Улучити в точку

Принципово новий редуктор із просторовою точковою системою зачеплення зубців успішно пройшов випробування.

На ДП науково-виробничий комплекс газотурбобудування «Зоря»—«Машпроект» (Миколаїв) успішно завершилися випробування дослідного редуктора, створеного на основі нової теорії контактної міцності пружно стиснених тіл. Автор інноваційної розробки — професор Олексій Попов, завідувач кафедри механіки та конструювання машин Національного університету кораблебудування, академік Академії наук суднобудування України, доктор технічних наук.

Теорія…

Досі в редукторобудуванні, яке ґрунтується на класичній теорії контактної міцності пружно стиснених тіл Генріха Герца, використовувалися зубчасті передачі з лінійним зачепленням зубців. За 130 років, що минули з часу її створення, техніка пішла далеко вперед, зросли й вимоги до зубчастих передач, без яких неможливо уявити собі сучасне машинобудування. У 30-ті роки редуктор, який передає потужність у 15—18 тис. к.с. з коловою швидкістю 25 м/с, уважався важконавантаженим і високошвидкісним. Сьогодні нерідко в редукторах колові швидкості досягають 175—225 м/с, а передана потужність — 110 МВт, або 150 тис. к.с. Але потреби в переданих навантаженнях увесь час збільшуються, і традиційним зубчастим передачам дедалі складніше впоратися із завданнями. Тому протягом ХХ століття, особливо в другій його половині, неодноразово вживали спроб створення нових конструкцій із новими видами зачеплень і новими профілями зубців. Так, були розроблені зубчасті зачеплення з арковими, еволютними, енкаїтними профілями зубця, передача Новикова. Однак всі ці розробки так і не змогли замінити традиційні передачі з лінійним зачепленням.

Необхідно зазначити, що критичні зауваження на адресу традиційних зубчастих передач справедливі лише щодо лінійного контакту зубців. Річ у тім, що за класичною теорією контактної міцності із точковим дотиком розрахункові напруги досягають дуже великих значень, які не мають ніякого відношення до реальних величин. Так виникли твердження про неможливість створення зубчастих передач із точковою системою зачеплення зубців.

Професор Олексій Попов, працюючи над удосконаленням зубчастих передач, піддав сумніву цей постулат. І дійшов висновку про перевагу точкового контакту, який і було покладено в основу нової теорії контактної міцності пружно стиснених тіл. На її базі згодом була розроблена зубчаста передача із точковою системою зачеплення. Навантажувальна здатність у неї в 1,6—2,3 раза вище, ніж у традиційних редукторів, а масо-габаритні показники на 30—40% нижче, рівень зниження вібрації й шуму становить від 15 до 25 децибелів.

…і практика

Так уже узвичаєно, що всьому новому й прогресивному важко торувати собі шлях. От і в цьому випадку багато колег професора Попова відмовлялися вірити розрахункам. Для підтвердження нової теорії контактної міцності були проведені експериментальні дослідження на моделях, які імітують реальні умови взаємодії зубців. При цьому розрахункові й дослідні дані майже збіглися. Але й після цього супротивники нової теорії не склали зброї, заявляючи: «Ви завдаєте шкоди світовому редукторобудуванню». Однак не всі фахівці в галузі сучасного редукторобудування робили такі відверті «зізнання». Так, наприклад, один із провідних учених у галузі зубчастих передач, генеральний директор НВЦ «Редуктори та приводи» (Росія), головний редактор однойменного журналу Валерій Парубець одразу підтримав миколаївського вченого, назвавши його монографію «унікальною й такою, що дає відповіді на те, у якому напрямку треба розвивати редукторну науку та практику».

Позиції супротивників точкового зачеплення евольвентних зубців було зламано тільки після успішних випробувань. Адже за всіма канонами класичної теорії, зубці редуктора повинні були зламатися. Але всупереч прогнозам песимістів, у дослідного зразка, у порівнянні зі штатним редуктором, навантажувальна здатність із контактних напруг була вище у 2,25 раза, а з напруг вигину — у 1,7.

— Під час випробувань редуктор зробив 128 мільйонів циклів, що відповідає нормам. Рівень шуму та вібрації нового виробу нижче на 12 децибелів, — розповідає професор Попов.

