Продолжение темы. Редукторные механизмы будущего

17.12.07.

ПРОДОЛЖЕНИЕ ТЕМЫ
SIN X = SIN nX

 

      В Энциклопедическом справочнике МАШИНОСТРОЕНИЕ, Москва, год 1948, том 2, стр. 625, фиг. 237, таблица 95, показаны и описаны внешне весьма привлекательные ПОДШИПНИКОВЫЕ РЕДУКТОРЫ, двухступенчатые, фрикционные.

Они, конечно же, не нашли применения. Один из главных недостатков таких редукторов – потери на трение шариков о сепаратор, нагруженный передаваемым ему так крутящим моментом.

Частично эту проблему можно было бы решить, заменив шарики подшипниками с шаровыми наружными кольцами.

Таковы, например, FAFNIR BALL BEARINGS, Track Rollers, Double Row, D7R6-2.

Трение скольжение о сепараторы именно таким образом можно было бы устранить, заменив его трением качения, весьма малым.

Это не спасло бы такое направление техники. Фрикционные редукторы такого типа – техника ненадёжная и недолговечная.




     Подшипниковые редукторы с передачей зацеплением через шарики имеют ту же проблему потерь на трение шариков о нагруженный сепаратор. Но тот же приём устранения потерь на трение к ним неприменим.

 

     Сибирская машиностроительная компания в последние несколько лет, с момента своего возникновения на базе военно-космической индустрии, широко развернула производство и рекламу, по-видимому, ранее секретной продукции предприятий Ракетно-космического агентства.  В нефтегазовой и в других отраслях промышленности СибМашКом энергично, в имперских масштабах, внедряет волновые редукторы нового поколения. Они, в принципе, похожи на подшипники качения и содержат, в основном, аналогичные четыре звена кинематической схемы такого механизма, а именно, всего лишь: две детали вращения и расположенный между ними сепаратор с телами качения, – шариками или роликами.

 

     От обычного шарикоподшипника, используемого, как упомянуто выше, в качестве фрикционного редуктора (в котором шарики, зажатые между кольцами осевой затяжкой, передают за счёт сил трения этих шариков об эти кольца требуемый крутящий момент нагруженному так сепаратору), шариковолновой редуктор отличается, в принципе, лишь формой дорожек для шариков.
     В нем крутящий момент передаётся не трением, а зацеплением через шарик.

     Масштаб производства таких редукторов может быть сопоставим с масштабом производства некоторых типичных типов подшипников, таких как упорные или радиальные.

 

     В обычном подшипнике шарики катятся по окружности.
     В шариковолновых редукторах шарики при этом ещё и виляют.

 

     В зубчатом редукторе эвольвентного зацепления (да и зацепления Новикова) промежуточными телами качения являются дополнительные пары зубчатые колёс со своими валами и подшипниковыми узлами такой очередной ступени редуктора. При этом нагружены всего лишь пара зубьев в каждом колесе такого редуктора.

     В шариковолновой передаче через промежуточные звенья таковыми являются всего лишь шарики, - детали наипростейшей геометрической формы. Почти все они (у меня) одновременно могут быть полезно нагружены. В отличие от зубьев шарики вообще не ломаются. Эти шарики в таких передачах могут быть крупнее, чем в привычных подшипниках таких же размеров, как эти механизмы.

     Передаточное число пары зубчатых колёс, цилиндрических или конических, как правило, значительно меньше десяти. В механизмах СибМашКома обеспечивается двузначное передаточное число в каждой ступени такого редуктора, а в моих конструкциях это число может быть и трёхзначным.

 

     Приоритет в создании шариковолновых редукторов принадлежал СССР, а точнее, их автору Александру Павловичу Зайцеву, скоропостижно скончавшемуся в ноябре 1971 года.

 

     Шариковолновые редукторы, эти исключительно компактные механизмы, стали мало-помалу патентовать в разных странах, пожалуй, лишь в восьмидесятые годы. Такие пока всё ещё экзотичные, очень компактные механизмы теперь начали, наконец, иногда применять, но, сперва лишь в особых условиях, например, для одноразовой, кратковременной работы в космосе, в частности, для развёртывания антенн.  Сибирская машиностроительная компания, созданная в 1999 году на базе томского филиала металлообрабатывающего производства Ракетно-космического агентства, внедряет теперь такие «волновые редукторы нового поколения» и в нефтегазовой промышленности.

 

     Поскольку, наконец-то(!), реально началась «материализация духов и раздача слонов», то уже из одного лишь только личного эгоизма я желаю как себе самому (даже – по той же причине – больше чем себе самому)  руководству и специалистам этой компании (В.В. ШУМСКОМУ, Э.Н. ПОНКРАТОВУ, Р.Н. КАРАСЁВУ и теоретику этих механизмов доктору БЕЛЯЕВУ из Томского политехнического университета) всяческих успехов в этой теме.

