Расчет нагрузочной способности полуобкатной плоскоконической передачи приводов запорной арматуры

Abstract

Актуальность работы. Современные приводы запорной арматуры, основанные на использовании червячных и спироидных передач, имеют крайне низкий к.п.д. (порядка 0,3), при кратковременном режиме работы имеют высокий страгивающий момент, что приводит к необходимости использования электроприводов повышенной мощности, а при внедрении передач в условиях Крайнего Севера систем дистанционного управления запорной арматуры к выходу из строя электродвигателей в связи с их отказами вследствие «прихватов» как шаровых кранов, так и червячных или спироидных передач. Обеспечить требуемую работоспособность и надежность работы запорной арматуры в отмеченных условиях эксплуатации позволяют приводы, разработанные на основе плоскоконических прецессирующих передач. К настоящему времени для этих передач построены математические модели процессов формообразования зубьев колес, исследована геометрия их контактирования в зацеплении. Показано, что с позиций технологического обеспечения процессов изготовления зубьев колес передач, обеспечения требуемых геометро-кинематических характеристик контакта, наиболее эффективными являются полуобкатные плоскоконические передачи с продольной модификацией поверхности зубьев колеса. В то же время для реализации процесса проектирования плоскоконических передач необходимо уметь определять их нагрузочную способность по критерию обеспечения контактной прочности. Принципиальной сложностью решения данной задачи является наличие в зацеплении плоскоконической передачи нескольких пар зубьев, число которых зависит от геометрии поверхностей зубьев, величины передаваемого крутящего момента, изгибной и контактной податливости зубьев в зацеплении. Цель исследования: разработка методики расчета несущей способности передачи по величине передаваемого крутящего момента из условия обеспечения контактной прочности при известной геометрии зубьев колеса и шестерни полуобкатной плоскоконической передачи, заданных механических характеристиках материала колес. Методы исследования: теория пространственных передач зацеплением, методы строительной механики раскрытия статической неопределимости систем с односторонними связями, численные методы решения систем трансцендентных уравнений. Результаты. Для проектирования приводов запорной арматуры нефтегазопроводов на основе полуобкатных плоскоконических передач разработана методика их проверочного расчета на контактную прочность при заданной величине крутящего момента. Методика проиллюстрирована на примере расчета нагрузочной способности соосного редуктора с передаточным отношением 65 привода шарового крана ДУ-300.

The relevance of the discussed issue. Nowadays, most of modern stop valve drives are based on the use of worm or spiroid gears. They have very low efficiency (typically, about 0,3), and short-time work have a high moment of ultimate joint, which leads to necessity of using enhanced electric power. Implementation of remote control system of stop valve drives in the Far North causes to the failure of the electric motors due to their failures as a result of «sticking» as ball valves, as well as worm or spiroid gears. The drives based on bevel precessional gears provide the required efficiency and reliability of stop valves in selected operating conditions. The mathematical models of gear generating process have already made and the geometry of gearing have already studied for these gears. Bevel gears with a small shaft angle with a generated pinion and a non-generated gear with longitudinal tooth modification are easy to manufacture and more effective. They provide the required geometric and kinematic characteristics. At the same time, for implementing the design of bevel gears with a small shaft angle with a non-generated gear and a generated pinion it is necessary to determine their loading capacity under the criterion providing contact strength. The principal difficulty of solving this problem is the presence of several pairs in gears mesh. The number of gear pairs depends on the geometry of tooth surfaces, transmitted torque, bending and contact deformation in gears mesh. The main aim of the study is to develop a methodology for calculating loading capacity by value of transmitted torque considering the condition to ensure contact strength. Geometry of gears teeth and mechanical characteristics of the gear material are known. The methods used in the study: theory of gearing, methods of structural mechanics based on eliminating static indeterminacy of elastic systems with one-sided constraints, numerical techniques of the transcendental (nonlinear) equations. The results. The authors have developed a method of checking calculation on contact strength at a given torque for designing drives of pipeline valve drives based on bevel gears with a small shaft angle with a non-generated gear and a generated pinion. The methodology is illustrated by the example of the loading capacity calculation of coaxial gearbox with gear ratio 65 of the ball valve drives DN 300.