Автореферат (Расчёт и проектирование демпфера сухого трения конического зубчатого колеса)

На правах рукописиКожаринов Егор ВикторовичРАСЧЁТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДЕМПФЕРА СУХОГО ТРЕНИЯКОНИЧЕСКОГО ЗУБЧАТОГО КОЛЕСАСпециальность 01.02.06 «Динамика, прочность машин, приборови аппаратуры»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукМосква, 2017Работа выполнена в Государственном научном центре РоссийскойФедерации федеральном государственном унитарном предприятии«Центральный Институт Авиационного Моторостроенияимени П.И. Баранова»Научный руководитель: доктор технических наук, профессорТемис Юрий МоисеевичОфициальныеоппоненты:Иванов Андрей Владимировичдоктор технических наук, акционерное общество«НПО Энергомаш имени академика В.П.

Глушко»,главный специалист по направлениюНасонов Дмитрий Александровичдоктор технических наук, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академиинаук, старший научный сотрудник отдела виброакустики машинВедущаяорганизация:Акционерное общество «Научно-производственныйцентр газотурбостроения «Салют»Защита диссертации состоится «01» ноября 2017 г. в 14 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.141.03 при Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, стр.1.Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим выслать по указанному адресу.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте (www.bmstu.ru)Московского государственного технического университета имени Н.Э.

Баумана.Автореферат разослан «___»____________ 2017 г.Ученый секретарь диссертационногосовета, д. т. н., доцентКарпачев Андрей ЮрьевичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Конические зубчатые передачи авиационных приводов, применяемые в центральных и угловых приводах газотурбинных двигателей(ГТД) и трансмиссиях вертолётов, обладая низкой массой и габаритами, работаютпри высоких частотах вращения и передаваемых мощностях. Разрушение конического привода авиационного ГТД приводит к выключению двигателя в полёте,что является особенно опасным для однодвигательных летательных аппаратов,а разрушение конической передачи в трансмиссии вертолёта может привестик жёсткой посадке воздушного судна.Большинство разрушений авиационных конических зубчатых колёс связаны с недостаточным сопротивлением усталости обода, резонансные колебаниякоторого возбуждаются полигармонической силой в зацеплении при попаданиисобственной частоты колебаний зубчатого колеса по узловым диаметрам в диапазон частот, кратных частоте вращения ротора турбины высокого давления ГТД.Изгиб обода при резонансных колебаниях приводит к концентрации переменныхнапряжений во впадине между зубьями и зарождению трещины многоцикловойусталости.

Каскады высокого давления ГТД работают в широком диапазонечастот вращения, что делает крайне затруднённой отстройку всех собственныхчастот колебаний обода конических колёс и вывод их из рабочего диапазона,вследствие чего работа конического зубчатого колеса на резонансном режимеможет оказаться неизбежной.Одним из наиболее эффективных способов снижения амплитуды резонансных колебаний конических зубчатых колёс и, соответственно, снижения уровняпеременных напряжений, является применение демпферов сухого трения.

Дляпроектирования демпфера сухого трения необходимо знать закон изменения действующей на коническое зубчатое колесо возбуждающей силы от зацепления, который зависит от упруго-инерционных характеристик передачи и её кинематической погрешности под передаваемой нагрузкой. Возможное возникновение фреттинг-коррозии и повышенного износа контактных поверхностей демпфера и зубчатого колеса может свести на нет эффект снижения амплитуды резонансныхколебаний зубчатого колеса по узловым диаметрам.

Поэтому актуальным является решение комплексной проблемы проектирования оптимального демпфера,обеспечивающего снижение уровня переменных напряжений во впадинах междузубьями зубчатого колеса и максимальных контактных напряжений между зубчатым колесом и демпфером в заданном диапазоне величины силы его поджатия.Степень разработанности темы. В стандартах на конические зубчатые колёса ISO 10300 и AGMA 937-А12 отмечена необходимость применения демпферов сухого трения для снижения амплитуды резонансных колебаний коническихзубчатых колёс, но отсутствуют расчётные методики оценки эффективности ирекомендации по выбору параметров демпферов. В этих же стандартах указананеобходимость создания математической модели, учитывающей влияние резонансных колебаний обода конического зубчатого колеса на динамическиенагрузки в зацеплении, но не даны рекомендации по созданию подобного родамоделей.1Динамике цилиндрических зубчатых передач посвящены работыО.И.

Косарева, М.Д. Генкина, В.Л. Дорофеева, А. Kahraman, R. Parker и др. Динамические модели конических зубчатых передач представлены в работахM. Baxter, Yuping Cheng и др. К недостаткам данных моделей может быть отнесена невозможность исследования изгибных колебаний зубчатых колёс по формам с узловыми диаметрами. Исследованием кинематической погрешности конических зубчатых передач занимались Н.Ф. Хлебалин, Г.И. Шевелёва, F.L.

