Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 6
1.1. Условия работы деталей гидравлических приводов 6
1.2. Анализ процесса заедания в парах трения 12
1.3. Влияние температуры на смазочный слой 18
1.4. Распределение тепловых потоков при трении 23
1.5. Выводы и задачи исследования 26
2. Аналитическое исследование тепловыделения в паретрения распределитель - накладной диск блока цилиндров объемных гидромашин 28
2.1. Постановка задачи исследования 28
2.2. Решение нестационарной задачи 31
2.2.1. Постановка задачи 31
2.2.2. Метод решения задачи 35
2.2.3. Численное решение задачи 49
2.2.4. Расчет тепловых потоков в паре трения распределитель-накладной диск блока цилиндров для случая нестационарного теплообмена 51
2.3. Решение стационарной задачи 57
2.3.1. Математическая модель процесса тепловыделения 57
2.3.2. Численное.решение задачи бб
2.4. Выводы . 72
3. Экспериментальное исследование температуры на поверхности пары трения распределитель - накладной диск блока цилиндров 73
3.1. Вопросы исследования 73
3.2. Экспериментальное исследование температурного поля распределителя гидронасоса 75
3.2.1. Описание стенда экспериментальных исследований 75
3.2.2. Методы измерения контролируемых величин . 78
3.2.3. Обработка экспериментальных данных 81
3.2.4. Результаты экспериментальных исследований . 83
3.3. Анализ результатов эксперимента 91
3.3.1. Постановка задачи анализа 91
3.3.2. Аппроксимация функции 92
3.3.3. Определение коэффициентов теплоотдачи для случаев нестационарного и стационарного теплообмена 93
3.3.4. Расчет тепловыделения на поверхности трения распределителя для стационарной и нестационарной областей нагрева 97
3.4. Выводы 100
4. Инженерный метод расчета температур на поверхности трения распределителя 102
4.1. Состояние рассматриваемого вопроса 102
4.2. Определение температуры на поверхности трения распределителя с нестационарными условиями теплообмена 103
4.3. Определение температуры на поверхности трения распределителя со стационарными условиями теплообмена 110
4.4. Выводы 113
Заключение 114
Список использованных источников 116
Приложение 126
- Распределение тепловых потоков при трении
- Расчет тепловых потоков в паре трения распределитель-накладной диск блока цилиндров для случая нестационарного теплообмена
- Экспериментальное исследование температурного поля распределителя гидронасоса
- Определение температуры на поверхности трения распределителя со стационарными условиями теплообмена
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года", принятых ХХУІ съездом КПСС указывается, что одним из определяющих направлений развития машиностроения является повышение эффективности производства и качества выпускаемой продукции на базе внедрения машин повышенной единичной мощности и использования новых технологических процессов.
Важным направлением развития научно-технического прогресса транспортных машин является развитие и широкое внедрение объем - ного гидропривода. Объемный гидропривод обеспечивает при.малых габаритах большие энергопотоки рабочей жидкости. Однако, с ростом энергонапряженности гидронасосов возрастают натрузки-на опоры скольжения, для обеспечения нормальной работы которых необходим постоянный жидкостной режим трения. Успешное решение проблемыизносостойкости и задиростойкости трущихся опор скольжения затрудняется недостаточной, изученностью физико-механических и трибохимических процессов, протекающих, в зоне трения, огромное влияние на которые оказывает температура в зоне трения. .
Работа гидронасоса на расчетных режимах во многом зависит _ от работы распределительного узла, обеспечения жидкостного режима трения между распределителем и накладным диском блока, цилиндров. Смешанный режим трения приводит к повышенному износу рабочей поверхности распределителя и, как следствие, к снижению ресурса гидронасоса.
Настоятельная потребность в увеличении ресурса энергона-, пряженных гидронасосов привела к необходимости более детального исследования тепловых процессов в паре трения распределитель накладной диск блока цилиндров. Целью такого исследования и является создание метода расчета температуры на поверхности трения распределителя, который имеет сложную геометрию и различные условия нагрева участков поверхности трения.
В первой главе изложены основные задачи исследования и состояние вопроса о влиянии температуры на смазочный слой, разделяющий трущиеся поверхности; проведен анализ условий работы опор скольжения гидроприводов и процесса заедания, а также анализ вопроса о распределении тепловых потоков при трении.
