Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса и задачи исследований 5
Факторы, определяющие долговечность пар трения фрикционных сцеплений 5
Методы расчета фрикционных узлов на долговечность 16
Методы стендовых испытаний фрикционных сцеплений 26
Задачи исследования 34
Оценка долговечности пар трения тракторных сцеплений на стадии проектирования 36
Буксование сцепления при нарушении соосности дисков 36
Режимы нагружения тракторных сцеплений 44
Оценка долговечности пар трения сцеплений на стадии проектирования 51
Выводы 55
Оценка долговечности пар трения тракторных сцеплений при стендовых испытаниях 57
Режимы ресурсных стендовых испытаний 57
Методика ресурсных стендовых испытаний 66
Выводы 70
Методика экспериментальных исследований 72
Полевые испытания 72
Лабораторные испытания 83
Стендовые испытания 90
Выводы 93
Основные результаты и выводы 95
Литература 98
Приложения 113
- Методы расчета фрикционных узлов на долговечность
- Режимы нагружения тракторных сцеплений
- Оценка долговечности пар трения сцеплений на стадии проектирования
- Методика экспериментальных исследований
Введение к работе
Фрикционные сцепления (ФС) широко используются в трансмиссиях тракторов и автомобилей. Однако, как показывает опыт эксплуатации, их срок службы значительно ниже других узлов трансмиссии. Основной причиной отказов ФС является повышенный износ фрикционных накладок [1-6]. Низкая долговечность ФС приводит к необходимости их частого ремонта. Известно [3, 5], что затраты на техническое обслуживание и ремонт машины за срок службы в 3 раза превышают стоимость трактора и в 7 раз -стоимость автомобиля. В связи с этим важное значение приобретают исследования, посвященные долговечности ФС. В данной работе рассматриваются только тракторные ФС, условия работы которых существенно отличаются от автомобильных [3, 5].
Существующие методы расчета ФС тракторов не позволяют прогнозировать долговечность их пар трения на стадии проектирования, а извест-ные методы стендовых ресурсных испытаний тракторных ФС очень часто дают результаты, существенно отличающиеся от эксплуатационных. Иногда эти результаты полностью противоречат результатам эксплуатации [5].
Жесткие ограничения габаритов при возрастании энергонагруженно-сти современных тракторов ставят перед конструкторами и исследователями, занимающихся разработкой ФС, ряд новых технических задач.
Целью работы является разработка методов оценки долговечности пар трения тракторных ФС на стадии проектирования и при ресурсных стендовых испытаниях натурных узлов.
Достижение указанной цели позволит решить актуальную техническую задачу прогнозирования долговечности пар трения ФС тракторов, что имеет важное значение для тракторной отрасли России.
В данной работе обоснованы основные параметры, определяющие на-груженность ФС тракторов в эксплуатации, и разработана методика построения их типовых режимов нагружения. Разработана математическая модель процесса буксования ФС при нарушении соосности его дисков. Пред-
4 ложены методы оценки долговечности пар трения ФС тракторов на стадии
их проектирования и при стендовых ресурсных испытаниях натурных узлов. Достоверность основных теоретических положений, результатов и выводов работы подтверждена эксплуатационными, полевыми, стендовыми и лабораторными испытаниями ФС и их пар трения.
Работа выполнена в МГТУ «МАМИ» на кафедре «Тракторы» в течение 1980...2005 г.г.
Методы расчета фрикционных узлов на долговечность
Разработке методов расчета накладок ФС сухого трения на долговечность посвящены работы В.И. Власова, А.В. Чичинадзе, Г.М. Щеренкова, X. Крауса, А.С. Солонского, И.М. Эглита, В.Е. Захарова, В.А. Соколова, А.И. Коряевой, И.А. Сприжицкого и др. Почти все они основаны на гипотезе пропорциональности износа суммарной работе буксования. Основной характеристикой материала для расчета долговечности принимается энергетическая интенсивность изнашивания j (мм3/мДж), полученная при стендовых испытаниях образцов фрикционных материалов или натурных узлов. В.И. Власовым [90] долговечность накладок ФС кузнечно-прессовых машин в эксплуатации предложено определять по зависимости где N - число циклов нагружения ФС до предельного износа фрикционных накладок; [h] — допустимый износ накладки; L - работа буксования ФС за одно включение в эксплуатации; Ан- суммарная площадь трения накладок; JM — средняя за цикл буксования энергетическая интенсивность изнашивания накладок. Простота зависимости (1.1) объясняется стабильным режимом нагружения ФС в кузнечно-прессовых машинах, где работа буксования за один цикл постоянна и сравнительно легко определяется расчетом.
