По передачам Новикова список нерешенных вопросов особенно велик
 | Борис Павлович Тимофеев, д.т.н., профессор кафедры мехатроники Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, заслуженный работник высшей школы |
Я не советую сейчас заниматься зацеплением Новикова
Прочтя комментарий В.И. Короткина к моей статье о зацеплении Новикова, я порадовался именно тому моменту, что мой оппонент совершенно четко высказал свою позицию. А именно: он признает правоту Г.А. Журавлева в том, что тот поставил «давно назревший вопрос в смысле привлечения к нему внимания специалистов с целью интенсификации исследований и промышленного использования» зацепления Новикова. Смысл же моей статьи заключался в том, что глубокие исследования зацепления Новикова, безусловно, необходимы, но они требуют огромных инвестиций и достаточно длительного времени, и поэтому я считаю их сегодня несвоевременными.
Что касается непосредственно моей статьи и комментария к ней В.И. Короткина, эти материалы, несомненно, содержат искренние мнения двух специалистов. Причем эти мнения, основанные на опыте и личном понимании вопроса, имеют смысл совета. Я не советую сейчас заниматься зацеплением Новикова, так как считаю данные исследования именно несвоевременными и настаиваю именно на этом термине. В.И. Короткин рекомендует интенсификацию исследований и промышленного использования зацепления Новикова. Должен заметить, что интенсификация исследований еще не означает интенсификацию промышленного использования! Эти два понятия должны быть разделены весьма существенным промежутком.
За свою точку зрения я отвечаю, а стоит к ней прислушиваться или не стоит – вопрос чисто личный. Но я уверен: даже если бы мое мнение не было высказано, оно все равно было бы исполнено. Уже потому, что избытка государственных денег в России сегодня не наблюдается, а для проведения фундаментальных исследований (необходимы именно фундаментальные исследования!) финансы требуются в огромном количестве. Да и времени требуется много. И если мы в советское время, при серьезных государственных субсидиях на развитие науки, еще могли привлечь к исследованиям огромное количество ученых, то сегодня, конечно, и сил, и возможностей стало гораздо меньше. Поэтому, повторяю, я настаиваю на своем совете, касающемся несвоевременности проведения исследований зацепления Новикова.
Человечество идет по пути повышения мощностей и скоростей, роль динамических составляющих увеличивается, что требует значительного повышения точности в передачах с зацеплением Новикова. В эвольвентных высокотвердых, шлифованных, высокоточно локализованных передачах все эти вопросы решены, в передачах Новикова из-под фрезы – нет.
Вышесказанное – основные мысли, которые могут быть интересны, я думаю, широкой общественности и производителям зубчатых передач.
Три «не» Короткину
Теперь хотелось бы остановиться на более детальных вопросах и пригласить к дискуссии специалистов более узкой направленности.
В комментарии к моей статье В.И. Короткин выделил три основных положения. Первое свидетельствует о том, что я не вижу смысла применять зацепление Новикова в России, поскольку оно не применяется за рубежом. Замечу, что в таком виде я это положение не высказывал. Западные специалисты далеко не во всем нас превосходят, и мне достаточно часто предоставлялась возможность в этом убедиться. В частности, работая над передачами приводов бурильных установок, я неоднократно имел дело с приводами американского производства. При их проектировании допущены явные для российских специалистов ошибки! Так что, говоря о нецелесообразности проведения исследований зацепления Новикова в России в связи с отсутствием широкого внедрения этого зацепления за рубежом, я имел в виду совсем иное, нежели то, что воспринял В.И. Короткин. А именно: считая данную передачу передачей Вильгабера-Новикова, западные специалисты имели, по крайней мере, 30 лет «форы» для исследования передач такого типа! Почему же они не распорядились этим временем по существу?
Второй пункт, который отмечает в моей статье В.И. Короткин и с которым он готов поспорить, касается моего утверждения по поводу того, что «при переходе на высокотвердые передачи отсутствие, якобы, приработки поверхностей зубьев не позволит выявить эффект от применения зацепления Новикова». Но приработка высокотвердых передач – это вопрос более чем сомнительный! Во всяком случае, при контроле авиационных передач (особенно конических), причем передач по своей сути с локализованным контактом, проработавших десять тысяч часов, никакого выраженного распространения локализации контакта не наблюдалось. Вообще приработки высокотвердых передач ожидать трудно. Да и с теоретической точки зрения ясно: изнашивание высокотвердых передач слишком незначительно для того, чтобы распространить контакт на большую часть активной поверхности зуба.
Далее В.И. Короткин цитирует следующее мое высказывание, с которым он также не соглашается: «производство передач Новикова из-за непрямолинейного профиля исходной рейки требует огромных затрат по сравнению с производством эвольвентных передач». Безусловно, прямолинейность профиля рейки исходного контура эвольвентных передач является таким его преимуществом, которое во все времена ставило и будет ставить его в привилегированное положение. Непрямолинейность профиля требует повышения затрат при изготовлении, и просчитать их заранее достаточно сложно. В каждом отдельном случае это будут особые расчеты. Причем замечу, что сегодня российскими специалистами применяются различные исходные контуры, причем те, фрезы с которыми сохранились с советских времен. Получение нового инструмента требует, опять же, больших затрат. Каких именно – не стоит даже обсуждать.
