Научная деятельность кафедры

Технические характеристики любой машины – её точность, жесткость, нагрузочная способность, плавность работы, быстродействие – зависят от характеристик приводов, которые перемещают её рабочие органы. В течение XX века приводы эволюционировали от громоздких чугунных «коробок с колесами» до компактных устройств, управляемых компьютером – «кирпичиков», из которых состоят машины, независимо от назначения. В чем бы ни заменяли машины человека – «мышцами» их манипуляторов являются приводы. Назначение привода, на первый взгляд, напоминает назначение электродвигателя – он должен перемещать рабочий орган по прямой линии или по окружности.

Но электродвигатель – это лишь часть привода. Размеры электродвигателя прямо связаны с крутящим моментом на его валу – чем мотор больше, тем он «сильнее».

Поэтому подключать двигатель напрямую к рабочему органу можно лишь в тех случаях, когда требуется развивать небольшое усилие, или конструкция не ограничивает габариты привода.

Если же требуется получить большую мощность от маленького двигателя – единственным решением является увеличение частоты вращения его вала с дальнейшим механическим преобразованием излишних «оборотов» в нагрузку. Эту функцию выполняет редуктор.

Среди всего многообразия современных редукторов к наиболее компактным при прочих одинаковых параметрах являются волновые и планетарно-цевочные редукторы. Их основным отличием является большое количество зубьев, одновременно участвующих в работе. В отличие от цилиндрических редукторов, в которых нагрузка передается лишь парой зубьев в контакте шестерни и колеса, в планетарно-цевочных редукторах число одновременно работающих зубьев (цевок) достигает половины от их общего числа (в волновых обычно до четверти). Благодаря этому планетарно-цевочные редукторы значительно компактнее своих цилиндрических и червячных «собратьев». Планетарно-цевочные редукторы стали незаменимы в приводах промышленных роботов, поворотных осях станков и другом технологическом оборудовании.

На кафедре РК3 разработана оригинальная методика расчета планетарно-цевочных передач, ведутся исследования по повышению их технических характеристик. Сотрудниками кафедры запатентован ряд оригинальных конструкций и компоновок планетарно-цевочных редукторов. С третьего курса обучения ряд студентов с различных факультетов МГТУ им. Н.Э. Баумана вовлекается в исследования таких приводов в рамках курсовых проектов. При их участии разработаны и изготовлены опытные образцы планетарно-цевочных редукторов оригинальной конструкции, отмеченные на российских и международных выставках («Металлообработка» «Политехника» и др.), а также грантами различных организаций.

Механизмы с параллельной кинематической структуры находят применение в качестве механической части различных робототехнических устройств и манипуляторов. Наиболее известными представителями механизмов данного класса являются платформа Стюарта (гексапод), используемая в авиатренажерах и симуляторах, металлообрабатывающих станках, координатно-измерительных и других машинах, а также робот DELTA, широко применяемый в составе высокопроизводительных упаковочно-сортировочных автоматизированных комплексов на различных производствах и в устройствах, реализующих аддитивные технологии (3D-принтерах).

На кафедре РК3 с 2016 года ведется научная работа по исследованию фундаментальных свойств, а также вопросов, связанных с конструированием механизмов с параллельной кинематической структурой. В настоящее время исследуются вопросы устойчивой работы и эффективного использования рабочего пространства подобных механизмов, ведется конструкторская проработка универсального модельного стенда для исследования манипуляторов, реализующих движение в плоскости, а также проводится работа по оптимизации конструкции и узлов прототипа пятикоординатного модульного металлообрабатывающего станка TETRA, разработанного в МИП "Модульная механика" МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Более 80% деталей машин и их подвижных сопряжений выходят из строя по причине изнашивания. Не являются исключением и детали механических передач и приводов. Вопросы их износостойкости занимают важное место в мировой и отечественной науке. Большое внимание вопросам изнашивания уделялось одним из наиболее известных заведующих кафедрой РК3 Д.Н. Решетовым. Вслед за ним в этой области работало много сотрудников кафедры, в том числе, П.К. Попов, И.К. Ганулич, В.Г. Павлов, О.А. Ряховский, Л.А. Андриенко, которые занимались, в основном, вопросами изнашивания зубчатых и червячных передач, условиями их эксплуатации и смазывания.

Данное направление остается востребованным на кафедре и сейчас. Вопросами энергоэффективности и надежности механических передач занимаются М.Н. Захаров, В.В. Лычагин, С.А. Поляков, С.Ю. Гончаров. Проводятся экспериментальные исследования червячных передач в связи с использованием новых смазочных материалов.
Для проведения испытаний разработана методика ускоренных испытаний червячных редукторов, защищенная патентом РФ. Получены результаты по сравнительным испытаниям смазочных материалов для редукторов данного типа. Основой для достижения подобных результатов явилось исследование по энергоэффективности и надежности редукторов, выполненное в рамках по госзадания Минобрнауки. В ходе работ по этой тематике был разработан испытательный стенд, важным преимуществом которого является возможность вести испытания в «диалоговом» режиме, когда скорость и величина нагружающего воздействия корректируется по реакции самой червячной передачи на силовое воздействие.

Научное направление «трение и износ в механизмах и узлах машин» востребовано также и в учебной работе кафедры. Для магистрантов кафедры проводятся занятия по дисциплине «Трение и изнашивание механизмов. Смазочные материалы», читаются лекции и проводятся лабораторные и семинарские занятия.

Научно-исследовательская работа кафедры в области вибродиагностики и оценки ресурса деталей машин и механических передач связана с решением следующих задач:
- разработка диагностических моделей для оценки изменения технического состояния механических передач в результате выявленных эксплуатационных дефектов без их разборки по параметрам виброакустических процессов, происходящих во время работы;
- проведение экспериментальных исследований и разработка математических моделей для оценки долговечности различных деталей и узлов машин (пластин, валов, сварных соединений, зубчатых колес и др.) при наличии усталостных трещин методами вибродиагностики;
- разработка численных методов расчета и компьютерных программ на основе метода конечных элементов для анализа работоспособности и оценки ресурса деталей промышленного оборудования с учетом износа и выявленных дефектов.