Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
Общая характеристика работы

Восточноукраинский национальный университет

Кучма Юрий Владимирович

УДК 621.83

Повышение технического уровня зубчатых конических передач Новикова НА ОСНОВЕ многокритериальной оптимизации

Специальность 05.02.02 машиноведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Луганск 2001

Актуальность темы

Работа выполнена в Восточноукраинском национальном университете Министерства образования и науки Украины.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Грибанов Виктор Михайлович,
Восточноукраинский национальный университет,
заведующий кафедрой "Прикладная математика"

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент
Носко Павел Леонидович,
Восточноукраинский национальный университет,
профессор кафедры "Машиноведение"

кандидат технических наук, доцент,
Полетучий Александр Иванович,
Национальный аэрокосмический университет
им. М.Е. Жуковского "ХАИ",
доцент кафедры проектирования самолетов и вертолетов

Ведущая организация Национальный технический университет "ХПИ", кафедра "Детали машин и прикладная механика», Министерство образования и науки Украины,. Харьков.

Защита состоится "_3 _" _ июля _2001 г. В _10_ часов на заседании диссертационного совета Д 29.051.03 Восточноукраинского национального университета по адресу:

91034, м. Луганськ, кв. Молодежный, 20 а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточноукраинского национального университета по адресу:

91034, м. Луганськ, кв. Молодежный, 20 а

Автореферат разослан "_30_" _червня_ 2001 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета ____________ Осенин Ю.И.

Общая характеристика работы

Зубчатые передачи, входящих в конструкцию большинства станков, транспортных машин, энергетических установок, приборов и мнех других изделий, в значительной степени определяют массу, габаритные размеры, долговечность, надежность и конкурентоспособность этих изделий. Поэтому улучшение эксплуатационных и товарных характеристик зубчатых передач на стадии их проектирования и изготовления традиционно актуальной задачей.

Однако растущие требования к увеличению окружных скоростей, нагрузки и ресурса, к уменьшению габаритов и массы редукторов все меньше удовлетворяются традиционными передачами, которые не отвечают в ряде случаев требованиям рынка по таким показателям как единичная мощность, точность, уровень шумоизлучения, удельный материало- и энергоемкость, конкурентоспособность. При этом отсутствие достаточных резервов совершенствования традиционных зубчатых передач считается хорошо обоснованной теоретически и широко подтвержденной экспериментально.

Одним из наиболее реальных путей обеспечения дальнейшего прогресса в редукторостроении применение зацепления Новикова, что имеет, по сравнению с эвольвентным зацеплением, повышенную нагрузочную способность и улучшенные гидродинамические условия контакта зубьев.

Актуальность темы. Эксплуатационные характеристики зубчатых передач Новикова в значительной степени зависят от геометрии исходного инструментального контура и от точности их изготовления и монтажа.

В настоящее время в конических передачах Новикова применяются выходные контуры, разработанные для цилиндрических передач Новикова, однако в семидесятые годы было доказано, что выходные контуры цилиндрических передач не могут быть эффективно использованы в конических передачах. В связи с этим, синтез рационального выходного контура для зубчатых конических передач Новикова одна из главных задач, стоящих перед исследователями и производителями.

Значительное же отставание исследований по точности изготовления и монтажа зубчатых передач Новикова и отсутствие соответствующей нормативно-технической документации заставляют производителя подбирать самостоятельно на эмпирическом уровне контролируемые параметры и допуски зубчатых коническихх колес, передач и зуборезного инструмента. Это вторая актуальная задача, требующая решения.

Таким образом, тема диссертации является актуальной, так как работа посвящена решению двух упомянутых актуальных задач.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Исследование проводилось: на основе программы работ, ведущихся Луганским отделением Транспортной Академии Украины; по плану научно-исследовательских работ Восточноукраинского национального университета (СНУ; тема ГН-31-98) на основе программ научно-технического сотрудничества ВНУ с ПО "Луганский станкостроительный завод" (договор № НТС-П-12-99), ЗАО "Луганский машиностроительный завод им. А.Я. Пархоменко" (договор № НТС-П-10-00 ), АО "Ново-Краматорский машиностроительный завод" (договор № НТС-П-12-01 / 3).

Цель и задачи диссертации. Цель исследования - повышение технического уровня зубчатых конических передач Новикова на основе их многокритериальной оптимизации, включая синтез рациональных выходных контуров и разработку системы оптимальных допусков на точность изготовления и монтажа.