Среднюю за цикл энергетическую интенсивность изнашивания материала предложено определять по зависимости где j0 - энергетическая интенсивность изнашивания фрикционного материала по данным стендовых испытаний малогабаритных образцов; а - коэффициент, учитывающий характер изменения момента трения в процессе включения ФС; Ъ - коэффициент, учитывающий соотношение времени включения и буксования ФС, а таюке номинальное давление в контакте и свойства фрикционного материала. Автором [90] подчеркивается, что величина jM зависит от давления, вида нагружения (постоянное или циклическое), характера нарастания момента трения. Поэтому полученные опытные зависимости jM нельзя экстраполировать за пределы условий эксперимента (в частности, по величине давления). Отметим, что режимы работы дисковых сцеплений в прессах и автотракторных ФС существенно отличаются. Для первых характерны [90]: резкое включение (tM= 0,03...0,3 с); высокое номинальное давление (q = 1,0...4,0 МПа) и устойчивая цикличность нагружения (до 500 ч 1); относительно низкая скорость скольжения. В расчетах долговечности по зависимостям (1.1) и (1.2) не учитывается влияние температуры на изнашивание фрикционных накладок. Режим нагружения автотракторных ФС отличается широким спектром нагрузок. Поэтому рекомендации работы [90] нельзя непосредственно распространить на автотракторные ФС. Г.М. Щеренковым [91] относительную долговечность материала накладок автомобильного ФС предлагается оценивать с учетом суммарной удельной работы буксования за 1000 км пробега где ZZ, - суммарная работа буксования ФС за 1000 км пробега автомобиля. Тогда ресурс накладок ФС в тыс. км пробега где [Н] - допустимый суммарный износ накладок ФС; Н - суммарный износ накладок ФС при стендовых испытаниях; ЪЬС - суммарная работа буксования за время стендовых испытаний. Для возможности использования зависимости (1.4) необходимо располагать статистическими данными по суммарной работе буксования ФС YL в эксплуатации, а также соответствующими результатами стендовых износ-ных испытаний. Усредненные статистические данные по величине lz для автомобилей представлены в работах [5, 91].
Однако эти данные не учитывают влияние конструкции ФС на величину работы буксования и поэтому не являются универсальными. Кроме того, эта методика не учитывает влияния температуры на изнашивание пар трения, неравномерность изнашивания фрикционных накладок и не применима на стадии проектирования ФС. Аналогичный подход для оценки долговечности фрикционных накладок ФС предложен X. Краусом [21]. А.С. Солонский [92] предполагает метод прогнозирования износа пар трения, в основу которого принято допущение равенства интенсивности изнашивания накладок ФС в эксплуатации и при испытании образцов материала накладок по ГОСТ. где jM и j0 - энергетическая интенсивность изнашивания фрикционного материала соответственно ФС и стандартного образца; vc - коэффициент, учитывающий несоответствие режимов испытаний образца и работы накладок в эксплуатации. По кривой распределения параметров износостойкости материала и вариациям кривых распределения работы буксования предлагается [92] рассчитать распределение износа при заданной продолжительности эксплуатации трактора, или распределение времени работы ФС при достижении допустимого износа. Для этого должны быть известны параметры кривых распределения работы буксования ФС на основных технологических операциях, длительность использования трактора на этих операциях и соответствующая частота включения ФС. До настоящего времени эти данные в литературе отсутствуют. Существенным недостатком методики А.С. Солонского является то, что она не учитывает зависимость интенсивности изнашивания материала от температуры и влияние конструкции ФС на работу буксования.
