Identifikacija optimalnih vrednosti stepena iskorišćenja pužnih zupčastih prenosnika

Abstract

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 perioda 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 after 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.