ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Регулируемые передачи со сферическим преобразующим механизмом.

Рекомендуемая область пременения

Малогабаритные соосные, с регулируемыми выходными параметрами, передачи рекомендуется для применения в качестве:
- механического редуктора, способного изменять свои параметры в зависимости от внешней нагрузки;
- малогабаритной бесступенчато регулируемой коробки передач маломощных транспортно-технологических машин и агрегатов;
- технического средства для плавного разгона машины (агрегата) с выходом на оптимальный технологический режим работы;
- составной регулируемой части многозвенных комплексных приводов.

Назначение, цели и задачи проекта

Главное назначение проекта – создание перспективных, высокоэффективных, поддающихся автоматизации (простыми средствами), малогабаритных соосных механических передач, обеспечивающих глубокое бесступенчатое регулирование выходных параметров при высоком (до 0,82) коэффициенте полезного действия и при высоком (в период разгона) передаточном отношении – до 100. При таких параметрах известные (но не регулируемые) соосные редукторы могут быть только планетарными и двухступенчатыми, характеризующимися крайне высокими сложностью, точностью и трудоемкостью изготовления.

Исходя из этого целями и задачами проекта являются:

- упрощение, снижение габаритов и массы конструкции;

- расширение функциональных возможностей, в том числе за счет глубокого регулирования выходных параметров;

- обеспечение оптимальных технологических режимов работы;

- возможность использования в качестве муфты сцепления;

- плавное трогание (разгон) и торможение передачи;

- приспособляемость к внешним нагрузкам.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Известен автоматический (бесступенчатый) привод, содержащий корпус, ведущий вал с качающейся шайбой, механизм изменения угла наклона шайбы, передаточные звенья с механизмами свободного хода, два вала и маховики по числу ведомых валов (SU 1753117 А1, МПК ⁵F 16 H 29/22? 1992; часть названных элементов не включена в формулу изобретения, но показана на чертежах и в описании). Технический недостаток данного привода: ограниченные углы наклона качающейся шайбы и, как следствие, повышенная виброактивность привода; невозможность (по представленным материалам) изменения угла наклона шайбы при вращении ведущего вала, что ограничивает функциональные возможности привода; выполнение механизмов свободного хода с элементами храпового устройства (фиг. 3 и 4), что нерационально для быстроходных приводов;

возможность «зависания» привода – перехода в стоповый режим (без указаний о выходе из этого режима), что недопустимо для транспортных средств. Отмеченные недостатки снижают стабильность и надежность работы привода.

Регулируемые механические передачи базируются на сферическом преобразующем механизме, который в кинематическом смысле может иметь две или три степени свободы. Каждый механизм относится к числу пространственных. Рассмотрим конструктивное исполнение более простого механизма с двумя степенями свободы (рис. 1) Этот механизм является составной частью передачи и включает: ведущий вал 1, качающееся внутреннее кольцо 2, посаженное на валу посредством оси 3, посаженный на внутреннем кольце подшипник качения 4. Наружной обоймой подшипник посажен в промежуточном кольце 5, которое с помощью пальцев 6 шарнирно соединено с наружной (ведомой) обоймой 7, снабженной цапфами 8. Оси пальцев 6 и цапф 7 взаимно перпендикулярны. Сферический преобразующий механизм с тремя степенями свободы имеет дополнительное кольцо, размещенное между внутренним кольцом и подшипником. Эти кольца соединены между собой осями, геометрическая ось которых перпендикулярна оси 3 внутреннего кольца. Благодаря этому расширяются кинематические возможности и преобразующего механизма, и передачи на его основе.

Один из вариантов регулируемой передачи со сферическим преобразующим механизмом с тремя степенями свободы представлен на рис. 2. Здесь передача содержит корпус 1 и ведущий (привод) вал 2 со шлицевыми участками. На валу посредством оси смонтирован преобразующий механизм 3. По одну сторону механизма, на ведущем валу – на шлицевом участке – подвижно установлено устройство 4 изменения угла наклона внутреннего кольца. Для управления дополнительным кольцом 5 в состав передачи введено еще одно устройство 6 изменения угла наклона, которое развернуто по отношению к первому на 90^о. Через поводки различной длины устройства 4 и 6 связаны соответственно с внутренним 7 и дополнительным 5 кольцами. предусматривается возможность управления устройствами 4 и 6 и следовательно, углами наклрна колец на ходу и под нагрузкой и при остановленном вале. Управление каждым устройством производится автономно и независимо. В составе преобразующего механизма имеются уже названные промежуточное кольцо 8 с пальцами 9, наружная обойма 10 с цапфами. Последние выведены за пределы корпуса, на них посредством механизмов свободного хода 11 посажены конические шестерни. они находятся в зацеплении с коническим колесом, жестко связаны с помощью фланца с ведомым валом 12.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

