Содержание к диссертации
Введение
1 Целесообразность управления состоянием поверхностных слоев подвижных соединений машин в условиях граничной смазки 17
1.1. Общие сведения и терминология 17
1.2. Типовые конструкции и классификация подвижных соединений 22
1.2.1. Зубчатые зацепления 24
1.2.2. Элементы передач трением 27
1.2.3. Направляющие скольжения 29
1.2.4. Шарнирные соединения 41
1.2.5. Подшипники скольжения 45
1.2.6. Классификация подвижных соединений 47
1.3. Условия работы подвижных соединений машин и оборудования... 51
1.3.1. Описание поверхности фрикционного контакта подвижных соединений 51
1.3.2. Взаимодействие поверхностей подвижных соединений 64
1.3.3. Условия реализации внешнего трения и механизм поверхностного разрушения материалов 76
1.3.4. Влияние вида смазочного материала на состояние поверхностного слоя 92
1.3.5. Твердые смазочные материалы, износостойкие и антифрикционные покрытия 108
1.4. Обзор методов повышения работоспособности подвижных сопряжений 132
1.4.1 Конструктивные методы 132
1.4.2 Технологические методы 146
Выводы по разделу 1 и постановка задач исследований 172
2. Исследование работоспособности деталей подвижных соединений 178
2.1. Анализ конструкций и режимов эксплуатации направляющих скольжения 178
2.1.1. Конструкции направляющих скольжения 178
2.1.2. Конструкционные и смазочные материалы в направляющих скольжения 183
2.1.3. Режимы эксплуатации направляющих скольжения 196
2.1.4. Результаты измерений износа направляющих скольжения .205
2.2. Анализ конструкций и режимов эксплуатации шарнирных соединений 214
2.3. Описание конструкций экспериментального оборудования и методики проведения исследований работоспособности подвижных соединений 219
2.3.1. Экспериментальные стенды и методика исследования работоспособности конструкционных и смазочных материалов 219
2.3.2. Экспериментальные стенды и методика исследования работоспособности шарнирных соединений 227
2.3.3. Методика обработки результатов экспериментальных исследований 233
Выводы по разделу 2 235
3. Создание смазочных композиций 238
3.1. Исследование влияния металлических порошков на триботехнические параметры подвижных соединений 238
3.2. Исследование влияния поверхностно-активных веществ на триботехнические параметры подвижных соединений 268
3.3. Математическое моделирование процессов трения и изнашивания поверхностных слоев при смазывании металлоплакирующими смазочными материалами 279
3.3.1. Модель механизма изнашивания 279
3.3.2. Определение параметров и статистический анализ модели изнашивания 285
Выводы по разделу 3 297
4 Создание металлополимерных покрытий 300
4.1. Покрытия в машиностроении 300
4.1.1. Основные факторы, влияющие на качество покрытий 302-
4.1.2. Композиционные материалы и их основные свойства 305
4.1.3. Способы получения композиционных материалов 313
4.2. Комбинированные твердосмазочные покрытия 322
4.3. Металлополимерные покрытия 336
4.3.1. Оборудование и методика получения металлополимерного покрытия 336
4.3.2. Исследование эксплуатационных свойств металлополимерных покрытий 344
4.3.3. Математическое моделирование структуры металлополимерного покрытия 355
Выводы по разделу 4 362
5. Расчетно-экспериментальная оценка методов повышения работоспособности подвижных соединений машин 364
5.1. Прогнозирование ресурса направляющих скольжения 366
5.2. Шарнирные соединения транспортирующего оборудования 372
5.3. Подшипниковые опоры скольжения 383
Выводы по разделу 5 388
Заключение 390
Список использованных источников 393
Приложения 428
- Типовые конструкции и классификация подвижных соединений
- Анализ конструкций и режимов эксплуатации шарнирных соединений
- Исследование влияния поверхностно-активных веществ на триботехнические параметры подвижных соединений
- Оборудование и методика получения металлополимерного покрытия
Введение к работе
Во многих случаях работоспособность машины, долговечность и надежность определяются долговечностью трущихся поверхностей подвижных соединений. Надежность и долговечность агрегатов машин и оборудования во многом обусловлены явлениями трения и изнашивания, происходящими в узлах подвижных соединений. Изнашивание приводит к нарушению герметичности узлов, теряется точность взаимного расположения деталей и перемещений. Трение приводит к потерям энергии, перегреву механизмов, снижению передаваемых усилий, повышенному расходу горючего и других материалов, снижению коэффициента полезного действия. Положительно роль трения необходима для обеспечения работы тормозов, сцепления, движения колес. Явления трения и изнашивания взаимно обусловлены: трение приводит к изнашиванию, а изнашивание поверхностей деталей в ходе работы приводит к изменению трения.
