УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ АБРАМОВА В.А.
ABRAMOV V. A. ROTARY MOTION PRODUCTION DEVICE

-6
Изобретение относится к электромеханическому переменно-скоростному приводу с редуктором с высокими требованиями по старт-стопным характеристикам в способе передачи вращения в герметизируемый объем через сплошную металлическую стенку в вакуум и другие среды при нормальной температуре и повышенной до 150°C и давлении от 10мм рт.ст. до нескольких атмосфер от ведущего звена к ведомому волнообразными упругими деформациями, генерируемыми в герметизируемом звене передачи механическим генератором волн, приводимым волновым пьезоэлектрическим двигателем во вращение, а также герметичного варианта способа передачи вращательного движения в герметизируемый объем к объекту.
Примерами применения могут быть исполнительные герметичные приводы для перемешивающих фармакологических барботеров, установок выращивания кристаллов, роботов, трубогибочных станков, миксеров, приводов арматуры, опорно-поворотных устройств, в качестве верхнего привода буровых установок.
Уровень техники.
Известно устройство для получения вращательного движения, а.с. СССР №441975, кл. B06B 1/06, 1974, содержащее волновую фрикционную передачу и электромеханический привод, образованный пьезоэлектрическими стержневыми преобразователями, расположенными симметрично относительно оси передачи, опертыми одним концом в неподвижное основание, а другим концом - в деформируемый элемент (фрикционное колесо волновой передачи).
Положительным эффектом устройства является высокая плавность работы, например, при настройке телескопа на объект.
Недостатками такого устройства являются большие габариты в радиальном направлении и незначительный выходной момент, обусловленный фрикционным взаимодействием контактирующих элементов волновой передачи.
Другим известным аналогом предлагаемому устройству является авторское свидетельство СССР №605644, кл. B06B 1/06, 1978, в котором уменьшение габаритов устройства в радиальном направлении достигается выполнением пьезоэлектрических преобразователей в виде концентрично расположенных втулок, торцы которых последовательно жестко соединены посредством накладок.
31
Такие пьезоэлектрические преобразователи являются жесткими, менее трудоемкими в сборке, позволяют суммировать их линейные перемещения и применить мелкомодульное зубчатое волновое зацепление в устройстве, повысить выходной момент, расширить сферу его применения как силового привода с волновой зубчатой передачей. Однако при применение пьезоэлементов в виде втулок и соответственно пьезомодуля d в пьезопреобразователях габариты устройства аналога значительные.
Существенные элементы при построении конструкции устройства внесены в авторском свидетельстве СССР №856584, B06B 1/06, 1981. Такими отличительными признаками в этом устройстве является то, что каждый пьезоэлектрический преобразователь оперт на колесо волновой передачи посредством подпружинного одноплечного рычага, а рычаг оперт на подвижное колесо волновой передачи посредством нефиксируемого в радиальном направлении подшипника качения, причем оба колеса волновой передачи выполнены деформируемыми консольной конструкции.
Приведенные признаки устройства обеспечивают необходимую рабочую деформацию пьезопреобразователей генераторов и в четыре раза уменьшают диаметральные габариты устройства, поэтому а.с. №856584 СССР выбрано в качестве прототипа и является прямым аналогом.
31
31
31
33
31
33
-12
Однако несмотря на технологичность изготовления втулок, более жесткую конструкцию пьезопреобразователей, достижение конечной цели - получение необходимой радиальной деформации в пьезогенераторе для образования волнового зубчатого зацепления в волновой передаче и используемый при этом пьезомодуль d, устанавливающий связь между электрическим полем вдоль полярной оси и продольной деформацией, является путем «тернистым» в силу «малости» величины d=274·10 К/Н (м/в), например, материала системы цирконий-титан-свинец марки PZT-5H американской фирмы «Клевайт» (Смажевская Е.Г., Фельдман Н.Б. Пьезоэлектрическая керамика. М.: Советское радио, 1971). В 1979-83 гг. в СССР также был разработан опытный пьезокерамический материал на заводе «Аврора», г. Волгоград, марки ПКВ - (пьезокерамика волгоградская) с высокими пьезомодулями d и d, не ниже значений d и d марки PZT-5H; на базе дисковых шайб из которого были спроектированы, изготовлены, испытаны и сданы заявителем представителю заказчика ГРУ модели устройства для получения вращательного движения (волновые фрикционные и зубчатые пьезоприводы).
