Автореферат (Исследование жесткости и прочности волновой передачи с телами качения электромеханического силового привода летательного аппарата)

2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияОдним их перспективных направлений развития приводной техники вавиации является разработка силовых электромеханических приводоввращательного действия, допускающих выполнение их в виде петлеобразныхмеханизмов и встраивание исполнительного механизма в опорное устройствообъекта управления (ОУ). Узлами летательных аппаратов (ЛА), требующихналичия силовых приводов, являются аэродинамические органы, механизациякрыла, створки грузовых отсеков, механизация шасси.

Во многих случаях требуетсяприменение дешёвых, энергоэффективных и простых в управлении и обслуживаниисиловых приводов с высокой удельной мощностью. В таких случаях целесообразноиспользовать электромеханические приводы, которые более дёшевы относительноэлектрогидравлических приводов, имеют высокий КПД.Применение редкоземельных материалов в современных бесколлекторныхэлектродвигателях, силовых транзисторов, рассчитанных на большие токи, вусилителях мощности и многопарных механических передач в редукторе позволилоувеличить удельную мощность электромеханических приводов так, что по этомупараметру и динамическим характеристикам они стали соизмеримы сэлектрогидравлическими.Электромеханический привод включает в себя блок управления, иисполнительный механизм (ИМ). ИМ состоит из электродвигателя, редуктора идатчика обратной связи. Выходное звено ИМ может совершать вращательное илипоступательное движение.

В случае вращательного действия, возможна интеграциявсего ИМ в шарнир ОУ, что позволяет уменьшить занимаемый приводом объём. Вработах С.Л. Самсоновича показано, что волновые передачи с сооснымрасположением входного и выходного валов и многопарным зацеплением имеютлучшие массогабаритные показатели по сравнению с передачами других типов.Вследствиеприведённыхвышедостоинств,разработкасиловыхэлектромеханических приводов вращательного действия на основе волновыхпередач с многопарным зацеплением является одним из наиболее актуальныхнаправлений для современного авиастроения.Разработкой редукторов ИМ силовых приводов вращательного действиязанимаются многие коллективы и исследователи. В книге Б.Г.

Крымова, Л.В.Рабиновича, В.Г. Стеблецова рассматриваются различные ИМ летательныхаппаратов. В работе А.А. Пашина исследуются многопоточные планетарныезубчатые передачи в приводах машин. В работе Л. Паскале, М. Нагоэ, Д.Диаконеску рассматривается использование планетарно-цевочной передачи всоставе приводов робота. Большой обзор вариантов схем передач с телами качения3проведён В.В. Становским. В работе С.Л. Самсоновича рассматриваетсяприменение волновых зубчатых передач и волновых передач с телами качения всоставе приводов ЛА.

В работе Д.П. Волкова и Ю.Н. Зубкова исследуютсяколебания в приводе с волновой зубчатой передачей. В работе В.А. Гавриленко,Н.А. Скворцовой, Ю.И. Семина, Е.П. Солдаткина рассмотрены волновые зубчатыепередачи в составе роботов.На сегодняшний день известны методики расчёта планетарных зубчатыхпередач, приведённые в работе Н.Ф. Руденко; планетарно-цевочных передач,рассмотренные в работах Б. Бориславова, В.П.

Брюховецкого, Н.И. Гданского, С.О.Киреева, В.Н. Кудрявцева, В.М. Шанникова, В.А. Юдина; волновых зубчатыхпередач в работах Д.П. Волкова, М.Н. Иванова, В.А. Зиновьева и волновых передачс телами качения (ВПТК) в работах С.Л. Самсоновича, В.С. Степанова, В.С.Янгулова и Ю.В. Ершова. В работе М.Е. Лустенкова описаны способыминимизации потерь мощности в передачах со свободными телами качения. Вработах С.И. Бакалова, Э.Н.

Панкратова, рассматриваются различныеконструктивные схемы ВПТК.В работах С.Л. Самсоновича показано, что ВПТК с дисковымволнообразователем имеют малый момент инерции, обладают наименьшимимассогабаритными показателями при одинаковом передаточном числе, поэтомудальнейшее развитие и применение в ЛА данных передач является актуальным.Однако проведённый обзор технической литературы свидетельствует, что видхарактеристики жёсткости, влияющий на статические и динамическиехарактеристики привода, не исследовался.Цель работы: создание комплексной методики расчёта ВПТКэлектромеханического привода летательного аппарата, включающей расчёт наконтактную прочность, жёсткость, люфт и позволяющей исследовать влияниепараметров ВПТК на динамические характеристики привода.Задачи работы Изучение особенностей характеристики передаваемого момента(зависимости выходного момента передачи от входного) и нагрузочнойхарактеристики ВПТК. Определение влияния момента нагрузки, передаточного числа,геометрических параметров, коэффициентов трения и технологических зазоровВПТК на вид нагрузочной характеристики. Определение влияния наружного диаметра, передаточного числа на длину,жёсткость и максимальное напряжение в сепараторе ВПТК. Рассмотрение вариантов повышения прочности ВПТК за счёт схемных иконструктивных решений.4 Исследование влияния параметров ВПТК на динамические характеристикиэлектромеханического привода.Методы решенияДля решения поставленных задач использовались аналитические методырасчётов технической механики.

