Введение к работе
Актуальность темы. С развитием машиностроения постоянно возрастают требования к повышению нагрузок и передаваемым скоростям приводов машин. В частности, это касается передач с перекрещивающимися осями, одной из которых является спироидная передача. Имея определенные преимущества по сравнению с другими передачами того же класса, спироидные передачи перспективны для применения в приводах машин. Несмотря на то, что развитием и внедрением спироидных передач в промышленность занимались многие деятели науки: О. Saari, F. Bohle, W. D. Nelson, J. E. Brinza, D. Schwagerl, E. Schrempp, В. И. Гольдфарб, А. К. Георгиев, А. С. Кунивер, В. А. Шубин, С. В. Езерская, Е. С. Трубачев, В. Н. Анферов и другие, до сих пор не существует стандартизированного метода их расчета.
При этом одним из недостатков передач червячного класса, к которым относится и спироидная передача, является опасность возникновения заедания между рабочими поверхностями зубьев. Во избежание этого вида повреждения в передачах данного класса применяют антифрикционные материалы для изготовления звеньев пары, что помимо риска возникновения заедания также существенно снижает и нагрузочную способность передачи.
Заедание - процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания поверхностей и переноса материала. Схватывание - контактное взаимодействие частиц одной поверхности с частицами другой поверхности при металлическом контакте поверхностей. Задир - критическая степень заедания, характеризующаяся наличием на поверхностях борозд, полос, вырывов металла. Задиростойкость - свойство материала оказывать сопротивление развитию процесса заедания до критической степени при определенных условиях эксплуатации. Процесс заедания поверхностей разделяют на три этапа: первый этап - переход от контактно-гидродинамической смазки к граничной; второй этап - переход от граничного трения к металлическому контакту; третий этап - контакт чистых металлов приводит к схватыванию поверхностей. Температура поверхностей увеличивается, процесс прогрессирует и, в результате, поверхности становятся совершенно непригодными для дальнейшей работы.
Вопросами задиростойкости занимались многие, как отечественные, так и зарубежные исследователи, но предложенные критерии применимы к конкретным типам передач и условиям работы механизмов.
В связи с этим актуальной задачей является установление условий, при которых в спироидном зацеплении будет происходить заедание, с целью разработки методики расчета, позволяющей еще на стадии проектирования предотвратить заедание поверхностей. В результате появятся возможности изготовления спироидных передач из более экономичных материалов, что повысит их распространенность и позволит в большей мере реализовать преимущества спироидных передач перед другими передачами червячного класса.
Цель работы. Обоснование критерия для оценки противозадирной стойкости спироидных передач.
Объект исследования: цилиндрическая спироидная передача.
Предмет исследования: противозадирная стойкость цилиндрических спироидных передач в зависимости от сочетания конструкционных и смазочных материалов спироидных передач.
Идея работы: учет фактора задиростойкости при проектировании спироидных передач для обеспечения работоспособности механизмов и приводов машин на их основе.
Задачи исследований:
-
Провести анализ факторов, оказывающих влияние на заедание, и обосновать критерий заедания для зацепления спироидной передачи.
-
Провести исследования для оценки противозадирной стойкости спи-роидного зацепления на физической модели для сочетания материалов звеньев пары: сталь - бронза и сталь - сталь.
-
Разработать методику расчета спироидных передач по критерию заедания и применить полученные результаты для проектирования приводов машин на основе спироидных передач.
Методы исследований. Решение перечисленных задач осуществлено при помощи методов системного анализа, теории зубчатых зацеплений, методов теории подобия и размерностей, метода физического моделирования. Экспериментальные исследования проведены на лабораторном стенде, оснащенном аттестованными и поверенными приборами.
Положения, выносимые на защиту:
-
Учет двух групп факторов (температурного и гидродинамического) в предлагаемом безразмерном критерии заедания для спироидных передач обеспечивает определение граничных условий возникновения процесса заедания рабочих поверхностей звеньев передачи.
