АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ И ТЕНДЕНЦИЯ РАЗВИТИЯ РЕДУКТОРОВ

Редуктор – это механизм, состоящий из одной или нескольких пар зубчатых колес, размещенных в корпусе, который предназначен для уменьшения частоты вращения и повышения крутящего момента на выходном валу.

Редуктор имеет передаточное отношение больше 1.

Повышающий редуктор (мультипликатор), же, выполняет обратную функцию – повышает обороты и уменьшает крутящий момент, и имеет передаточное отношение меньше 1.

С точки зрения механики принципиальных различий между редуктором и мультипликатором нет. Различия будут касаться вопросов смазки, т.к. большие скорости требуют другого подхода к смазке в целях избежания гидравлических ударов.

Говоря о конструкции любого редуктора общего назначения, всегда необходимо останавливаться на 5 позициях:

1. Корпус;
2. Валы;
3. Зубчатые колеса;
4. Подшипники;
5. Смазка.

При классификации устройств учитывают их технические характеристики и конструкцию. К основным типам редукторов относят:

1. Одноступенчатые и многоступенчатые цилиндрические модели. Отличаются они параллельным размещением осей входного и выходного валов.
2. Конические, коническо-цилиндрические модели. Оси валов у таких механизмов пересеченные.
3. Червячные. Оси валов перекрещены в пространстве.
4. Комбинированные модели. Они сочетают особенности перечисленных типов.

В зависимости от количества передач практически все редукторы разделяют на одноступенчатые и многоступенчатые.

Основными характеристиками редукторов являются:

1. Общее передаточное отношение;
2. Величина номинального крутящего момента на быстроходном/тихоходном валу (в зависимости от назначения передачи);
3. Максимально возможная частота вращения.

Для анализа технического уровня разработок в области создания редукторов изучена патентно-лицензионная ситуация в исследуемой области техники.

Изобретательская активность, показателем которой является количество полученных патентов, является следствием вложения финансовых средств в разработку и может свидетельствовать либо об устранении конкретных технических проблем, либо о появлении новых принципиальных решений. Для построения динамических кривых результаты патентных исследований по РФ были проанализированы все патенты за выбранный период времени (с 2014 по 2023). Такой подход позволяет облегчить сопоставительный анализ по исследуемым объектам, а также оценить перспективы развития каждого из направлений с упреждением во времени на 3–5 лет. За исследуемый период по объектам в РФ было получено 332 охранных документа и сделано публикаций по заявкам на изобретения, прошедших формальную экспертизу с положительным результатом, из них было выбрано 10 патентов, которые наиболее соответствовали теме патентных исследований.

Через поисковую базу данных ФИПС с первого дня их публикации, а также с патентными документами национальных и региональных патентных ведомств государств-участников), проведен анализ самого встречающегося МПК в нашем патентном исследовании - № F16Н 57/04.

Рисунок 1. Количество найденных патентных документов по годам

Можно отметить, что с 2014 по 2015, с 2016 по 2017, с 2019 по 2020 идет убывание количества выпускаемых патентов. Это может свидетельствовать о низком финансировании разработок в указанный период, или о сложности решаемой технической задачи.

В 2016, 2019, 2023 произошел скачок – это может свидетельствовать об интересе разработчиков к данным техническим направлениям и в разработке этого объекта максимум изобретательской активности пройден.

Затем, 2020, 2022 год – происходит резкий спад, значит, средства в проведение исследований и разработок этих объектов были урезаны или не выданы.

Одним чрезвычайно эффективным методом выявления требований потребителей к продукции конкретного вида является анализ описаний изобретений, относящихся к совершенствованию данной продукции. Известно, что любое изобретение всегда направлено на удовлетворение тех или иных общественных потребностей. Успех изобретения с точки зрения восприятия обществом во многом определяется его соответствием требованиям потенциальных потребителей той продукции, на совершенствование которой направлено данное изобретение. Важнейшей предпосылкой создания коммерчески значимого изобретения и разработки на его основе конкурентоспособной продукции является выявление требований потребителей к этой продукции и ранжирование их по степени значимости.

В описаниях изобретений к патенту имеется раздел, в котором изобретатель анализирует предшествующее состояние развития объекта техники, на совершенствование которого направлено данное изобретение, раскрывает недостатки известных технических решений и формулирует требования к усовершенствованию данного объекта путем формулирования цели или задачи изобретения.

Важными показателями, характеризующими технический уровень редукторов, являются повышение надежности, удобства обслуживания улучшение (упрощение) конструкции.

Для определения тенденции развития редукторов рассмотрим несколько патентов на изобретение.

Рассмотрим патент РФ на полезную модель № 181154 «Механический трехступенчатый редуктор для маломощных буровых установок».

