Попасть в точку

Принципиально новый редуктор с пространственной точечной системой зацепления зубьев успешно прошел испытания.

На ГП «Научно-производственный комплекс газотурбостроения «Заря» — «Машпроект» (Николаев) успешно завершились испытания опытного редуктора, созданного на основе новой теории контактной прочности упруго сжатых тел. Автор инновационной разработки — профессор Алексей Попов, заведующий кафедрой механики и конструирования машин Национального университета кораблестроения, академик Академии наук судостроения Украины, доктор технических наук.

Теория…

До сих пор в редукторостроении, базирующемся на классической теории контактной прочности упруго сжатых тел Генриха Герца, использовались зубчатые передачи с линейным зацеплением зубьев. За 130 лет, миновавших со времени ее создания, техника шагнула далеко вперед, возросли и требования к зубчатым передачам, без которых невозможно представить современное машиностроение. В 30-е годы редуктор, передающий мощность в 15—18 тыс. л.с. с окружной скоростью 25 м/с, считался тяжелонагруженным и высокоскоростным. Сегодня нередко в редукторах окружные скорости достигают 175—225 м/с, а передаваемая мощность — 110 МВт, или 150 тыс. л.с. Но потребности в передаваемых нагрузках все увеличиваются, и традиционным зубчатым передачам все сложнее справляться с задачами. Поэтому на протяжении ХХ века, особенно во второй его половине, неоднократно предпринимались попытки создания новых конструкций с новыми видами зацеплений и новыми профилями зубьев. Так, были разработаны зубчатые зацепления с арочными, эволютными, энкаитными профилями зуба, передача Новикова. Однако все эти разработки так и не смогли заменить традиционные передачи с линейным зацеплением.

Необходимо заметить, что критические замечания в адрес традиционных зубчатых передач справедливы лишь в части линейного контакта зубьев. Дело в том, что при использовании классической теории контактной прочности с точечным касанием расчетные напряжения достигали очень больших значений, не имеющих никакого отношения к реальным величинам. Так появились утверждения о невозможности создания зубчатых передач с точечной системой зацепления зубьев.

Профессор Алексей Попов, работая над усовершенствованием зубчатых передач, поставил под сомнение этот постулат. И пришел к выводу о предпочтительности точечного контакта, который и лег в основу новой теории контактной прочности упруго сжатых тел. На ее базе впоследствии была разработана зубчатая передача с точечной системой зацепления. Нагрузочная способность у нее в 1,6—2,3 раза выше, чем у традиционных редукторов, а массо-габаритные показатели на 30—40% ниже, уровень снижения вибрации и шума составляет от 15 до 25 децибел.

…и практика

Так уж повелось, что все новое и прогрессивное с трудом пробивает себе дорогу. Вот и в этом случае многие коллеги профессора Попова отказывались верить расчетам. Для подтверждения новой теории контактной прочности были проведены экспериментальные исследования на моделях, имитирующих реальные условия взаимодействия зубьев. При этом расчетные и опытные данные практически совпали. Но и после этого противники новой теории не сложили оружие, заявляя: «Вы наносите вред мировому редукторостроению». Однако не все специалисты в области современного редукторостроения делали столь откровенные «признания». Так, например, один из ведущих ученых в области зубчатых передач, генеральный директор НПЦ «Редукторы и приводы» (Россия), главный редактор одноименного журнала Валерий Парубец с самого начала поддержал николаевского ученого, назвав его монографию «уникальной и дающей ответы на то, в каком направлении следует развивать редукторную науку и практику».

Позиции противников точечного зацепления эвольвентных зубьев были сломлены только после успешных испытаний. Ведь по всем канонам классической теории зубья редуктора должны были сломаться. Но вопреки прогнозам пессимистов у опытного образца, по сравнению со штатным редуктором, нагрузочная способность по контактным напряжениям оказалась выше в 2,25 раза, а по напряжениям изгиба — в 1,7.

— В ходе испытаний редуктор проработал 128 миллионов циклов, что соответствует нормам. Уровень шума и вибрации нового изделия ниже на 12 децибел, — рассказывает профессор Попов.