Борис Ісаков, колишній головний конструктор ДП НВКГ «Зоря»—«Машпроект», де проводилися випробування, підтверджує:

— Тепер, коли випробування редуктора успішно завершені й блискучі розробки О.П. Попова підтвердилися, перед конструкторами й технологами відкрилися нові можливості щодо удосконалення й розвитку сучасного редукторобудування».

Редуктор, який пройшов випробування, працюватиме в системі двигуна заводського випробного комплексу. Але Олексій Попов уважає, що повноцінною перемогою нової теорії був би запуск у серійне виробництво редуктора з новим типом зачеплення.

На думку начальника відділу редукторів НВКГ «Зоря»—«Машпроект» Олександра Мироненка, такі високі навантажувальні характеристики нового зубчастого зачеплення на сьогоднішній день не мають аналогів у світовому редукторобудуванні, однак упровадження у виробництво зубчастих передач із просторовою точковою системою зачеплення зубів стримує відсутність на підприємстві дорогого обладнання. Адже зубчасті колеса для нового редуктора виготовлені в Запоріжжі на заводі ЗАТ «Мотор Сiч», оскільки це одне із двох підприємств в Україні, де є дорогі, високоточні зубошліфувальні верстати німецького виробництва.

Передбачаючи таку ситуацію, кілька років тому професор Попов розробив ще один варіант зубчастої передачі із просторовою точковою системою зачеплення. Суть його в тому, що зубці шестірні повернено відносно зубців колеса на певний кут у площині, що проходить через вісь обертання шестірні. Для нарізування зубців шестірні вже можуть використовуватися верстати вітчизняного виробництва. Сьогодні ця розробка запатентована, і найближчим часом на підприємстві почнуться дослідження моделей контакту. Після завершення експериментів буде ухвалено рішення щодо можливості упровадження передач із точковим контактом зубців у серійне виробництво.

Але й тут на нову розробку чекають традиційні для нашої промисловості проблеми. Мабуть, найголовніша з них — хронічна нестача коштів. Замовники найчастіше скептично ставляться до новинок, а просувати на ринок новий виріб власним коштом нашим підприємствам важко через обмежені фінансові можливості. У той же час нова зубчаста передача має величезний економічний потенціал.

— Якщо її застосувати на відомому редукторі М3, діаметр колеса якого становить 3,2 метра, то економія тільки на матеріалі становитиме більше тони високо легованої сталі. За нинішніми цінами це «тягне» приблизно на 12—16 тисяч доларів, — говорить професор Попов.

Олексій Павлович не виключає, що його редуктор через рік-два може з’явитися в Китаї. Протягом декількох років він читав лекції з редукторобудування китайським фахівцям. Представники цієї країни часто відвідували НВК і активно цікавилися новими розробками, у тому числі й зубчастою передачею з точковою системою зачеплення. До речі, новинками зацікавились і англійці, і французи, але китайці були особливо активні.

Хотілося б все-таки, щоб нашими науковими розробками, а відповідно й економічним ефектом, у першу чергу змогли скористатися українські підприємства. А для цього від влади необхідна чітка державна інноваційна політика, а від представників бізнесу — цілком виправданий, «зкалькульований» ризик.

Олексій Попов

Народився в 1938 році в Тамбові (Росія). Після закінчення Миколаївського кораблебудівного інституту в 1964 році протягом дев’яти років працював інженером-конструктором у відділі міцності КБ «Машпроект» (м. Миколаїв).

У 1971 році закінчив аспірантуру в Інституті машинобудування АН СРСР (м. Москва). У 1972-му запрошений до МКІ на викладацьку роботу. У 1988 році успішно захистив докторську дисертацію й здобув учене звання професора. На рахунку Олексія Павловича понад 400 наукових праць.

У процесі роботи над своєю теорією, яка тривала 12 років, професор Попов одержав в Україні 90 патентів, ще 10 у стадії захисту. А якщо рахувати з авторськимисвідоцтвами радянського періоду, то кількість його винаходів сягає 150.

Попов — Герцу

Принципові відмінності нової теорії контактної міцності від класичної — у двох основних моментах. По-перше, у класичній теорії Герца не видно взаємозв’язку між півосями еліптичної площадки деформації й наведеними радіусами кривизни у двох взаємно перпендикулярних площинах, а по-друге, у ній відсутній причинно-наслідковий зв’язок між функціями контактних деформацій і контактних напруг.