Циклоидальное зубчатое зацепленине
Изобретение относится к машиностроению и может быть реализовано в насосостроении и компрессоростроении, в частности в насосах и компрессорах объемного вытеснения винтового типа, а также в винтовых насосах для перекачивания многофазных смесей. Зацепление содержит зацепляющиеся между собой зубчатые роторы с взаимоогибаемыми профилями зубьев. Головки 1 и 2 очерчены укороченной эпициклоидой 5 и 6. Ножки 3, 4 очерчены удлиненной эпициклоидой 7, 8. Головки и ножки сопряжены боковым участком в виде прямой линии 9, 10 с переходом ее в простую эпициклоиду 11, 12, переходящую в укороченную эпициклоиду 5, 6 головки зуба 1, которая образована точкой сопряжения удлиненной эпициклоиды 8 и прямой линией 10 ножки 4 другого зуба. Простая эпициклоида 11 образована прямой линией 10 другого зуба. Технический результат – усовершенствование геометрии профиля зубьев для высокопроизводительных насосов. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к машиностроению и может быть реализовано в насосостроении и компрессоростроении, а именно в насосах и компрессорах объемного вытеснения винтового типа, а также в винтовых насосах для перекачивания многофазных смесей. Кроме того, может быть применено в одно-, двух-, трех- и многозаходных винтах.
Широко распространены двухвинтовые многофазные насосы с циклоидальным зацеплением. Известно циклоидальное зацепление с симметричным профилем [1]. Боковые профили образующих шестерен этого зацепления состоят из следующих элементов: основания зуба ас и вершины зуба св. Кривая ас, представляющая собой удлиненную эпициклоиду, образованная точкой А при качении первой окружности по второй окружности. Диаметры окружностей равны между собой и равны межцентровому расстоянию. Кривая св - эпициклоида, образованная точкой Б при качении первой окружности по второй окружности.
Указанные винтовые насосы имеют ряд конструктивных и технологических недостатков. Наиболее ощутимый - это сложность изготовления профиля винтов с выпуклостью и вогнутостью профилей, выдерживая при этом жесткие допуски и высокую чистоту обработки поверхности. Кроме того, выпуклость влияет на работу насоса, т.к. перекатываясь по поверхности второго зуба, выпуклость сминается или скалывается. Вследствие чего образуется щель, а значит возникнут перетоки перекачиваемой жидкости. Для устранения подобных недостатков, зубья циклоидального зубчатого зацепления корригируют. Удаляют выпуклость с одного колеса, а в качестве уплотнения выступает второе колесо, где контур выполняют с учетом удаленной выпуклости. Так, например, известно циклоидальное зубчатое зацепление [2], которое содержит зацепляющиеся между собой зубчатые роторы с взаимоогибаемыми профилями зубьев, имеющими головку, очерченную трохоидой, и ножку зуба, образованную удлиненной эпициклоидой, очерченной точкой окружности вершин другого профиля. Вершина и ножка зуба сопряжены боковым участком в виде эвольвенты. В указанном зацеплении головка зуба образуется укороченной точкой сопряжения эвольвенты бокового участка с удлиненной эпициклоидной ножки другого профиля. Т.е. имеем вид УЭ + ЭВ + УКЭ (удлиненная эпициклоида + эвольвента + укороченная эпициклоида). Такие профили применяются в однозаходных и двузаходных винтах многофазных насосов.
Изготовление винтов с циклоидальным зубчатым зацеплением с профилями УЭ + ЭВ + УКЭ также представляет большую сложность. Профиль зуба имеет выступ, а после делительной окружности переходит в углубление. Это значит, что профиль зубьев режущего инструмента, в данном случае наиболее вероятно будет фреза, должен иметь резко изменяющуюся форму. Фреза такой конфигурации быстро изнашивается, при этом зачастую для выполнения канавки на заготовке винта применяют набор инструментов, что влечет погрешность в изготовлении винтов. А в случае притупления режущего инструмента в процессе резания инструмент необходимо заменить или заострить. Для этого его необходимо снять. Учитывая то, что режущий инструмент имеет обратную форму зуба винта, то его выступ будет в углублении зуба за делительной окружностью. Отвести режущий инструмент не будет возможности, т.к. он зацепит выступ зуба. Поэтому режущий инструмент выводят обратным ходом из проделанной в заготовке винта канавки через всю ее длину, одновременно поворачивая заготовку.
Однако наряду с недостатком (сложностью изготовления циклоидального зубчатого зацепления) выполненное коррегирование, введение в профиль зуба ПЭ в известном техническом решении имеет положительный фактор. Подобная коррекция делает теоретически насос негерметичным, но практически он будет все же более производительным, чем насос с циклоидальным зубчатым зацеплением без коррегирования профиля зубьев винтов после непродолжительной эксплуатации.