Задачи исследования:

- определения направления и методов решения задач многокритериальной оптимизации зубчатых конических передач Новикова;

- построение математической модели многокритериальной оптимизации зубчатых конических передач Новикова;

- многокритериальный синтез геометрии рационального выходного контура, учитывающий отличие конических передач от цилиндрических;

- многокритериальный сравнительный анализ зубчатых конических передач с различными исходными контурами

- численное исследование точности и разработка системы оптимальных допусков синтезированных зубчатых конических передач Новикова;

- экспериментальная проверка результатов теоретического исследования.

Объект исследования влияние геометрических параметров передачи зацеплением на ее эксплуатационные характеристики.

Предмет исследования зубчатые конические передачи Новикова.

Методы исследования метод прямого поиска Нелдера-Мида и метод Парето (при поиске экстремума целевой функции); общие методы теории зубчатых передач (при моделировании станочного и рабочего зацеплений) классические методы математического анализа и линейной алгебры (при построении и решении моделирующих систем уравнений) методы дифференциальной геометрии и теории поверхностей (при выводе аналитических выражений качественных показателей работоспособности синтезированных передач) методы теории вероятностей и теории упругости (при постановке и решении контактно-метрологической задачи и расчета надежности разработанной системы допусков) численные методы решения задач на ЭВМ; экспериментальные методы промышленных испытаний редукторов (согласно требованиям ГОСТ .410-87, ГОСТ 2Р15-4-87, ГОСТ 12.1.028-80 и ТУ 24.08.1264-82 к надежности, шумовых характеристик, суммарной пятна контакта, кинематической точности и плавности работы ).

Научная новизна полученных результатов. Впервые построена математическая модель многокритериальной оптимизации зубчатых конических передач Новикова позволила

- осуществить многокритериальный синтез геометрии рационального выходного контура конической передачи с заданными качественными характеристиками ее работоспособности;

- провести многокритериальный сравнительный анализ передач с различными исходными контурами с целью выявления контура, обеспечивает передачам наиболее высокие эксплуатационные характеристики;

- исследовать восприимчивость конических передач Новикова к погрешностям изготовления с целью уменьшения их негативного влияния на эксплуатационные характеристики передач.

На основе разработанной модели получила дальнейшее развитие научная задача создания собственных выходных контуров для зубчатых конических передач Новикова. Впервые предложен многокритериальный подход при синтезе выходных контуров зубчатых конических передач Новикова.

Практическое значение полученных результатов:

- разработаны практические методы многокритериальной оптимизации (синтеза и анализа), что позволилооляють (на стадии проектирования и изготовления) обеспечить зубчатым коническим передачам Новикова заданные качественные показатели работоспособности;

- синтезированные рациональные выходные контуры, обеспечивающие коническим передачам Новикова более высокие качественные показатели работоспособности по сравнению с известными выходными контурами

- рассчитаны допуски на точность изготовления конических передач Новикова с синтезированными выходными контурами, способствуют повышению технического уровня зубчатых передач и редукторов.

Диссертационные результаты используются при проектировании и производстве станков на ПО "Луганский станкостроительный завод" (акт внедрения по договору № НТС-П-12-99), при изготовлении редукторов КЦН-100М в ЗАО "Луганский машиностроительный завод им. А.Я . Пархоменко "(акт внедрения по договору № НТС-П-10-00), при изготовлении зубчатых передач в АО" Ново-Краматорский машиностроительный завод "(акт внедрения по договору № НТС-П-12-01 / 3).

Результаты исследования могут быть использованы проектными организациями, машино- и станкостроительными предприятиями при разработке технологии изготовления зубчатых конических передач Новикова, могут быть учтены при разработке геометрии выходных инструментальных контуров, норм точности и допусков зубчатых конических передач Новикова на уровне руководящих документов и стандартов.

Личный вклад соискателя:

q построение математической модели многокритериальной оптимизации зубчатых конических передач Новикова [1], [2], [3], [5], [6], [8], [11];

q многокритериальный синтез и сравнительный анализ геометрии выходных контуров формулирование выводов [2], [4], [5], [7], [12];

q численное исследование точности зубчатых конических передач Новикова с синтезированными выходными контурами [9], [10];

q расчет оптимальных допусков для зубчатых конических передач Новикова с синтезированными выходными контурами [10];

q разработка программ, реализующих математическую модель на ЭВМ [1], [6].