Во второй главе описана математическая модель расчета температуры на поверхности трения распределителя для участков со стационарными и нестационарными условиями теплообмена, описан алгоритм численного решения сформулированных задач.
В третьей главе изложены методика и результаты экспериментальных исследований по определению температурного поля распределителя. ... В четвертой главе рассматривается инженерная методика расчета температуры на поверхности. трения распределителя.,
В заключении подводятся итоги работы и даются основные выводы и рекомендации. . ,
Автор выражает благодарность профессору Игнатовичу А.М. за советы и рекомендации, высказанные.при работе над диссертацией.
Работа выполнялась в лаборатории "Передачи" при кафедре "Де- тали машин" МИИТа и на кафедре "Теория механизмов и машин и детали машин" ВЗИИТа.
Распределение тепловых потоков при трении
При относительном скольжении двух тел вследствие деформирования материала, участвующего в образовании и разрушении фрикционных связей,в тонком поверхностном слое образуется тепло. Повышение при этом температуры может привести к местному размягчению и расплавлению материала /31/. Тепло распространяется от пятен контактов вглубь обоих контактирующих тел, причем тепловые потоки распределяются в зависимости от теплофизических свойств контактирующих тел, их размеров и условий теплоотвода.
Температурное поле, распространяясь вглубь материала, приводит к изменению механических свойств материала в тонком поверхностном слое, интенсивность теплового потока зависит от работы трения и величины площадки, на которой она генерируется. Генерируемое тепло распределяется между двумя телами, а также рассеивается в окружающую среду, изменение энергии двух тел в процессе совершения работы трения приводит к теплообмену между телами и окружающей средой. В.С. /72/ высказал такое предположение: "Процесс теплообразования идет, по-видимому, в некоторых весьма тонких поверхностных слоях, расположенных под элементами фактической площади касания". В.А.Кудинов /73/ отмечает, что по своему физическому смыслу источник тепла при трении является источником внутренним, так как он связан с деформированием и разрушением некоторых объемов. Сформулированная им задача одноразмерного потока тепла от трения при наличии внутренних источников тепла одного тела, производительность которых по толщине слоя остается постоянной, позволила сделать вывод, что максимальная температура возникает на не которой глубине под поверхностью деформируемого при скольжении тела. Линг и Симкенс /74/ температурный скачок объясняют тем, что тепло выделяется на одной или на обоих трущихся поверхностях, но не точно на поверхности контакта.
Строгое изучение вопроса распределения тепловых потоков при трении требует совместного рассмотрения тепловой и механической сторон явления. Это объясняется тем, что касательные и нормальные усилия в местах фактического контакта, деформации поверхностных слоев и диссирируемое тепло непосредственно между собой связаны.
В исследованиях Блоха и Егера /75, 76/ принимается распределение интенсивности теплового потока совпадающим с распределением интенсивности касательных усилий по площадке контакта. М.В.Коровчинский /77/ считает, что при квазистационарном и стационарном тепловыделении интенсивность диссипируемого тепла прямо пропорциональна удельному давлению.
Тепловая задача внешнего трения сводится к решению сложной системы дифференциальных уравнении, определяющих распространение тепла в твердых телах, и воздействие импульсных внутренних источников тепла и окружающей среды на пары трения, при соответствующих каждому конкретному случаю краевых условиях.
При решении тепловых задач используются граничные условия, которые содержат трудноопределимые величины. а) Коэффициент теплообмена с внешней средой, зависимый не толь ко от разности температур, но и от условии теплоотдачи; б) интенсивность тепловых источников, определяемая работой трения и ее распределением между телами. Решая тепловые задачи при граничных условиях второго рода применяют коэффициент распределения тепловых потоков, который зависит от многих физикомеханических параметров и их взаимного влияния, имеются различные формулы для определения коэффициента распределения теплового потока и отношения тепловых потоков, которые трудно сопоставимы и получены при разных условиях трения. В работах /78-83/ получены различные выражения для определения коэффициента распределения тепловых потоков, анализ которых показывает, что единой точки зрения на коэффициент распределения тепла в настоящее время нет.