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована во всех отраслях народного хозяйства для изменения угловых скоростей и крутящих моментов валов машин и механизмов, в частности, данная полезная модель предназначена для применения в ручной установке для бурения грунта (в мотобуре). Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение надежности конструкции за счет снижения уровня вибрации и эффекта обратного удара при работе с ручной буровой установкой с сохранением правого вращения выходного вала редуктора. Предложенный редуктор является трехступенчатым. То есть, добавлена всего одна ступень к обычному двухступенчатому редуктору, но при этом сохранено правое вращение (по часовой стрелке) бурового шнека. Это удалось сделать, применив в первой ступени редуктора зубчатое колесо с внутренним расположением зубьев. Благодаря зубчатому колесу с внутренним расположением зубьев, изменяется вращение остальных зубчатых колес в редукторе в противоположную сторону, сохраняется компактность и низкая стоимость редуктора. Передаточное соотношение редуктора увеличивается почти в пять раз, до 1:143, скорость вращения уменьшается до 50 об/мин, крутящий момент увеличивается до 500 Нм. Сущность технического решения заключается в том, что, в результате получается ручная буровая установка безопасная для бурильщиков т.к. при такой низкой скорости вращения практически полностью исчезает вибрация, эффект обратного удара и опасность ударных травм. И существенно повышаются рабочие возможности ручной буровой установки (мотобура), которая теперь может бурить отверстия в грунте до 4-категории (тяжелая пластичная глина с пгс) и даже в мерзлом грунте. Также в конструкции данного редуктора предусмотрена блокировка обратного вращения, которая позволяет выкрутить в противоположную сторону из отверстия заклинивший во время работы буровой шнек (между камней, между больших корней растений). Редуктор применяется в ручных буровых установках, (мотобурах) небольшого веса (до 35 кг) и размера, которые управляются только физической силой человека, без дополнительных механизмов [2].

Рассмотрим еще один патент РФ на изобретение № 2609584 «Зубчатый редуктор».

Изобретение относится к машиностроению, в частности к деталям машин, и может быть использовано в зубчатых передачах, размещенных в закрытых корпусах – зубчатых редукторах с картерным смазыванием методом погружения. Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности конструкции за счет оптимизации движения смазочного материала в масляной ванне и повышения качества смазывания элементов зубчатой передачи. Предлагаемая конструкция зубчатого редуктора позволяет оптимизировать движение смазочного материала в масляной ванне при работе передачи и вращении погруженного в масляную ванну нижерасположенного зубчатого колеса. Смазочный материал, перемещаясь вдоль редуктора с ребрами жесткости, не огибает эти ребра, а проходит сквозь них (через окна). При этом исключается возмущение смазочного материала, вызываемое обтеканием смазочного материала ребер жесткости; потоки смазочного материала, обтекающие боковые стенки корпуса (с ребрами жесткости), удалены от потока смазочного материала, создаваемого вращающимся зубчатым колесом, погруженным в масляную ванну - это также снижает возмущение смазочного материала ванны при наличии встречных потоков смазочного материала; обтекание потоками смазочного материала, перемещающихся вдоль боковых стенок корпуса, непосредственно этих стенок (без отклонений на сгибание ребер жесткости) улучшает тепловой обмен между смазочным материалом и стенками корпуса. Все это повышает качество смазывания элементов зубчатой передачи. А уширение ребер не повышает материалоемкости корпуса редуктора, т.к. в них выполнены сквозные окна (уширения выполнены за счет материала, который пошел бы на изготовление ребер при отсутствии в них окон) [3].

Рассмотрим еще один патент РФ на полезную модель № 199817 «Трехступенчатый редуктор».

Полезная модель относится к механическому редуктору, в частности к трехступенчатому редуктору для электропривода, и используется для передачи вращательного движения и энергии от входного к выходному звену с обеспечением существенных снижения частоты вращения и увеличения крутящего момента. Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение надежности передачи крутящего момента с высокой выходной мощностью, получаемой при высоком передаточном числе за счет обеспечения большей, по сравнению с прототипом, устойчивости трехступенчатого редуктора к перегрузкам. В трехступенчатом редукторе повышена устойчивость к перегрузкам. Кроме того, снижен уровень шума на быстроходной ступени, повышено передаточное число на промежуточной ступени, уменьшен осевой габарит тихоходной ступени. Кроме того, в конкретном исполнении, повышен КПД тихоходной передачи 3 за счет использования подшипников скольжения 20. Кроме того, предусмотрено расширение функциональных возможностей редуктора за счет использования его конкретного исполнения в неполнооборотном приводе. Таким образом, предложен надежный редуктор для электропривода в случае повышенного крутящего момента на выходном звене электропривода, например, с крутящим моментом до 63000 Нм. За счет высокой передаваемой мощности и большого крутящего момента на выходном звене, предложенный редуктор может быть использован для регулировки рабочего потока в трубопроводной арматуре, имеющей большой условный проход (Ду). Например, в шаровых кранах КШ Ду500, диаметром 500 мм [4].

В результате проведенных исследований были определены принципиально новые технологии, технологические и технические решения при разработке редукторов.

В процессе проведения работ по теме исследования следует продолжить в направлении: отбор и изучение информации о Российских разработках в области создания редукторов по публикациям в выставочных проектах и каталогах.

Принимая во внимание очевидный интерес к этому направлению исследований, можно сделать вывод о его актуальности и перспективности дальнейших исследований. А, следовательно, разработки, созданные при выполнении данных патентных исследований, могут быть предложены в качестве потенциальных охраноспособных, т.е. возможны оформление и подача в ФИПС заявок с целью получения патента на изобретение и (или) полезную модель и свидетельства о государственной регистрации программы ЭВМ.

При проведении исследований был выявлен ряд организаций, имеющих патентные документы в области разработки, относящейся к исследуемому объекту.