Режимы нагружения тракторных сцеплений
Обработка исходных данных сводится к определению плотности вероятности /,,(МС), соответствующей выбранным значениям крутящего момента с определенным шагом, для каждой передачи данного вида работ по зависимости [133] математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение случайной величины Мс, полученной в результате тензометриро-вания; і - номер включенной передачи в коробке передач; j - номер технологической операции, выполняемой МТА. Типовой график нагруженности трактора можно получить путем обобщения результатов статистической обработки нагрузочных данных по рабочим передачам всех видов работ с учетом вероятности их появления в реальных условиях. Обобщенная плотность вероятности момента сопротивления движению МТА, приведенного к валу ФС, находится по выражению Здесь п - число технологических операций, выполняемых трактором; к - число используемых передач на данной операции; AJt - доля времени работы трактора на і передаче и j технологической операции. Для построения типового графика нагруженности по оси ординат откладывается отношение текущего момента сопротивления MCt к номинальному эксплуатационному моменту двигателя Мдн (коэффициент загрузки двигателя К3), по оси абсцисс - отношение чисел циклов пціі для которых момент сопротивления равен или больше MCl, к суммарному числу iVz перемен нагружений за все время. Последнее выражается интегральной функцией F0(MC) найденного распределения /0(-М"с),как Численные значения F0(MC) определяются суммой элементарных площадей, на которые расчленяется соответствующая часть площади опытной плотности распределения f0(Mc). Работа буксования ФС, в свою очередь, является функцией случайной величины момента сопротивления. Для нахождения плотности вероятности работы буксования g(L), необходимо выполнить преобразование [133] где L = (р(Мс) - функция работы буксования ФС от передаваемого момента; Мс = y/(L) - обратная ей функция; () - абсолютная величина производной обратной функции по переменной L; f{Mc) - плотность вероятности случайной величины момента сопротивления. В виду сложности функции L = (p(Mc) [5, 30, 31, 34, 134] непосредственно выполнить преобразование (2.12) практически невозможно. Поэтому использовался следующий прием. В начале определялись параметры указанной функции, соответствующие типовым МТА, табулируя работу буксования с выбранным шагом аргумента Мс. Затем, используя метод наименьших квадратов, устанавливались вид и параметры более простой аппроксимирующей функции. Оказалось, что зависимость работы буксования от момента сопротивления достаточно хорошо описывается простой функцией вида [133, 135] Здесь параметры а и Ъ устанавливаются для каждой используемой передачи и вида технологической операции. Погрешность аппроксимации не превышает 5%. Использование функции (2.13) позволило получить плотность вероятности работы буксования в виде Обобщенная плотность вероятности работы буксования ФС в эксплуатации в целом g0(L), учитывающая наряду с относительным временем работы на каждой операции и передаче также и соответствующую частоту включения ФС, определялась из зависимости где Ьц - доля включений ФС на і передаче и j технологической операции. Для построения типового графика работы буксования ФС по оси ординат откладываются абсолютные значения работы буксования LtJ, а по оси абсцисс - отношение текущего числа циклов включений пці 5 для которых работа буксования равна или больше Ц}, к суммарному числу включений NT Эти отношения выражаются численно через найденную теоретическую функцию распределения.
