Революция в редукторостроении

Открытием ученого из Национального университета кораблестроения заинтересовались специалисты из большинства развитых стран мира.

Основой для расчетов в современном редукторостроении является, казалось бы, незыблемая классическая теория контактной прочности упруго сжатых тел Герца с начальным линейным либо точечным касанием этих тел. При начальном линейном взаимодействии тел теория Герца целиком и полностью используется при расчетах традиционных эвольвентных зубчатых передач с линейным контактом зубьев. А вот при точечном касании тел теория Герца не может быть применена при расчетах, например, гиперболоидных зубчатых, конических зубчатых передач со спиральными зубьями и, наконец, передач Новикова в силу того, что получаемые в процессе расчетов контактные напряжения очень велики и по своей величине «зашкаливают» за пределы здравого смысла. Тем не менее украинскому исследователю Алексею Попову удалось по-новому подойти к вопросу.

За 130 лет после создания теории Герца техника шагнула вперед, в связи с чем возросли и требования к технико-экономическим показателям зубчатых передач (повышение нагрузочной способности по контактным напряжениям и по напряжениям изгиба; снижение массогабаритных показателей; улучшение виброакустических характеристик). При этом традиционные зубчатые передачи с линейным контактом зубьев уже не всегда могли удовлетворять предъявленные к ним требования, поэтому на протяжении прошлого века возникли новые виды зацепления и новые формы зубьев: зацепление Новикова; зацепления с арочными, эволютными, энкаитными зубьями, которые, впрочем, так и остались на обочине современного редукторостроения.

Следует отметить, что указанные выше зубчатые передачи создавались в противовес традиционным эвольвентным зубчатым передачам только лишь с линейным зацеплением. Идея о создании эвольвентных зубчатых передач с точечным контактом зубьев практически никем не выдвигалась и не рассматривалась в силу того, что на ее пути непреодолимой преградой стояла классическая теория Герца, доказывающая невозможность получения в зубчатых передачах с точечным касанием зубьев величин контактных напряжений ниже, чем при линейном взаимодействии зубьев.

Испытано и доказано

Профессор Алексей Попов из Национального университета кораблестроения им. адмирала Макарова (г. Николаев) поставил под сомнение сложившееся мнение о невозможности повышения нагрузочной способности по контактным напряжениям зубчатых передач с точечным зацеплением зубьев. Он впервые доказал и показал уникальность точечного зацепления эвольвентных зубьев на основе разработанной им новой теории контактной прочности. Впервые в мировой практике им выполнены решения контактных задач не только в линейной постановке, но и с учетом нелинейности между упругими деформациями зубьев и возникающими при этом напряжениями.

На основе новой теории установлено, что точечный контакт зубьев практически по всем показателям более предпочтителен, чем линейный (высокая нагрузочная способность по контактным напряжениям и по напряжениям изгиба; существенное уменьшение весогабаритных показателей зубчатых передач; стабилизация формы пятна контакта и избежание кромочного контакта зубьев и т.д.) Показано, что за счет нелинейности между упругими деформациями и напряжениями нагрузочная способность зубчатых передач по контактным напряжениям при точечном взаимодействии зубьев выше в 1,414 раза. Допускаемые же величины контактных напряжений при точечном зацеплении зубьев в 1,5—2 раза выше по сравнению с линейным. Профессор Попов разработал зубчатые передачи с пространственной точечной двух-, трех-, четырехпарной системой зацепления зубьев, которые характеризуются уровнем снижения вибрации и шума на 10—25 дБ.

Для подтверждения новой теории контактной прочности упруго сжатых тел с начальным точечным контактом сначала были проведены экспериментальные исследования в статике на моделях, имитирующих условия точечного взаимодействия зубьев, которые подтвердили расчетные данные. Затем на ГП НПКГ «Заря»-«Машпроект» (г. Николаев) изготовили І ступень двухступенчатого штатного редуктора с точечным зацеплением зубьев вместо линейного. При этом осевые размеры зубчатых колес были уменьшены в 1,75 раза.