Построение математических моделей дляпроведения математических расчётов и создания пользовательского приложенияосуществлено в пакете MATLAB-Simulink. Построение твердотельных моделей иисследования напряжений и деформаций методом конечных элементов сиспользованием программы SolidWorks.Научная новизна Уточнена физическая модель ВПТК и форма её нагрузочнойхарактеристики и характеристики передаваемого момента, которые описаныматематически. Разработана методика силового расчёта ВПТК, контактных сил,напряжений и деформаций, характеристики передаваемого момента и нагрузочнойхарактеристики, КПД в зависимости от геометрических параметров передачи,коэффициентов трения, отклонений размеров и момента нагрузки. Предложена новая конструктивная схема волновой передачи сэксцентриковыми роликами, реализующая контакт между роликом и жёсткимколесом по поверхности, что позволяет значительно уменьшить массу и габаритыредуктора. Создана математическая модель электромеханического привода, на основеВПТК, позволяющая исследовать влияние параметров и характеристик передачи настатические и динамические характеристики привода.Практическая значимость Разработанная методика силового расчёта ВПТК позволяет: рассчитатьнаименьшие геометрические размеры передачи под заданные техническиетребования. Созданное программное обеспечение позволяет провести комплексныйрасчёт ВПТК по разработанной методике, существенно уменьшить времяпроектирования передачи, а также позволяет найти наилучшие параметрыразрабатываемого редуктора с точки зрения массы и габаритов. Даны рекомендации по выбору типа тел качения, формы гнёзд сепаратораи числа рядов тел качения для увеличения прочности ВПТК. Предложеныпутиулучшениядинамическиххарактеристикэлектромеханического привода на основе ВПТК за счёт выбора геометрическихпараметров элементов передачи, увеличения жёсткости передачи, уменьшениязазоров между роликами, диском волнообразователя и сепаратором и примененияконструкций с возможностью выбора люфта.5Реализация результатовМатериалы диссертационной работы использованы в лекциях по курсу«Основы конструирования механизмов и узлов систем приводов ЛА», курсовом идипломном проектировании на кафедре 702 «Системы приводов авиационнокосмической техники» МАИ.Результаты диссертационной работы использовались в научноисследовательских темах кафедры 702: Обоснование выбора рулевого привода для изделия 75 (2013); Разработка схемных и конструкторских решений по совершенствованиюКСУ ЛА; Разработка требований к исполнительной части системы управлениясамолета с использованием рулевых приводов с электрическим энергопитанием(2013).Достоверность полученных результатовРезультаты работы получены с помощью апробированных современныхметодов расчета, компьютерного моделирования, а также подтвержденысравнением теоретических исследований и результатов моделирования сэкспериментальными данными.Основные положения, выносимые на защиту Физическая модель ВПТК, учитывающая упругость передачи, еёспецифические нагрузочную характеристику и характеристику передаваемогомомента, и математическое описание предлагаемой физической модели. Комплексная методика силового расчёта ВПТК, основанная на физическоймодели ВПТК, позволяющая найти геометрические параметры ВПТК,удовлетворяющие условиям контактной прочности и требуемым динамическимхарактеристикам электромеханического привода на её основе. Результаты исследования влияния геометрических параметров ВПТК, еёнагрузочной характеристики и характеристики передаваемого момента настатические и динамические характеристики электромеханического привода.Апробация работыОсновные положения диссертационной работы докладывались иобсуждались на конференциях:XX-й, XXI-й, XXII-й Международных научно-технических семинарах«Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработкиинформации».

Алушта, сентябрь 2011, 2012, 2013 гг.IX-й Всероссийской научно-технической конференции «Проблемысовершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательныхаппаратов, Москва, МАИ, 2012 г.611-й Международной конференции «Авиация и космонавтика – 2012»,Москва, 13–15 ноября 2012 г.Научно-технической конференции «Перспективы развития авиационногооборудования и агрегатов» (26-27 января 2012 г.).II-й Всероссийской научно-технической конференции «Системы управлениябеспилотными космическими и атмосферными ЛА, Москва, МОКБ «МАРС», 2012г.Московской молодёжной научно-практической конференции «Инновации вавиации и космонавтике – 2013», Москва, 16-18 апреля 2013 г.XX-й Международном симпозиуме «Динамические и технологическиепроблемы механики конструкций и сплошных сред» им.

А.Г. Горшкова, Москва,2014 г.ПубликацииМатериалы диссертации опубликованы в изданиях, входящих в переченьВАК: научные статьи в журналах «Труды МАИ», «Авиационная промышленность»,«Известия Тульского государственного университета», а также научные работы втрудах всероссийских и международных конференций.На разработанные в рамках диссертационной работы конструктивные схемыредукторов получены два патента РФ.Структура и объём работыДиссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 155страниц, включая 124 рисунка, 14 таблиц и список литературы из 53 наименований.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВовведенииданообоснованиеактуальностиисследованияэлектромеханических приводов с ИМ вращательного действия; рассмотреныварианты компоновки ИМ силового привода; проведён обзор работ, посвящённыхисследованию и расчёту многопарных соосных передач; показана целесообразностьиспользования ВПТК в качестве редуктора силовых электромеханическихприводов; рассмотрены работы, посвящённые расчёту ВПТК.