В области термоулучшенных зубчатых передач пока не видно альтернативы зацеплению Новикова

М.Е.Огнев

В области термоулучшенных зубчатых передач пока не видно альтернативы зацеплению Новикова

(Отклик на статью Г.А.Журавлёва “Ошибочность физических основ зацепления Новикова как причина ограниченности его применения” — см. журнал “Редукторы и приводы”, №1, 2006г.)

М. Е. Огнев – канд. техн. наук, главный конструктор по станкам-качалкам ОАО “Ижнефтемаш”, конструкторский стаж 46 лет — на ОАО “Редуктор” и ОАО “Ижнефтемаш”, сорок из них — работа с передачами Новикова: исследования, испытания, разработка редукторов различных типоразмеров и назначений, в том числе серии 6Ц с высокотвердыми передачами Новикова, редукторов с упорными кольцами, станков-качалок. Диссертация посвящена исследованиям ненулевых (корригированных) передач Новикова, защищена в МВТУ им. Н.Э.Баумана. Являлся членом Координационного Совета при ВНИИРедукторе (г.Киев) по внедрению передач Новикова с высокотвёрдыми зубьями в редукторостроении, имеет более десяти авт. свидетельств и патентов.

Ознакомившись со статьёй Г. А. Журавлёва “Ошибочность физических основ зацепления Новикова как причина ограниченности его применения” в журнале “Редукторы и приводы”, №1, 2006г., могу с уверенностью заявить, что утверждения автора об ограниченности конструктивной гибкости, сужении сферы рационального применения зацепления Новикова и повсеместном его невнедрении не соответствуют действительности. Вместе с тем вынужден, с сожалением, отметить, что статья в целом направлена фактически на дискредитацию передач Новикова. Нападки на эти передачи были и раньше и исходили они, в основном, от специалистов, не занимавшихся ими вплотную, но здесь случай особый — передачи подверглись гонению со стороны известного специалиста, изучавшего зацепление Новикова бόльшую часть своей творческой жизни. В такое отрицание передач Новикова со стороны Г.А.Журавлёва трудно поверить, но это действительно так. Поэтому невольно возникает мысль о какой-то организованной акции против этой передачи, если к тому же принять во внимание пренебрежительный тон со стороны организаторов дискуссии в оценках наработок прошлых десятилетий по передачам Новикова и в негативных комментариях к откликам на обсуждаемую статью подвижников этой передачи. Странно и непонятно всё это при том, что передача давно и успешно эксплуатируется в России и более чем успешно за рубежом.

Одним из убедительных подтверждений сказанному может служить сорокалетний опыт эксплуатации на нефтепромыслах России, СНГ, Китая, США и др. стран сотен тысяч станков-качалок, редукторы которых оснащены дозаполюсными термоулучшенными (≤ 320 НВ) передачами Новикова.[1,2,3,4,7] При этом следует отметить, что для этого наиболее массового нефтепромыслового оборудования, работающего в условиях круглосуточного переменно-реверсивного режима нагрузок, требования, предъявляемые к надежности и долговечности редукторов, весьма высоки, поскольку их отказы напрямую связаны с потерями в добыче нефти.

В редукторах, выпускаемых основными в настоящее время производителями станков-качалок в России (ОАО “Ижнефтемаш”, ОАО “Редуктор”, г.Ижевск), используются только термоулучшенные передачи Новикова, в ФГУП “Уралтрансмаш”, г.Екатеринбург также перешли с твердого эвольвентного шлифованного зацепления на термоулучшенное новиковское. Попытки других предприятий в России создать редукторы для станокв-качалок на основе твердой (> 53 НRС) эвольвентной передачи были безуспешными — частые поломки зубьев вынудили отказаться от их производства. В качестве примера можно привести редукторы Ц3-450 (ЗАО “Егорьевский станкозавод “Комсомолец”) и Ц3ЭШ40-60 (АО “РИКУР”).