В российской науке накопилось огромное количество нерешенных вопросов
Теперь перейдем к третьей части, касающейся моих возражений и комментариев к размещенным в Интернете материалу В.И. Короткина «Дождусь ли, наконец, научного оппонирования?» Это достаточно сложный для восприятия раздел, и поэтому адресован он только тем, кто сам достаточно долгое время думал о путях развития науки вообще и о путях развития редукторостроения в частности. Дело в том, что используемые в современной России модели при расчете на прочность не соответствуют по своим архимантическим построениям существующей картине. Всем понятно, что мы базируемся в основном на гипотезе плоских сечений. Абсолютно ясно и то, что эта гипотеза ограниченно применима к зубчатым передачам. Достаточно ознакомиться с работами Брагина, работой упоминаемого В.И Короткиным А.Ф. Кириченко (совсем недавно ушедшего от нас), чтобы убедиться, что подходы к расчету на прочность могут быть самыми различными.
Много лет назад в личной беседе с В.Н. Кудрявцевым я обсуждал вопрос о том, что расчеты (особенно положенные в основу стандартов) не отражают физику вопроса, а математические и физические модели, по которым ведутся расчеты, безнадежно устарели. Наши мнения в этом совпадали, но вот к вопросу о замене существующих моделей Владимир Николаевич подходил очень осторожно. В связи с этим я считаю очень важными две ссылки, отмеченные в материале В.И. Короткина.
Первая из них – ссылка на задачу Герца. Вторая – на соотношение Эйлера-Совери. Известно, что формула Герца заимствована нами из теории упругости, а значит подразумевает статику и только статику. Но в данном случае имеет место динамика. Хотя при высоких скоростях периоды соприкосновения зубьев настолько малы (доли секунды), что наиболее верной при расчете передач представляется модель с использованием теории удара, предложенная довольно давно.
Еще один важный момент: в задаче Герца речь шла о цилиндрах, касающихся по общей образующей бесконечной длины, то есть о цилиндрах, не имеющих кромок. Как специалист, долгое время занимающийся вопросами кромочного контакта, утверждаю, что эти два момента (наличие многочисленных кромок: верхней кромки, кромки между активной поверхностью зуба и переходной поверхностью, боковых кромок и т. д., – а также тот факт, что имеет место динамика, а не статика) полностью меняют весь смысл постановки вопроса.
Несколько лет назад в разговоре в В.Н. Кудрявцевым я поднимал вопрос о том, что действующий в России ГОСТ на прочностные расчеты учитывает динамику только с соответствующими коэффициентами, которые посчитаны и испытаны для очень небольших скоростей (до 30 м/сек), в то время как уже существовуют передачи со скоростями порядка 200 м/сек и даже более. На это Владимир Николаевич отвечал, что в высокоскоростных передачах учесть с помощью коэффициентов динамичности такие скорости вряд ли может быть возможно и в дальнейшем, скорее всего, станет необходимым переход на какую-то другую модель. Такие передачи он считал специфическими, полагал, что сначала, как обычно, необходимо отработать теорию, а затем проверить ее практикой. Он был против перехода на совершенно новую физическую модель, аргументируя это тем, что многие из отработанных моделей уже проверены практикой.
Вообще Владимир Николаевич часто указывал мне на работы как российских, так и зарубежных авторов, в которых при расчетах учитывался даже такой важный фактор, как параметрическое колебание зуба, не говоря уже о напряженно-деформированном состоянии тела шестерни (не венца, а именно тела). С моей точки зрения, появление таких работ свидетельствовало о необходимости перехода к новым основам расчетов. Но Владимир Николаевич в этом отношении не торопился, считая, что если имеющаяся методика проверена практикой, то введение различных поправочных коэффициентов потребует многочисленных проверок.
Может показаться, что все высказанные здесь соображения по поводу прочностных расчетов в равной степени затрагивают все виды зацеплений, но на самом деле это не так. Глубокое отличие зацепления Новикова заключается в траектории движения точки контакта. Во-первых, меняются нагрузки на подшипник, в особенности – осевые. Они получаются знакопеременными. Во-вторых, меняется величина этой нагрузки. Таким образом, в классическом зацеплении Новикова происходит очень неблагоприятный режим работы подшипников. В результате этого либо они выходят из строя, либо их точность по направлению существенно ухудшается. Это обстоятельство является чрезвычайно важным в том смысле, что мы рассчитываем на накопление однородных повреждений, а на самом деле происходит накопление разнородных повреждений различных элементов узла редуктора.