Оценка долговечности пар трения сцеплений на стадии проектирования
Известно [5, 10, 11, 16, 31, 101, 127], что износостойкость пар трения характеризуется энергетической интенсивностью изнашивания j в функции температуры. Рассмотрим влияние объемной &v (рис. 2.8) и максимальной #тах (рис. 2.9) температур на энергетическую интенсивность изнашивания, полученные экспериментально для пары трения материал шифра 56 по чугуну СЧ20 в различных узлах трения. Из рис. 2.8 следует, что j = f{Sv) полностью не характеризует износостойкость пар трения, так как при той же объемной температуре энергетическая интенсивность изнашивания однотипных пар трения в узлах разной конструкции различна. Функция j = /G9max) (рис. 2.9) оказалась не зависящей от конструктивных особенностей испытанных ФС, что подтверждает ее универсальный характер. Поэтому указанная функция должна приниматься в качестве показателя износостойкости при расчете долговечности пар трения ФС. На рис. 2.9 приведена также зависимость j от «9тах, построенная по резльтатам износных испытаний малогабаритных образцов размером 20x30 мм [142]. При испытании обеспечивался режим теплоимпульсного трения с продолжительностью цикла буксования t6 =2...4с. Диапазоны изменения скорости скольжения (7...23 м/с) и номинального давления (0,1...0,45 МПа) соответствовали режиму работы накладок в автотракторных ФС. Величину j обычно определяют при испытании пар трения натурных размеров на стендах или их малогабаритных образцов на машинах трения [11,140,141]. Удовлетворительное совпадение зависимостей j от #тах (см. рис. 2.9) для малогабаритных образцов и натурных накладок ФС подтверждает возможность использования результатов износных испытаний малогабаритных образцов для ориентировочного прогнозирования долговечности накладок ФС. Для расчета долговечности накладок ФС необходимо располагать типовыми режимами нагружения по работе буксования (рис. 2.6) и частоте включения (рис. 2.7), которые затем заменяют эквивалентными ступенчатыми блоками нагружения (рис. 3.6 и табл. 3.2). Методика этой замены рассмотрена в разделе 3.1.
В общем виде для фрикционных узлов долговечность пар трения определяется выражением где h - долговечность фрикционной накладки в часах; Н - допустимый износ фрикционной накладки; Lh - наработка машины в часах за год; АаХ - номинальная площадь поверхности трения фрикционной накладки; KL - коэффициент, учитывающий распределение работы буксования по парам трения; j, - энергетическая интенсивность изнашивания материала фрикционной накладки на і режиме нагружения; Ц - работа буксования ФС на і режиме нагружения; iVSl - число циклов включения ФС в год на і режиме нагружения; п - число режимов нагружения. Необходимые для расчета долговечности пар трения по выражению (2.15) фактические значения максимальной температуры #тах пар трения для всех і режимов нагружения определяются по методике, изложенной в работах [5, 16, 31, 34]. Величины KL определялись для лимитирующей пары трения по методике работы [16]. По предложенной методике рассчитывалась долговечность пар трения ФС 41-2ІСІ трактора ДТ-75М и ФС 01М-2ІСІ трактора ТТ-4.
Их типовые режимы нагружения представлены в разделе 2.2, а эквивалентные им ступенчатые блоки нагружения - в разделе 3.1. В результате получено, что расчетная долговечность фрикционных накладок ФС трактора ДТ-75М равна 4470 часов, что только на 13% выше эксплуатационного ресурса ФС (см. табл. 3.3), а долговечность ФС трактора ТТ-4 равна 4280 часов, что только на 26% превышает эксплуатационный ресурс ФС (см. табл. 3.3). Это подтверждает возможность использования предложенного метода оценки долговечности пар трения ФС на стадии проектирования. Разработанная методика получила широкое распространение (опубликована в учебнике [31] и энциклопедиях [143, 144]). Таким образом, данная методика оценки долговечности пар трения тракторных ФС используется в учебном процессе ВУЗов и на заводах и НИИ автотракторной отрасли. Предложенный метод может быть использован при расчете долговечности пар трения также других фрикционных узлов. При этом специфичными будут лишь типовые режимы нагружения, методика определения работы буксования и максимальной температуры пар трения. 1. Разработаны математическая модель процесса буксования ФС при нарушении соосности дисков и на ее основе методика расчета параметров буксования замкнутого ФС. Расхождение в определении частот относительного вращения дисков ФС не превышает 15%. 2. Величина относительного вращения ведущих и ведомых дисков ФС возрастает с увеличением коэффициента загрузки двигателя и несоосности опор вала ФС. Однако ее абсолютная величина невелика и не может оказать влияния на изнашивание фрикционных накладок. Поэтому при оценке долговечности пар трения нет необходимости в учете влияния несоосности опор вала ФС на изнашивание фрикционных накладок. 3. Теоретически установлено, что несоосность опор вала ФС вызывает появление радиальной силы, сдвигающей диски и разработана методика ее определения. 4. Установлено, что величина указанной сдвигающей силы увеличивается при уменьшении момента сопротивления на валу ФС. Это обстоятельство должно учитываться при конструировании ФС с ведущими дисками, подвешенными на упругих тангенциальных пластинах.
