CC BY
153
------------------------------------- © В.В. Аксенов, В.Ю. Тимофеев,
М.Ю. Блащук, А.Б. Ефременков,
2010
УДК 622.002.5
В.В. Аксенов, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук,
А.Б. Ефременков
ОБЗОР ВОЛНОВЫХ ПЕРЕДАЧ ВОЗМОЖНЫХ К ПРИМЕНЕНИЮ В ТРАНСМИССИИ ГЕОХОДА
Предложена схема применения волновой передачи с промежуточными телами качении в качестве трансмиссии геохода.
Ключевые слова: геоход, геосреда, гидроцилиндры, волновые передачи.
Геоход - это аппарат, движущийся в подземном пространстве с использованием геосреды [1]. Геоходы представляют собой новый класс горнопроходческой техники, и является базовым элементом геовинчестерной технологии. Геовинчестерная технология рассматривает проходку горных выработок как процесс движения твердого тела в твердой среде. В данном случае твердым телом является геоход, а твердой средой — геосреда (приконтурный массив пород) [2].
Перемещение проходческих машин, будь то комбайнов или проходческих щитов, происходит с применением трансмиссии. Для проходческого комбайна это коробка скоростей гусеничного привода, для проходческого щита — распорные устройства. Как и в любом другом проходческом агрегате, в геоходе для обеспечения требуемого усилия на внешнем движителе используется устройство для преобразования энергии от силовой установки и передачи его на внешний движитель — трансмиссия. Необходимо отметить, что трансмиссии, изначально были разработаны для машин и агрегатов, выполняющих различные строительные и землеройные работы на поверхности, т.е. предназначены для работы на поверхности контакта твердой и воздушной сред. Принцип же работы геохода имеет принципиальное отличие, состоящее в том, что он использует для продвижения саму геосреду. При это основная нагрузка при создании усилия тяги и напорных усилий на исполнительном органе приходится на трансмиссию проходческого агрегата, так как именно трансмиссией определяется силовые параметры геохода и скорость его продвижения в геосреде. Поэтому особое значение приобретают вопросы,
связанные с разработкой конструкции трансмиссии геохода и определением ее технико-эксплуатационных параметров.
В экспериментальных образцах роль трансмиссии геоходов выполняют гидроцилиндры. Гидроцилиндры использовались как для придания вращательного движения геохода, так и для поступательного движения. Гидроцилиндры вращения располагались по хордам окружности, гидроцилиндры перемещения - параллельно оси геохода. Применение гидроцилиндров в качестве трансмиссии наряду с преимуществами (большой крутящий момент, незагромо-жденность призабойного пространства) имеет существенные недостатки, такие как сложность синхронизации срабатывания всех гидроцилиндров, цикличность продвижения геохода, скручивание рукавов высокого давления в процессе вращения головной секции, возможность перекоса штока и поршня в цилиндре вследствие продвижения вперед головной секции, что приводит к их заклиниванию либо поломкам. Данные недостатки, а также новизна конструкции геохода обуславливает необходимость разработки различных вариантов трансмиссии геохода для создания адаптивной конструкции способной передавать большие по величине вращательные моменты и обеспечивать непрерывность движения самого геохода.
В настоящее время ведутся работы по созданию нового поколения геоходов, в связи с этим существует необходимость в разработке новой трансмиссии, отвечающей новым требованиям [3]. Авторами предлагается рассмотреть вариант замены гидроцилиндров в трансмиссии геохода на механическую передачу. В ходе анализа требований представляются возможными следующие пути их реализации:
- для обеспечения большого крутящего момента в качестве трансмиссии необходимо использовать приводы и передачи с высокой нагрузочной способностью;
- для обеспечения необходимого пространства для удаления отделенной породы необходимо рассматривать варианты конструктивного расположения трансмиссии как можно ближе к периферии оболочки геохода, т.к. по центру необходимо расположить устройство для удаления отделенной породы;
- конструкцией трансмиссии должно обеспечиваться непрерывность подачи на забой и обеспечение маневренности.
Проанализировав различные механические передачи, особо рассмотрим волновые передачи с промежуточными телами качения, как наиболее оптимальные по силовым и конструктивным параметрам, и отвечающим новым требованиям к геоходу.
