СПОСОБ И СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ПЕРЕДАЧИ С ГЛОБОИДНЫМ ЧЕРВЯКОМ Российский патент 2020 года по МПК G01M13/02 

Изобретение относится к области подъемно-транспортного машиностроения, а именно к оборудованию приемо-сдаточных, типовых и других видов натурных испытаний тяжело нагруженных крановых устройств с относительно низкими скоростями движений, в частности, устройств поворота судовых стреловых кранов. Изобретение может быть использовано в других областях машиностроения, например, в испытательных или обкаточных стендах агрегатов трансмиссий, передающих значительные мощности на расстояния и к которым предъявляются повышенные требования работоспособности и надежности.

Опорно-поворотные устройства стреловых кранов относятся, как правило, к относительно нагруженным узлам, в которых нашли применение различные виды червячных передач, требующих обязательной приработки (прикатки) пары скольжения, образованной червяком и сопряженным зубчатым венцом, до их монтажа в корпус поворотного устройства.

Наиболее распространенный способ прикатки червячных передач сводится к установке редуктора с такой передачей на испытательный стенд для последующей обкатки. Недостатком указанного способа обкатки является то, что детали силовой передачи окончательно прирабатываются через 80-100 часов, что делает такую длительную обкатку экономически крайне затратной. На практике длительность обкатки червячных пар ограничивается 2-мя - 5-ю часами, хотя преждевременное прекращение обкатки приводит к существенному снижению КПД передачи, особенно в начальный период ее последующей эксплуатации. Сроки прикатки червячных передач сокращаются, если ее проводят в масляной ванне с добавлением абразивных или специально подобранных присадок, используют намагниченный червяк (патенты на изобретение RU 2651398, опубл. 19.04.2018 г. «Способ приработки червячных передач»; RU 2032120, опубл. 27.03.1995 г. «Способ приработки червячных передач»). Однако, комплекс условий, возникающих под воздействием трения скольжения, служит решающим фактором, определяющим и потери в зацеплении, и нагрузочную способность червячных передач.

Известен способ по авторскому свидетельству SU 1341541, опубл. 30.09.1987 «Способ приработки червячных передач», червячную передачу по которому во время пускового периода нагружают ударной нагрузкой с последующим слабозатухающим ее изменением, а при установившемся режиме - максимальной нагрузкой, превышающей номинальную в 3-3,5 раза. Способ, описанный в рассмотренном аналоге, позволяет увеличить несущую способность червячного редуктора Ч-100-31,5 на 25%, а КПД - на 5-7%. Однако, описанный способ прикатки червячных передач не может быть использован в передачах с глобоидным червяком в силу особенностей зацепления и нагрузочной способности, увеличенной в 3-4 раза.

Известен способ ускоренного испытания червячной пары червячного редуктора, приведенный в патенте RU 2580207, опубл. 10.04.2016 г. «Способ и устройство для ускоренных испытаний червячных редукторов», который является наиболее близким к решению поставленной технической задачи по повышению нагрузочной способности червячных передач и их КПД, принятый за прототип. В известном способе ускоренные испытания червячной пары скольжения проводят поэтапно: сначала выполняют первичную макроприработку сопряжения пары скольжения. Затем проводят испытание с микроприработкой посредством ступенчато-нарастающего нагружения с непрерывным контролем текущих величин параметров трения и других критичных для работоспособности параметров взаимодействия пары скольжения. Функцию нагрузки выполняет нагрузочный вращающий момент на выходном тихоходном валу червячной пары редуктора, а регулирование нагрузки и уровень очередной ступени нагружения выбирают в зависимости от характера изменения вращающего момента на входном быстроходном валу редуктора. При этом зависимость изменения момента на входном быстроходном валу и величина нагружающего момента сопротивления на выходном тихоходном валу редуктора реализована обратной связью, позволяющей регулировать нагружения редуктора в предельном режиме и оценивать его эксплуатационные показатели.

Недостатком прототипа является то, что испытания проводятся при значениях нагрузки, намного ниже необходимых для испытаний передачи с глобоидным червяком поворотного устройства судовых стреловых кранов. Кроме того, увеличение нагрузки при испытании передач с глобоидным червяком описанным способом становится довольно затруднительным из-за необходимости обеспечения в соответствии с ГОСТ 23.224-86 непрерывной регистрации силы трения, экспериментального определения крутящего момента и проведения оценки прирабатываемости и задиристости испытываемых пар скольжения, а использование электромагнитных тормозов в качестве нагрузки приводит к существенному росту габаритных размеров и энергопотребления испытательного стенда.

