограничено плавающих звеньев, ни внешних компенсационных соединительных муфт, функцию которых с меньшим сопротивлением выполняли сами планетарные ряды, явилась наименее трудоемкой в изготовлении и обладающей наибольшей степенью заполнения зубьями, основным элементом генерации крутящего момента.
Главный продукт зубчатого редуктора – крутящий момент – образуется шириной и радиусом удаления зубьев и подшипников от оси вращения. Степень заполнения зубьями осевого габарита этой конструкцией допускается до 70%, а радиального – 96% против 25% и 80% соответственно у лучших встречающихся аналогов.
Значение введеной упругой подвески сателлитов, обеспечившнй удовлетворительную работу зацеплений при 8-й степени точности вместо 6-й подобно эффекту введения рессорной подвески жд скатов, хотя и катящихся по зеркальным рельсам. Это открыло дорогу этим передачам широкому кругу среднеоснащенных заводов, которым в таком исполнении они были сделаны доступными и целесообразными во всех отношениях. Конструкция выпустила планетарного джина в общее машиностроение и стала сомножителем технического прогресса. Чертежи были разосланы на заводы ТЯЖМАШа, а также передавались предприятиям других министерств по договорам о техническом содружестве.
В симбиозе с упругостью внесла свою лепту в ход процесса внедрения и наиболее конструктивная система унификации корпусных корон для различных передаточных чисел одного габарита передач, допускавшая без переделок, одной заменой внутренних звеньев, изменять передаточные числа механизмов при их модернизации или производить ремонты.
Конструкция оказалась пригодной и во всем беспрецидентно широкм 24-кратном диапазоне диаметров корон от 100 мм, охватившим все потребности тяжелого машиностроения и разбитого с аналитически оптимизированой густотой на 14 ступеней по ряду R 10. Геометрическое подобие всех ступеней упростило преодоление масштабного барьера, оказавшегося внутри этого диапазона. Типоразмерный ряд предназначен для генерации крутящих моментов от 100 Нм до 10 МНм.
Ресурсные испытания 36 передач первых 9 ступеней диаметром от 100 до 800 мм и успешное внедрение десятков разного назначения передач этой конструкции серийностью до 600 в год послужили технической и агитационной базой цепной реакции последовавших случаев ответственного применения и ранжирования практикой первоначально аналитических критериев пропорций, исполнений, ступеней. Ряды стандартизированых подшипников качения, установленые широкой промышленной апробацией, служили аналогией и ориентировали густоту.
Существовавший вакуум применения планетарных передач во многих отраслях машиностроения, отчасти из-за ментального «табу» новаций, не установившихся в зарубежной технике, послужил как бы «чистым листом», незасоренной почвой для прививки системного подхода в стихийном процессе проектирования зубчатых передач сотнями КБ, который не может координироваться ГОСТами на отдельные параметры и требует их интегрирования в ГОСТ на изделие. В этих условиях «скелетные» чертежи послужили семенами процесса координации работ вовлеченых предприятий, становясь центрами кристализации. Процесс пошел вширь за рамки и направлялся неформальным обшественным центром совершенствования зубчатых передач, секцией редукторостроения НТО «МАШПРОМ» при Доме техники Екатеринбурга, организовывавшего регулярные научно-технические региональные конференции Урала [ 3 ].
В меньшем объеме информация пробивалась и во Всесоюзные конференции, где лидировала и доминировала фрагментарно—дискретная тематика собственно зацеплений, на которых российские ученые «зациклились», посвящая ежегодно свыше 1 000 статей эвольвентным зацеплениям, предложеным два с половиной века тому назад плодотворным Л.Эйлером.
Первоначально в каждой ступени размеров встраиваемых планетарных передач было предусмотрено 7 значений передаточных чисел от 3,6 до 9,0 ,обеспечивавших получение 49-ти передаточных чисел наиболее часто применяемых двурядных передач и сборку всей этой номенклатуры всего из 17-ти типоразмеров силовых деталей [ 1 ].
Эта система выдержала испытание своей рациональности и целесообразности временем более 20-ти лет и внедрением более чем 250-ти различных передач в 25-ти видах специфично нагружаемых механизмов : поворота экскаваторов и кранов, гусеничного хода, мотор-колес, лебедок, рельсовых колес грузоподъемных кранов, всевозможных вращателей, барабанов конвейеров и т.п.