Борис Исаков, бывший главный конструктор ГП НПКГ «Заря»–«Машпроект», где проводились испытания, подтверждает:

— Теперь, когда испытания редуктора успешно завершены и блестящие разработки Попова подтвердились, перед конструкторами и технологами открылись новые возможности в совершенствовании и развитии современного редукторостроения.

Прошедший испытания редуктор будет работать в системе двигателя заводского испытательного комплекса. Но Алексей Попов считает, что полноценной победой новой теории был бы запуск редуктора с новым типом зацепления в серийное производство.

По мнению начальника отдела редукторов НПКГ «Заря»—«Машпроект» Александра Мироненко, столь высокие нагрузочные характеристики нового зубчатого зацепления на сегодняшний день не имеют аналогов в мировом редукторостроении, однако внедрение в производство зубчатых передач с пространственной точечной системой зацепления зубьев сдерживает отсутствие на предприятии дорогостоящего оборудования. Ведь зубчатые колеса для нового редуктора изготовлены в Запорожье на заводе «Мотор Сич», поскольку это одно из двух предприятий в Украине, где есть дорогие высокоточные зубошлифовальные станки немецкого производства.

Предвидя такую ситуацию, несколько лет назад профессор Попов разработал еще один вариант зубчатой передачи с пространственной точечной системой зацепления. Суть его в том, что зубья шестерни повернуты относительно зубьев колеса на определенный угол в плоскости, проходящей через ось вращения шестерни. Для нарезания зубьев шестерни уже могут использоваться станки отечественного производства. Сегодня эта разработка запатентована, и в ближайшее время на предприятии начнутся исследования моделей контакта. После завершения экспериментов будет принято решение о возможности внедрения передач с точечным контактом зубьев в серийное производство.

Но и здесь новую разработку поджидают традиционные для нашей промышленности проблемы. Пожалуй, самая главная из них — хроническая нехватка средств. Заказчики зачастую скептически относятся к новинкам, а продвигать на рынок новое изделие за свой счет нашим предприятиям тяжело из-за ограниченных финансовых возможностей. В то же время новая зубчатая передача несет в себе огромный экономический потенциал.

— Если ее применить на известном редукторе М3, диаметр колеса которого составляет 3,2 метра, то экономия только на материале составит более тонны высоколегированной стали. По нынешним ценам это «тянет» примерно на 12—16 тысяч долларов, — говорит профессор Попов.

Алексей Павлович не исключает, что его детище через год-два может появиться в Китае. На протяжении нескольких лет он читал лекции по редукторостроению китайским специалистам. Представители этой страны часто посещали НУК и активно интересовались новыми разработками, в том числе и зубчатой передачей с точечной системой зацепления. Кстати, интерес к новинкам проявляли и англичане, и французы, но китайцы были особенно активны.

Хотелось бы все-таки, чтобы нашими научными разработками, а соответственно и экономическим эффектом, в первую очередь смогли воспользоваться украинские предприятия. А для этого от властей необходима четкая государственная инновационная политика, а от представителей бизнеса — вполне оправданный, «скалькулированный» риск.

Алексей Попов

Родился в 1938 году в Тамбове (Россия). После окончания Николаевского кораблестроительного института в 1964 году на протяжении девяти лет работал инженером-конструктором в отделе прочности КБ «Машпроект» (г. Николаев).

В 1971 году окончил аспирантуру в Институте машиностроения АН СССР (г. Москва). В 1972-м приглашен в НКИ на преподавательскую работу. В 1988 году успешно защитил докторскую диссертацию и получил ученое звание профессора. На счету Алексея Павловича более 400 научных работ.

В процессе работы над своей теорией, которая продолжалась 12 лет, профессор Попов получил в Украине 90 патентов, еще 10 находятся в стадии защиты. А если считать с авторскими свидетельствами советского периода, то число его изобретений достигает 150. 

Попов — Герцу

Принципиальные отличия новой теории контактной прочности от классической — в двух основополагающих моментах. Во-первых, в классической теории Герца не просматривается взаимосвязь между полуосями эллиптической площадки деформации и приведенными радиусами кривизны в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, а во-вторых, в ней отсутствует причинно-следственная связь между функциями контактных деформаций и контактных напряжений.