 

     Одним из главных недостатков шариковых редукторов являются весьма значительные потери на трение шариков о нагруженный сепаратор такого механизма.

     К ранее знакомым по фрикционным подшипниковым редукторам  таким потерям на трение теперь (уже в передачах зацеплением через шарик или ролик) добавляются, казалось бы, тоже неустранимые, весьма большие потери на преодоление трения при полусухом скольжении шарика или ролика о дорожки его качения по ним.

 

     В редукторах Сибирской машиностроительной компании шарики катятся по  колдобинам. Траектория такого движения шариков представляет собой слишком пологую синусоиду с амплитудой всего лишь до четверти диаметра шариков. Большая амплитуда вследствие наличия сепаратора невозможна по геометрическим условиям в такой конструкции. Вследствие пологой формы волн в такой синусоиде большая часть нагруженных шариков там испытывает нежелательно большое сопротивление, возникающее вследствие слишком больших сил трения шариков на самых пологих участках такой канавки. Фактически там полезно нагружены не 50 %, не 40 %  и  не З0 % шариков, а всего лишь один шарик. Хорошо, если он крупный, - согласно формулам расчета, аналогичным формулам из Справочника по подшипникам. Как и в подшипниках, некий коэффициент работоспособности шариковых и роликовых механизмов зависит от главных радиусов кривизны и соотношения их знаков в пятнах контакта промежуточных тел качения с беговыми дорожками. Кривизна, то есть размер шариков или роликов важнее прочих размеров механизма для повышения работоспособности механизма. Качение шарика по наружному цилиндру без канавки на нём – самое слабое место конструкций, так энергично рекламируемых СибМашКомом.

 

     В шариковолновых редукторах Александра Павловича Зайцева, впервые заявленных им в качестве изобретений, возможно, ещё в конце шестидесятых годов, шарики виляют из стороны в сторону. Такова заявка Зайцева А.П. на механизм под названием ДИФФЕРЕНЦИАЛ, который является также и редуктором, - первой, ранее неизвестной шариковолновой передачей, - волновым «редуктором-подшипником» с зацеплением через промежуточные тела вращения, прежде всего, шарики. В нём ведущим или ведомым звеном может быть любое из трех его звеньев (т. е. кроме шариков). В частности, нагруженный крутящим моментом может быть и сепаратор шариков.

     SIN X = SIN nX является математическим принципом этой шариковолновой передачи, как и передач СибМашКома.  Канавки для шариков в механизмах Зайцева имеют постоянную глубину. Амплитуда синусоиды их траектории не ограничена упомянутой четвертью диаметра. Она может быть и значительно большей, чем диаметр шариков, - хотя бы в несколько раз. Синусоида движения шариков по ведомому звену может иметь (или же – на выбор конструктора – не иметь) достаточно крутые волны и, следовательно, благоприятные проекции при разложении сил взаимодействия деталей такого механизма в его зацеплении через шарик.

 

С предложением прокомментировать статью В.В. Шумского, Э.Н. Понкратова, Р.Н. Карасёва   «Волновые редукторы нового поколения в нефтегазовой промышленности» редакция журнала «Редукторы и приводы» (С.-Петербург) обратилась к кандидату технических наук доценту кафедры «Теория механизмов и машин»  МГТУ им. Н.Э.Баумана (Москва) Тарабарину Валентину Борисовичу. Специалист в области волновых передач Тарабарин М.Б. привёл в качестве примеров известные ему аналоги тех механизмов, что рекламируются в упомянутой выше статье сибиряков. Указанные им  механизмы являются аналогами и тех передач, о которых и я рассказал в своих декларациях «Что бы это такое могло быть?», названных специалистами и руководителями СИБИРСКОЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ КОМПАНИИ (Ракетно-космического агентства) всего лишь «РЕДУКТОРНОЙ ФАНТАСТИКОЙ».

Редуктор с промежуточными телами-роликами выпускался фирмой Synkinetics, Inc.

в 90-х годах. Редуктор американцев имеет тот же принцип действия, что и редуктор СибМашКома, причём он более привлекателен своей компактностью, конструктивной простотой и явно большей мощностью при тех же размерах. До конца того десятилетия производство таких редукторов было прекращено. По-видимому, не удалось справиться с проблемой слишком больших потерь на преодоление трения.