Для реализации способа испытания передачи с глобоидным червяком предложено специальное устройство - испытательный стенд.

Известны конструкции машин и стендов для комплексных испытаний деталей машин по различным оценочным критериям, использующие замкнутый цикл взаимного нагружения («Машины и стенды для испытания деталей». Под ред. Д.Н. Решетова, М. «Машиностроение», 1979. 343 с.). Рассмотренные в работе испытательные машины и стенды при, разнообразии конструкций, стоимостных и энергетических затрат на проведение работ, потребностей в производственных площадях и т.д., позволяют натурно отображать условия эксплуатации испытуемого образца, особенно в части силового нагружения. На рисунке 2.44 указанного источника приведена схема испытаний глобоидных однозаходных передач с межосевым расстоянием 127 мм и передаточным отношением 40. Недостатком рассмотренных стендов является то, что испытания проводят на частично нарастающих нагрузках с одновременным контролем происходящих тепловых процессов, что существенно удлиняет процесс прикатки силовых пар скольжения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является стенд для испытания передач по патенту RU 2153659, опуб. 27.07.2000 г. «Стенд для испытания передач», принятый за прототип. Стенд включает в себя разгонный гидронасос, соединенный гидравлически с испытуемой передачей; нагрузочный гидронасос, соединенный кинематически с технологической передачей; гидрораспределитель с электромагнитами; гидроаккумуляторы с датчиками давления, управляющими электромагнитами гидрораспределителя.

К недостаткам стенда, принятого за прототип, следует отнести то, что он предназначен для испытания и обкатки специализированных механических передач, например, автомобильных трансмиссий с относительно низкой величиной передаваемого крутящего момента и при высоком уровне угловых скоростей, позволяющих использовать гидронасосы вращательного движения в качестве нагружателей механической передачи. По мере снижения угловой скорости трансмиссии эффективность гидронасосов вращательного движения также понижается, что может способствовать появлению нежелательных колебательных процессов в замкнутом контуре взаимного нагружения. Для подавления этих явлений приходится увеличивать скорость испытательных процессов, что не всегда желательно, или увеличивать уровень энергии в замкнутом контуре, например, специальными разгонными машинами.

Техническим результатом предлагаемой группы изобретений является обеспечение качества ускоренных испытаний сопряженной пары скольжения с минимальными эксплуатационными и энергетическими затратами при одновременном повышении достоверности результатов испытаний, которые достигаются путем использования испытательного стенда, обеспечивающего последовательность выполнения необходимых операций, режимов нагружения и параметров контроля при испытаниях по заявляемому способу.

Технический результат предлагаемого способа испытания передачи с глобоидным червяком достигается путем определенного сочетания скоростного и нагрузочного режимов прикатки тяжело нагруженной пары скольжения, образованной глобоидным червяком в сопряжении с малооборотным зубчатым венцом, с одновременной оценкой достигнутого уровня работоспособности по величине полученного КПД поворотного устройства в сборе с испытываемой глобоидной передачей, за счет обеспечения требуемого качества зацепления, снижения потерь на трение и тепловыделение.

Указанный результат достигается путем использования способа испытания передачи с глобоидным червяком, сопряженным с зубчатым венцом в качестве пары скольжения. Сначала проводят первичную приработку (макроприработку) образованной пары скольжения, а затем переходят к ее испытаниям процессом микроприработки посредством роста нагружения пары скольжения до уровня на гране ее заедания и с непрерывным контролем текущих величин параметров трения и работоспособности пары скольжения, по результатам контроля делают оценку работоспособности пары скольжения и останавливают процесс микроприкатки сопряженной пары скольжения, если фактическая работоспособность пары соответствует ожидаемой. Испытания глобоидного червяка и сопряженного зубчатого венца проводят при штатном их закреплении в корпусе поворотного устройства с рабочей жидкостью. В качестве оценочного критерия работоспособности передачи с глобоидным червяком используют достигнутое значение КПД поворотного устройства по соотношению энергий выхода и входа. Процесс макроприработки пары скольжения проводят в режиме подвода к валу глобоидного червяка увеличенного количества вращательной энергии до уровня, который должен обеспечить предельно допустимую скорость вращения зубчатого венца, в то время как нагрузку на выходе устройства сохраняют неизменной на минимальном уровне. Процесс первичной приработки (макроприкатки) продолжают до тех пор, пока текущий контроль энергетических параметров входа и выхода поворотного устройства не начнет фиксировать их установившиеся значения. После чего переходят к микроприкатке пары скольжения, увеличивая постепенно момент сопротивления на зубчатом венце до уровня на гране заедания пары скольжения от перегрузки или начала «намазывания» материала зубчатого венца на поверхность глобоидного червяка при неизменной величине движущего момента на валу глобоидного червяка. Нагружение моментом сопротивления приостанавливают, когда текущее значение КПД поворотного устройства станет мало изменяемым (установившимся) или достигнет заданного значения. По завершению испытаний проводят промывку поворотного устройства с заменой рабочей жидкости без демонтажа пары скольжения.