В процессе работы машины показатели изнашивания деталей и сопряжений не сохраняют постоянных значений. Изменения износа U деталей во времени г в общем случае можно представить в виде зависимости, приведенной нарис. 0.1.
В начальный период работы, называемый периодом приработки, наблюдается довольно быстрый износ деталей (участок I). Продолжительность этого периода обусловливается качеством поверхностей и режимом работы механизма и составляет обычно 1-2% ресурса узла трения.
После приработки наступает период установившегося режима изнашивания (участок II), определяющий долговечность сопряжения.
Третий период - период катастрофического изнашивания (участок III) -характеризует предельное состояние механизма и ограничивает ресурс. Вид графика изменения по времени интенсивности отказов X (нарушений работоспособности изделий) соответствует виду графика - изменения по времени скорости изнашивания /, т.е. процесс изнашивания оказывает прямое, определяющее влияние на возникновение отказов и неисправностей узлов трения машин. Более высокая крутизна кривых т=(р(т) и с=д?(т) на участке II объясняется тем, что с наработкой возникают отказы, вызванные, помимо износа, усталостным, коррозионным разрушением или пластическими деформациями.
Рис. 0.1. Изменение параметров сопряжения в процессе работы: 1 - износа U; 2 - скорости изнашивания у; 3 - частоты отказов т; 4 - интенсивности отказов X; 5 - затрат на поддержание работоспособности С.
А.С. Прониковым [178, 209, 211, 222] разработаны методы расчета элементов и механизмов машин на износ, которые позволяют связать износ поверхности с конструктивными, кинематическими и силовыми параметрами сопряжений, рассчитать форму изношенной поверхности, учесть приработку неточно выполненных и деформированных тел, оценить изменение сил и характера эпюры давлений, которое происходит при износе, рассчитать износ жестко связанных (статически неопределимых) сопряжений и, опираясь на полученные закономерности, рассчитать при проектировании машин те из менения, которые происходят в машине при ее износе. Кроме того, созданы методы расчета, которые связывают износ сопряжений с выходными параметрами механизма или машины, например, с точностью осуществления заданной траектории перемещения рабочего органа машины, с динамическими нагрузками, возникающими в машине и др.
Для расчета и прогнозирования надежности механических систем с учетом износа отдельных сопряжений и механизмов необходимо осуществить следующие этапы: 1) рассчитать износ сопряжений; 2) оценить влияние износа сопряжений на выходные параметры машины; 3) учесть вероятностную природу всех явлений и действующих факторов; 4) разработать модель параметрического отказа для расчета показателей надежности машины при ее износе.
Общая схема формирования параметрического отказа машины приведена на (рис. 0.2). Отказ произойдет тогда, когда рассматриваемый параметр х в результате протекания в машине различных процессов, и в первую очередь износа, достигнет своего предельно допустимого значения хтах. Поскольку время достижения - случайная величина, то основной ее характеристикой будет закон распределения t, например плотность вероятности f(t). Знание этого закона позволяет решать основные задачи по оценке надежности изделия, так как при любом фиксированном значении времени работы изелия t Т можно определить вероятность его безотказной работы P(t).
Обеспечение работоспособности подвижного соединения (как трибо-технической системы) возможно при условии изучения основных конструкционных, технологических и эксплуатационных параметров. Работоспособность, долговечность и надежность машин закладываются при проектировании, обеспечиваются при изготовлении и реализуются при эксплуатации. Потеря деталью работоспособности в большинстве случаев начинается с поверхности в результате изнашивания, коррозии, эрозии, термопластических эффектов и др. Именно поверхностный слой подвижного сопряжения в условиях эксплуатации подвергается наибольшим механическим, тепловым, электростатическим, химическим и другим воздействиям. Невозможно защитить поверхность от всех вредных воздействий, но всегда можно найти способы и средства уменьшить их негативное влияние на работоспособность трибосопряжения. Значительный ресурс повышения работоспособности заключен в материале, из которого изготовлены элементы конструкций, в его поверхностном слое.