Диапазон параметров передач, используемых в отечественных редукторах такого назначения, достаточно обширен: межосевые расстояния – от 125 до 560 мм, крутящие моменты на выходном валу – до 80000 Нм, модули от 3.15 до 12.5 мм, используются три типа исходных контуров зубьев, в том числе два стандартных – по ГОСТ15023-76 и по ГОСТ30244-96, применяются передачи шевронные, косозубые и косозубые с упорными кольцами [5,6]. Последние отличаются от шевронных тем, что компенсация осевой силы в зацеплении выполнена проще и эффективней, а осевой габарит меньше. В эксплуатации, начиная с 1994 года, находится более тысячи станков-качалок, разработанных автором этой статьи, в редукторах которых используется данная конструкция. Применяются двух,- и трехступенчатые редукторы с симметричным и асимметричным расположением колес, со штампованными, цельнолитыми и бандажированными стальными термоулучшенными колесами. Удельная металлоемкость, к примеру, у редуктора Ц2НШ-750Б с шевронными передачами Новикова составляет 0.068 кГ/Нм при массе 2735 кг и моменте на выходе 40000 Нм, а у редуктора Ц3НК-500 с зацеплением Новикова в сочетании с упорными кольцами – 0.037 кГ/Нм при массе 2050 кг и моменте 56000 Нм.

Наиболее крупные зарубежные фирмы, использующие в редукторах станков-качалок, соответствующих стандарту API-11Е, термоулучшенные дозаполюсные передачи Новикова, это “Darco USA Incorporated” (г.Хьюстон) и ведущее в Китае предприятие ГНМЗ при КШНГДУ (провинция Шаньдунь), выпускающие нефтепромысловое оборудование, в том числе станки-качалки по собственным стандартам. Интенсивность работ в освоении новых рынков этими предприятиями для своей продукции возросла за последнее время весьма существенно. Обе фирмы в использовании передач Новикова сотрудничают уже более сорока лет, успешно конкурируя с другими однопрофильными фирмами благодаря, в основном, технологическим преимуществам, получаемым при изготовлении зубчатых колес с зацеплением Новикова, в которых в качестве заготовок используется стальное литье с термоулучшением (без бандажирования), а зубофрезерование является зубообразующей и одновременно финишной операцией, гарантирующей достаточную стабильность точностных параметров зубьев.

Ряд американских, канадских, французских и др. фирм–конкурентов для обеспечения тех же нагрузок в редукторах традиционно используют весьма трудоемкие цементированные эвольвентные шевронные передачи со шлифованными зубьями, требующие серьезных технологических усилий и внимания для обеспечения стабильности качества изготавливаемых зубчатых колёс. Крупногабаритные колеса, в основном, изготавливаются из отливок ковкого чугуна. Удельная металлоемкость, к примеру, наиболее применяемого редуктора 320D с эвольвентным зацеплением известной в мире по производству станков-качалок американской фирмы “Lufkin” составляет 0.107 кГ/Нм при массе 3946 кг и моменте на выходном валу 36870 Нм. Как видим, показатель значительно более низкого уровня, чем у наших редукторов.

Этим фирмам всё труднее конкурировать с той же американской “Darco”, использующей менее затратное и в то же время достаточно надёжное термоулучшенное дозаполюсное зацепление Новикова, являющееся в данном случае выгодной альтернативой твёрдым эвольвентным шлифованным передачам.

Теперь об утверждаемой Г.А.Журавлёвым “ограниченности конструктивной гибкости передач Новикова”.

Основным аргументом в опровержении такого утверждения может быть только конкурентноспособный редуктор с термоулучшенным зацеплением Новикова, способный составить альтернативу аналогичным редукторам с твёрдым эвольвентным зацеплением, а также весь набор средств для проектирования и осуществления такого редуктора. По всем данным такой набор средств к настоящему времени в России есть, имеются и примеры создания подобных редукторов

Начнём с зуборезных фрез. На Екатеринбургском и Московском инструментальных заводах изготовление фрез для передач Новикова освоено давно. По требованию потребителя эти заводы могут изготавливать зуборезные фрезы различных модулей и с различными исходными контурами. При необходимости можно приобрести зуборезные фрезы для зубчатых колёс Новикова и за рубежом. Точностные параметры передач Новикова на сегодняшний день хорошо адаптированы к нормам точности эвольвентных передач.