Увеличенная нагрузочная способность передач с глобоидным червяком, сложность регулировки правильности зацепления в этих передачах, обеспечение контроля состояния их опорных узлов в условиях частой реверсивности и повышенного тепловыделения потребовали для реализации предлагаемого способа испытания глобоидных передач наличие специального испытательного стенда.

Заявленный технический результат достигается также тем, что способ испытания передачи с глобоидным червяком реализуется с использованием стенда, включающего в себя разгонный гидронасос с электродвигателем, гидравлически соединенный с приводным гидродвигателем испытываемой передачи и имеющий гидравлическую обратную связь со стендовым нагрузочным гидронасосом, при этом нагрузочный гидронасос кинематически соединен с выходом испытываемой передачи, а также гидрораспределитель с электромагнитами, гидроаккумуляторы с датчиками давления, управляющими электромагнитами гидрораспределителя. При этом испытываемая червячная передача закреплена по штатному в корпусе поворотного устройства с рабочей жидкостью, входной вал глобоидного червяка через встроенный в поворотное устройство планетарный редуктор соединен с валом основного приводного гидродвигателя поворотного устройства. Фланец зубчатого венца соединен посредством кривошипно-шатунного механизма со штоком нагрузочного гидронасоса двойного действия. Рабочие полости нагрузочного гидронасоса двойного действия гидравлически соединены с гидроаккумуляторами с использованием дросселя управления нагрузкой и гидрораспределителя с электромагнитами. Гидрораспределитель с электромагнитами подключает поочередно гидроаккумуляторы на зарядку от нагрузочного гидронасоса или на подпитку приводного гидродвигателя испытываемой передачи. Датчики давления гидроаккумуляторов электрически соединены с пусковой аппаратурой электродвигателя разгонного гидронасоса и включают последний при падении давлений в гидроаккумуляторах.

Заявляемая конструкция стенда для испытания передач с глобоидным червяком поясняется схемой стенда, где:

1 - разгонный гидронасос;

2 - нагрузочный гидронасос;

3 - гидрораспределитель;

4 - управляющие электромагниты;

5 и 6 - гидроаккумуляторы;

7 - датчики давления;

8 - глобоидный червяк;

9 - планетарный редуктор;

10 - приводной гидродвигатель испытываемой передачи;

11 - зубчатый венец;

12 - кривошипно-шатунный механизм;

13 - шток нагрузочного гидронасоса;

14 - дроссель управления нагрузкой;

15 - электродвигатель разгонного гидронасоса.

Стенд для испытания передач с глобоидным червяком содержит разгонный гидронасос 1, гидравлически соединенный с приводным гидродвигателем 10 испытываемой передачи и имеющий гидравлическую обратную связь с нагрузочным гидронасосом 2 с использованием гидрораспределителя 3 с электромагнитами 4 и гидроаккумуляторов 5 и 6. Гидроаккумуляторы 5 и 6 оснащены датчиками давления 7, управляющими электромагнитами гидрораспределителя 3. При этом нагрузочный гидронасос 2 двойного действия кинематически соединен с выходным валом испытываемой передачи с использованием зубчатого венца 11, при этом фланец зубчатого венца 11 соединен посредством кривошипно-шатунного механизма 12 со штоком 13 нагрузочного гидронасоса 2. Испытываемая передача с глобоидным червяком 8 закреплена по штатному в корпусе поворотного устройства с рабочей жидкостью, при этом входной вал глобоидного червяка 8 через встроенный планетарный редуктор 9 соединен с валом основного приводного гидродвигателя 10. Рабочие полости гидронасоса 2 гидравлически соединены с гидроаккумулятором 5 или 6 с использованием дросселя управления нагрузкой 14 и гидрораспределителя 3 с электромагнитами 4.

Гидрораспределитель 3 подключает поочередно гидроаккумулятор 5 или 6 на зарядку от нагрузочного гидронасоса 2 или на подпитку приводного гидродвигателя 10 испытываемой передачи. Датчики давления 7 гидроаккумуляторов 5 и 6 электрически соединены с пусковой аппаратурой электродвигателя 15 разгонного гидронасоса 1 и запускают его при падении давлений в гидроаккумуляторе 5 или 6.

