Цель проекта – реинжиниринг и оптимизация по долговечности трансмиссии карьерного самосвала грузоподъемностью 60 т. и создание команды, работающей в единой среде проектирования по разработке и подготовке производства зубчатых колес трансмиссий, для достижения целевой долговечности (40000ч.) и себестоимости.
Постановка задачи проекта
– За последние 25 лет произошли очень серьезные изменения в конструкции и рынке малотоннажных самосвалов. При этом масса машин, применяемые материалы, мощность двигателя и его тяговые характеристики, а также требования рынка изменились. Появляется статистика несистемных отказов, что является прямым следствием несбалансированности существующих конструкций трансмиссий данных машин. Непосредственное влияние дисбаланса в конструкции на ее надежность было продемонстрированно в работах по разработке и оптимизации ПКП карьерных самосвалов грузоподъемностью 60 и 90 т.
– Внесение многочисленных изменений в существующие конструкции не позволяет повысить общий уровень долговечности трансмиссиии добиться положительной динамики статистики отказов.
– Комплекту КД на элементы трансмиссии самосвалов уже более 25 лет, при этом остальная часть КД на эти машины за последние десятилетия претерпела множество изменений. При этом в трансмиссиях усиливались лишь проблемные места. Текущие показатели надежности машин не соответствуют современным требованиям потребителей.
– Все это приводит к постановкезадачи полного реинжиниринга трансмиссиидля достижения уровня долговечности в 4 раза более высокого по сравнению с тем, что есть сейчас. При этом осуществляется переход на другой материал зубчатых колес – Сталь 20ХН3А
Результат проекта – создание гармонизированной системы сквозного проектирования, включающей в себя весь цикл подготовки производства зубчатых колес трансмиссий на Предприятии. Это позволит внедрить в серийное производство новую сбалансированную конструкцию трансмиссии, рассчитанную на современный уровень долговечности в 40000 моточасов в максимально сжатый срок.
Испытания бывают нескольких видов: полигонные (комплексные – для всей машины) и стендовые (отдельных компонентов трансмиссии).
Необходимость проведения стендовых испытаний
– Нет исходных данных, которые требуются для перехода на современный уровень проектирования и расчетазубчатых передач по методике ISO6336 метод B. Расчет по этой методике, в отличие от ГОСТ (который соответсвует между методами С и D для ISO 6336), не используют «средние значения», а оперируют реально полученными экспериментальными данными о нагрузочных режимах, прочностных свойствах материалов зубчатых колёс и валов, изготовленных на предприятии, технологии изготовления (включая профиль зуборезного инструмента). Этого на сегодняшний день нет, в то время, как опыт предыдущего проекта показал чрезвычайную важность достоверных сведений о реальных прочностных свойствах зубчатых колес (ЗК).
– Совпало так, что на сегодняшний день у нас есть все возможности (включая стенд для проведения ускоренных ресурсных испытаний ЗК), чтобы решить задачу создания трансмиссии нового поколения используя неформальный инновационный подход, базирующийся на среде KISSsoft/KISSsys, опыте ведущих мировых предприятий машиностроения и современных международных стандартах.
Традиционный подход к реинжинирингу
Если решать задачу реинжиниринга традиционными методами, необходимо 3-5 итераций в изготовлении дорогостоящих опытных образцов по обходной технологии (каждая итерация занимает в среднем от 7 месяцев до 1 года), а также большого объема последовательных испытаний опытных образцов в карьере.
Реализация проекта «Создание интегрированной системы проектирования и подготовки производства зубчатых колес трансмиссий»
Создание корректной модели ПКП в среде KissSys является нетривиальной задачей. Так как нет точных значений ни прочностных свойств материалов, ни граничных условий расчета, было принято решение проводить все расчеты в диапазоне задания свойств материалов и нагрузок: от оптимистичной до наиболее пессимистичной картины. При этом процесс создания модели трансмиссии в KISSsys постоянно сопровождается проведением предварительных промежуточных расчетов (что подразумевает пересчет всех параметров трансмиссии с учетом полного спектра нагрузок, актуальной трехмерной модели трансмиссии, принятых связей между валами и их системами, а также множеством других факторов) и корректировкой исходных данных, а также шаблонов кинематических звеньев, таблиц и функций пользовательского интерфейса с привлечением ведущих специалистов мирового уровня в области расчета и проектирования трансмиссий.