Как известно, разработка редукторов невозможна без прочностных расчётов зубчатых передач. Последние годы мы пользуемся расчётными программами НИИ механики и прикладной математики Ростовского госуниверситета, разработанными в лаборатории В.И.Короткина, и предлагаемыми в качестве основы Государственных Стандартов РФ на расчёт геометрии и прочности цилиндрических зубчатых передач Новикова. Имя электронной версии вычислительной программы – LSZPVK. Программа заслуживает доверия своей достоверностью. Методические основы её базируются на обширных теоретических наработках и большом числе экспериментальных и эксплуатационных данных, полученных за последние десятилетия. Программа позволяет выполнять расчёт геометрии цилиндрических передач Новикова (в т.ч. ненулевых) с оценкой ограничительных факторов (блокирующих контуров), вычислять контрольные параметры при зубонарезании с технологическими допусками, определять контактную, изгибную и глубинную контактную выносливость, адаптационную способность передачи и “краевые эффекты” на кромках зубьев при различных режимах работы редуктора. Электронная версия программы удобна в инженерной практике.

Эффективным средством повышения нагрузочной способности передач Новикова, которым мы постоянно пользуемся, является увеличение модуля зуба в заданных габаритах передачи, при котором одновременно растёт и контактная, и изгибная прочность, чего нельзя осуществить в эвольвентной передаче, где с увеличением модуля изгибная прочность зуба растёт, а контактная при этом даже снижается.

Значительное улучшение массо-габаритных характеристик в проектируемом редукторе достигается за счёт замены шевронного зацепления на косозубое с упорными кольцами. Редукторы Ц2НШ-750Б и Ц3НК-500 являются одними из многих примеров такой замены. Эти передачи просты по конструкции и в изготовлении, допускают применение больших углов наклона зуба, легко встраиваются в одно- и многоступенчатые редукторы с твёрдыми и термоулучшенными косозубыми передачами любой системы зацепления. В упорных узлах такой передачи легко обеспечиваются жидкостное трение и безызносный режим эксплуатации, КПД передачи выше, чем у шевронной. Замкнутость осевых сил в зацеплении позволяет, так же, как и в шевронной, использовать радиальные подшипниковые опоры. Осевые габариты этой передачи существенно меньше шевронной.

С целью изменения общего уровня несущей способности передачи удобно варьировать соотношением контактной и изгибной прочности, в частности, за счёт изменения дробной части коэффициента осевого перекрытия в зацеплении с помощью, например, изменения угла β. Такая необходимость иногда возникает в редукторах, работающих при лёгких режимах нагрузки, где изгибная прочность должна быть выше контактной.

В свете изложенного, конструктивная гибкость передач Новикова более чем удовлетворительна. Каких-либо проблем при разработке редукторов с зацеплением Новикова нам не приходится испытывать.

Далее приводу один из примеров создания конкурентноспособных отечественных редукторов с зацеплением Новикова.

В 1998 году на Ижевское ОАО “Редуктор” обратилось химическое предприятие ЗАО “Каустик” (г.Стерлитамак, Башкортостан) с просьбой разработать и изготовить партию цилиндрических одноступенчатых редукторов с межосевым расстоянием 250 мм и передаточным числом 3.15 для привода с числом оборотов входного вала 1500 об/мин, мощностью двигателя 206 кВт и системой водяного охлаждения, предназначенных для использования в круглосуточно работающей циркуляционной системе технологической линии. Просьба была связана с тем, что в приводах линии постоянно выходили из строя аналогичные редукторы с эвольвентным зацеплением, поставляемые одной из западноевропейских редукторостроительных фирм. Автором данной статьи был разработан редуктор ЦНК250-3.15, и в том же году завод изготовил и поставил семь таких редукторов, которые вскоре были запущены в эксплуатацию. Редуктор был оснащен термоулучшенными передачами Новикова с упорными кольцами, модуль 6.3 мм, исходный контур – КС (по ГОСТ 30224-96), разработанный в НИИМ и ПМ РГУ, удельная металлоемкость редуктора при этом составила 0.042 кГ/Нм. До настоящее времени все редукторы находятся в эксплуатации без каких-либо проблем.

Несколько слов о передачах Новикова с упрочнёнными зубьями.