-
Развитие процесса заедания поверхностей в спироидном зацеплении определяется в основном четырьмя факторами: температурой масла (вязкостью), удельной нагрузкой, скоростью скольжения и суммарной скоростью качения.
-
Уравнения зависимости коэффициента трения от удельной нагрузки, скорости скольжения и температуры масла, полученные на основе базы значений коэффициентов трения, позволяют повысить точность расчетов при проектировании спироидных передач.
-
Предложенный критерий заедания для спироидных передач позволяет создать методику, которая обеспечивает определение граничных условий развития процесса заедания в спироидном зацеплении.
Достоверность научных положений подтверждена объемом исследований на физической модели спироидного зацепления; применением современной аппаратуры, поверенных средств измерений, методов теории подобия и моделирования и статистических методов обработки результатов.
Научная новизна работы:
-
Учет двух групп факторов (температурного и гидродинамического) в предлагаемом безразмерном критерии заедания для спироидных передач обеспечивает определение граничных условий возникновения процесса заедания рабочих поверхностей звеньев передачи.
-
Развитие процесса заедания поверхностей в спироидном зацеплении определяется в основном четырьмя факторами: температурой масла (вязкостью), удельной нагрузкой, скоростью скольжения и суммарной скоростью качения.
-
Уравнения зависимости коэффициента трения от удельной нагрузки, скорости скольжения и температуры масла, полученные на основе базы значений коэффициентов трения, позволяют повысить точность расчетов при проектировании спироидных передач.
-
Предложенный критерий заедания для спироидных передач позволяет создать методику, которая обеспечивает определение граничных условий развития процесса заедания в спироидном зацеплении.
Личный вклад автора состоит в проведении анализа существующих критериев заедания, анализе факторов заедания, выводе критерия для оценки задиростойкости спироидного зацепления, планировании и проведении экспериментов по исследованию процесса заедания в спироидном зацеплении, в обработке и анализе экспериментальных данных, создании методики расчета спироидных передач на заедание и написании программы для автоматизированного расчета.
Практическая ценность работы состоит в разработке методики расчета спироидных передач по критерию заедания с использованием, в том числе, полученной базы экспериментальных значений коэффициента трения в спироидном зацеплении для сочетания материалов сталь - сталь и сталь - бронза; в разработке и внедрении в промышленность конструкторских разработок с применением указанной методики.
Реализация работы в промышленности. Результаты работы использованы при проектировании и внедрении спироидного редуктора механизма поворота захватной рамы спредера (грузозахватного устройства для крупнотоннажных контейнеров), а также при модернизации привода передвижения башенного крана КБ-405.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях «Наука и молодежь XXI века -2012», «Дни науки -2013», «Наука и молодежь XXI века -2014» Сибирского государственного университета путей сообщения (г. Новосибирск, 2012 - 2014), на межвузовской конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири» (г. Новосибирск, 2013), на всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием «Инженерная мысль машиностроения будущего» (г. Екатеринбург, 2013), на международной научно-технической конференции «Научные проблемы реализации транспортных проектов в Сибири и на Дальнем Востоке» (г. Новосибирск, 2014), на международной конференции «Проблемы механики
современных машин» (г. Улан-Удэ, 2015), на всероссийской конференции «Проблемы развития горных наук и горнодобывающей промышленности» (г.Новосибирск, 2016), на международной научно-технической конференции «Политранспортные системы» (г. Новосибирск, 2016), на международной научной конференции «Механика и трибология транспортных систем» (г. Ростов на Дону, 2016), на международной научно-практической конференции «Теория и практика зубчатых передач и редукторостроения» (г. Ижевск, 2017), на научно-технических семинарах кафедры «Подъемно-транспортные, путевые, строительные и дородные машины» Сибирского государственного университета путей сообщения (г. Новосибирск, 2015- 2017).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 144 источников. Объем работы 152 страницы, включая 39 рисунков и 26 таблиц.