КОМПЬЮТЕРНЫЙ ИМИТАЦИОННЫЙ ТРЕНАЖЕР [для] исследованиЯ КПД цилиндрического и Червячного редуктора

 

 

д.т.н., проф., Бабичев Дмитрий Тихонович

(Тюменский государственный нефтегазовый университет)

к.т.н., Гаммер Максим Дмитриевич

(Тюменский государственный нефтегазовый университет)

Черезов Кирилл Михайлович

(Тюменский государственный нефтегазовый университет)

 

 

 

В работе рассмотрен опыт создания и использования в учебном процессе ТюмГНГУ компьютерных имитационных тренажеров [для] исследования КПД цилиндрического и червячного редуктора.

 

 

Редукторный привод является одним из наиболее распространенных видов приводов современных механических систем общепромышленного применения. Задачи изменения скорости вращения при передаче вращательного движения являются важными и в нефтегазовой промышленности. По этой причине  в учебных дисциплинах нефтегазового профиля редукторному приводу уделяется особое внимание.

 Однако, проведение лабораторного практикума, адекватного производственным задачам, при изучении редукторного привода, сопряжено с большой сложностью и значительными производственными затратами [1].  Например, проведение лабораторного практикума с экспериментальным определением КПД редуктора при различных параметрах (вязкость масла; тип подшипников; степень точности изготовления; передаточное число и т.д.) несмотря на большой познавательный интерес, не представляется возможным.

         Для проведения такого рода практикумов ведущие Вузы широко используют имитаторы и тренажеры. Опыт создания имитаторов свидетельствует, что наиболее ответственным и трудоемким этапом их разработки является построение математической модели, адекватно отражающей реальные условия испытаний и протекающих процессов, и обеспечение их фотореалистичного отображения на экране монитора ПК.

В настоящей работе создан “Компьютерный имитационный тренажер [для] исследования КПД цилиндрического и червячного редуктора” для проведения лабораторных работ, выполняемых в рамках учебной дисциплины “Детали машин”. Данные типы редукторов были выбраны как наиболее распространенные в нефтегазовой промышленности.

Программа обеспечивает 3D отображение стенда, возможность управления, наблюдение за происходящими процессами и считывание показаний приборов, т.е. обеспечивается возможность исследования КПД цилиндрического и червячного редуктора (Рисунок 1,2). По полученным результатам исследования можно построить графики зависимости КПД:

·        от скорости вращения n, при постоянной нагрузке T     (η = f(n)  при Т=const);

·        от нагрузки T при постоянной скорости вращения n      (η = f(T)  при n=const);

·        от дополнительного параметра передачи, указываемого в задании на выполнение работы (сорта смазки, степени точности передачи, чисел зубьев колес, типа подшипников и т.п.) (Таблица 1,2).

 

Устройство и работа имитируемого стенда

Стенд смонтирован на плоском металлическом основании и состоит из

узла электродвигателя с тахометром,  испытуемого редуктора  – он условно показывается в разрезе, нагрузочного устройства – ленточного тормоза.

         Узел электродвигателя смонтирован на литом кронштейне, закрепленном на основании стенда. Статор электродвигателя может свободно поворачиваться в шариковых подшипниках, установленных в литом кронштейне, относительно оси, общей с якорем электродвигателя. Вал якоря электродвигателя одним концом соединен через муфту с входным валом редуктора. На лицевой стороне литого кронштейна смонтировано измерительное устройство, состоящее из рычага, штока и датчика с пружиной. При включении электродвигателя реактивный момент статора (равный по абсолютному значению моменту на валу якоря) поворачивает статор. Рычаг, закрепленный на статоре, упирается в подпружиненный шток датчика, который и удерживает статор от поворота. Сигнал от этого датчика для измерения крутящего момента, передаваемого с двигателя на редуктор, после обработки отображается на левом стрелочном приборе (“Момент двиг.”) и числовым индикатором Tдв.  Так на стенде измеряется крутящий момент, передаваемый с двигателя на редуктор.

Испытуемый редуктор состоит из двух цилиндрических передач. Его корпус условно сделан из полупрозрачного материала и показывается в разрезе.