Естественный износ винта, изготовленного с выступом, тем более с острым, будет более вреден, т.к. при этом будет отсутствовать компенсация профиля 2-го зуба, что в конечном счете приведет к большому падению герметичности винта. Следовательно, исправление теоретических профилей образующих зубьев винтов вполне целесообразно.
Для устранения указанных недостатков в основу изобретения циклоидальное зубчатое зацепление поставлена задача путем усовершенствования (коррекции) геометрии профиля зубьев создать высокотехнологичные винты для высокопроизводительных насосов.
Для решения указанной задачи заявляемое циклоидальное зубчатое зацепление так же, как и известное, содержит зацепляющиеся между собой зубчатые роторы с взаимоогибаемыми профилями зубьев. Зубья имеют головку, очерченную укороченной эпициклоидой, и ножку, очерченную удлиненной эпициклоидой. Сопряжены они боковым участком. В отличие от известного циклоидального зубчатого зацепления в заявляемом профиль корригируют иным путем, а именно:
Боковой участок имеет прямую линию, переходящую в простую эпициклоиду, которая в свою очередь переходит в укороченную эпициклоиду головки зуба, образованную точкой сопряжения удлиненной эпициклоиды и прямой линии ножки другого зуба. При этом простая эпициклоида образована прямой линией другого зуба.
Кроме этого, прямая линия может быть выполнена радиально или под углом к ней. А началом прямой линии является точка, расположенная на контуре ножки зуба.
Согласно заявляемому техническому решению профиль зуба будет иметь вид УЭ + ПЛ + ПЭ + УКЭ (удлиненная эпициклоида + прямая линия + простая эпициклоида + укороченная эпициклоида).
Отличительные признаки заявляемого технического решения дают ряд положительных качеств, которые влияют на технический результат:
- боковой участок имеет прямую линию, прямая линия одного зуба, в процессе работы соприкасаясь с эпициклоидой второго зуба, создает жидкий клин, который положительно влияет на смазывание профиля зубьев;
- прямая линия переходит в простую эпициклоиду головки зуба, это позволяет выполнить плавный переход, максимально сочетающийся с профилем средней части ножки второго зуба;
- простая эпициклоида переходит в укороченную эпициклоиду, такой переход обеспечивает плавный переход одной кривой в другую, кроме этого, получаем в завершенном виде головку зуба, которая взаимодействует с корнем ножки другого зуба;
- укороченная эпициклоида головки зуба, образованная точкой сопряжения удлиненной эпициклоиды и прямой линии ножки другого зуба, а простая эпициклоида образована прямой линией другого зуба, это подтверждает правильность выбора профиля зубьев двух рабочих винтов, форму которых взаимоописывают контуры профилей;
- прямая линия расположена радиально, такое решение обеспечивает классический профиль зуба как одного, так и другого ротора;
- прямая линия расположена под углом к радиальной составляющей, указанное расположение допускает изготовление циклоидального зубчатого зацепления с более широким полем допусков или изготовление с изменением профиля на участке простой эпициклоиды;
- началом прямой линии является точка, расположенная на контуре удлиненной эпициклоиды, это позволяет упростить изготовление винта, а когда прямая линия будет брать начало с точки, наиболее приближенной к продольной оси зуба, то режущий инструмент можно удалять прямо из зоны резания без вывода его по всей длине нарезанной канавки. Это самый оптимальный вариант.
Таким образом, с устранением углубления в ножке зуба, то есть в витках, упрощается изготовление зубьев винтов и режущего инструмента. Профиль как зубьев винтов, так и зубьев режущего инструмента будет без резких выступов и впадин, что упрощает их изготовление. Выбранный профиль зубьев обеспечивает высокую герметичность и в то же время создаются хорошие условия смазки при работе винтов насосов, компрессоров, а также многофазных насосов.
Указанные существенные признаки состоят в причинно-следственной связи с вышеизложенными результатами и позволяют усовершенствовать конструкцию циклоидального зубчатого зацепления путем коррекции их профиля.
На фиг.1 изображен контур циклоидального зубчатого зацепления УЭ + ПЛ + ПЭ + УКЭ.
На фиг.2 - контур зуба УЭ + ЭВ + УКЭ с коррекцией.