При нейтральном положении преобразующего механизма 3 (q =0; рис. 2) и  при вращающемся  ведущем вале 2, внутреннее 7 и дополнительное 5 кольца вращаются вместе с валом (без качания). Это вращение отсекается подшипником и не передается на промежуточное кольцо 8 и наружную обойму 10 преобразующего механизма, который в данном случае несет функцию управляемой муфты сцепления и не передает вращение на ведомый вал. Для начала вращения ведомого вала 12 с помощью устройства 4 отклоняют внутренне кольцо 7, которое приводит в действие все звенья преобразующего механизма, а его ведомая обойма 10 совершает качательное движение на цапфах на определенный угол ±q. При необходимости задействуют )с помощью устройства 6) и дополнительное кольцо 5, расширяя возможности механизма и передачи. Максимальный угол качания обоймы сферического преобразующего механизма: с двумя степенями свободы ±15^о (суммарно 30^о); с тремя степенями свободы ±19,5^о (суммарно 39^о). При вращении цапфы наружной обоймы в одну сторону один из механизмов свободного хода 11 увлекает «свою» коническую шестерню, которая передает вращение и крутящий момент на коническое кольцо и ведомый вал 12. Шестерня на противоположной стороне вращается вхолостую от конического колеса. При вращении цапф в противоположном направлении задействуется другой механизм свободного хода с шестерней, который передает вращение и крутящий момент (в ту же сторону) на колесо и ведомый вал. Таким образом, ведомый вал вращается непрерывно с пониженной и регулируемой угловой скоростью из-за передаточного отношения. Неравномерность вращения ведомого вала существенно сглаживается за счет «растянутого» включения механизмов свободного хода, инерционного и маховичного эффектов и податливостей в системе. Бесступенчатое регулирование выходных параметров передачи и необходимые технологические режимы работы обеспечиваются варьированием (на ходу) углами наклона колец 7 и 5. После этого становится понятной работы механизма с двумя степенями свободы (рис. 1).

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

В предлагаемом приводе простыми средствами достигается:

бесступенчатое регулирование угловой скорости ведомых валов и, следовательно, скорости движения транспортного средства, включая их полную остановку;

простота конструкции и компактность передаточных звеньев, снижение габаритов привода. В итоге обеспечивается повышение стабильности и надежности работы привода.

Технико-экономические показатели и технико-экономическое обоснование применения новой регулируемой передачи зависят от конкретной области применения, размеров, мощности и условий эксплуатации. приведем один пример. В любой буровой установке для глубокого бурения скважин применяется лебедка. Тяжелые (для сверхглубокого бурения) и легкие установки (для бурения нефтегазовых скважин глубиной до 1000 метров и с нагрузкой на крюке не более 50 тонн- сил или 500 килоньютон) создаются почти по одинаковому принципу. Имеется тенденция создания систем тиристорного управления на постоянном токе, включающем огромные трансформаторы и сложнейшие электроэлементы преобразования, автоматики, стабилизации, контроля, слежения, управления, дублирования и т.п., количество которых измеряется миллионами. Для легких буровых установок подобные системы управления явно неприемлемы. В предложенном нами схемно-конструктивном решении лебедки легкой буровой установки предусмотрен относительно тихоходный электродвигатель (частота вращения» 750 мин^-1) мощностью до 200 кВт при напряжении переменного тока 6000 вольт (запитывается от линии электропередачи, отпадает надобность в трансформаторе, преобразователе напряжения и сопутствующих систем). Взамен сложнейшей системы тиристорного управления предлагается простейший регулируемый привод соответствующей мощности по принципу, изображенному на рис. 2. Органом управления и регулирования параметров такой передачи являются элементарные устройства изменения угла наклона шайб (разработана простейшая автоматическая система управления). В составе привода лебедки имеется самый простой управляемый цепной редуктор (отнюдь не цепная коробка передач!) для кинематической связи регулируемой передачи с канатным барабаном. Реверсирование привода не требуется, поскольку в буровых установках опускание крюка производится под действием веса груза (в нашем случае с отключением электродвигателя). В приведенном примере достигается существенная экономия стоимости оборудования и систем управления, массы конструкции, экономия на эксплуатации и обслуживании.

Экономический эффект составляет 10 тыс. руб. на 1 кВт мощности.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Упрощение конструкции. Исключается ряд деталей, за счет соосности передача становится компактной, повышается степень унификации деталей и узлов.

Упрощение системы управления. На примере лебедки буровой установки управление сводится к перемещению по шлицам ведущего вала устройств 4 и 6 (рис. 2), управление возможно при вращающемся ведущем вале 2 – на ходу и под нагрузкой, при этом отпадает надобность в преобразовании электроэнергии и в множестве электрических элементов.

Энергосбережение. Экономия энергоресурсов достигается за счет экономичных технологических режимов работы, плавного разгона и торможения, задействования электродвигателя непосредственно от промышленной электросети, отключения двигателя при опускании груза.

Снижение материальных и трудовых затрат. Достигается за счет уменьшения габаритов и массы конструкции, уменьшения количества деталей, существенного упрощения системы управления.

Новые потребительские свойства продукции

- снижение массо – габаритных характеристик;
- простое, глубокое и бесcтупенчатое регулирование выходных параметров;
-- снижение затрат и удобство в процессе эксплуатации;
- снижение металлоемкости и трудоемкости изготовления;
- снижение энергопотребления.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует современным государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

Изготовлен и подвергнут испытаниям и всесторонним экспериментально - теоретически исследованиям опытный образец передачи с электродвигателем мощностью 4 кВт и с частотой вращения 1500 мин-1. Дополнительно к этому сферический преобразующий механизм с тремя степенями свободы проверен на действующей крупномасштабной модели. Подтверждены заложенные конструктивно-кинематические решения.

Предлагаемые инвестиции

1,2 млн. руб.

Рынки сбыта

Предлагаемая передача прошла основательную конструктивно - экпериментальную отработку и рекомендуется для широкого круга машин и оборудования – преимущественно транспортного, подъемно-транспортного, сельскохозяйственного и нефтепромыслового назначения; не исключаются и другие сферы применения. Это относится к российским и зарубежным (страны СНГ) предприятиям машиностроения.

Возможность и эффективность импортозамещения

За рубежом аналогов нет. Это подтверждается соответствующим патентным поиском.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

06.08.2007