Нагрузочное устройство представляет собой ленточный тормоз, и служит для создания рабочей нагрузки на редуктор – тормозного момента на его выходном валу. Величина тормозного момента задаётся тумблером–регулятором нагрузки. При этом сильнее или слабее растягивается пружина, что видно и на мониторе.

В левой части стенда установлена панель с органами управления: Выключатель питания стенда; Тумблер-регулятор частоты вращения двигателя; Тумблер-регулятор нагрузки (крутящего момента тормоза).

Измерительные приборы: стрелочные приборы (“Момент двигателя”, “Мощность двигателя”, и “Обороты тормоза”); приборы цифровой индикации (“nдв – обороты двигателя”, “Tдв – момент двигателя”, “Pдв – мощность двигателя”, “nторм – обороты тормоза”,“Tторм – момент тормоза ”)

Таблица 1. Техническая характеристика виртуального стенда (для цилиндрического редуктора):

Характеристика испытываемых редукторов

Тип редуктора

двухступенчатый цилиндрический соосный

Межосевое расстояние                        

 

aw = (90 ÷ 160) мм

Числа зубьев зубчатых колес

первой ступени  

второй ступени           

z1 = (30 ÷ 35),    z2= (60 ÷ 65);

z1 = (20 ÷ 35),    z2= (40 ÷ 50).

Ширина колеса                                       

первой ступени      

второй ступени      

b12 = (16 ÷ 60) мм;

b23 = (20 ÷ 80) мм.

Характеристика электропривода

Частота вращения вала электродвигателя (входного вала редуктора)

n1 = (500, 1000, 1500, 2000, 2500 и 3000) об/мин

Максимальный крутящий момент на валу двигателя    

T1 = 15 Н*м

Характеристика нагрузочного устройства

Тормозной момент на барабане ленточного тормоза

(Его можно изменять только дискретно с шагом 1 Н*м)

Т2 = (0 ÷ 40) Н*м.

 

Таблица 2. Варианты заданий на проведение испытаний и исследования цилиндрического редуктора                                                                       

Параметры

редуктора

Вариант

 

1

2

3

4

5

6

7

8

Межосевое расстояние      aw=

Числа зубьев колёс:

Шестерни 1-ой ступени     z1=

Колеса 1-ой ступени          z2=

Шестерни 2-ой ступени    z1*=

Колеса 2-ой ступени         z2*=

100

 

30

60

25

42

100

 

35

65

22

50

125

 

30

60

22

50

125

 

35

63

20

42

140

 

30

63

25

45

140

 

33

60

20

42

160

 

30

61

21

50

160

 

31

60

24

40

По 1ой ццифре

Ширина колеса:

1-ой ступени     b12=

2-ой ступени     b23=

Степень точности редуктора

Тип подшипников

 

20

30

6

Ш

 

30

50

7

Ц

 

20

30

8

К

 

30

60

9

Ш

 

20

30

6

Ц

 

50

70

7

К

 

25

40

8

Ш

 

50

80

9

К

Выбрать по второй цифре

Кинематическая вязкость

масла (м2/с)        ν=

10-5

20·10-6

30·10-6

50·10-6

10-5

 

 

Специальный вопрос:

 

 

Исследовать влияние на КПД

 

 

степени точности редуктора

типа подшипников

вязкости масла

ширины колес первой ступени

ширины колес второй ступени

межосевого расстояния

чисел зубьев колес первой ступени

чисел зубьев колес второй ступени

(Тип подшипников: ШШариковые, Ц – с Цилиндрическими роликами, К – с Коническими роликами)

 

    

 Рисунок 1. Виды рабочего экрана программы.

 

Программная реализация выполнена при помощи системы автоматизированного проектирования компьютерных имитационных тренажеров (САПР КИТ). Тренажер разработан в НИИ Электронных образовательных ресурсов ТюмГНГУ (http://cde.tsogu.ru) и внедрен в учебный процесс.

 

1.     Сызранцев В.Н. Компьютерные тренажеры для обучения студентов нефтегазового направления / В.Н. Сызранцев, М.Д. Гаммер, К.М. Черезов // Бурение и нефть. 2006, №10. – С.34 – 36