 

     Мне трудно представить себе, за счёт чего эту проблему удалось решить специалистам российского Ракетно-космического агентства. Судя по эскизам в статье Сибирской машиностроительной компании, её шариковолновые редукторы не имеют преимуществ по к.п.д. в сравнении с упомянутым выше аналогичным редуктором американцев, где роликоволновая передача явно мощнее шариковолновой передачи сибиряков. Мне пока не ясно также, в чем состоит патентоспособная новизна волновых редукторов сибирских учёных при сопоставлении их механизмов с редуктором американцев и с механизмами А.П. Зайцева. Всё это очень напоминает сюжет книги Норберта Винера «Искуситель», упомянутой мной в начатой серии публикаций под названием «Так было». На этот раз сюжет более тонкий и его масштабы несопоставимо больше. Однако я уверен, что на этот раз дело не в замысле грандиозного масштаба, а просто в судьбоносной роли скромных, низкооплачиваемых, а потому и не очень квалифицированных экспертесс ВНИИГПЭ, послушно подыгрывавших такому всемогущему заявителю как Ракетно-космическое агентство. Если окажется, что российским патентным ведомством неправомерно признаны изобретениями механизмы, заявленные от СибМашКома, то и зарубежные патенты сибиряков на эти механизмы будут аннулированы. Оспаривать правомерность выдачи патентов, так рекламируемых сибиряками, вообще-то мною с детства обожаемыми, лично у меня нет никакого желания и никакой возможности. Но в связи с беспрецедентными масштабами интересов по этой теме могут вырасти за моей спиной, без всякой инициативы с моей стороны, такие интересанты, мощь которых я себе вообразить не могу.

     Действительного автора шариковолновых передач я назвал. Это даёт возможность россиянам вникнуть в ход его мыслей по материалам его заявок на изобретения, которые доступны россиянам, но недоступны иностранцам. Россияне, однако, по этой же причине юридически не могут получить патенты ни в России, ни за рубежом на то, на что могли бы вполне правомерно получить патенты за рубежами бывшего СССР иностранные заявители.

     Эти слова могут испортить игру, похожую на ту, что описал в упомянутой книге Норберт Винер (отец кибернетики). Беру на себя ответственность за это. Справедливость – прежде всего. Я же предлагаю более крупную игру. То, что патентуют сибиряки, для меня уже давным-давно смешно.   Предлагаю сибирякам для реализации и патентования куда более продвинутые технические решения по этой тематике.

 

     С проблемами потерь на трение, казалось бы, неразрешимыми,  я научился за много лет поисков по этой теме, но особенно в самое последнее время, справляться браво, на удивление самому себе. Опасаюсь теперь давать малейшие подсказки каждым своим излишним словом, каждым штрихом любого своего нового и не только нового эскиза. И всё же рискну осторожно похвастаться.

 

     Даже формула SIN X = SIN nX для меня теперь уже пройденный этап. Есть математические принципы волновой передачи несопоставимо лучшие.

     Сепаратор в соосной волновой передаче вообще может быть ненужным.

     Могут оказаться ненужными и сами промежуточные тела.

     Соосный механизм, состоящий всего из двух деталей, кроме нескольких шариков, причём довольно крупных, заменяет достаточно мощный зубчатый редуктор. Формой и размерами похожий на стандартную муфту к обычному редуктору этот механизм, посаженный на место муфты к электродвигателю, сам является редуктором, в котором можно разместить и одну, и две, и даже три ступени передачи зацеплением через шарик.

     В волновой передаче, состоящей, как и подшипник, всего из 4-х кинематических звеньев, сепаратор не обязан находиться между кольцами.

     Трение скольжения «промежуточных тел качения» исключено полностью и заменено чистым качением.

     Полусухое скольжения шариков, причём достаточно крупных, может быть заменено гидродинамическим скольжением. Не решаюсь заявить нечто, еще более изумительное.

     С амплитудой почти радиуса такого «подшипника» его шарики почти вплотную друг к другу бегают в нём через центр круга, от стенки до стенки кожуха (корпус не нужен), наперерез друг другу, не сталкиваясь друг с другом.

     В такой соединительной муфте, насаженной на конец вала, например, стандартного электромотора, можно разместить и две, и даже три ступени такой шариковолновой передачи. В каждой ступени редуктора передаточное число, в принципе, может быть даже трёхзначным, в чём, однако, нет необходимости.

 

     Повторяюсь. Уже только хотя бы из чистого эгоизма я желаю Сибирской Машиностроительной Компании и всему российскому редукторостроению как можно больших успехов в реализации новых идей, больше чем самому себе. Почему? Технологической мощью российской авиационной и ракетно-космической промышленности СибМашКом как ледоколом проламывает путь всему мировому Новому машиностроению. А уж в нём найдётся место и для реализации моих неисчислимых и бесконечно ценных находок, в том числе и тех, о которых я заявлял ранее.

 

     В редукторостроении можно видеть три последовательных уровня.

·        ПЕРВЫЙ. Редукторы с неподвижными осями зубчатых колёс – техника даже уже беспредельных перспектив для совершенствования.

·        ВТОРОЙ. Планетарные редукторы – техника несопоставимо более проблематичная и более перспективная.

·        ТРЕТИЙ. Волновые редукторы – техника перспективы третьего тысячелетия. К ней относятся и редукторы Сибирской машиностроительной компании, пока еще примитивные, как самолёт Можайского. Однако в этом направлении, - на мой взгляд, всего лишь сравнительно малограмотного «редукторного фантазёра» - великое будущее Нового машиностроения.

 

*   *   *