Опытный редуктор после 128 миллионов числа циклов нагружения, которое соответствует ГОСТу, показал отменные эксплуатационные качества. Нагрузочная способность опытного редуктора по контактным напряжениям была выше штатного редуктора в 2,36 раза без учета нелинейности и в три раза выше с учетом нелинейности, а по напряжениям изгиба – больше в 1,7 раза. И, наконец, расчетным путем установлено, что опытный редуктор имел примерно на 12 децибел меньший уровень вибрации и шума по сравнению со штатным редуктором. В настоящее время опытный редуктор эксплуатируется в системе двигателя, а его наработка составила примерно 500 миллионов циклов.

Есть пророк в своем отечестве

Как обычно бывает, новое и прогрессивное с трудом пробивает себе дорогу. Многие специалисты не верили расчетам Алексея Павловича. Хотя позиции противников точечного зацепления окончательно сломлены, но они не успокоились. Некоторые дошли до заявлений: «Вы наносите вред мировому редукторостроению».

И хотя «Фом неверующих» немало, творчески мыслящие специалисты в области современного редукторостроения, несмотря на кажущееся противоречие с общепризнанными постулатами, усмотрели в работах Попова идеи, существенно меняющие мировосприятие окружающей действительности, и признали новую теорию. Так, например, ведущий специалист 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».

Другая монография — о контактной прочности зубчатых механизмов — издана тиражом всего 30 экземпляров, но вызвала неподдельный интерес специалистов: она оказалась в Китае, Канаде, Германии, поступил на нее запрос из Англии.

В мировую копилку Украина внесла весомый процент научно-технических открытий. Но одно дело дать, а другое — использовать эти открытия или способствовать их признанию и внедрению в мировую практику. Сегодня из 1000 патентов, зарегистрированных в Украине, до стадии внедрения в производство доходят лишь 6. В Финляндии, например, в среднем реализуется 30% патентов, в экономически развитых странах к производственным процессам привлекаются 80% ученых, в Украине — 0,2%. Приведенные данные позволяют понять, что интеллектуальные ресурсы Украины огромные, и их использование в полной мере должно стать первостепенной задачей государственной важности.

Наше издание готово предоставить возможность высказаться на страницах газеты всем заинтересованным в поднятой теме сторонам.

Алексей Попов

Родился в 1938 году в Тамбове (Россия). После окончания Николаевского кораблестроительного института в 1964 году на протяжении десяти лет работал инженером-конструктором в отделе прочности союзного проектного бюро «Машпроект». Будучи учеником научно-конструкторской школы С.Д.Колосова, принимал непосредственное участие в создании целого ряда уникальных корабельных редукторов.

В 1971 году окончил аспирантуру в Институте машиноведения АН СССР (г. Москва) и успешно защитил кандидатскую диссертацию. В 1972-м приглашен в НКИ на преподавательскую работу. В 1988 году защитил докторскую диссертацию и получил ученое звание профессора. Автор более 425 научных работ.

За 12 лет работы над своей теорией профессор Попов получил 100 патентов Украины, еще 7 находятся в стадии рассмотрения. Число его изобретений с учетом авторских свидетельств советского периода достигает 157.

Профессор А.П.Попов впервые установил ранее неизвестное свойство упруго сжатых зубьев с начальным (до нагружения) касанием в точке, заключающееся в том, что при определенных величинах радиусов кривизны тел в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и найденного соотношения между ними точечное взаимодействие зубьев в процессе нагружения характеризуется значениями контактных напряжений, которые по своей величине существенно меньше напряжений при линейном касании зубьев.

Совокупно это означает, что выполненные теоретические и экспериментальные исследования на примере опытного редуктора с пространственной точечной системой зацепления зубьев не имеют аналогов в мировой практике. А данное открытие профессора А.П.Попова является революционным прорывом в области современного машиностроения.