Основными преимуществами волновых передач, по сравнению с зубчатыми, являются: высокое передаточное число, высокие крутящие моменты на выходном звене, большие перегрузочные резервы и высокая жесткость кинематических звеньев, компактность, высокий КПД, малый момент инерции, высокий уровень динамичности, высокая надежность и продолжительный срок службы, а также возможность конструктивного расположения самой трансмиссии ближе к оболочке геохода. Изучив и проанализировав патентную и техническую литературу можно прийти к выводу, что в последнее время волновые передачи активно исследуются и развиваются. Первые механизмы с таким зацеплением появились в патентной информации еще в начале прошлого века [4, 5], однако практического применения и широкого распространения в технике тех лет не получили. Очевидно, что это связано с тем, что до последнего времени не было технологий изготовления зубчатых профилей (или дорожек качения) сложной формы удовлетворительного качества. С появлением новых технологий металлообработки практический интерес к зацеплению с промежуточными телами качения возрос, что объясняется их более высокой эффективностью, чем традиционные зубчатые передачи в целом ряде областей применения. Эти изобретения появились в США в тридцатых годах прошлого века, и практически ничем не отличаются от современных аналогичных схем. На рис. 1 и 2 представлены схемы передач.
На рис. 1 и 2 передающий узел состоит из трех охватывающих друг друга звеньев. Наружное 1 и внутреннее 2 (на рис. 2 кольцо 2 отсутствует) звенья имеют на обращенных друг к другу цилиндрических поверхностях кулачковые периодические поверхности 3 и 4 (на рис. 2 поверхность 4 - гладкая цилиндрическая) с радиальным направлением кулачка (зуба). Между ними расположено водило-сепаратор 5 с телами качения 6 в прорезях. Телами качения, в данном случае, служат ролики. На рис. 2 передача с разделенной схемой передачи, в которой для уменьшения трения эксцентрик взаимодействует с телами
/Н
Рис. 1. Схема передачи
г
Рис. 2. Схема передачи
<? 3 4
7Т\
ы
ап
качения 6 через плавающую шайбу 8, которая опирается на гладкие колеса 7.
Волновые передачи получили свое дальнейшее развитие в восьмидесятых годах прошлого века. В СССР это работы Томской организации «Технотрон» [6, 7, 8, 9, 10, 11], МВТУ им. Баумана [12, 13]. Аналогичные изобретения появились в США [14, 15, 16], Германии [17, 18], Японии [19, 20]. Передачи «Технотрона», в основном усовершенствуют простую трехзвенную схему (рис. 3).
Входным звеном служит эксцентриковый кулачок 1. Цилиндрическое водило 2, в продольных прорезях которого расположены тела качения 3, служит выходным звеном. Третьим звеном передачи является центральное неподвижное зубчатое колесо внутреннего зацепления 4, соединенное с корпусом передачи [11]. Полный оборот эксцентрика 1 вызывает поворот водила 2 на один шаг зубчатого колеса 4. Передаточное число определяемое числом зубьев колеса 4, которое на единицу отличается от числа тел качения 3. Здесь уместно отметить, что в терминах предложенной нами классификации эксцентриковый кулачок 1 является волновым генератором, водило 2 - сепаратором. Передача, построенная по такой схеме, обладает всеми преимуществами традиционной волновой зубчатой передачи. Кроме того, она лишена её основного недостатка - потерь энергии на деформацию гибкого колеса и на трение между зубьями. Однако у неё имеется и существенный недостаток, особенно проявляющий себя в высоко моментальных передачах с телами качения и эксцентриками больших размеров, а именно -неуравновешенность масс, и связанный с этим шум, биения и повышенный износ. Для повышения передаваемого момента передачу выполняет многорядной [17, 19], при этом для улучшения балансировки эксцентрики в рядах сдвигают по фазе (рис. 4), для увеличения передаточного отношения - двухступенчатой [18]. Второй недостаток простых передач с промежуточными телами качения - это наличие трения скольжения между телами качения и поверхностями взаимодействующих с ними трех звеньев. Особенно важно уменьшить трение о стенки сепаратора, т. к. он является наиболее слабым по прочности звеном. Известно несколько приемов такого уменьшения. В одних из них изменяют конструкцию сепаратора, а в других видоизменяют тела качения.
Рис. 5. Схема передачи
В передаче [19] (см. рис. 5) водило - сепаратор представляет собой два кольца З, между которыми в шарнирах 6 смонтированы роликовые тела качения І. Так же имеется конструкция, в которой на одном шарнире расположено два ролика. Один из них взаимодействует с эксцентриком волнового генератора, а другой - с периодической дорожкой качения, за счет чего уменьшается трение тел качения с каждым из трех взаимодействующих звеньев.
