Не используемый резерв конкурентоспособности российского машиностроения

Добжинский Даниил Павлович, инженер-конструктор, к. т. н., доцент по кафедре Строительные и дорожные машины. УДК 621.83 (035)

Таким резервом считаю метод конструирования всевозможных механизмов, детально разработанный ныне покойным профессором МВТУ Леонидом Николаевичем Решетовым. Высокая эффективность метода доказана многочисленными примерами его практического применения, когда не на проценты, а в разы увеличивалась долговечность, нагрузочная способность и надежность механизмов.
Суть метода состоит в применении принципа самоустанавливаемости (статической определимости) отдельных звеньев и всего механизма. В правильном, с точки зрения этого метода, механизме на любое его звено должно быть наложено минимально необходимое число кинематических связей. Любые связи сверх минимально необходимых являются избыточными и приводят к «лишним» нагрузкам на звенья механизма, с соответствующими негативными последствиями.
Видимо, начало применения метода в нашем машиностроении следует отсчитывать с 1967 года, когда вышло первое издание книги Л.Н.Решетова «Конструирование рациональных механизмов». В предисловии ко второму изданию книги (1972 г.) отмечается, что после ее первого издания началось широкое применение статически определимых механизмов. Действительно, сам Леонид Николаевич, его ученики и последователи разработали немало конструкций, показавших очень высокую эффективность.
Однако, о действительно широком применении метода даже спустя полвека говорить не приходится. К сожалению, приходится констатировать, что даже самые эффективные конструкторские разработки по этому методу внедрялись только благодаря настойчивости их авторов при их непосредственном участии и, чаще всего, не выходили за пределы предприятий, на которых эти авторы работали.
Приведу только три цитаты, взятые из различных изданий книги Л.Н.Решетова, которая в дальнейшем приняла название «Самоустанавливающиеся механизмы: Справочник». Вот эти примеры с моими комментариями:

«Хорошую конструкцию шлицевой пары предложил А.И.Беляев…. Результат испытания тепловозного привода с такой шлицевой парой положительный – прекратился шум. После стендового испытания, соответствующего пробегу локомотива в 250 тыс. км, поверхность зубьев стала зеркальной, износа нет. Работавшая вместе с испытуемой старая передача (в замкнутой схеме) сильно шумела и имела значительный износ» (Рис. 1).

Рис. 1. Шестерня А.И.Беляева со шлицевой парой. В цилиндрических шлицах уложены бочкообразные ролики

Насколько знаю, дальше стендовых испытаний дело не пошло. А речь идет о конструкции шестерни зубчатой передачи, обеспечивающей линейный контакт зубьев по всей их ширине, чего никогда не бывает в зацеплении зубчатый колес традиционной конструкции. Предложенное А.И.Беляевым решение может успешно применяться далеко не только в локомотивных приводах.

«Плавающее звено достаточно ставить на одинарном зубчатом кардане IV5 . Схема эта испытана и полностью оправдала себя в прокатном стане для ребристых труб. Д.И.Шаткус применил ее для комбайновых шасси, где она дала тройное увеличение долговечности. Поэтому однорядный механизм с сателлитами на сферических подшипниках можно уверенно рекомендовать для всех случаев практики» (Рис. 2).

Рис. 2. Редуктор Д.И.Шаткуса с плавающим центральным колесом и сателлитами на сферических опорах

Конструкция Д.И.Шаткуса применена к планетарной ступени привода ведущего моста зернового комбайна и была серийно реализована только на комбайнах Ростсельмаша. В практически таких же мостах комбайнов, производимых в те же годы на заводе в Красноярске, сохранялась обычная конструкция. Как видим, даже на предприятиях с прямым подчинением одному министерству, прогрессивное решение внедрялось только там, где работал его автор. Между тем, это решение применимо практически ко всем однорядным планетарным передачам. Справедливости ради, нужно сказать, что этому решению повезло больше чем другим, и оно сейчас применяется в других машинах. Но до сих пор это делается далеко не всегда.

«Г.П. Попов и В.А.Иванов в Днепропетровске предложили статически определимый мостовой кран (авт. свид. № 140551). Это дало увеличение долговечности ходовых колес с 1-2 месяцев до нескольких лет» (Рис. 3).

