Творческий подход к механике

Рязанские ученые и инженеры совершенствуют технологию шестеренок нового поколения

В Рязанском институте (филиале) Московского политехнического университета несколько лет назад создали новый тип шестереночной передачи. Называется он «арочные зубчатые колеса». Такой тип шестеренок позволяет добиться замечательных результатов, если применять его в особо ответственных узлах любой техники.

Началось все еще в 2004 году, с работ под руководством профессора Ремира Борисовича Марголита. А через два года появился первый опытный образец. В 2008 году на одном из предприятий «Северстали» заработали несколько пар шестеренок. Этот компонент служит в механизме упаковочной машины на ответственном участке уже более 10 лет и нареканий у инженеров не вызывает, хотя до того там была шевронная передача, которая не выдерживала больше четырех лет. Таким образом, «рязанская шестеренка» превосходит конкурентов более чем в два раза по эксплуатационной выносливости. И до сих пор разработка технологии продолжается, поскольку в современном мире любому достижению необходима постоянная модернизация.
О подробностях новации в мире механики мы беседуем с Александром Асаевым, исполняющим обязанности заведующего кафедрой механико-технологических дисциплин.

Р.В. – Как возникла сама идея разработать новый тип зубчатых передач?

А.А. – Сам принцип зубьев шестеренки в виде арки и все его преимущества были известны ученым-механикам давно. Но никто и никогда до самого недавнего времени не мог создать эту технологию в металле. Главной проблемой было спроектировать фрезерующую головку станка таким образом, чтобы можно было на шайбе, будущей шестеренке, нарезать ровные одинаковые изогнутые зацепы. Их также можно представить и в виде канавок. Так вот, в экспериментальных целях, конечно, их делали и раньше, но очень дорогим, непроизводительным способом, только чтобы просто создать хоть как-то и проверить справедливость теоретических выкладок. До практического применения, то есть до серийного производства, дело не дошло. Технологию почти забыли как неперспективную. Хотя данный тип зубчатых передач есть во всех учебниках для инженеров, но описывается как гипотетический.
Таким образом, наш Рязанский политех – единственный в мире, где не только получилось сделать это, но и сформировать экономически выгодную технологию, а заодно поставить производство арочных шестеренок на поток малыми партиями.

Р.В. – В чем же особая сила арочной передачи?

А.А. – Особенность отражена в названии и является основным фактором успеха арочной передачи. Дело в том, что именно форма арки наиболее предпочтительна для силовых нагрузок. И, как выяснилось, еще и очень устойчива к истиранию. Это очень хорошо описано теоретически, а теперь, наконец, впервые в истории механики еще и практически испытано. Основным эксплуатантом технологии является одно из предприятий «Северстали», где арочные зубчатые колеса нашего производства без какого-либо ремонта и замечаний уже отработали больше десяти лет. Мы отслеживаем их судьбу, и это тоже часть процесса разработки – испытания через практику.

Р.В. – Как вы их производите?

А.А. – Технология нарезания канавок и, соответственно, формирования зубьев очень сложная, и создавать ее пришлось долго. В результате производительность труда при производстве этого компонента удалось увеличить в десятки раз. В нашем институте действует исследовательский фрезерный центр «Челленджер», в распоряжении которого есть четырехкоординатный станок. Благодаря работе наших ученых-исследователей, преподавателей кафедры, студентов и нашего профессора Марголита, который и начал тему, удалось совершить ряд прорывов. Ремир Борисович хоть уже официально и не работает в нашем институте, но продолжает активно развивать технологию. Удалось добиться того, что фрезерование мы делаем по уже закаленной стали, так что дополнительная термообработка не требуется. Точность изготовления на станке составляет около одного микрона, и этого удается добиться за один проход фрезы. А при помощи специального механизма для притирки и абразивной пасты, можно повысить точность еще больше. В результате шестеренки получаются практически бесшумными. За счет идеального соответствия приработанных пар, они очень медленно изнашиваются. Собственно, полный выход из строя пары арочных колес пока толком не зарегистрирован.
Самое большое колесо, которое мы сделали, имело диаметр 110 сантиметров, а самое маленькое – 4,5 см. Так что технология легко масштабируется. Такие арочные колеса можно даже изготавливать для часов, но только потребуется доработать наш метод производства для миниатюрных размеров.

Р.В. – Каковы перспективы развития производства и патентования?

А.А. – Арочные шестеренки много где нужны. Это и механические узлы с особо высокими нагрузками, и пассажирский транспорт, где очень важно отсутствие шума, и устройства, частый ремонт которых нежелателен. По стоимости арочные зубчатые колеса теперь уже не отличаются от стандартных комплектов косозубых передач, которые есть повсеместно. Мы не стали останавливаться только на стали и экспериментируем с шестернями из полиэтилена и копролона. Прочные полимеры используются в современных двигателях автомобилей, и их надежность можно – а значит, нужно – увеличить.
Из рязанских предприятий завод «Тяжпрессмаш» очень заинтересован в наших разработках. У них очень высокие нагрузки на зубчатые передачи в прессовом оборудовании и в ковочных молотах. На опытной эксплуатации там задействованы около 10 пар арочных колес. Был проект внедрить новую технологию в поездах Московского метрополитена, но там пока в них не нуждаются, поскольку решили пойти по пути улучшения звукоизоляции самих вагонов. Однако все может измениться в ближайшее время.
Дальнейшим развитием станет еще большее уменьшение шероховатости зубьев передачи, чтобы выйти на предел возможностей арочной концепции. Еще идет работа по увеличению скорости фрезерования, чтобы как можно больше снизить себестоимость.
Что же касается патентования, то это не слишком корректный подход, когда речь идет о постоянно развивающейся технологии производства, в которой очень многое в ближайшее время изменится. Коллектив кафедры и студенты стараются довести технологию до максимально возможных характеристик, до совершенства, и конкурентов в мире у нас фактически нет. Наша задача – создавать технику для будущего и использовать для этого все имеющиеся шансы. А рязанская промышленность в ближайшее время готова подхватить и производство, и использование наших разработок.

Государственное видение

В России утверждена Стратегия развития станкоинструментальной промышленности до 2030 года. В ней, в частности, отмечена очень высокая, наблюдаемая пока, зависимость российских производителей от импортных технологий и готовых станков. Требуется внедрять собственные идеи и оригинальные подходы. Это касается не только аналогового импортозамещения, но и попутной модернизации производства: замены старых технологических решений на принципиально новые. В ходе государственной поддержки этих процессов предполагается основной приоритет финансирования и преференций отдавать научно-исследовательским группам, занятых оригинальными разработками. Это касается как готовых механизмов, так и способов их производства. Рязанская разработка арочных передач подходит под все определения и имеет неплохие перспективы повсеместного внедрения при должном оформлении заявок.