Сущность изобретения.
В данном предлагаемом изобретении решаются следующие задачи:
Задача 1 - создание двухопорных виброустойчивых конструкций узлов устройства и с наименьшими деформациями в контактах элементов путем замены точечных и контактов по линии на контакты элементов по площади;
создание бисистемы пьезогенераторов с двумя деформируемыми зубчатыми колесами в герметичном исполнении устройства со сдвинутыми на 90° характеристиками;
создание регулирующих устройств натяга в механической системе двухволнового зубчатого зацепления посредством футорки (нарезной втулки) и дифференциального винтового механизма и замковых устройств в предотвращении ослабления резьбовых соединений при воздействии вибрации.
Задача 2 - снижение суммарной толщины клеевых соединений в пьезопреобразователях путем увеличения толщины дисковых пьезоэлементов, разработки серийного производства пьезокерамики ПКВ, завод «Аврора», г. Волгоград, и дисковых пьезоэлементов толщиной 5-6 мм; путем разработки клеевых соединений на базе клея ДМ5-65 с боропластиками Е=250 ГПа и других диэлектрических материалов с высокой адгезией и высокой прочностью клеевых соединений; путем серийного производства высоковольтных (5…6 кВ) транзисторов для коммутационных схем устройства.
Задача 3 - оптимальное решение задачи электрической прочности среды и отвода тепла от пьезогенераторов.
Задача 4 - достижение высоких старт-стопных характеристик благодаря высоким скоростям нарастания электронной эмиссии в пьезоэлектрике и деформации гибких колес волновых передач.
В изобретении используется агригатный способ сборки: соединение отдельных пьезогенераторов, установленных на неподвижном основании в агрегат, устанавливаемый на крышках, при этом фрикционные колеса собираются при включенных или выключенных генераторах, а зубчатые колеса в двухволновое зацепление собираются преимущественно при включенных пьезогенераторах и сдеформированных зубчатых колесах. Пятой задачей в соответствии с вышеизложенным является запуск бисистемы из положения зубчатых элементов зацепления, находившейся при уже состоявшемся отключении пьезогенераторов, задача разработки электронной схемы с памятью.
Возможность реализации.
33
На фиг. 1 изображено устройство с бисистемой из двух пьезогенераторов 1, 2 деформаций, составленных из пьезопреобразователей перемещений 3, 4, выполненных из пьезоэлементов в виде кольцевых дисковых шайб 5 с использованием пьезомодуля d.
Пьезогенераторы 1, 2 смещены электрически на 90°. Пьезопреобразователи 3, 4 посредством одноплечих рычагов 6 взаимодействуют с двумя гибкими деформируемыми зубчатыми колесами 7, 11 посредством регулирующих устройств 8 натяга в контакте между гибкими колесами и насаженной обоймой 9 на сферический подшипник 10. Один пьезогенератор деформирует наружное зубчатое колесо 7 снаружи; другой пьезогенератор бисистемы деформирует внутреннее 11 зубчатое гибкое колесо снаружи.
Пьезогенераторы в сборе установлены на неподвижном основании консоли 12, выполненной заодно с крышкой 13 и переходной частью 14, установленной на крышке 15.
Устройство фиг. 1 выполнено в виде герметичного варианта способа передачи вращательного движения в герметизируемый объем объекту через сплошную металлическую стенку подкладной оболочки 16, установленной на крышках 13, 15, в том числе и посредством зубчатого соединения 17. Опоры одноплечих рычагов 6, выполненные в виде пластин 18 и колец 19, установлены в неподвижном основании 20 и переходной части 14, крепящейся на крышке 15.
Выходной вал 21 устройства с установленным на нем сдвоенным жестким зубчатым колесом волнового редуктора на шпонке 22 установлен в двух шарикоподшипниковых опорах 22, 23, одна опора установлена в съемной опоре 24, установленной в хвостовике 25 гибкой подкладной оболочки 16, другая шарикоподшипниковая опора 23 вала 21 установлена во фланце 26 гибкого зубчатого колеса 27 волнового ускоряющего редуктора.
Резьба 84 служит для демонтажа съемной опоры 24 из герметичной подкладной оболочки 16.
Волновой ускоряющий редуктор состоит из закрепленного гибкого зубчатого колеса 27 на фланце 28, гибкой герметичной подкладной оболочки 16, установленного на консоли 40 и подшипнике 41 наружного генератора 42 с гибким подшипником 43, соединенного шлицевыми или волновым соединением 44 с наружным подвижным гибким колесом 7 волновой пьезоэлектрической передачи.
Неподвижное основание 20 снабжено окнами 45 для ввода регулирующих торцовых ключей и другого инструмента настройки натяга регулирующими устройствами 8 между деформируемыми колесами 7, 11 и обоймами 9, установленными на подшипниках 10.
Устройство снабжено корпусом-оболочкой 46, соединенным герметично с крышками 13, 15 посредством прокладок 47.
Внутреннее пространство корпуса 46 заполнено электроизоляционной жидкостью, например, 132 - 12Д ГОСТ 10916-74 или элегазом SF6 (Польша) под давлением.
Управляющее высокое согласованное напряжение на бисистему генераторов подается через гермоэлектровводы 48, установленные на крышке 15.
Для отвода тепла от бисистемы корпус 46 снабжен концентрично расположенной камерой 49 для проточной жидкости с патрубками 51, 52, например водопроводной.
1
1
На фиг. 2 изображено сечение Д-Д устройства на фиг. 1, расположение пьезопреобразователей 1, 2 в окружном направлении одного из пьезогенераторов в сфере закрепленных на неподвижном основании 20.
В сечении изображено взаимодействие накладки 33 пьезопреобразователя 1, напрессованной на сферический подшипник 34 обоймы 35, контактирующей посредством подшипника 34 и оси 36 с одноплечим рычагом 6, подпружиненным пружиной 37 растяжения, стягивающей накладку 33 с осью 36 подшипника 34.
Накладки 33 составных пьезопреобразователей 3, 4 с пьезоэлементами 5 контактируют посредством диэлектрических шайб 38 из пьезокерамики, текстолита и клеевых соединений 39 посредством клея ДМ5-65.
В сечении изображены выходной вал 21, гибкая герметичная подкладная оболочка 16 и гибкое зубчатое наружное подвижное колесо 7 волновой пьезопередачи.
Дугообразные углубления 70 на обоймах 9 подшипников 10 с уклоном по всей ширине обоймы 9 позволяют увеличить площадь контактирующих элементов 7, 9 и снизить величину контактной деформации, см. фиг. 14, сечение Б-Б.
1
1
Аналогичное конструктивное решение осуществлено в узле на фиг. 6, сечении Б-Б, на котором изображен контакт поверхностей промежуточных тел и накладок 33 пьезопреобразователей, выполненный по сферическим поверхностям 84, 85, вогнутым в накладках 33 и выпуклым на обоймах 30 промежуточных тел.
33
На фиг. 7 изображено устройство с бисистемой из двух пьезогенераторов 1, 2 деформаций, составленных из пьезопреобразователей 3, 4 перемещений, выполненных из пьезоэлементов в виде шайб-колец 5 с использованием пьезомодуля d и склеенных клеем ДМ5-65. Пьезогенераторы, смещенные электрически на 90°, совместно вырабатывают две волны деформации в гибких деформируемых зубчатых колесах 7, 11 посредством пьезопреобразователей 3, 4 и одноплечих рычагов 6, взаимодействующих механически посредством установленных в рычаге 6, в его средней части, промежуточных тел 28, выполненных в виде сферических подшипников 29 и надетых с натягом на них обойме 30. Концы одноплечих рычагов 6 снабжены регулирующими устройствами 8 натяга в контакте гибких деформируемых зубчатых или фрикционных колес 7, 11 с обоймой 9, надетой с натягом на сферический подшипник 10, установленный на шейках 31 ползунов-упоров одноплечих рычагов.
Пьезогенератор, расположенный снаружи гибкого колеса 7 и деформирующий наружное подвижное зубчатое колесо 7, установленный посредством неподвижного основания 20 в цилиндрическую консоль 12 крышки 13, и пьезогенератор 2 волн деформации гибкого неподвижного зубчатого колеса 11, установленный внутри неподвижного зубчатого колеса 11 и закрепленный на крышке 15 посредством неподвижного основания 20, образуют двухволновое зубчатое зацепление 32 гибких деформируемых колес 7, 11.
Опоры одноплечих рычагов 6, выполненные в виде пластины 18 и колец 19, установлены в неподвижном основании 20 и переходной части 14.
Выходной вал 21 устройства с установленным на нем сдвоенным жестким зубчатым колесом волнового редуктора на шпонке 22 установлен в двух шарикоподшипниковых опорах 22, 28, одна опора 53 выполнена на неподвижном основании 20, другая опора 53 установлена во фланце 28 гибкого колеса 27 волнового ускоряющего редуктора.
Выходной вал 21 и фланец 54 крышки 13 снабжены уплотнительными кольцевыми соединениями в виде резиновых прокладок 55 и в виде сборных деталей, установленных в канавках, выполненных по ГОСТ 9833-73, резинофторопластовых колец ТУ 2513-013-34724672-2010 «Кольца резиновые в оболочке из фторопласта». Изображенное устройство выполнено в виде герметичного варианта способа передачи вращательного движения в герметизируемый объем объекту.
Волновой ускоряющий редуктор состоит из закрепленного гибкого зубчатого колеса 27 на фланце 28, гибкой деформируемой подкладной оболочки 16, установленного на консоли 40 крышки 13 и подшипнике 41, наружного генератора 42 с гибким подшипником 43, соединенного шлицевым или волновым соединением с наружным подвижным гибким колесом 7 волновой пьезоэлектрической передачи.
Неподвижное основание 20 снабжено окнами 45 для ввода регулируемых торцовых ключей и других инструментов настройки натяга регулирующими устройствами 8 между деформируемыми колесами 7, 11, рычагами 6 и накладками 33 пьезопреобразователей 3, 4.
Устройство снабжено корпусом-оболочкой 46, соединенным герметично с крышками 13, 15 посредством прокладок 47, шпилек 58 и замковыми устройствами 59 для надежной фиксации резьбовых соединений с метрической резьбой HARDLOCK ООО «ЗДТ» «Реком». (www.zavod-rekom.ru; Международный журнал «Трубопроводная арматура» с. 45-46 ТПА6(75)2014)
Внутреннее пространство корпуса 46 заполнено электроизоляционной жидкостью, например, 132 - 12Д ГОСТ 10916-74 или элегазом SF6 (Польша) под давлением.
Управляющее высокое согласованное напряжение на бисистему пьезогенераторов 1, 2 подается через гермоэлектровводы 48, установленные на крышке 15.
Для отвода тепла от бисистемы корпус 46 снабжен концентрично расположенной камерой 49 для проточной жидкости с патрубками 51, 52, например водопроводной.
Нагружающее устройство в виде пружины 37 на рычаге 6 повышает резонансную частоту этой системы, снижает амплитуду вибрации, выступает в качестве гасителя нерабочих колебаний рычагов.
Устройство естественным образом сочетается с цифровыми управляющими машинами, программными устройствами и микропроцессорами. Вращающееся электрическое поле устройства может перемещаться непрерывно и дискретно, шагами.
Устройство обладает высокими старт-стопными характеристиками благодаря высоким скоростям нарастания электронной эмиссии в пьезоэлектрике, деформации гибких колес волновых передач и быстродействия схем управления на транзисторах или тиристорах.
Материалами для пар гибких колес могут служить бронза Бр Б2 ГОСТ 15835-70 с диаметрами прутков ⌀42…⌀100 мм и сталь 35ХГСА.
На фиг. 3 изображено сдвоенное 60 жесткое зубчатое колесо волнового редуктора, выполненное из двух частей неподвижной 61, установленной на винтах 62 и подвижной 63 с возможностью поворота относительно неподвижной части 61 в окружном направлении на некоторый угол, меньший угла d°.
Сдвоенное колесо снабжено выступающими частями 61 на торцах составных колес, поворотное колесо 63, установленное с возможностью вращения, смещено на угол 180°С относительно неподвижного, основного колеса 61, в сквозных резьбовых отверстиях 64 выступающей части которого установлена пружина сжатия 65, упирающаяся в выступающую часть неповоротного колеса и настроенная на заданный окружной момент посредством винтов 66.
Вывинчиванием винтов 67 запускается механизм выборки зазоров в зубчатом волновом зацеплении.
Разворот на угол 180° поворотной части колеса предваряют его установке в волновой редуктор.
1
1
На фиг. 4, 17 изображены сечения В-В и В-В регулирующих устройств 8 натяга между деформируемыми колесами и пьезопреобразователями, установленных на концах одноплечих рычагов 6, выполненных в виде системы из двух передач винт-гайка с резьбами разных направлений винтовых линий, гайка одной передачи представляет собой ползун-упор 8, установленный с возможностью перемещения по вертикальной плоскости рычага 6 в направлении оси деформируемого элемента, а гайка другой передачи выполнена в виде ввернутого в рычаг и закрепленного пайкой ввертыша (футорки 68). Винт 69 снабжен двумя метрическими и дюймовыми резьбами разных направлений винтовых линий на концах, например правой резьбой, ввинчиной в резьбу ползуна 8, при этом в резьбовое отверстие рычага 6 ввинчивается ввертыш (футорка 68) и стопориться пайкой. Эта операция производится вне устройства.
Ввертыш 68 ввинчивается одновременно в резьбовое отверстие рычага и навинчивается на винт 69.
Вращение винта 69 посредством четырехгранника 71 ползун 8 обеспечивает натяг деталей 9, 30 с деталями 7, 11. Для противодействия ослаблению резьбового соединения от вибрации после завершения регулировки натяга на винт 69 устанавливают замковое устройство 59 HARDLOCK ООО «ЗДТ РЕКОМ», востребованность которого вызвана непосредственно близостью действующих технологических воздействий.
2
/
/
На шейках ползунов-упоров 8 каждого одноплечего рычага 6 установлены шарикоподшипники 10, преимущественно сферические, перемещающиеся в радиальных арочных проемах 45 неподвижного основания 20 и находящиеся в упругом контакте с деформируемыми колесами, причем на шарикоподшипники 10 установлены с натягом обоймы 9 с выполненными на всей длине дугообразными углублениями 70 на наружной поверхности применения обоймы 9 к гибкому зубчатому колесу 7 с радиусами, большими радиуса R=a/b, и уклоном в пределах 20, … 30, фиг. 5; где R - радиус кривизны гибких зубчатых колес 7, 11 в точках контакта с обоймой 9 подшипника 10; а - большая полуось сдеформированного гибкого зубчатого колеса; b - малая полуось сдеформированного гибкого зубчатого колеса.
На фиг. 8 изображен пьезоэлектрический преобразователь в сборе, составленный из пьезоэлектрических одиночного 72 и парных 73 стержней равных площадей, склеенных клеем ДМ5-650СТ5. 9131-73 с добавлением мелкодисперсного порошка из пьезокерамики. Пьезостержни образуют посредством установленных друг на друга пьезоэлементов (пакет) в виде дисков, между которыми расположены латунные электроды 74 в виде шайб с серебряным покрытием и клеевого слоя 75, нанесенного на поверхности дисков-пьезоэлементов и электродов 74. При этом в центре пьезоэлементов и электродов 74 наносят точки (капли) пасты из мелкодисперсного серебра. Пьезостержни устанавливают на стальных накладках 76 в одной плоскости и параллельно друг другу.
ДМ5-65
4
2
Собранные пьезостержни стягивают пружинами растяжения, установленными на накладках с нормированным усилием, нагревают до температуры 65°C и выдерживают 24 часа. Между накладками 76 и пьезостержнями из дисковых шайб 5 устанавливаю диэлектрические диски 38 из материала с высоким модулем упругости Е, например, ударопрочной керамики Е=2Е стали 40Х (см. Справочник конструктора под ред. И.И. Матюшева, Спб.: Политехника, 2006, стр. 765). При этом Е=9,3·10 кгс/см и являются слабым звеном по податливости в пьезопреобразователе, поэтому толщину дисковых пьезоэлементов 5 увеличивают до 5…6 мм и уменьшают тем самым, соответственно, общую величину клеевого слоя для придания жесткости пьезопреобразователям.
33
-12
Для получения радиальной деформации r=0,43 m одного гибкого зубчатого колеса модуля m=0,3 мм более эффективным решением пьезопреобразователей является использование в пьезоэлементах пьезомодуля d·10 К/Н=593, который характеризует лучшие американские материалы системы цирконий - свинец - титан фирмы «Клевайт» марки PZT-5Н (см. Смажевская Е.Г., Фельдман Н.Б. Пьезокерамическая керамика М.: Советское радио, 1971) и описывает взаимодействие электрического поля и продольной деформации по полярной оси.
33
Эффективность преобразователя кроме высоких значений d керамики PZT-5Н заключается в том, что концы склеенных пьезостержней равных площадей, одиночного 72 и парных 73, последовательно жестко соединены накладками 76, что позволяет перемещения склеенных пьезостержней суммировать, а посредством одноплечих рычагов 6 перемещения увеличить.
Предположим, что пара крайних стержневых преобразователей испытывает деформацию сжатия и центральный стержневой преобразователь (одиночный) с наконечником 77 испытывает деформацию растяжения, тогда свободный конец наконечника-накладки 77 получает перемещение в направлении промежуточного тела с обоймой 33 рычага 6, равное сумме абсолютных линейных деформаций двухпарных 73 и одиночного 72 пьезопреобразователей. Увеличение передаточного отношения рычага К до 2,5 конструктивно выполнимо, что может дать увеличение перемещений рычага 6 в контакте подшипников и гибких колес.
На фиг. 9 изображен пьезоэлектрический преобразователь в сборе, составленный из пьезоэлектрических парных 73 одинаковой площади стержней, склеенных клеем ДМ5-65 ОСТ5.9131-73 с добавлением мелкодисперсного порошка из пьезокерамики. Пьезостержни 73 образуют посредством установленных в пакет склеенных дисков 5 и электродов 74 и устанавливают между стальными или титановыми накладками 75, 76, 77. Между накладками и пьезостержнями устанавливают диэлектрические диски 39 из материала с высоким модулем упругости, в том числе и наконечник 75 со сферическим углублением 78.
На винты 79 вешают пружины 37 растяжения для прижатия рычагов 6.
1
1
На фиг.10, 11 изображены сечения Г-Г, Г-Г опоры одноплечих рычагов 6, составленных из пластин 18 и колец 19 с отверстиями  для осей 80 в по 81, на которые установлены сферические подшипники 82 качания рычагов 6.
1
1
На фиг. 12, 13 изображены сечения А-А и А-А узлов крепления накладок 76 пьезопреобразователей к неподвижному основанию 20, выполненных посредством винтов 80 с головкой 71, ввинченных в метрическую или дюймовую резьбы неподвижного основания 20, установленных в отверстия 81 накладок 76 и снабженных замковыми устройствами 59 HARDLOCK ООО «ЗДТ» «РЕКОМ» фиксации резьбовых соединений.
2
2
На фиг. 15 изображено сечение А-А узлов крепления крышек 13, 15 к корпусу 46, выполненных посредством винтов 58 с головками 71 и метрической или дюймовой резьбой на обоих концах и замковыми устройствами 59 HARDLOCK ООО «ЗДТ» «Реком» фиксации резьбовых соединений.
3
3
На фиг. 16 изображено сечение А-А узлов крепления фланца 54 подкладной оболочки 16, 82 к крышке 13, выполненных посредством шпилек 83 с головкой 71, ввинченных в глухие резьбовые отверстия крышки 13 и снабженных замковыми устройствами 59 HARDLOCK ООО «ЗДТ» «РЕКОМ» фиксации резьбовых соединений.