В передаче [11] для уменьшения трения тел качения о сепаратор они выполнены в виде роликов І, показанных на рис. 5, б. На роликах І через тела качения 2 посажены кольца 3. Крайние кольца взаимодействуют с пазами 4 двух дисков З, образующих водило - сепаратор, а среднее кольцо З - с зубчатым венцом неподвижного центрального колеса (на рисунке не показано).
Аналогично, уменьшено трение в патенте [14], а также в одном из изобретений американской фирмы Synkinetics Inc. [21], схема которого приведена на рис. б. Ролики представляют собой оси І, на которых свободно вращаются кольца 2, З и 4. Ролики размещены в прорезях обоймы сепаратора З. Крайние кольца 2 и 4 роликов взаимодействуют с периодическими поверхностями волнового генератора б и радиальными прорезями в сепараторе З, а среднее кольцо З взаимодействует с зубчатым колесом 7 внутреннего зацепления. Новым в патенте является конструктивное оформление передающего узла.
Рис. 6. Схема передачи
Все звенья передачи выполнены в виде охватывающих друг друга обойм, связанных подшипниками 8, образуя единый узел наподобие подшипникового узла. Любая из обойм 5, 6 или 7 может служить корпусом, входным или выходным валом.
Все вышеперечисленные волновые передачи используют одноволновой генератор, который представляет собой обычный эксцентрик. Поэтому только часть только часть тел качения одновременно участвует в передаче момента вращения. Увеличение числа периодов дорожки волнового генератора, увеличивает число тел качения, находящихся в зацеплении и уменьшает дисбаланс передающего узла. Для этого заменили одноволновой генератор многоволновым. Многоволновой генератор используется как в простых схемах (разделенных и неразделенных), так и в двухзвенных схемах с плавающей шайбой. В патентах [4, 22, 20, 23, 24, 25] приведены конструкции простых передач с многоволновыми генераторами. В передачах такого типа значительно уменьшен дисбаланс масс, но и меньше передаточное отношение.
Дальнейшее развитие волновая передача получила в изобретении волнового генератора с плавающей шайбой. Трение тел качения об эксцентрик волнового генератора уменьшают, вынося до-
рожку качения на отдельное, свободно вращающееся на эксцентрике, звено [10, 12, 13, 14]. Схема передачи показана на рис. 7. На эксцентрике 1 на подшипниках 2 установлено кольцо 3. Кольцо воздействует на тела качения 4, размещенные в прорезях сепаратора 5, и являющегося плавающей шайбой. Выходным элементом и неподвижным звеном в разных патентах являются либо водило - сепаратор 5, либо колесо 6 с зубчатым венцом 7 внутреннего зацепления. Такая схема, уменьшая трение тел качения о кулачковую поверхность волнового генератора, увеличивает дисбаланс масс.
В передаче [14] для уменьшения трения тела качения выполнены в виде роликов с кольцами для взаимодействия с зубчатым профилем центрального колеса. Один из вариантов этого изобретения представляет собой двухрядную передачу с противофазными эксцентриками, которые уменьшают дисбаланс масс. В патенте [26] используют тот же принцип плавающих в проти-вофазе шайб, каждая из которых взаимодействует с рядом толкателей в радиальных прорезях сепаратора. Толкатели снабжены роликами для взаимодействия с эксцентриком и зубчатым венцом. Конструктивно эта передача оформлена в модульном блоке в виде подшипника. Ее основной недостаток - большое трение вставок о прорези сепаратора. Это трение уменьшают в передаче
[27] тем, что в прорезях сепаратора скользят сухари, а ролики -цевки с цапфами вращаются в отверстиях сухарей. В патенте
[28] сухари выполнены в виде колец, что еще больше уменьшает трение.
Кинематическая схема передаточного механизма с промежуточными звеньями [29], изображенная на рис. 8, отличается только взаимным расположением волнового генератора и зубчатого колеса. Волновой генератор представляет собой три эксцентричных ролика 1 , эксцентрично смещенных относительно оси передачи (точки О). Ролики 1 взаимодействуют с наружной поверхностью нажимного кольца 2, являющегося плавающей шайбой. Внутренняя поверхность нажимного кольца 2 взаимодействует с цепочкой тел качения 3, размещенных в прорезях неподвижного сепаратора 4. С другой стороны тела качения 3 взаимодействуют с зубчатым колесом 5 внешнего зацепления, являющегося выходным валом.
Рис. 7. Схема передачи
1 5
Рис. 8. Схема передачи
Таким образом, схема передачи является обращенной, волновой генератор расположен снаружи, а зубчатый профиль -внутри. Такая же схема приведена в патенте [16].