Рис. 3. Схема крана по а. с. 140551

Здесь речь идет о том, что мост правильного крана не должен иметь жесткую статически неопределимую конструкцию. Он должен иметь подвижности, позволяющие приспосабливаться к неизбежным отклонениям рельсовых крановых путей от номинального положения в плане и в профиле. В этом и состоит суть конструкции, реализованной в Днепропетровске. И опять же, за пределы завода это решение не вышло. До сих пор подавляющее большинство мостовых кранов – от легких кранбалок до сверхтяжелых мостов делается по неправильной традиционной схеме. А новые правильные конструкции мостовых кранов появляются и остаются в основном на бумаге, например, в виде нереализованных патентов на изобретения.
Упомянутое многократное увеличение долговечности ходовых колес важно не только само по себе. Износ этих колес тесно связан с нагрузками на все металлоконструкции крана и его рельсовых путей. Чем интенсивнее изнашиваются колеса, тем выше вероятность появления усталостных трещин в металлоконструкциях и т. д.
Интересна близкая по сути ситуация с козловыми кранами, у которых также есть проблема неизбежных отклонений рельсового пути от номинального положения при больших пролетах. В отличие от мостовых кранов, традиционная металлоконструкция козлового крана позволяет ему приспосабливаться к погрешностям пути и сводить к минимуму их негативные последствия (Рис. 4). Как ни странно, все чаще появляются козловые краны, в которых в металлоконструкцию добавлены избыточные связи и которые работают на рельсовых путях, в буквальном смысле, со скрипом (Рис. 5). Подробнее об этом можно прочитать в источнике [3].

Рис. 4. Классическая почти правильная конструкция козлового крана

Рис. 5. Современный неправильный козловой кран

К приведенным примерам можно добавить множество других. Их заинтересованный читатель может найти в упомянутых книгах.
Приведу здесь только свои соображения по областям применения, где метод Л.Н.Решетова может дать значительный эффект и повысить конкурентоспособность машиностроительной продукции.

В области неподвижных соединений силовых агрегатов или рабочего оборудования с рамой или фундаментом во всей мировой практике, на мой взгляд, есть только один пример массового применения правильной конструкции. Это система крепления силового агрегата (двигатель + коробка передач) к раме или к несущему кузову автомобиля [3]. В подавляющем большинстве случаев другие агрегаты и оборудование (генераторы, электродвигатели, редукторы стационарных установок и рабочее оборудование мобильных машин, например крановое) крепятся по статически неопределимой схеме со всеми вытекающими негативными последствиями. Например, корпус компрессора, жестко закрепленный на раме прицепа четырьмя лапами, испытывает скручивающие и изгибные нагрузки от деформаций этой рамы при движении по неровной дороге. Между тем, правильное решение находится буквально перед глазами конструктора компрессора - это система крепления к той же раме дизельного двигателя, от которого его компрессор приводится.
Множество избыточных связей, со всеми их пороками, имеет место при неподвижных соединениях всевозможных гидравлических и им подобных агрегатов посредством жестких трубопроводов. Машину с такими соединениями видно издалека, благодаря грязи, отлагающейся в местах утечек рабочей жидкости.

В области шарнирно-рычажных механизмов можно отметить редкий случай, когда наши изделия общего машиностроения лучше продукции ведущих мировых производителей. В свое время в СССР было налажено массовое производство гидроцилиндров с узлами крепления, построенными на т. н. шарнирных подшипниках (сферические подшипники скольжения). Благодаря этим стандартным узлам, производимым массовыми сериями подшипниковыми заводами, при установке цилиндра, например на рабочее оборудование экскаватора, автоматически компенсируются неизбежные погрешности номинального положения деталей крепления на металлоконструкциях машины. А подавляющее большинство западных производителей экскаваторов и им подобной техники ставят свои гидроцилиндры на цилиндрические шарниры. Поэтому им приходится снабжать свои машины чертежами таких быстроизнашивающихся деталей, как втулки и пальцы этих шарниров.
Однако, сказав «А», наши экскаваторостроители не сказали «Б». На этих машинах буквально рядом с правильными шарнирами гидроцилиндров стоят неправильные цилиндрические шарниры в соединениях стрелы с поворотной платформой, рукояти со стрелой, ковша с рукоятью и т. п. Соответственно, приходится прилагать к машине чертежи втулок и пальцев.
Все это в полной мере относится и ко всем другим машинам и механизмам с шарнирными соединениями. Речь не идет о полном исключении цилиндрических шарниров. Они вполне допустимы, если только не накладывают на соединяемые звенья механизма избыточные связи, как это бывает в большинстве традиционных конструкций.