Апробация резальтаты диссертации. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку: на Международных научно-технических конференциях "Проблемы качества и долговечности зубчатых передач и редукторов" (1997, 1999, 2000 Севастополь) на V и VI Международных научно-практических конференциях «Университет и регион" (1999, 2000 & ndash Луганск) на научно-практической конференции "Промышленный транспорт: наука, производство, кадры" (1999 & ndash Луганск) на IX Международной научно-технической конференции "Проблемы развития рельсового транспорта" (1999 - Крым, Алушта) на I и II национальных научно-практических конференциях "Системный анализ и информационные технологии" (1999, 2000 - Киев) на городской межвузовской научно-практической конференции преподавателей, студентов и молодых ученых Житомирского инженерно-технологического института (2000 - Житомир) на научной конференции профессорско-преподавательского состава Восточноукраинского национального университета "Университет-2000" (2000 - Луганск) на совместном заседании кафедр "Машиноведение" и "Прикладная математика" ВНУ от 24 октября 2000 года.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 9 статей в научных журналах, 2 статьи в сборниках научных трудов и одни тезисы, где соискателю принадлежит разработка алгоритмов и методик многокритериального синтеза и анализа, обработка результатов численного исследования, формулирование выводов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, 7 приложений. Полный объем диссертации 215 страниц, 2 рисунков на 2 страницах, 24 таблицы на 29 страницах, 7 приложений на 35 страницах, 142 литературных источника на 14 страницах.

Основное содержание

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель диссертационной работы, ее научная новизна и практическая ценность.

Первый раздел. Конические зубчатые передачи получили широкое распространение в различных отраслях машиностроения.

В числепервых передачи Новикова исследовали А.М. Бадаев, В.С. Гапонов, Е.Г. Гинзбург, М.Д. Генкин, В. М. Грибанов, И.Н. Гришель, М.И. Гребенюк, И.С. Дрейзен, Я.С. Давыдов, А.У. Дергаусов, М.И. Угождение, М.Л. Ерихова, Г.А. Журавлев, К.И. Заблонский, В.И. Загребельный, М.Я. Иткис, А.Ф. Кириченко, В.И. Короткин, Н.Н. Краснощеков, В.Н. Кудрявцев, Ф.Л. Литвина, С.И. Минченко, А.В. Павленко, А. В. Орлов, В.И. Печеный, А. Рейзин, Л.Н. Решетов, Е.Г. Росливкер, В.М. Севрюк, В.К. Топорський, М.Е. Тернюк, В.А. Чесноков, Ю.Д. Харитонов, Р. Федякин, С.Н. Филипович, Н.А. Цецорин, В.П. Шишов, А. С. Яковлев. Ими решены основные вопросы технологии изготовления, конструкции и расчетов применительно к передач с одной и двумя линиями зацепления, отмечены достоинства и выявленные недостатки эксплуатации передач. Вопрос прочности исследовали Е.Л. Айрапетов, И. Шевелева, В.А. Шишков.

Технический уровень конических передач Новикова в значительной степени зависит от геометрических параметров зацепления, обусловленных исходным контуром, а также от точности изготовления и монтажа. Для конических передач Новикова используются выходные контуры получены, в основном, для цилиндрических передач Новикова, не учитывают специфику работы конических передач. В настоящее время различными авторами предложено значительное количество выходных контуров для цилиндрических передач. Предприятиям приходится самостоятельно осуществлять выбор (из этих предложенных) рационального выходного контура для конических передач Новикова. Однако в семидесятых годы было доказано, что выходной контур для цилиндрических передач не может быть эффективно использован для конических передач. Поэтому существует необходимость синтеза рационального выходного контура специально для конических передач Новикова.

Для промышленного внедрения зубчатых конических передач Новикова с новыми синтезированными выходными контурами необходимые допуски на точность изготовления и монтажа передач. На данный момент производитель, выбирая допуски для конических передач Новикова, основывается, в некоторой степени, на положения ГОСТ 1758-81 для конических эвольвентных передач, а также на имеющихся разработках для цилиндрических передач Новикова. В то же время для зубчатых колес с зацеплением Новикова профессором В.М. Грибанов разработана методика расчета допусков, которая может быть использована при расчете допусков для колес и передач как с известными, так и с новыми исходными контурами.

Изложенное определило цель данного исследования повышение технического уровня зубчатых конических передач Новикова на основе их многокритериальной оптимизации, включая синтез рациональных выходных контуров и разработку системы оптимальных допусков на точность изготовления и монтажа.

Во втором разделе разработана математическая модель многокритериальной оптимизации зубчатых конических передач Новикова.

Критерии оптимизации качественные показатели, характеризующие локально-кинематические и гидродинамические явления в зоне контакта зубьев, нагрузочную способность передач и восприимчивость передач к ошибкам.

