Закономерности формирования и управление потоками мощности в многодвигательных дифференциальных приводах

Актуальность работы. Одним из важнейших элементов машин, во многом определяющим качество и надежность их работы, является привод. Постоянное совершенствование машин, сопровождающееся непрерывным повышением их производительности, увеличением рабочих и транспортных скоростей, передачей машинам все большего числа функций, увеличением числа основных и вспомогательных технологических операций, выполняемых на одной машине, привело к тому, что успешно применявшийся в течение ряда лет традиционный однодвигательный привод перестал обеспечивать преобразование и распределение энергии между потребителями с необходимым качеством. Это привело к созданию ряда новых схем приводов. Перспективным приводом для применения в сложных высокопроизводительных машинах с несколькими потребителями энергии является взаимосвязанный многодвигательный привод. Вариантом такого привода, апробированным в автоматических роторных линиях, является многодвигательный дифференциальный привод на базе асинхронных электродвигателей и дифференциальных редукторов, позволяющий передавать мощность к потребителям короткими кинематическими цепями, обеспечивать распределение мощности между потребителями в заданном соотношении и выравнивание нагрузки между приводными электродвигателями.

В общем случае такой привод состоит из нескольких асинхронных электродвигателей одной или разной мощности и нескольких дифференциальных зубчатых редукторов с двумя или тремя степенями свободы каждый. Многодвигательный дифференциальный привод обеспечивает передачу мощности от источников к потребителям параллельными потоками, гарантирует высокий уровень унификации элементов привода и при формировании необходимого распределения потоков мощности в нем практически не ограничивает число источников и потребителей энергии в одном машинном агрегате. Благодаря этим важным качествам применение многодвигательного дифференциального привода является одним из перспективных направлений создания машинных агрегатов нового поколения различного отраслевого применения.

В то же время многодвигательный дифференциальный привод является довольно сложным, металлоемким и дорогостоящим изделием. Причем наиболее изученный вариант такого привода, в котором число приводных двигателей совпадает с числом потребителей энергии, обеспечивает наилучшие энергетические характеристики и одновременно является наиболее металлоемким и дорогостоящим. Определение области рационального применения частных вариантов многодвигательного дифференциального привода при числе источников энергии меньшим числа потребителей открывает широкие перспективы для улучшения их габаритно-массовых характеристик, снижения стоимости при сохранении гарантированных энергетических характеристик и поэтому является актуальной для науки и практики задачей. Ее решение требует установление взаимосвязей между энергосиловыми и кинематическими характеристиками многодвигательного дифференциального привода, числом и местом расположения приводных двигателей и числом потребителей энергии. Оно позволит конструктору на стадии проектирования в сжатые сроки и без риска обоснованно выбрать рациональное техническое решение на многодвигательный дифференциальный привод и его параметры.

Целью диссертации является установление закономерностей распределения энергетических потоков в многодвигательном дифференциальном приводе и разработка на этой основе методики формирования заданного распределения потоков мощности в приводе для повышения его эффективности.

Методы исследования включают систематизацию, анализ и обобщение предшествующих исследований, опыта проектирования, производства и испытаний многодвигательного дифференциального привода на заводах, компьютерное моделирование протекающих в них процессов и анализ его результатов, общие методы механики машин и теории механизмов и машин, в том числе метод энергетических потоков, метод проф. Крейнеса М. А., доработанный проф. Корнюхиным И.Ф.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается представительным объемом анализируемой информации по исследованию и проектированию многодвигательных дифференциальных приводов, полнотой учета влияющих факторов, корректностью использования общепринятых методов теории механизмов и машин, механики машин, математического анализа и моделирования, качественным соответствием результатов расчетов с данными натурных наблюдений и результатами расчетов, полученных другими авторами. Расхождение результатов расчетов КПД для трехдвигательного дифференциального привода, выполненных на основе известных методов энергетических потоков, метода проф. Крейнеса М. А. и предложенного в работе его упрощенного варианта не превышает 5%.

На защиту выносятся:

— математическая модель многодвигательного дифференциального привода с произвольным числом приводных электродвигателей, потребителей энергии и замкнутых контуров, включающая в себя аналитические зависимости между энергосиловыми и кинематическими характеристиками привода, числом и местом расположения его приводных электродвигателей (входов) и числом потребителей энергии (выходов);

— результаты исследования влияния структурной схемы привода, ее кинематических характеристик и распределения нагрузки между потребителями на КПД привода;

— методика анализа и синтеза многодвигательного дифференциального привода с произвольным числом источников энергии, потребителей энергии и замкнутых контуров по заданным энергосиловым характеристикам;

— области рационального применения двух-, трехи п-двигательных приводов с гарантированными габаритно-массовыми и энергосиловыми параметрами.