Область механизмов линейного перемещения охватывает множество конструкций, от уже упоминавшихся мостовых и козловых кранов, до высокоточного станочного оборудования. В этом последнем сейчас наблюдается интересная ситуация. Все более широкое применение находят т. н. рельсовые направляющие качения. И здесь, в подавляющем большинстве случаев, самое высокое качество компонентов (шариковые или роликовые каретки и профильные рельсы) сочетается с заведомо неправильной системой, составляемой их этих компонентов, когда число кареток больше одной. Об этом более подробно можно прочитать в источнике [3].
При целенаправленном применении метода, найти правильные решения для подобных систем относительно не сложно. Уверен, что, рано или поздно, в направляющих качения избыточные связи будут устранены, и это существенно повысит точность и нагрузочную способность станочного оборудования.

В области приводов вращения есть примеры того, как новые конструкции делаются, в смысле самоустанавливаемости, хуже старых. Все чаще нарушается хорошо известный принцип «Не ставь жесткий вал на три независимых опоры». Так, например, поступает, авторитетная в области гидропривода фирма Бош-Рексрот, когда предлагает свои комплекты привода для лебедок со встраиваемым в барабан планетарным редуктором (Рис. 6). Также делает и фирма Цоллерн в своих лебедках. Из-за многочисленных избыточных связей в таких конструкциях, они удовлетворительно работают только при очень высокой точности взаимного положения посадочных мест на раме лебедки и на ее барабане. И нужно отметить, что какова бы ни была точность изготовления лебедки, при ее работе неизбежны деформации звеньев от рабочей нагрузки. При этих деформациях избыточные связи неизбежно оказывают свое негативное воздействие.

Рис. 6. Барабан лебедки со встроенным приводом фирмы Бош-Рексрот

В то же время применение метода Л.Н.Решетова к конструированию лебедок этого типа, позволяет полностью устранить избыточные связи и обеспечить тем самым существенное повышение надежности при одновременном снижении требований к точности изготовления звеньев механизма [3].

Наконец, широкие возможности применения метода существуют в области всевозможных зубчатых передач. Суть уже известных рациональных решений здесь состоит в обеспечении равномерного контакта по всей номинальной активной поверхности зубьев. Эффективность таких решений показана выше на примере с шестерней локомотивного привода А.И.Беляева и с планетарной передачей Д.И.Шаткуса. На рисунках 7 и 8 показаны два примера проверенных практикой конструктивных решений.

Рис. 7. Упрощенная конструкция шестерни со шлицевой парой А.И.Беляева

Рис. 8. Механизм вращения экскаватора или крана с мотор-редуктором, закрепленным на поворотной платформе посредством цилиндрического шарнира (отмечен стрелкой).

Приведу еще одну цитату из предисловия ко второму изданию книги Л.Н.Решетова:

«В 1951 г. автор пришел к выводу, что за немногими исключениями следует применять только механизмы без избыточных связей. Исключения были вызваны тем, что не были найдены нужные структурные схемы. В настоящее время для большинства «исключений» такие схемы найдены. Поэтому во всех случаях их надо искать. Принцип статической определимости позволяет научно обоснованно решить, какие и где нужно применить кинематические пары в механизме, т. е. раздел структуры в теории механизмов поднять на уровень науки».

Считаю, что полувековая практика показала справедливость этих слов и призываю всех коллег-конструкторов стать последователями Л.Н.Решетова.
Во многих случаях в его книгах можно найти готовые конструктивные решения проблем своих механизмов, либо получить подсказку для их самостоятельного решения.
Добавлю, что внедрение метода на производстве не требует каких-либо капитальных затрат. А получаемые при этом рациональные конструкции зачастую оказываются проще и дешевле в производстве, чем традиционные неправильные конструкции.

Литература:

1. Решетов Л.Н. Конструирование рациональных механизмов. Изд. 2-е, переработ. и доп., М., «Машиностроение», 1972
2. Решетов Л.Н. Самоустанавливающиеся механизмы: Справочник. – изд. 2-е, переработ. и доп., М., «Машиностроение», 1985
3. Веб-сайт Правильное строение машин