РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ КОНФИГУРАЦИИ ПРИВОДА С ЧЕРВЯЧНОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ

В настоящее время, в условиях рыночной экономики и как следствие конкуренции производители заинтересованы в сокращении себестоимости продукции и времени на разработку конструкторской документации. Для предприятия, на котором работают авторы, данная проблема особенно актуальна, так как производство на ОАО «Тяжмаш», в основном единичное и многие изделия являются уникальными. Среди производимых изделий есть и приводы с червячной передачей. Они применяются для обеспечения работы подъёмно-транспортных машин: конвейеров, кранов, а также для функционирования мельниц. Авторами в работе рассматриваются двухступенчатые червячно-цилиндрические и цилиндро-червячные редукторы, ввиду уникальных свойств червячной передачи, главные из которых — большие передаточные числа и свойство самоторможения [1—3].

При проектировании, изготовлении и обслуживании двухступенчатого редуктора с червячной передачей конструктор сталкивается с рядом проблем, от способа решения которых зависит качество работы передаточного механизма:

·     червячные редукторы наиболее сложны по сборке и демонтажу;

·     трудность подбора стандартных передаточных отношений;

·     обеспечения оптимальной картерной смазки зацепления: при любых нарушениях процессов смазки резко сокращается ресурс работы передачи;

·     трудоемкость процесса проектирования: конфигурация привода, наиболее полно отвечающая требованиям, получается после многократного выполнения расчета.

Выявив стоящие перед конструкторами проблемы при проектировании приводов с червячной передачей, определили цель работы: разработка программного продукта для расчета и определения оптимальной конфигурации привода с червячной передачей, позволяющая снизить до минимума время на расчет основных параметров привода и выбрать наиболее оптимальную конфигурацию.

Для достижения цели был решен ряд задач:

·     поиск и изучение программ-аналогов, выявление их преимуществ и недостатков;

·     определение наиболее важных критериев оптимизации для отбора удачных конфигураций;

·     разработка программного продукта для расчета редуктора и реализация в нем элемента перебора множества различных вариантов параметров привода, что позволяет учесть все возможные конфигурации проектируемого редуктора.

Сейчас конструкторы для сокращения времени на проектирование редукторов используют традиционные методики, которые не гарантируют того, что конфигурация полученного привода будет наиболее полно отвечать требованиях конкретной машины. Механизм проектирования и оптимизации червячно-цилиндрических и цилиндро-червячных редукторов на ОАО «Тяжмаш» покажем на примере вспомогательного привода для мельницы мокрого самоизмельчения. Данный тип мельницы предназначен для размола руд черных и цветных металлов алмазо- и золотосодержащих руд, а также сырьевых материалов в промышленности и строительных материалов. После заключения контракта в бюро рудоразмольного оборудования поступает техническое задание, в котором указываются основные параметры мельницы: число оборотов барабана и габаритные размеры. Под расчетную мощность бюро электрооборудования и автоматики машин подбирает соответствующий двигатель. На основании расчета, проведенного конструктором, определяются характеристики привода:

·     тип редуктора;

·     число оборотов (частота вращения барабана мельницы);

·     мощность электродвигателя главного привода и частота вращения его вала;

·     крутящий момент на валу приводной шестерни;

·     модуль, угол наклона зубьев (при косозубой передаче);

·     количество зубьев шестерни, зубчатого венца.

Затем данные направляются в бюро редукторов, где в последующем и компонуется редуктор по каталогу типовых схем или с использованием программного обеспечения. Процесс проектирования привода занимает много времени, при этом необходимо постоянное взаимодействие бюро редукторов и бюро рудоразмольного оборудования. Наиболее эффективным методом сокращения времени на разработку конструкторской документации является автоматизация работы, поэтому необходимо изучить программы, используемые в качестве инструмента при проектировании привода.

В качестве программ–аналогов рассматривались:

·     программа «Редуктор», которая предназначена для геометрического и прочностного расчета зубчатых конических и цилиндрических передач внутреннего и внешнего зацепления с автоматическим подбором зуборезного инструмента. Основной недостаток программного продукта: отсутствует подбор двигателя;

·     программа «DM-Monster 3D», которая предназначена для расчета различных типов редукторов. Все схемы в программе формируются путём компоновки валов. «DM-Monster 3D» позволяет получить трёхмерные компоновку и детали привода в Компасе, а также таблицы результатов расчётов. Основной недостаток программного продукта: значение определенных параметров не соответствуют государственным стандартам;

·     программа «Редуктор-2D V1.7», которая предназначена для проектного расчета приводов машин, состоящих из двигателя, муфты, передачи гибкой связью и одноступенчатого редуктора, и построения в программе «КОМПАС-График» чертежа общего вида редуктора, который входит в рассчитанный привод. Программа позволяет рассчитывать различные схемы приводов, которые представляют собой всевозможные комбинации передач гибкой связью (ременной, клиноременной или цепной) с одноступенчатым редуктором (цилиндрическим, коническим или червячным). Основной недостаток программного продукта: ограниченное количество ступеней редуктора;

·     программная среда «KISSsoft/KISSsys», которая предоставляет возможность проектирования расчета редукторов на основе выходных значений мощности и оборотов вала привода. Данная программа позволяет проектировать валы, подшипники, соединительные элементы, пружины и приводные ремни. Основной недостаток программной среды: отсутствие подбора двигателя;

·     ряд пользовательских приложений на базе VBA, которые предназначены для расчета геометрии и прочности зубчатых передач. Основной недостаток приложений: не обеспечивают соответствия полученных результатов государственным стандартам.

Проведенный анализ программ-аналогов выявил актуальность разработки нового программного продукта, удовлетворяющего требованиям ОАО «Тяжмаш».

Программа, разработанная авторами, написана на языке Delphi. В процессе расчета ядро программы обращается к базе данных, содержащих информацию об основных параметрах привода, значения которых в свою очередь соответствуют государственным стандартам.

Исходными данными для расчета редуктора являются:

·     тип редуктора (червячно-цилиндрический либо цилиндро-червячный);

·     требуемая мощность на выходном валу ;

·     требуемая частота вращения выходного вала ;

·     значения допускаемого контактного напряжения, определяемые материалами колес быстроходной и тихоходной передач .

В описываемой версии программного продукта выбор оптимального привода производится с учетом следующих рабочих параметров:

·     разность глубин погружения колес в масляную ванну;

·     металлоемкость;

·     стоимость изготовления;

·     частота вращения вала электродвигателя;

·     разность между рабочей температурой редуктора и температурой окружающей среды.

После ввода исходных данных запускается процедура расчета, последовательность которого изложена ниже.

Первым этапом расчета привода является подбор двигателя. С учетом минимального и максимального КПД редуктора производится подбор электродвигателей. При этом следует отметить, что уже на первом этапе происходит разветвление расчета, так как параллельно ведется расчет нескольких конфигураций привода, что связано с тем, что для каждого электродвигателя, а в соответствии с частотой вращения выходного вала подбираются передаточные отношения, обеспечивающие требуемые выходные параметры привода.

Далее на основе каждой найденной пары передаточных отношений производится расчет быстроходной и тихоходной передач редуктора. При этом варьируется большое количество параметров редуктора: модуль зацепления, коэффициент зацепления червяка, коэффициент ширины зубчатого венца, угол наклона зубьев. При этом результаты, не удовлетворяющие рекомендациям

Рисунок 1. Блок-схема алгоритма программы

при проектировании приводов, отсеиваются. Так, например, оценивается скорость скольжения червячной передачи, окружная скорость цилиндрической и т. д. В итоге получаем большее количество конфигураций приводов, позволяющих получить заданные выходные параметры. Блок-схема данного алгоритма представлена на рис. 1.

На основе полученных результатов можно отследить определенные зависимости параметров привода. Динамика изменений некоторых параметров показана на рис. 2—4.

Рисунок 2. Зависимость разницы глубины погружения с передаточным числом цилиндрической передачи

На данном графике видно, что с увеличением передаточного числа цилиндрической ступени происходит колебание разницы глубины погружения, что в свою очередь свидетельствует о потенциальных проблемах обеспечения картерной смазки.

Рисунок 3. Зависимость объёма передач от частоты вращения электродвигателя

На данном графике видно, что использование быстроходных двигателей не всегда приводит к увеличению объема зубчатых передач. С помощью данной зависимости можно определить наиболее компактный и дешевый высокоскоростной двигатель, удовлетворяющий требованиям заказчика.

Рисунок 4. Зависимость рабочей температуры редуктора от разницы глубины погружения

На данном графике видно, что с увеличением разницы глубины погружения температура редуктора снижается, так как происходит увеличение площади теплоотдающей поверхности.

Перейдем к интерфейсу программы, который показан на рис. 5. Программный продукт находится на начальной стадии разработки, поэтому интерфейс достаточно примитивен. Он состоит из окна ввода начальных параметров. Внизу находится отсортированный список конфигураций привода, удовлетворяющих критериям оптимальности.

Рисунок 5. Интерфейс программного продукта

После того, как сформирован список приводов, удовлетворяющих критериям оптимизации, к работе приступает непосредственно сам конструктор, анализируя полученный перечень результатов в соответствии с требованиями заказчика. Таким образом, программный продукт является удобным помощником при выборе привода с оптимальной конфигурацией.

Выводы.

В результате работы были изучены программы-аналоги, определены наиболее важные критерии оптимизации, обеспечивающие подбор привода. В конечном итоге разработана программа для расчета и определения оптимальной конфигурации привода с червячной передачей. Планируется дальнейшая разработка программы, а именно создание программного комплекса по расчету различных кинематических схем редукторов, включающих: расчет многоступенчатых редукторов, подбор подшипников и построение программой эскизной компоновки.

Список литературы:
1.    Дунаев П.Ф. Конструирование узлов и деталей машин/ П.Ф. Дунаев, О.П. Леликов. — М.: Академия, 2006. — 496 с.
2.    Снегирев Г.А. Методические основы конструирования редукторов / Г.А. Снегирев. — М.: «Машиностроение»,1974.
3.    Чернавский С.А. Курсовое проектирование деталей машин/ С.А. Чернавский, К.Н. Боков, И.М. Чернин. — М.: Альянс, 2005. — 416 с.