При реализации способа испытания передачи с глобоидным червяком заявляемый стенд работает следующим образом: подлежащую испытаниям передачу с глобоидным червяком 8, сопряженным с зубчатым венцом 11, выполняющим функцию фланца выходного тихоходного вала передачи, монтируют по штатному в корпус поворотного устройства с выполнением требуемых регулировок и настроек червячного зацепления, подшипниковых опор, установкой кривошипно-шатунного механизма 12 и выполнением необходимых гидравлических соединений. Также осуществляют включение стендовых измерительных устройств для определения мощности электродвигателя 15 разгонного гидронасоса 1 и гидравлической мощности по расходу и давлению жидкости на выходе нагрузочного гидронасоса 2 (используемые измерительные устройства на схеме не показаны). Первичную приработку (макроприработку) проводят путем включения электродвигателя 15 и доведения с помощью разгонного гидронасоса 1 скорости вращения выходного вала испытываемой передачи до предельно допустимого значения, при этом дроссель управления нагрузкой 14 сохраняют в режиме минимальной производительности нагрузочного гидронасоса 2. Процесс первичной приработки (макроприработку) продолжают до тех пор, пока текущий контроль энергетических параметров входа и выхода поворотного устройства не начнет фиксировать их установившиеся значения. Последующий процесс микроприкатки пары скольжения передачи проводят путем нагружения моментом сопротивления вращающегося фланца зубчатого венца 11 при неизменной величине движущего момента на валу глобоидного червяка 8. Изменение величины момента сопротивления на фланце зубчатого венца 11 обеспечивают путем переведения золотника гидрораспределителя 3 с помощью управляющих электромагнитов 4 в одно из рабочих положений с подключением одного из аккумуляторов 5 или 6 на зарядку от нагрузочного гидронасоса 2, при этом второй гидроаккумулятор начнет запитку рабочей жидкостью штатный приводной гидродвигатель 10 испытываемой передачи. После того, как давление в заряжаемом гидроаккумуляторе достигнет допускаемых пределов, его датчик давления 7 переключит золотник гидрораспределителя 3 в другое крайнее положение, произойдет изменение режимов работы гидроаккумуляторов. При установившемся режиме работы стенда, когда суммарная величина давлений в обоих гидроаккумуляторах остается неизменной, датчики давления 7 остановят электродвигатель 15, а стенд будет продолжать работу в режиме замкнутого цикла.

Заявляемые способ и стенд для испытания передач с глобоидным червяком позволяют достичь:

- обеспечения качества зацепления в испытываемой передаче;

- повышения достоверности полученных результатов;

- снижения эксплуатационных и энергоемких затрат.

Заявляемые способ и стенд для испытания передач с глобоидным червяком, сопряженным с зубчатым венцом, монтируемым на тихоходный тяжело нагруженный выходной вал, могут быть использованы в различных грузоподъемных механизмах грузовых стреловых кранов различного назначения, корабельных поворотных башнях и других промышленных областях.