Наиболее показательными, взламывающими лед традиций заводских школ без принуждения свыше, было применение встраиваемых ПП с модулем зазеплений 6 мм по упомянутому РТМ в механизмах поворота экскаватора ЭКГ-4,6 Уралмашзавода; с модулем 10 мм – в механизмах поворота плавучих кранов грузоподъемностью 500 т Севастопольского морского завода; в механизмах хода грузоподемных кранов завода Сибтяжмаш [ 5 ] .
Богатейшая и разнообразнейшая практика применения рассматриваемого исходного РТМ и более чем достаточно длинный временной период, отпущеный коньюктурой замедленого темпа потребления этого типапередач общим машиностроением, содействовали вызреванию и развитию номенклатуры передач. Для целей предельно возможного технического уровня решения преобразовательного механизма с жертвой унификационной широты были предусмотрены в осевом измерении 4 градации ширины зубчатых колес рядов : от плоской шириной 8 модулей зацепления, до широкой 32 модуля, а в другом, радиальном 4 серии крупности зубьев : 48 у корон тяжелой серии, 96 – основной, 136 – легкой и, наконец, 196 – мелкой серии при равенстве их диаметров и присоединительных размеров. Это имеет полную аналогию с развитием номенклатуры пропорций подшипников качения.
Выбор базового числа зубьев короны равным 96 произведен по произведению критериев наибольшего приближения к ряду R 10 передаточных чисел размещаемых в ней передач и возможности размещения наибольшего допускаемого соседством числа сателлитов, а также согласуемостью с диаметрами расположения отверстий стандартизованыых фланцев электромоторов, как доминирующей по распостранению компоненты приводов.
Крайние серии предназначены для применения в экстримальных технических случаях. Например, мелкая серия модуля 4 мм была использована для приводов винта вертолета диаметром 21 м мощностью 1 000 кВт в гиганских вентиляторах для проветривания глубоких карьеров. Сферическо—опорная упругая установка сателлитов на сдвоеных подшипниках по а.с. № 693077 обеспечивает приемлимую неравномерность распределения нагрузки на длине зуба до 50-ти модулей и такие передачи оказались значительно компактнее даже авиационных.
Весь накопленый опыт выполненых в металле более 250-ти разнообразных планетарных передач с модулями от 1 до 20 мм на мощности от 1,0 до 3 000 кВт, которым не обладает ни одно отечественное предприятие, а также развитая номенклатура исполнений, систематизированы в инженерно – конструкторском справочнике – атласе автора ИКМ—98 .
Междкнародная стандартизация установочных размеров подшипников качения создала условия их индустриального крупносерийного специализированного производства и подъема качества этого продукта таким путем до предельного уровня. На текущем этапе машиностроения такой «пищей» индустрии со всеми плодами для потребителей выступают и остаются планетарные передачи общего назначения, способные питать новые промышленные производства вместо стихии неоправданного разорительного множества разрозненых изготовителей. На базе их стандартизации могут также расширить свое произвадство и подшипниковые заводы. Такая стандартизация приближает время, когда производство передач не специализированными заводами станет так же убыточным и примитивным, как ныне подшипников качения.
Для этого, в первую очередь, должен быть принят международный стандарт на присоединительные разиеры, который обеспечит взаимозаменяемость встраеваемых модульных планетарных передач различных изготовителей. Возможно и самостоятельное выдвижение на эту роль наиболее расторопной крупной фирмы, если ее конструкция не будет содержать никаких излишеств, т.е. станет предельной, канонической, каковой и являются приведенные выше передачи и апробированая четвертью века система их номенклатуры и размеров.
Такое свершение сделает еще один шаг к углублению международного разделения труда и подъему индустриальности машиностроения, сокращающие общие затраты труда на планете.
Планетарные передачи станут содействовать планетарному машиностроению.
Список литературы:
1.Руководящий материал РТМ 24. 179.03-72. Передачи зубчатые планетарные секционные. Конструкция, размеры. Москва, НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1973.
2.Кауфман М.С. Опыт эксплуатации, совершенствование конструкции и развитие номенклатуры типоразмерного ряда встраиваемых планетарных передач. Сборник трудов НИПИГОРМАШ. ГОРНЫЕ МАШИНЫ №20, Свердловск, 1991.
3.Тезисы докладов научно—технической конференции. Конструкция, расчет и производство планетарных передач. Свердловск, 1976.
4.Кауфман М.С. Механизм движения и торможения. Сборник. Грани творчества. Свердловск. Средне—Уральское изд. 1989.
5.Кауфман М.С. Мой путь – конструирование. Екатеринбург. Изд. Штерн, 1996.
Стандартизируемые монтажные размеры типоразмерного ряда встраиваемых секционных планетарных передач с узлом выходного фланца.
Источник: Журнал ТПА