Следующим шагом в направлении уменьшения трения и увеличения диапазона передаточных отношений являются передачи с двухзвенным передающим узлом (см. рис. 9). Многоволновой генератор представляет собой плавающую шайбу 4, на боковой поверхности которой выполнена периодическая поверхность 3 [30, 31].
Планетарное движение шайбы 4 обеспечивают эксцентрик 7 и подшипник 8. Цепочка тел качения 1 взаимодействует с зубчатым венцом 3 плавающей шайбы 4 и с зубчатым венцом 5 центрального колеса 6. В результате этого взаимодействия плавающая шайба 4 кроме орбитального движения начинает вращаться вокруг собственной оси вращения. Таким образом, основная особенность передачи состоит в том, что промежуточные тела качения взаимодействуют лишь с двумя звеньями, причем одно из них - плавающая шайба имеет возможность совершать два независимых движения: планетарное и вращение вокруг собственной оси.
В отличие от простых пре-
образователей скорости в данной схеме отпадает необходимость в силовом сепараторе, т. к. плавающая шайба выполняет одновременно функцию двух звеньев: ее плоскопараллельное (планетарное) движение вызывается быстроходным валом, а во вращательном движении она связана с корпусом или выходным валом, а во вращательном движение она связана с корпусом или выходным валом механизмом передачи вращения между параллельными валами. Если сепаратор и присутствует в некоторых конструкциях (как он показан на рис. 9), то он не несет, сколько ни будь, существенных нагрузок. Функция сепаратора сводится к позиционированию углового положения тел качения и предотвращению их смещению друг относительно друга при совпадении вершин обеих периодических дорожек. Однако, в схемах с плавающей шайбой необходим дополнительный механизм, приводящий вращение плавающей шайбы к общей оси преобразователя. На рис. 9 [31] это механизм параллельных кривошипов, который представляет собой закрепленные в корпусе 9 пальцы 10, по которым обкатываются отверстия 11 в плавающей шайбе 4. Благодаря этому механизму шайба 4 не может вращаться, т.е. выполняет одновременно роль волнового генератора и опорного звена. С тихоходным валом 12 связано центральное колесо 6 с периодической кулачковой поверхностью 5. Сепаратором 2 является гибкая связь между телами качения. Однако в передачах с плавающей шайбой имеется недостаток: значительно увеличен дисбаланс масс, по сравнению с передачами, в которых волновым генератором является зубчатое колесо наружного зацепления, который устраняется различными способами, суть которых сводиться к уравновешиванию дисбаланса шайбы.
Обобщая вышеперечисленные передачи приходим к выводу, что передающие узлы, в которых тела качения взаимодействуют с дорожками только двух звеньев, имеют принципиальную возможность реализовать условие «чистого качения», т.е. движение тел качения относительно обеих кулачковых поверхностей без проскальзывания.
Таким образом, класс радиальных цилиндрических передач имеет следующие основные недостатки. Во-первых, асимметричная по массе нагрузка на валу вызывает биения и шум или требует применения дополнительных мер балансировки. Во-вторых, износ или неточность изготовления деталей сопровождается появлением радиальных люфтов, компенсация которых является сложной про-
блемой. Обнаружено только одно изобретение [6], в котором предпринята попытка компенсации радиальных зазоров за счет выполнения одного из звеньев в форме конуса, подвижного в осевом направлении. Третьим серьезным недостатком радиальных цилиндрических передач является технологическая сложность изготовления периодических дорожек качения на внутренних цилиндрических поверхностях.
После анализа возможности размещения и кинематической увязки редуктора внутри геохода и была предложена схема применения волновой передачи с промежуточными телами качении в качестве трансмиссии геохода. Основная идея заключается в использовании волновой передачи с двумя генераторами волн, которые имеют смещение в противоположные стороны (для снижения дисбаланса). На внутренней поверхности головной секции геохода размещают два зубчатых венца с числом зубьев венца на единицу больше числа шариков. A неподвижный сепаратор жестко соединен с концевой секцией геохода, которая неподвижна и удерживается от реактивного проворота стрингерами концевой секции.
Преимущества данной схемы привода следующие: заменяется гидравлический привод на механическую передачу, хотя это и приводит к снижению крутящего момента, но для агрегатов небольшого диаметра нагрузочной способности волновой передачи будет вполне достаточно. Также к положительным сторонам можно отнести снижение металлоемкости агрегата, большая надежность механической передачи.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Экспертная оценка влияния особенностей нового класса горнопроходческой техники на методику расчета его параметров В.Ф. Горбунов, В.В. Aксенов, В.Ю. Садовец. Вестник КузГТУ - 2004. - №6.1. - С.43-45.