Изобретение относится к области подъемно-транспортного машиностроения, а именно к оборудованию приемо-сдаточных, типовых и других видов натурных испытаний тяжело нагруженных крановых устройств с относительно низкими скоростями движений. В предлагаемом способе испытания сначала проводят первичную приработку (макроприработку) образованной пары скольжения, а затем переходят к ее испытаниям процессом микроприработки посредством роста нагружения пары скольжения до уровня на грани ее заедания и с непрерывным контролем текущих величин параметров трения и работоспособности пары скольжения. По результатам контроля делают оценку работоспособности пары скольжения и останавливают процесс микроприкатки сопряженной пары скольжения, если фактическая работоспособность пары соответствует ожидаемой. Испытания глобоидного червяка и сопряженного зубчатого венца проводят при штатном их закреплении в корпусе поворотного устройства с рабочей жидкостью. Процесс макроприработки пары скольжения проводят в режиме подвода к валу глобоидного червяка увеличенного количества вращательной энергии до уровня, который должен обеспечить предельно допустимую скорость вращения зубчатого венца, в то время как нагрузку на выходе устройства сохраняют неизменной на минимальном уровне. Процесс первичной приработки (макроприкатки) продолжают до тех пор, пока текущий контроль энергетических параметров входа и выхода поворотного устройства не начнет фиксировать их установившиеся значения. После чего переходят к микроприкатке пары скольжения, увеличивая постепенно момент сопротивления на зубчатом венце до уровня на грани заедания пары скольжения от перегрузки или начала «намазывания» материала зубчатого венца на поверхность глобоидного червяка при неизменной величине движущего момента на валу глобоидного червяка. Нагружение моментом сопротивления приостанавливают, когда текущее значение КПД устройства станет малоизменяемым (установившимся) или достигнет заданного значения. По завершении испытаний проводят промывку поворотного устройства с заменой рабочей жидкости без демонтажа пары скольжения. Стенд для реализации предлагаемого способа включает в себя разгонный гидронасос с электродвигателем, гидравлически соединенный с приводным гидродвигателем испытываемой передачи и имеющий гидравлическую обратную связь со стендовым нагрузочным гидронасосом, нагрузочный гидронасос, кинематически соединенный с выходом испытываемой передачи, а также гидрораспределитель с электромагнитами, гидроаккумуляторы с датчиками давления, управляющими электромагнитами гидрораспределителя. Испытываемая червячная передача закреплена по штатному в корпусе поворотного устройства с рабочей жидкостью, входной вал глобоидного червяка через встроенный в поворотное устройство планетарный редуктор соединен с валом основного приводного гидродвигателя поворотного устройства. Технический результат заключается в обеспечении качества ускоренных испытаний сопряженной пары скольжения с минимальными эксплуатационными и энергетическими затратами при одновременном повышении достоверности результатов испытаний. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ испытания передачи с глобоидным червяком, сопряженным с зубчатым венцом в качестве пары скольжения, состоящий в том, что сначала проводят первичную приработку (макроприработку) образованной пары скольжения, а затем переходят к ее испытаниям процессом микроприработки посредством роста нагружения пары скольжения до уровня на грани ее заедания и с непрерывным контролем текущих величин параметров трения и работоспособности пары скольжения, по результатам контроля делают оценку работоспособности пары скольжения и останавливают процесс микроприкатки сопряженной пары скольжения, если фактическая работоспособность пары соответствует ожидаемой, отличающийся тем, что испытания глобоидного червяка и сопряженного зубчатого венца проводят при штатном их закреплении в корпусе поворотного устройства с рабочей жидкостью, а в качестве оценочного критерия работоспособности передачи с глобоидным червяком используют достигнутое значение КПД поворотного устройства, которое определяется соотношением энергий на его входе и выходе, при этом процесс макроприработки пары скольжения проводят в режиме подвода к валу глобоидного червяка увеличенного количества вращательной энергии до уровня, который должен обеспечить предельно допустимую скорость поворота зубчатого венца, в то время как нагрузку на выходе устройства сохраняют неизменной на минимальном уровне, процесс первичной приработки (макроприкатки) продолжают до тех пор, пока текущий контроль энергетических параметров входа и выхода поворотного устройства не начнет фиксировать их установившиеся значения, после чего переходят к микроприкатке пары скольжения, увеличивая постепенно момент сопротивления на зубчатом венце до уровня на грани заедания пары скольжения от перегрузки или начала «намазывания» материала зубчатого венца на поверхность глобоидного червяка при неизменной величине движущего момента на валу глобоидного червяка; нагружение моментом сопротивления приостанавливают, когда текущее значение КПД поворотного устройства станет малоизменяемым (установившимся) или достигнет заданного значения, а по завершении испытаний проводят промывку поворотного устройства с заменой рабочей жидкости без демонтажа пары скольжения.

2. Стенд для испытания передачи с глобоидным червяком, включающий разгонный гидронасос с электродвигателем, гидравлически соединенный с приводным гидродвигателем испытываемой передачи, нагрузочный гидронасос, кинематически соединенный с выходом испытываемой передачи, гидрораспределитель с электромагнитами, гидроаккумуляторы с датчиками давления, управляющими электромагнитами гидрораспределителя, отличающийся тем, что испытываемая передача с глобоидным червяком закреплена по штатному в корпусе поворотного устройства с рабочей жидкостью, при этом входной вал глобоидного червяка через встроенный в поворотное устройство планетарный редуктор соединен с валом основного приводного гидродвигателя поворотного устройства, при этом фланец зубчатого венца соединен посредством кривошипно-шатунного механизма со штоком нагрузочного гидронасоса двойного действия, рабочие полости которого гидравлически соединены с гидроаккумуляторами с использованием дросселя управления нагрузкой и гидрораспределителя с электромагнитами, подключающего поочередно гидроаккумуляторы на зарядку от нагрузочного гидронасоса или на подпитку приводного гидродвигателя испытываемой передачи, при этом датчики давления гидроаккумуляторов электрически соединены с пусковой аппаратурой электродвигателя разгонного гидронасоса.