Научная новизна диссертации заключается в:

— разработке обобщенной математической модели многодвигательного дифференциального привода с произвольным числом источников и потребителей энергии и произвольным числом замкнутых контуров;

— разработке аналитических зависимостей, позволяющих рассчитывать КПД многодвигательных дифференциальных приводов с произвольным числом электродвигателей, потребителей и замкнутых контуров;

— установлении и учете влияния распределения энергетических потоков в многодвигательном дифференциальном приводе с произвольным числом замкнутых контуров на энергосиловые параметры привода;

— установлении рациональных областей применения структурных схем многодвигательного дифференциального привода при числе двигателей меньшим числа потребителей и содержащим дифференциальные редукторы как с двумя, так и с тремя степенями свободы;

Практическая значимость работы заключается в:

— разработке на базе выполненных исследований инженерной методики, позволяющей оценить качественные характеристики всех возможных вариантов схемных решений многодвигательного дифференциального привода на стадии его проектирования и выбрать из них наиболее рациональные в сжатые сроки и с высокой степенью достоверности;

— обосновании рациональных схемных решений на двух-, трехи п-двигательные приводы на блочно-модульной основе с гарантированными энергосиловыми характеристиками.

Реализация работы. Инженерная методика, разработанная на основе проведенных автором исследований, принята к использованию в ОАО ОКТБ «Ротор» и используется в учебном процессе в курсах «Теория механизмов и машин» и «Многопоточные передачи: теория и проектирование» в Тульском государственном университете.

Апробация работы. Содержание диссертационной работы докладывалось и обсуждалось на международных конференциях «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» в 2000 — 2002 г., на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ 2000 — 2003 г.

Публикации. По тематике исследований опубликованы лично и в соавторстве 5 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 84 наименования и приложения. Основной текст изложен на 138 машинописных страницах, поясняется 40 рисунками и 7 таблицами.

Основные выводы, научные и практические результаты работы сводятся к следующему:

1. Разработана математическая модель и на ее основе установлены взаимосвязи между структурными, кинематическими и силовыми параметрами в многодвигательном дифференциальном электроприводе при числе источников энергии, меньшем числа пртребителей.

2. Предложена методика расчета КПД многодвигательного дифференциального привода с произвольным числом двигателей и потребителей на базе метода проф. М. А. Крейнеса. Установлено, что расхождение полученных при ее использовании результатов расчетов КПД приводов с результатами расчетов по ранее апробированному методу «энергетических потоков» не превышает 5%.

3. Исследовано влияние структурной схемы привода, ее кинематических характеристик и распределения нагрузки между потребителями на КПД привода:

— установлено, что при использовании в приводе одинаковых двигателей его КПД определяется передаточными отношениями редукторов и угловыми скоростями выходов. Если привод содержит равное число двигателей и редукторов, то наиболее оптимальной является передача с одинаковыми редукторами и частотами вращения выходов. В этом случае мощность передается короткими цепями, а привод имеет максимальный КПД, равный КПД редуктора. Передачи с разными редукторами, но с одинаковым направлением вращения выходов обладают более низким КПД в основном скоростном режиме, но при выключении двигателей их КПД может оказаться выше, чем у передач с одинаковыми редукторами. Если в приводе двигателей меньше, чем редукторов, то более выгодной по КПД будет передача с разными редукторами;

— установлено, что в приводах с различным числом двигателей и редукторов КПД зависит от размещения двигателей. Если мощность распределена равномерно между выходами, то двигатели лучше размещать таким образом, чтобы между двухступенчатыми редукторами, связанными с ними, находилось равное число одноступенчатых редукторов. При неравномерном распределении мощности между выходами для принятия решения о размещении двигателей следует провести оценочный расчет КПД;

— установлено, что при числе потребителей от 2 до 5 для получения КПД не ниже 0,85 достаточно использовать двухдвигательный привод, при числе потребителей от 6 до 9 — трехдвигательный привод.

4. Разработана инженерная методика синтеза многодвигательного дифференциального привода по заданному закону распределения мощности между выходами, позволяющая проводить унификацию редукторов и рационально подбирать двигатели в схемах с числом двигателей меньшим числа потребителей, содержащими дифференциальные редукторов как с тремя, так и двумя степенями свободы и произвольным числом замкнутых контуров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Представленная диссертационная работа является научным квалификационным трудом, в котором на базе выполненных теоретических исследований решена актуальная задача установления закономерностей распределения энергетических потоков в многодвигательном дифференциальном приводе и разработка на этой основе методики формирования заданного распределения потоков мощности в приводе, позволяющей обеспечить повышение его эффективности.