2. Геовинчестерная технология и геоходы - наукоемкий и инновационный подход к освоению недр и формирования подземного пространства // В.В. Aксе-нов, A^. Ефременков. «Уголь». - 2009. - №2. С. 26-29.
3. Разработка требований к трансмиссии геохода В.В. Aксенов, A^. Ефременков, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев. Инновационные технологии и экономика в машиностроении: Труды VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - ЮТИ ТПУ, Юрга: Изд. ТПУ, 2008. - 479 с. С. 414417.
4. US 1.689.285. Differential gear for propelled vehicles. H. Knab, 1928.
5. US 1.738.662. Ball transmission. G.S. Morison, 1929.
6. SU 1716227 МКИ F16H1/00 Передача с промежуточными звеньями. С.И. Бакалов и др., 1992.
7. SU 1765578 МКИ F16H25/04 Передача с промежуточными звеньями Б.Г. Хохряков, С.И. Бакалов, А.Е. Брезгин,1990.
8. RU 2029168 МКИ F16H1/00, F16H25/06 Передача с промежуточными звеньями А.Е. Брезгин, Э.Н. Панкратов, 1995.
9. RU 2029167 МКИ F16H1/00, F16H25/06 Передача с промежуточными звеньями Э.Н. Панкратов, 1995.
10. RU 2029172 МКИ F16H1/32 Передача с промежуточными звеньями С.И. Бакалов. Б.Г. Хохряков, А.И. Терещенко, 1995.
11. RU 2124154 МКИ F16H1/00, F16H25/06 Передача с промежуточными звеньями Э.Н. Панкратов,1998.
12. SU 1477964 МКИ F16H1/32, F16D3/02 Планетарная передача. Е.А. Де-улин, С.Г. Демидов. 1989.
13. SU 1642144 МКИ F16H1/32. 25/04 Планетарная передача. С.Г. Демидов.
1991.
14. US 5.989.144 Oscillatory roller transmission. Chen Zhi. Chen Bo, Chen Shixian, 1999.
15. US 6.186.922 In-line transmission with counter-rotating output Bursal, Folino, Maslow, 2001.
16. US 6.039.672 Modified-cam speed converter. Bursal, 2000.
17. DE 19722399 Al МКИ F16H25/06, F16H1/32 Цилиндрическая ступенчатая планетарная передача. Rudolf Braren, 1998.
18. WO 01/11269. PCT/DE00/02674 Zykloidengetriebe. RudolfBraren, 2001.
19. EP0168152 Transmission apparatus. Ando Shimon (JP), 1987.
20. US 5.183.443 Speed reducer. Murakami et al. 1993.
21. US 6.314.826 Nested speed converter bearing apparatus. Cunningham. Folino,
2001.
22. US 1.946.358 Articulated differential gear. F. Porsche et al, 1934.
23. SU 1539431 Волновая передача. В.В. Петросов, СВ. Петросова, Г.В. Петросов, 1990.
24. US 5.989.145 In-line speed converter with low parts counts. Bursal, et al,
1999.
25. US 2.700.310 Power transmitting device. C.H. Viebrock et al. 1955.
26. US 4.736.654 Transmitting unit. Zhu S. Ren, China.
27. SU 1877186 Планетарная передача. М.П. Марутян, Е.И. Федорин, СП. Кравчук, 1985.
28. SU 1420275 Планетарная передача. М.П. Марутян и др. 1987.
29. RU 2094676 МКИ F16H1/32 Передаточный механизм с промежуточными звеньями. И.И. Лисицкий, О.С. Васильев, 1997.
30. Заявка на патент RU 99127942 МКИ F16H 25/08 Передача с промежуточными звеньями. Э.Н. Панкратов. Е.А. Ефременков, Ан И-Кан. 2001.
31. US 4.023.440 Motion transmitting devices. Kennington. et al., 1977. ЕШ
— Коротко об авторах ----------------------------------------------
Аксенов В.В. - д-р т. н., заместитель директора Институт угля и углехи-мии СО PAH,
Тимофеев В.Ю. -ЮТИ ТПУ,
Блащук М.Ю. - ст. преподаватель,
Ефременков А.Б. - к.т.н.,
Юргинский технологический институт ТПУ, г. Юрга
ТЧ8