В течение 12-15 лет на Ижевском ОАО “Редуктор” проводились сравнительные усталостные стендовые испытания в редукторах ЦУ-160 и Ц2У-160 нитроцементованных (сталь 25ХГМ) нешлифованных передач Новикова и эвольвентных аналогов. При этом ставились две основные задачи: во-первых, разработать оптимальный исходный контур для твёрдых передач Новикова, во-вторых, сравнить два типа зацепления (эвольвентное и новиковское). Задачи эти ко второй половине 80-х годов были успешно выполнены. В результате были разработаны исходные контуры РГУ-5 и КС (последний по решению Координационного Совета стандартизирован по ГОСТ 30224-96) и показано превышение на 30-40% изломной прочности твёрдых передач Новикова с данными исходными контурами по сравнению с эвольвентными аналогами. Была продемонстрирована и высокая контактная прочность передач Новикова, способных к хорошей приработке поверхностей даже при их высокой твёрдости. Полученные результаты были одобрены на Координационном Совете как наиболее предпочтительные в сравнении с представленными другими исследователями, в том числе и Г.А. Журавлёвым, являвшимся членом Совета. Меня удивило, что в его статье нет никаких упоминаний об основных направлениях в работе и решениях Координационного Совета в реализации актуальных проблем комплексного развития передач Новикова, результатами которых мы пользуемся и сегодня.

К большому сожалению, наступившие события начала 90-х годов резко затормозили работы по твёрдому зацеплению Новикова – приостановилось освоение разработанного редукторного ряда серии 6Ц, Успели к тому времени только выпустить партию редукторов 1Ц2У-160 с твёрдыми парами РГУ-5, эксплуатирующихся на различных объектах до сего времени.

Заключение

  1. Опыт работ с передачами Новикова свидетельствует о том, что наибольшую эффективность эти передачи обеспечивают при использовании крупномодульного, термоулучшенного дозаполюсного зацепления Новикова с упорными кольцами вместо шевронного эвольвентного зацепления в ответственных силовых редукторах тяжёлого горнорудного, подъёмно-транспортного, металлургического, энергетического, нефтяного, судостроительного и др. оборудования, т.е. там, где есть необходимость передачи больших нагрузок с высокой степенью надёжности и долговечности. Такая замена ведёт также к значительному сокращению удельной металлоёмкости и габаритных размеров машин. Для реализации такой возможности сейчас в стране есть все условия. Основной задачей при этом является доведение информации об этих возможностях до проектировщиков оборудования перечисленных и других отраслей.
  2. Вне всяких сомнений, и передачи Новикова с высокой твёрдостью поверхностей зубьев найдут своего потребителя, способного осуществить их достоинства и использовать с высокой эффективностью.
  3. Приведенные данные позволяют сделать однозначный вывод о том, что дискуссионная статья Г.А. Журавлёва дезориентирует читателей, она направлена, по существу, на дискредитацию целого научного направления, связанного с исключительно прогрессивным и оправдавшим себя на практике зацеплением Новикова и тем самым тормозит продвижение вперёд отечественного редукторостроения.

Вместе с тем развёрнутая редакцией дисскусия, по моему представлению, полезна тем, что позволяет во многом раскрыть реальное состояние дел с широтой и эффективностью использования передач Новикова в мире, их перспективностью и сопоставить с весьма мрачной судьбой, уготованной этой передаче автором статьи.

Библиография

  1. А.И. Исмаил-Заде, Ф.К. Касумов. Опыт длительной эксплуатации редукторов с зацеплением Новикова в нефтедобывающей промышленности. // Опыт исследований, проектирования, изготовления и эксплуатации зубчатых передач Новикова: Тез. докл.: межреспубл. науч.- техн. конф. Рига, 1989. – с.107.
  2. М.Е. Огнев, Д.П. Громов, А.С. Седов. Опыт эксплуатации и совершенствования конструкции редукторов с упорными кольцами. // Теория и практика зубчатых передач: тез. докл. междунар. конф. Ижевск, 1998.
  3. В.И. Ивановский, В. И. Даршев, А.А. Сабуров, В.С. Каштанов, С.С. Пекин. Скважинные насосные установки для добычи нефти.- М.: ГУП Изд-во “Нефть и газ” РГУ “нефть и газ им. И.М. Губкина”, 2002.- с.489 – 492.
  4. С.Н. Клюев, М.Е. Огнев. Станки – качалки “Ижнефтемаша” // Нефтяное хозяйство.-2002. — №4. – с.120-122
  5. Патент РФ № 2052686 МПК F16 H1/08 “Цилиндрическая косозубая передача” 1996. БИ №2.
  6. Патент РФ № 2191937 МПК F16 H1/08 “Косозубая цилиндрическая передача с упорными кольцами” 2002. БИ №30.+
  7. Проспекты ведущих производителей станков-качалок США и Китая.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *