Identifikacija optimalnih vrednosti stepena iskorišćenja pužnih zupčastih prenosnika
Identification of optimal values of worm gearboxes efficiency
Докторанд
Skulić, AleksandarМентор
Stojanović, BlažaЧланови комисије
Ivanović, LozicaVencl, Aleksandar
Jović, Srđan
Kostić, Nenad
Метаподаци
Приказ свих података о дисертацијиСажетак
U disertaciji su prikazani rezultati eksperimentalnih istraživanja i
optimizacije stepena iskorišćenja jednostepenog pužnog prenosnika koji je posebno
konstruisan i izrađen za tu namenu. Ispitivanja su izvršena na uređaju AT200 uz
variranje relevantnih faktora (ulaznih brojeva obrtaja, opterećenja i ulja različitih
viskoznosti). Za ispitivanje su korišćena tri pužna para sa istim geometrijskim
karakteristikama sa puževima izrađenim od istog materijala (kaljeni i brušeni
čelik 42CrMo4) i pužnim zupčanicima izrađenim od kalajne bronze CuSn12, cinkaluminijumske legure ZA12 i aluminijumske legure A356. Vrednosti stepena
iskorišćenja su određene na osnovu izmerenih vrednosti ulaznih i izlaznih obrtnih
momenata za različite uslove ispitivanja. Za date radne uslove izvršen je proračun
gubitaka snage u prenosniku na osnovu kojih su određene vrednosti stepena
iskorišćenja pužnih parova, kao i vrednosti koeficijenta trenja između spregnutih
bokova zubaca zupčanika. Takođe, nakon određenog period...a ispitivanja vršena je
demontaža pužnih parova, merenje njihove mase i ponovna montaža, kako bi se
utvrdila veličina habanja u realnom vremenu ispitivanja.
Pored ispitivanja stepena iskorišćenja izvršena su i tribološka
ispitivanja na kompjuterski podržanom tribometru TPD 95 sa kontaktnom
geometrijom blok na disku. Pri tome su određeni uslovi ispitivanja koji odgovaraju
režimima rada pužnog prenosnika definisanjem normalnog opetrećenja, obimne
brzine i puta klizanja. U ovom slučaju su praćene vrednosti koeficijenta trenja
kontaktnih elemenata sa ciljem izbora materijala sa najboljim tribološkim
karakteristikama.
Na kraju je izvršena optimizacija stepena iskorišćenja prenosnika primenom
genetskog algoritma (GA) i algoritma za optimizaciju rojeva čestica (PSO). Kao
funkcija cilja korišćen je matematički model koji je kreiran na osnovu
eksperimentalno dobijenih podataka kojim se najbolje aproksimiraju vrednosti
stepena iskorišćenja. Takođe, izvršeno je predviđanje stepena iskorišćenja
primenom veštačke neuronske mreže (ANN). Procesom optimizacije i predviđanja
određene su kombinacije ulaznih faktora prema kojima se dobijaju minimalna i
maksimalna vrednost stepena iskorišćenja.
Sveobuhvatnom analizom rezultata eksperimentalnih istraživanja određen je
uticaj pojedinih faktora na stepen iskorišćenja prenosnika, gubitke snage, kao i na
tribološke karakteristike pužnih parova i kontaktnih elemenata. Pri tome je
utvrđeno da vrsta materijala pužnog zupčanika ima najveći uticaj na posmatranu
karakteristiku. Sa druge strane, rezultati optimizacije pokazuju da se za iste
vrednosti promenljivih dobija maksimalna (optimalna) vrednost stepena
iskorišćenja čime se potvrđuju rezultati eksperimentalnih istraživanja.
This dissertation presents the results of experimental research and optimisation of the
degree of utilization of a single-stage worm gearbox that was specially designed and made for
that purpose. Tests were performed on the AT200 device with varying relevant factors (input
revolutions, load and oils of different viscosities). Three worm pairs with the same geometric
characteristics were used for testing, with worms made of the same material (hardened and
ground steel 42CrMo4) and worm gears made of tin bronze CuSn12, zinc-aluminium alloy
ZA12 and aluminium alloy A356. The efficiency values were determined based on the
measured values of input and output torques for different test conditions. For given operating
conditions, the power losses in gearbox were calculated, based on which the efficiency values
of worm pairs as well as the values of coefficient of friction between meshed flanks of teeth
gear were determined. Furthermore, in order to determine the wear size in real test time af...ter a
certain period of testing, dismantling of worm pairs were conducted, the measurement of their
mass and their reassembling.
In addition to efficiency testing, tribological tests were performed on a computersupported TPD 95 tribometer with block-on-disk contact geometry. Thereby, the test
conditions corresponding to the operating modes of the worm gearbox were determined by
defining the normal load, circumferential velocity and slide path. In this case, the values of
the friction coefficient of the contact elements were monitored with the aim of selecting the
material with the best tribological characteristics.
Finally, the optimisation of the gearbox efficiency was carried out using genetic
algorithm (GA) and particle swarm optimisation algorithm (PSO). As the objective function a
mathematical model was used, which was created according to experimentally obtained data
that best approximates the values of the degree of utilization. Furthermore, the degree of
utilization was predicted using an artificial neural network (ANN). Through the process of
optimization and forecasting, combinations of input factors are determined according to
which the minimum and maximum value of the degree of utilization is obtained.
The influence of certain factors on the gearboxes efficiency, power losses, as well as
on the tribological characteristics of worm pairs and contact elements were determined
through a comprehensive analysis of the results of experimental research. Thereby, it was
determined that the type of material of the worm gear has the greatest influence on the
observed characteristic. On the other hand, the optimisation results show that for the same
values of the variables the maximum (optimal) efficiency value is obtained, which confirms
the results of experimental research.