Кроме того, виртуальные испытания для различных сценариев задания свойств материалов, нагрузок и принятых допущенийбудут вестись параллельно для двух вариантов реализации трансмиссии: с вальной КП и новой планетарной КП. Планируется не менее 15 сценариев расчета с различными исходными данными и граничными условиями. Расчет по каждому из сценариев состоит из фаз планирования эксперимента, подготовки или корректировки исходных данных и обработки результатов, и занимает в среднем неделю рабочего времени специалиста по расчетам.
Результатом реинжиниринга является окончательная утвержденная модель существующей трансмиссии в среде KISSsoft/KISSsys, адекватно отражающая КД и демонстрирующая те дисбалансы в конструкции, которые не позволяют достичь требуемой долговечности в 40000 моточасов. Это позволит оценить степень сбалансированности существующей конструкции и сформулировать спецификацию задания по оптимизации трансмиссии по массе, технологичности и долговечности.
Проект, предлагаемый вашему вниманию, позволяет решить поставленную задачу не за 5 лет, а за 1 год. При этом расходы, которые будут впоследствии понесены предприятием, будут в 3 раза меньше, чем если бы мы шли по традиционному пути.
– KISSsoft – это система сквозного проектирования, которая связывает между собой инженера, расчетчика и технолога, и создает все условия для перехода на новый организационный уровень перекрестного инжиниринга.
– Моделирование трансмиссии в KissSoft позволяет находить конкретные конструктивно-оптимальные решения в условиях не полной определенности исходных данных и граничных условий.
– Принципиальным отличаем интегрированной системы проектирования и подготовки производства трансмиссий на базе KISSsoft является и то, что компоновка трансмиссии получается практически параллельно с созданием концептуальной модели, при этом срок создания 3-х мерной параметрической модели компоновки сокращается в 3-4 раза благодаря ассоциативной интеграции CAD и CAE систем. Это позволяет проверить собираемость конструкции, а также оценить объем изменений корпусных деталей на ранних этапах синтеза новой конструкции с требуемой долговечностью.
– Факторы влияющие на долговечность, например оптимальные параметры пятна контакта рассчитываются только в KISSsoft, а не получаются эмпирическим путем поиска пятна контакта в производственном процесс
Единая среда проектирования «шестерня-инструмент» в KISSsoft
Основные направления повышения долговечности и снижения себестоимости трансмиссий – это увеличение качества зацепления зубчатых колёс, а также сокращение массы и затрат на их изготовление. Современные зубчатые колёса трудно представить без шлифования зуба, но при использовании стандартных зуборезных инструментов и шлифовальных кругов у ножки зуба образуется выступ, который является концентраторомвнутренних напряжений. До сих пор эту проблему на предприятии решали путём подбора инструмента (с целью уменьшения выступа), а также увеличением коэффициентов запаса выносливости колеса. Как следствие это увеличивает массу готового зубчатого колеса.
Для недопущения погрешностей при изготовлении профиля зубчатой передачи предлагается применять червячные фрезы с корректированным профилем. Для создания припуска под шлифование на зубе колеса образующий контур фрезы выполняют с галтелью. Правильно подобранная галтель позволяет избежать образования концентратора напряжения при шлифовке
Подбор параметров фрез с галтелью, а также других специальных червячных фрез для обработки эвольвентных, прямобочныхили нестандартных профилей, является задачей, которую хорошо решает программный комплекс KissSoft.
Конструктор проектирует оптимальное зубчатую пару, технолог обеспечивает точное изготовление зубчатых колёс
Существующие на предприятии методы оценки качества зубчатого зацепления по пятну контакта не учитывают реальные нагрузки. Технологическая служба рассматривает пятно контакта как способ оценки качества изготовления зубчатых колёс. Конструкторская служба не участвует в проектировании пятна контакта зубчатого зацепления, следовательно, не в состоянии оптимизировать зубчатые колёса по этому параметру. На сегодняшний день на заводе нет методики расчета пятна контакта в зубчатой паре под нагрузкой.