Циклоидальное зубчатое зацепление, содержащее зацепляющиеся между собой зубчатые роторы (на фиг. не показаны) с взаимоогибаемыми профилями зубьев, имеющими головку 1, 2 и ножку 3, 4, головку 1, 2, очерченную укороченной эпициклоидой 5 и соответственно 6, и ножку 3, 4, очерченную удлиненной эпициклоидой 7, 8. Сопряжены они боковым участком, который выполнен прямой линией 9, 10 с переходом ее в простую эпициклоиду 11, 12. В свою очередь простая эпициклоида 11, 12 переходит в укороченную эпициклоиду 5, 6 головки 1 зуба, которая образована точкой сопряжения удлиненной эпициклоиды 8 и прямой линией 10 ножки 4 другого зуба. При этом простая эпициклоида 11 образована прямой линией 10 другого зуба. То же происходит с простой эпициклоидой 12, которая переходит в укороченную эпициклоиду 6 головки 2 зуба. Эпициклоида 12 образована точкой сопряжения удлиненной эпициклоиды 7 и прямой линией 9 ножки 3 первого зуба. При этом простая эпициклоида 12 образована прямой линией 9 первого зуба. Прямая линия 9, 10 может располагаться радиально или под углом к ней.
Циклоидальное зубчатое зацепление работает следующим образом. При прокручивании одного ротора одновременно вращается второй ротор. Головка 1 зуба, форма которой состоит из укороченной эпициклоиды 5 и простой эпициклоиды 11, плавно перекатывается по ножке 2 другого зуба, которая состоит из удлиненной эпициклоиды 8 и прямой линии 10. Вследствие чего происходит формирование головки 1 зуба. Укороченная эпициклоида 5 описывается ножкой профиля второго зуба, конкретнее точкой сопряжения удлиненной эпициклоиды 8 с прямой линией 10. В свою очередь, простая эпициклоида 11 этого зуба формируется прямой линией 10 второго зуба. В данном случае прямая линия 10 перекатывается по простой эпициклоиде 11 точкой. Это значит, что по обе стороны точки создается смазывающийся клин.
Контур головки второго зуба складывается с укороченной эпициклоиды 6 и простой эпициклоиды 12. Укороченная эпициклоида 6 формируется точкой сопряжения удлиненной эпициклоиды 7 и прямой линии 9 первого зуба. А простая эпициклоида 12 формируется прямой линией 9 первого колеса.
Таким образом, формирование контура формы зубьев происходит обоюдно. Ножка первого зуба формирует контур головки второго зуба и наоборот ножка второго зуба формирует контур головки первого зуба. Сравнение известного профиля циклоидального зубчатого зацепления вида УЭ + ЭВ + УКЭ и заявляемого вида УЭ + ПЛ + ПЭ + УКЭ показало, что ножка зуба приобрела утолщение, а головка зуба на величину утолщения ножки уменьшилась (фиг.2). Изготовление профилей зубьев значительно упрощается за счет наличия прямой линии 9, 10. Откоррегированная форма зубьев обеспечила работу насоса без перетоков перекачиваемой жидкости в обратную сторону нагнетания и в то же время создала оптимальный и гарантированный смазывающий клин, который действует как в сторону головки зуба, так и в сторону ножки зуба. Математические расчеты с применением компьютерной обработки данных позволили произвести коррекцию формы зубьев, что в свою очередь привело к высокоточному выбору формы, а впоследствии к изготовлению винтов.
В результате испытания многофазного насоса с заявляемым циклоидальным зацеплением при номинальной подаче 500 м3/час, давлении 30 кг/см2 и содержании в перекачиваемой среде около 10% газа объемный коэффициент составил 88-90%.
Данные результаты подтверждены при испытании опытной партии насосов в количестве 3-х изделий. При проведении ревизии циклоидального зубчатого зацепления после наработки 72 часов на зубьях не обнаружено сколов, задиров, трещин или наклепов металла по металлу.
Проведенное коррегирование циклоидального зубчатого зацепления позволило выбрать наиболее приемлемый вариант, который решает задачу изготовления, не снижая технических показателей многофазного насоса.
Источники информации:
1. Винтовые насосы. Под ред. Д.Ф.Балденко. - 1982, стр.153.
2. Авторское свидетельство № 1772470, МПК F 16 H 1/06 - прототип.
Формула изобретения
1. Циклоидальное зубчатое зацепление, содержащее зацепляющиеся между собой винты с взаимоогибаемыми профилями зубьев, имеющих головку, очерченную укороченной эпициклоидой, ножку, очерченную удлиненной эпициклоидой, и сопряженные боковым участком, отличающееся тем, что боковой участок имеет прямую линию, переходящую в простую эпициклоиду и далее переходящую в укороченную эпициклоиду головки зуба, образованную точкой сопряжения удлиненной эпициклоиды и прямой линии ножки другого зуба, при этом простая эпициклоида образована прямой линией другого зуба.
2. Циклоидальное зубчатое зацепление по п.1, отличающееся тем, что прямая линия расположена радиально.
3. Циклоидальное зубчатое зацепление по п.1, отличающееся тем, что прямая линия расположена под углом к радиальной составляющей.
4. Циклоидальное зубчатое зацепление по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что началом прямой линии является точка, расположенная на контуре удлиненной эпициклоиды.