Трение, износ и приработки зубьев, КПД передачи характеризуются следующими показателями качества: и - относительная скорость вращение, скольжение и удельные скольжения активных поверхностей зубьев ведущего () и ведомого () колеса. Существенное влияние на образование масляного клина осуществляют и относительная скорость перекатывание и суммарная скорость перемещения точек контакта в направлении, перпендикулярном большой оси эллиптической площадки мгновенного контакта. Влияние на нагрузочную способность передач осуществляют: угол между вектором суммарной скорости и большой осью эллиптической площадки мгновенного контакта; , главные кривизны активных поверхностей зубьев; максимальное напряжение в корне зуба. Влияние погрешностей оценивает коэффициент чувствительности передачи в погрешностей изготовления и монтажа.

Формулировка задачи многокритериального синтеза следующее. Необходимо найти сочетание геометрических параметров исходного контура, варьируются (рис. 1)

(1)

Рис. 1 Схемаисходного контура передачи Новикова ДЛЗ

при котором критерии качества

(2)

наиболее близки к заданным значениям

(3)

значений критериев в рассматриваемых условиях эксплуатации.

Решение сформулированной задачи следующее: - вариюеми геометрические параметры (1); - критерии качества (2) синтезированной передачи, являются функциями вида; - заданные целевые значения (3) критериев качества. Составляем целевую функцию

(4)

характеризующий величину отклонения значений от целевых. Для получения явного вида целевой функции (4) используем метод наименьших квадратов.

В этом случае целевая функция (4) принимает вид

(5)

где весовые коэффициенты.

Функция (5) имеет нелинейный характер и для ее минимизации использованы методы нелинейного программирования. Минимумом целевой функции (5) есть искомое (оптимальное) сочетание параметров, на которые накладываются ограничения:

.

Здесь наименьшее и наибольшее значение параметра.

Множество оптимальности по Парето совпадает с множеством минимумов функции (5) при всевозможных весовых коэффициентах. Поэтому изменяя значения весовых коэффициентов, при минимизации целевой функции (5), мы получаем множество сочетаний оптимальных по Парето.

Для получаемых выходных контуров нужно провести многокритериальный сравнительный анализ с существующими исходными контурами. Как обобщенный критерий многокритериального анализа рассматривалась функция:

где верхние индексы критериев качества указывают первую и вторую сравниваемые передачи; весовые коэффициенты характеризуют значимость критериев (2).

Считалось, что уменьшение (увеличение) числа означает улучшение (ухудшение) -го качественного показателя (в противном случае рассматривался критерий). Если по каждому из -критерия сравниваемые передачи являются равноценными, тогда (независимо от веса каждого критерия). Естественно, при первая передача лучше второй, а при - наоборот (из комплекса критериев).

Для промышленного внедрениясинтезированных зубчатых конических передач Новикова необходимые стандарты на точность их изготовления. Стандарты по точности изготовления зубчатых передач регламентируют: нормы бокового зазора в зубцах, нормы контакта зубьев, нормы кинематической точности и плавности работы передачи. Для разработки этих норм необходимо знать зависимость координат точек контакта на активных поверхностях зубцов и зависимость закона передачи вращения от погрешностей изготовления и монтажа. В работе построена модель станочного зацепления, где процесс нарезания зубьев конического колеса проводился зуборезных головками по методу обката. В результате получены уравнения рабочих поверхностей зубьев и ортов нормалей шестерни и колеса:

(6)

где - криволинейные координаты точек контакта на активных поверхностях зубьев; погрешности изготовления колес.

Рабочее зацепления (рис. 2) моделируется уравнениями

(7)

Первое уравнение выражает связь-равенство радиусов-векторов, второе совпадение ортов нормалей в выбранной неподвижной системе координат рабочего зацепления. Матрицы моделируют вращения поверхностей; матрица определяет пространственное положение осей вращения под углом; матрицы, моделирующие погрешности монтажа.

Рис. 2 Геометрия рабочего зацепления конической передачи

Система (7) содержит пять независимых скалярных уравнений

(8)

для решения которых, использован метод малых параметров, основанный на представлении функциональных выражений рядами Тейлора по степеням параметров-погрешностей. Решением системы (8) есть функции,, угла и рассмотренных погрешностей, полученные в виде рядов Тейлора

(9)

где; ,,; осевое смещение зубчатых венцов; отклонения межосевого угла передачи; отклонения межосевого расстояния; оползни выходных контуров при нарезании шестерни и колеса; &

Загрузка...

Страницы: 1 2 3