Поэтому Н.А.Франкис /83/ вынужден вводить эффективный парциальный коэффициент для получения выражения распределения тепловых потоков двух тел в условиях граничного трения для случая, когда оба контактирующих тела имеют разные температуры. Автор при этом рассматривает дополнительный тепловой поток от более теплого тела к более холодному и не раскрывает его связь с распределением работы трения.
Таким образом, получение коэффициента распределения тепловых потоков для случая нестационарного теплообмена в паре трения распределитель - накладной диск блока цилиндров объемных гидромашин позволит найти связь тепловых потоков с физикомеханически-ми свойствами материалов.
К сожалению, физико-химические процессы, протекающие на поверхности трения при граничной смазке и определяющие механизм распределения энергии трения, вскрыты недостаточно. Отсутствие в настоящее время строгой математической теории граничного трения объясняется значительной сложностью и малоизученностью процессов, происходящих в области поверхностных слоев на границе раздела твердых тел. Долевое участие тел в рассеивании общей энергии трения неравновелико и вид закономерности определяется свойствами поверхностей и условиями их трения.
Расчет тепловых потоков в паре трения распределитель-накладной диск блока цилиндров для случая нестационарного теплообмена
В разделе 2.2.2, при определении.температуры на поверхности трения распределителя и накладного диска блока цилиндров, нами принималось, что тепло между распределителем и накладным диском распределяется приблизительно поровну. Такая предпосылка справед 52. лива для случая, если распределитель и накладной диск выполнены из одинакового материала. В случае применения различных материалов для распределителя . и накладного диска блока цилиндров (что на практике чаще всего имеет место), полученные в разделе 2.2.2 и работе /88/ результаты требуют уточнения. Рассмотрим метод определения тепловых потоков в паре трения распределитель-накладной диск блока цилиндров с учетом.коэффициента распределения тепловых потоков для случая, когда распределитель и накладной диск выполнены из различных материалов /99/.
В условии (2.II) величина п предполагалась постоянной. Введем переменную.функцию (Ш) Задаче (2.9 +2.12) сопоставляет каждой граничной функции 3(J\ (тепловому потоку), функцию T(,ij,?A) $ описывающую температурное распределение в области CDEF .. Так как пренебрегаем распределением температуры по радиусу . (рис. 2.2) (.! « 0), а также учитывая, что температура меняется сильно только в очень тонком поверхностном слое п = I +_3 мкм и по глубине растет слабо (5=0), то для рассматриваемого.. бесконечно малого промежутка времени ( і = 0) вместо функции TCxUzfi) будем рассматривать функцию т(у)-Т(0,уА0) Таким образом, мы можем считать, что задача (2.9) (2.12) ставит в соответствие функции Q(JJ функцию T(Cj) . Это соответствие будем обозначать так Определим температуру на поверхности пары трения распределитель - накладной диск блока цилиндров в области, где тепловые условия являются стационарными (вдали от карманов) /89/. При постановке задачи примем следующие допущения: 1. Влиянием карманов на температуру рассматриваемой области пренебрегаем, т.е. считаем, что контакт распределителя, и накладного диска осуществляется по кольцевой области (рис. 2. А). 2. Будем пренебрегать изменением температуры в накладном диске и распределителе в окружном направлении. 3.
Третье допущение касается краевого условия для температуры на поверхностях I и 2, где осуществляется контакт тел I с ІУ и П с Ш. При точном решении задачи необходимо решать уравнение тепло проводности для тел І, П, Ш и.ІУ .о соответствующими краевыми, ус ловиями и требовать удовлетворения условий непрерывности темпе ратуры и теплового потока на границах раздела тел І-ІУ и„П-Ш. В общем случае такая задача сложна, так как тела Ш и 17 имеют сложную форму. Здесь мы заменим истинную форму тел Ш и ІУ на ци линдры конечных размеров с размерами, равным характерным размерам тел Ш и ІУ. Со свободных поверхностей цилиндров происходит теплоотдача по закону Ньютона (в масло или в воздух). Так как изменением температуры цилиндров в окружном направлении пренебрегаем, то уравнение теплопроводности имеет вид /90/:
Экспериментальное исследование температурного поля распределителя гидронасоса
Исследование температурного поля распределителя проводились на экспериментальном стенде гидропередачи на базе объемных гидромашин типа SPV -23 (гидронасос) и S.MF -20 (гидромотор), схема которого показана на рис, 3.1, а общий вид на рис. 3.2.