В этом проекте для оценки качества зубчатого зацепления моделируют пятно контакта под нагрузкой между зубьями в зацеплении. Для улучшения параметров пятна контакта, а значит качества зубчатого зацепления, как основной способ используется модификация зубчатых колес. Использование программы позволяет конструктору подобрать оптимальные параметры модификации зубчатого колеса и, как следствие, оптимальные параметры пятна контакта в зубчатом зацеплении под реальной нагрузкой. Выполнения этой работы заложено в программу KissSoft. Обязанность технолога – обеспечить точное изготовление спроектированных зубчатых колёс с помощью зуборезных и зубошлифовальныхстанков.
Точность результата будет обеспечена тем, что подготовка производства зубчатых колёс конструкторами и технологами будет выполнятся в единой среде проектирования.
Подбор модификации зубчатого колеса – назначение программы KISSsoft
Модификация – это целенаправленная замена эвольвентнойлинии профиля зубчатого колеса такой кривой, позволяющей компенсировать деформации зубьев под нагрузкой. Правильно выполненная модификация зубчатых колёс снижает износ, тепловыделение и потери мощности зубчатого зацепления под нагрузкой, снижает вибрации и шум, позволяет избежать концентраторов внутренних напряжений, возникающих при работе зубчатой пары под нагрузкой, снижает риск образования задиров, микротрещин и выкрашиваниязубьев при работе. Различают продольную модификацию (то есть модификацию зуба вдоль оси колеса) и профильную модификацию зубчатых колёс.
Проблема применения модификации – это проблема обоснованного выбора типа и параметров модификации для каждого зубчатого колеса в зависимости отреального режима нагружения.
Решение проблем исполнения модификаций – это повышение качества зацепления зубчатых пар
Основной способ исполнения любой модификации на зубчатом колесе – шлифование. Существующая практика опирается на собственный опыт цехового технолога, который задает параметры модификации для шлифовки. На сегодняшний день этого опыта не достаточно.
С использованием KissSoft расчётчик обеспечит точные параметры модификации с учётом пятна контакта зубчатого зацепления под реальной нагрузкой.
Для правильного исполнения рассчитанных модификаций необходимо передать точные параметры от расчётчика к станку. Для решения этой проблемы предусматривается:
– создание проекта СТП по согласованию документации на зубчатые колёса между УГК и УГТ в единой среде KissSoft/KissSys с интеграцией в PDM Search;
– разработка и утверждение формы задания модификации зуба для новых зубошлифовальныхстанков LIEBHERR. Используются специальные модули для места расчётчика, предназначенные для проектирования точных параметров модификации.
Кроме изготовления зубчатых колёс модификацией существует проблема контроля качества таких колёс. Для того, что бы проконтролировать качество изготовления зубьев с модификацией и избежать ошибок и неточностей при передаче данных от конструктора на измерительную машину создаётся модуль интеграции программы KissSoft с интерфейсом измерительной машины. Это позволит исключить человеческий фактор из цепочки «разработка – изготовление – измерение» при производстве модифицированных зубчатых колёс.
Модификация зубчатого колеса – это сложная задача, которую невозможно выполнить без соответствующего расчётного инструмента. Для того, что бы получать прирост долговечности от модификации каждого зубчатого колеса, необходимо производить точный расчёт зубчатого зацепления с учетом условий и режима нагружения. При этом нельзя обойтись без использования CAE комплекса KissSoft.
Правильные модификации улучшают зубчатое зацепление
Организация работ по проекту
К моменту формирования исходных данных для оптимизации необходимо иметь достоверные экспериментальные данные о прочностных свойствах мелкомодульных зубчатых колес, изготовленных по серийной технологии. Для того, чтобы получить эти результаты в сжатый срок было принято решение проводить испытания на существующем стендовом оборудовании, без изменения межосевого расстояния в имеющемся редукторе.
Первым результатом стало создание натурно-виртуального комплекса для моделирования стендовых испытаний ЗК, который показал что испытать существующие ЗК в имеющемся редукторе не представляется возможным. А использование методики проведения виртуальных испытаний компании Micro Express позволило подобрать такие параметры ЗК для испытаний, которых нет в номенклатуре ЗК трансмиссии. И при этом получить корректные результаты испытаний.