Litvin,H.G. Statfeld, однако предложенные ими модели не позволяют оценить уровеньпеременных напряжений на ободе конического зубчатого колеса при колебанияхв зависимости от кинематической погрешности.Отметим, что работы по применению методов оптимизации при проектировании демпферов сухого трения для конических зубчатых колёс отсутствуют.Целью работы является создание комплекса моделей для расчёта и оптимального проектирования высокоэффективного демпфера сухого трения дляконического зубчатого колеса.Задачи исследования:1. Разработка динамической модели конического зубчатого колеса с демпфером сухого трения.2. Разработка редуцированной динамической модели конической зубчатойпередачи с демпфером сухого трения, учитывающей влияние кинематическойпогрешности, определённой при помощи созданной квазистатической модели конической зубчатой передачи, на возбуждение колебаний колеса с последующимопределением оптимальной силы поджатия демпфера.3.

Оптимизация профиля рабочей поверхности демпфера сухого трениятарельчатого типа по критерию минимума контактных напряжений в заданномдиапазоне возможного изменения силы его поджатия.4. Экспериментальная оценка эффективности демпфера сухого трениятарельчатого типа при испытаниях на вибростенде.Научная новизна:1. Разработана динамическая модель конического зубчатого колеса с демпфером сухого трения, позволяющая выбирать оптимальную силу его поджатия.2. Впервые разработана модель колебаний конической зубчатой передачис демпфером сухого трения, позволяющая определять амплитуду возбуждающейсилы, действующей на коническое зубчатое колесо, при резонансных колебанияхпо узловым диаметрам в зависимости от упруго-инерционных характеристикконической зубчатой передачи и функции её кинематической погрешности.3. Поставлена и решена задача оптимального профилирования рабочей поверхности демпфера сухого трения конического зубчатого колеса по критериюминимума контактных напряжений в заданном диапазоне изменения силы егоподжатия.Теоретическая значимость диссертации заключается в выявлении характерных особенностей совместных осевых, тангенциальных и радиальных колебаний обода конического зубчатого колеса.

Установлена специфика и проведенаклассификация режимов работы демпфера сухого трения тарельчатого типа конического зубчатого колеса.2Практическая значимость работы заключается в снижении вибронапряжений конического зубчатого колеса при применении демпфера сухого тренияс оптимальной силой поджатия. Оптимизация профиля рабочей поверхностидемпфера сухого трения обеспечила реализацию минимальных контактныхнапряжений между демпфером и зубчатым колесом в заданном диапазоне изменения силы поджатия демпфера.Разработаны оснастка, модельные образцы и способ проведения испытанийконического зубчатого колеса на вибростенде, обеспечивающем возбуждениерезонансных колебаний модельного конического колеса с демпфером сухого трения по узловым диаметрам.Методы исследований.

Для численного моделирования колебаний конической зубчатой передачи с демпфером сухого трения применен способ редуцирования задачи с использованием метода главных координат. Решение редуцированных нелинейных дифференциальных уравнений выполнено методом РунгеКутты 4-го порядка. Для определения функции кинематической погрешностиконической зубчатой передачи использован метод конечных элементов. Оптимальное профилирование рабочей поверхности демпфера сухого трения осуществлено путём решения оптимизационной задачи генетическими алгоритмами.Экспериментальная оценка эффективности демпфера сухого трения для конического колеса проведена на аттестованном вибростенде (свидетельство о поверке№ НТ 150690/В).Положения, выносимые на защиту:1. Динамическая модель передачи, включающая в себя модель коническогозубчатого колеса с демпфером сухого трения.2.

Модель конической зубчатой передачи, позволяющая определить функцию кинематической погрешности с учетом конструктивных параметров и режимов работы передачи.3. Постановка и решение задачи оптимального профилирования рабочейповерхности демпфера сухого трения тарельчатого типа для конического зубчатого колеса.4. Способ и результаты экспериментальной оценки эффективности демпфера сухого трения для конического колеса при испытаниях на вибростенде.Достоверность научных результатов подтверждается корректнымиспользованием методов исследования и удовлетворительным совпадениемрезультатов решения тестовых задач с материалами других авторов, а результатовмоделирования – с экспериментальными данными.Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались нанаучно-практической конференции молодых ученых и специалистов ЦИАМ(г.

Москва, 2014), отраслевом семинаре ЦИАМ (г. Москва, 2014), международнойконференции «ASME 2014 Gas Turbine India Conference GTINDIA2014» (г. Дели,2014), международном конгрессе ICAS 2014 (г. Санкт-Петербург, 2014), международном форуме «Двигателестроение 2014» (г. Москва, 2014), конференции молодых ученых и специалистов «Новые решения и технологии в газотурбостроении» (г. Москва, 2015), 12-й международной конференции пользователей3«Ansys/Cadfem» (г. Москва, 2015), III-м Международном технологическом форуме «Инновации.