В связи с этим хотелось бы высказать еще одно, более общее соображение, являющееся плодом долгих размышлений и большого опыта. На мой взгляд, оно является очень существенным. Дело в том, что в нашей стране все методики расчета основаны на накоплении однородных повреждений. На самом деле разрушение в узле происходит в результате накопления разнородных повреждений. Поэтому расчеты на изгиб или на контактную прочность «порочны» сами по себе! Причем когда я говорю о накоплении разнородных повреждений, я имею в виду их накопление не на зубе, а в узле. Разрушение происходит в тот момент, когда несколько подносились подшипники. Причем изменение происходит не только в венце, оно может иметь место как в теле шестерни, так и в теле вала. Кроме того, меняется, хотя бы немного, взаимное расположение осей колес. И вот эта тенденция – учет разнородных повреждений в работоспособности узла (а до сих пор мы говорили только о зубе и только об однородных повреждениях накопления) – должна, безусловно, разрабатываться.
Возможно, затронутые здесь вопросы являются предметом еще более далекого будущего по сравнению с исследованием передач Новикова, однако вернуться к ним предстоит обязательно. Ведь, не поменяв самые основы используемых нами моделей при прочностных расчетах (это относится не только к зацеплению Новикова, но и ко всем зацеплениям вообще), мы вряд ли сможем серьезно продвинуться вперед в области редукторостроения.
Чтобы изменить эти фундаментальные основы, предстоит большая работа. Необходимо внимательно рассмотреть все уже имеющиеся предложения и наработки. В частности, обратиться к работам Брагина и А.Ф. Кириченко, а также вспомнить весьма разумные предложения, высказанные в докторской диссертации В.Л. Дорофеева. Замечу, правда, что А.Ф. Кириченко вспоминается В.И. Короткиным только в материале, размещенном в Интернете, и только в связи с юношескими работами Кириченко в области передач Новикова. Мне же наиболее интересной кажется его работа в области напряженного состояния зуба.
Подводя итог сказанному в данном разделе, отмечу, что сегодня во многом решены проблемы, связанные с точностью цилиндрических эвольвентных передач. Вопросы в проектировании таких передач успешно решаются наработкой на стендах: при их проведении многие параметры долговечности выискиваются чисто опытным путем. И в то же время вопросы, связанные с точностью передач Новикова, едва-едва затронуты. Хотелось бы еще раз обратиться к работам учеников М.Л. Ерихова – А. Мухина и С. Филиппенкова, в которых были рассмотрены вопросы шлифования передач Новикова и вопросы точности этих передач. К сожалению, эти работы не были продолжены, а сами их авторы оказались за границей. Вообще интересен тот факт, что начатые под руководством М.Л. Ерихова исследования передач Новикова ни здесь, в нашей стране, ни за рубежом развития не получили.
И последняя проблема, о которой хотелось бы сказать, – это задача энергонапряженности передач. В этом смысле вопросы о выборе типа смазки, организации потоков смазки в редукторе для передач Новикова являются совершенно нерешенными. И если для цилиндрических передач работами А.С. Терехова и его учеников этот вопрос во многом решить удается и удается сконструировать коробку передач, которая сразу дает повышение срока службы смазки (в разы!), – то для передач Новикова это пока абсолютно закрытые и неисследованные вопросы. Список можно было бы продолжить, а это говорит только о том, что в российской науке накопилось огромное количество нерешенных вопросов. По части передач Новикова этот список особенно велик.
Дискуссия на страницах «РиП» объединила всех видных специалистов России
В заключение хотелось бы поблагодарить как инициатора полемики – Г.А. Журавлева, так и редакцию журнала «РиП».
Развернутая на страницах журнала широкая дискуссия объединила всех видных специалистов России в области редукторостроения, вскрыла коренные вопросы нашей науки, определила основные направления исследований на долгие годы вперед. Особенно хотелось бы отметить участие В.Л. Дорофеева, В.Н. Сызранцева, В.Я. Веретенникова, С.А. Лагутина и других авторов.
Взявшись за частный вопрос о зацеплении Новикова, редакция журнала подняла огромный пласт нерешенных проблем в области зубчатых передач, причем не решенных не только в России, но и во всем мире. Я пристально слежу за работами в данной области и аргументированно заявляю: Запад не сильно нас опережает в решении проблем подобного рода, во всяком случае, последняя работа Ф.Л. Литвина (его книга, вышедшая в 2004 году) убеждает в этом.
И еще одно важнейшее соображение. К великому сожалению, ученые в области науки о редукторах слишком четко делятся на тех, кто занимается геометрией и кинематикой – раз, прочностью – два, трением и износом – три, точностью – четыре, и т.д. Хотя на самом деле разбирать эти вопросы по отдельности – неправильно. Специалисты же по всем этим вопросам страшно редки. Это еще одна задача, которую нам предстоит решить. За рубежом, на мой взгляд, с этим вопросом дела обстоят еще хуже.
ФИШКА
Развернутая на страницах журнала широкая дискуссия объединила всех видных специалистов России в области редукторостроения, вскрыла коренные вопросы нашей науки, определила основные направления исследований на долгие годы вперед. Особенно хотелось бы отметить участие В.Л. Дорофеева, В.Н. Сызранцева, В.Я. Веретенникова, С.А. Лагутина и других авторов.