Балансирний электродвигатель 17 с весовым устройством 10 приводит во вращение аксиально-поршневой регулируемый.насос 24 и насос подпитки 12, который служит для восполнения.утечек и прокачек корпусов гидромашины. Нерегулируемый аксиально-поршневой. гидромотор 14 вращает балансирный.поршневой тормоз.16, связанный с весовым устройством 9. Для защиты гидропередачи от перегрузок служат предохранительные клапаны 7, а для очистки рабочей.жидкости фильтр 41. Обратные клапаны 4 и 27 обеспечивают подпитку.магистрали низового давления рабочей жидкостью, а для ее охлажден ния служит холодильник 38, в который через кран 36 подается вода. Частота вращения валов гидромотора и гидронаооса определялась с помощью фотоэлементов 21.и 43 на тахометрах 22 и 23..Давление в гидромагистралях и корпусе насоса контролируется манометрами 3, 15, 19, 25, 26, а излишки рабочей жидкости сбрасываются в бак 42 через перепускной клапан 5. Для измерения расхода рабочей жидко сти и воды в линиях гидропередачи установлены расходомеры 6, 28, 29, 32, 33 и 37,.сигналы с которых через усилитель - формирователь 34 поступают на частомер 35. Температура в различных точках линии гидропередачи, бака, распределителя, корпусов гидронасоса и гидромотора с помощью термопар II, 18, 39, 21, 8» 31,регистрируется на ленту автоматических потенциометров I, 2, 40.
Перед началом испытаний гидронасос продавливался на стенде для гидравлических проб с целью определения исправности уплотняющих элементов его рабочих органов. Продавливание насоса проводилось в одну полость, при этом люлька насоса устанавливалась в положение, соответствующее нулевой подаче. При Р 5 МПа поворотом вала определялись визуальным наблюдением максимальные и минимальные утечки из корпуса гидронасоса.
При найденных таким образом положениях вала замерялись утечки при Р - 5, 10, 15 МПа. Продавливание производилось на масле МГЕ-ЮА при вязкости V 18- 21, ест. Зависимость утечек от давления представлена на рис, 3.4.
После продавливания гидронасос и гидромотор устанавливались, на стенд, при этом соосность соединяемых валов в пределах 0,1 мм. Стенд (рис. 3.-I) обеспечивает измерение контролируемых параметров в соответствии с таблицей 3.1. Заправка стенда рабочей жидкостью.производится с помощью установок С0Г 9 4, при этом класс чистоты рабочей жидкости должен быть не ниже 9 по ГОСТ I72I6 7I. Во время опробования стенда проверяют герметичность гидро машин и всего стенда при работе на холостом ходу внешним осмотром, проверяют работу гидропередачи при давлении 32 МПа. При отсутствии течей стенд гттов к проведению испытаний. Исследования гидропередачи проводились в нормальных климатических условиях: относительная влажность воздуха Ь% -15$; температура окружающей среды. 25 ЮС.
При подготовке к испытаниям гидронасоса в составе гидропере дачи была произведена установка хромель-копелевых термопар (ТХК) в различных точках распределителя на расстоянии 0,3 мм от поверхности трения.
Для измерения температуры на поверхности трения в распределителе со стороны цилиндрической боковой поверхности прожигались на различную глубину глухие каналы ф 1,5, не доходящие до поверхности трения на величину 0,3 мм. В подготовленные каналы вставлялись хромель-копелевые термопары. Выходной сигнал со всех термопар регистрировался на ленте автоматического потенциометра КСП-4. Места установки термопар в различных точках распределителя показаны на рис. 3,5.
Одновременно с температурой в различных точках распределителя проводился замер температуры в магистралях гидропередачи и на поверхности гидромашин (рис. 3.6).