Методика экспериментальных исследований
При проведении полевых испытаний ставилась задача исследований тепловой и силовой нагруженности ФС тракторов Т-4А, ДТ-75М и ТТ-4 с целью сбора и обработки статистической информации по нагруженности ФС в эксплуатации. Испытания сельскохозяйственных тракторов Т-4А и ДТ-75М проводились на полигоне лаборатории эксплуатационных испытаний Алтайского моторного завода (совхоз Комсомольский Алтайского края), а трелевочного трактора ТТ-4 - в Пелымском леспромхозе (Свердловская область). Экспериментальные исследования выполнялись с использованием аттестованного испытательного оборудования Алтайского моторного завода.
Измеряемые параметры. Проведение полевых испытаний сельскохозяйственных тракторов осуществлялось с помощью измерительной и регистрирующей аппаратуры передвижной измерительной лаборатории ПЛ-2, смонтированной на базе автомобиля ГАЗ-66 (рис. 4.1). При испытании трелевочного трактора соответствующая аппаратура устанавливалась непосредственно в кабине (рис. 4.2). В процессе проведения экспериментов регистрировались следующие параметры: - крутящий момент Мт на валу ФС; - температура поверхности &п второй (от нажимного диска) пары трения; - температура &v воздуха в картере ФС; - температура окружающего воздуха; - угловая скорость ведущих и ведомых элементов ФС; - усилие на крюке трактора (для сельскохозяйственных тракторов); - перемещение нажимного диска ФС; - частота включений ФС. Измерение крутящего момента на валу ФС проводилось с помощью тензодатчиков сопротивления, соединенных в мостовую схему. Тензодатчики наклеивались по известной технологии на дообработанный участок вала ФС (рис. 4.3). Градуировка тензовала проводилась на токарном станке набором мерных грузов.
Измерение температуры &„ поверхности пары трения осуществлялось с помощью хромель-копелевой термопары из проволоки диаметром 0,5 мм, установленной на расстоянии радиуса трения от оси вращения. Горячий спай термопары располагался на глубине 0,2...0,3 мм. После установки термопара крепилась эпоксидной смолой, а поверхность диска шлифовалась. Градуировка термопары проводилась в электропечи при нагревании ведущего диска до 350иС. Для визуального контроля температуры в процессе испытаний термопара подключалась к милливольтметру типа М254, шкала которого была отградуирована в градусах Цельсия.
Температура воздуха в картере ФС измерялась стандартными термопарами, градуировка которых проводилась при нагревании в воде.
Осевые перемещения нажимного диска фиксировались относительно корпуса ФС с помощью датчика перемещений, представляющего собой кон-сольно закрепленную на корпусе ФС пластину из пружинной стали (рис. 4.4). На пластину вдоль оси с двух сторон наклеивались тензодатчики и соединялись в полумостовую схему. Два активных датчика обеспечивали высокую чувствительность измерительной схемы. Свободный конец тензобалочки опирался на толкатель, жестко соединенный с нажимным диском. Собственная частота тензобалочки составляла не менее 600 Гц. Градуировка датчика перемещений проводилась на специальном винтовом приспособлении с индикатором перемещений.
Угловая скорость ведущих частей ФС замерялась двумя способами: непрерывным и дискретным. Непрерывное измерение проводилось с помощью тахогенератора ТЭ-45. Дискретная запись каждого оборота осуществлялась отметчиком индукционного типа. Угловая скорость ведомых частей ФС замерялась дискретно отметчиком индукционного типа.