Частота вращения вала гидронасоса и гидромотора контролировалась с помощью цифровых тахометров и датчиков оборотов. Давление в корпусе насоса и магистралях гидропередачи измерялось образцовыми манометрами.,
Давление на входе в насос поддерживалось равным Р « 1,4 Ша. Давление на выходе из наооса менялось в пределах от 7 МПа до 27 МПа при помощи регулирования тока возбуждения индуктивного порошкового тормоза ПТ—20. Угол отклонения люльки гидронасоса Q измерялся угломерным устройством непосредственно соединенным с люлькой гидронасоса.
Характеристики снимались при включенном теплообменнике с расходом воды через него Q б л/мин.
Определение температуры на поверхности трения распределителя со стационарными условиями теплообмена
Изложенная в параграфе 3.I математическая модель тепловыделения на поверхности трения распределителя и численный метод рапеяш сформулированной системы уравнений позволили провести по разработанной программе серию расчетов на ЭВМ. На рис. 4. II - 4.13 приведены зависимости распределения тем пературы на поверхности трения участка распределителя со стацио нарными условиями теплообмена и распределение температуры по глуби не. ........ Серия расчетов на- ЭВМ проводилась для различных, значений числа Био и при единичном тепловом потоке из зоны трения.. Для определения - значения температуры для любой точки участка распределителя в выражении (2,128) следует подставить значения Т из рис. 4.II 4.13. Величины коэффициентов теплоотдачи, входящие в выражение. (2.131), определяются согласно методике, изложенной в параграфе 3.33 для участка распределителя со стационарными условиями теплообмена. 1. Предложена методика определения температуры на поверхности трения распределителя для участков со стационарными и нестационарными условиями теплообмена. 2. По результатам расчета на ЭВМ получены серии универсальных кривых, возволяющих рассчитать температуру для любого момента времени с учетом результатов, полученных в результате экспериментальных исследований по определению значений коэффициентов теплоотдачи с поверхности трения. 3. Полученная инженерная методика расчета температуры позволяет рассчитать температуру в любой точке потока поверхности трения распределителя в зависимости от температуры набегающего мае-ла Т0. 114.
Проведенное исследование температуры на поверхности трения распределителя аксиально-поршневых гидромашин позволило сделать следующие основные выводы: 1. На основании анализа научно-технической литературы установлено, что для обеспечения нормальной работы аксиально-поршневых гидромашин в составе гидрообъемной передачи и повышения их надежности и долговечности работы на форсированных режимах необходимо провести исследование распределения температуры в зоне трения распределитель - накладной диск блока цилиндров и разработать рекомендации для практического использования полученных результатов. 2. Разработанные математические модели, описывающие тепловые процессы, протекающие на различных участках поверхности трения распределителя гидронасоса как со стационарными, так и с нестационарными условиями теплообмена, позволяют аналитически решать задачу определения температуры на поверхности трения, а также распределение температуры по глубине. 3. Разработанные алгоритмы и программы численного решения сформулированных систем уравнений, с учетом распределения тепловых потоков между трущимися телами, выполненными иа разных материалов, позволили формолизовать задачу определения температуры, на поверхности трения. 4. Полученное распределение температуры для участков рабочей поверхности трения распределителя со стационарными и нестационарными условиями теплообмена, позволило установить, что перепад между этими зонами на форсированной глубине не превышает 30С. 5. Для экспериментального исследования поля температур распределителя был создан экспериментальный стенд, позволяющий про водить испытания на различных режимах работы, и разработана методика проведения испытаний. 6. На основании испытаний гидронасоса в составе гидрообъемной передачи были выбраны режимы и проведены экспериментальные исследования распределения поля температур в распределителе. 7. На основании экспериментальных исследований установлена зависимость температуры от времени для различных точек поверхности трения распределителя, которая для расчетов на ЭВМ аппроксимирована некоторой функцией, с удовлетворительной для практических целей точностью описывающей результаты экспериментальных исследований. 8. Получены зависимости для определения коэффициентов теплоотдачи с участков поверхности трения распределителя со стационарными и нестационарными условиями теплообмена, которые позволяют рассчитывать температуру в различных точках поверхности трения на любых принятых режимах работы. 9. На основании проведенных исследований разработан инженерный метод расчета поля температур на поверхности трения распределителя на различных режимах работы и приведены методы расчета для наиболее характерных режимов работы.