Поверхностным слоем называют наружный слой детали, отличающийся строением, механическими и физическими свойствами от внутренних слоев материала, из которого изготовлена деталь. На поверхностном слое находятся пленки смазочного материала, окислы и другие вещества. Поверхностный слой призван обеспечить внешнее трение, характеризуемое положительным градиентом механических свойств по глубине. Локализация сдвиговых деформаций, микропроцессов разрушения в поверхностном слое приводит к положительным эффектам снижения коэффициента трения, повышения износостойкости подвижного сопряжения, что, в конечном счете, увеличивает ресурс трибосопряжения.
Для этой цели используются смазочные материалы, покрытия, применяются различные способы химической, термической, химико-термической обработки поверхности, способы упрочнения и создания регулярного микрорельефа на поверхности. Эффективное использование всего комплекса имею щихся и вновь разрабатываемых методов и способов повышения работоспособности подвижных сопряжений невозможно без расчетных методов оценки критериев работоспособности поверхностных слоев и прогнозирования ресурса деталей машин.
Одним из наиболее слабых звеньев в совокупности проблем обеспечения требуемого технического уровня современной машины является недостаточная работоспособность механизмов и элементов опорных, передающих, исполнительных устройств типа направляющих, шарниров, опор скольжения.
Важное место среди методов повышения долговечности и надежности подвижных сопряжений занимает управление этими свойствами на этапах проектирования и технологической подготовки производства. Возможность заранее прогнозировать триботехнические свойства при задании характеристик качества поверхностного слоя, обеспечиваемых методами механической и химической обработки или другими специальными способами подготовки поверхности фрикционного контакта, позволяет повысить надежность выпускаемых машин и оборудования. Решение этой проблемы затруднено из-за сложности математических моделей, связывающих показатели износа и трения с характеристиками качества поверхностного слоя, использования различных критериев описания процессов трения и изнашивания. Кроме того, решение это возможно только в условиях автоматизации технологических процессов производства.
Вопросами автоматизации механообрабатывающего производства и его технологической подготовки занимались такие видные ученые, как В.Ф.Безъязычный [3], А.М.Гильман [4], Г.К.Горанский [6], Н.М.Капустин [26], С.П.Митрофанов [41, 44, 45], Э.В.Рыжов и А.Г.Суслов [47, 48], В.Д.Цветков [59, 60] и многие другие.
В настоящее время в России и за рубежом активно разрабатываются методы и средства описания процессов трения, прогнозирования надежности и долговечности узлов трения. Большое внимание уделялось и уделяется параметрам шероховатости поверхности трения и влиянию ее на эксплуатационные свойства. Обширные теоретические и экспериментальные исследования на эту тему представлены в работах Н.Б.Демкина, И.В.Крагельского, Э.В.Рыжова [29, 30, 31, 5, 18, 32], а также зарубежными публикациями [34, 35, 36]. Современный этап развития триботехники характеризуется интенсивным переходом от накопленных фактических данных и качественных представлений о механизмах поверхностного разрушения при трении к развитию теоретических моделей количественного описания этих явлений. В работах И.В. Крагельского, М.Н. Добычина, B.C. Комбалова, А.В. Блюмена, Э.Д. Брауна, Ю.Н. Дроздова, Ю.А. Евдокимова, А.В. Чичинадзе, В.И. Колесникова, А.И. Тетерина и других авторов [12, 18, 36, 37, 38, 39, 40] предлагаются количественные модели процессов взаимодействия фрикционных пар, пригодные для проведения инженерных расчетов некоторых узлов трения.
Резервы повышения износостойкости узлов трения заключаются в следующем [179]:
- конструкторско-технологической оптимизации, направленной на создание микрорельефа сопрягаемых поверхностей, удерживающего смазку, а также на обеспечение упрочнения поверхностного слоя;
- создании новых и совершенствовании имеющихся смазочных материалов и материалов с заранее заданными физико-механическими и фрикционными свойствами;
- применении газовой смазки разделением трущихся поверхностей тончайшей воздушной пленкой;
- использовании для весьма тяжелонагруженных узлов принципиально новых видов магнитоактивных твердых смазок, транспортируемых в зону трения с помощью магнитных полей и предохраняющих сопряжение поверхности от износа и схватывания в экстремальных условиях, когда жидкие и пластичные смазки не могут работать вследствие их испарения и разложения под действием высоких температур.
Актуальность диссертационной работы определяется тем, что показатели работоспособности, долговечности и надежности подвижных сопряжений могут быть улучшены на стадии проектирования и изготовления оптимизацией состояния поверхностного слоя деталей подвижного соединения, обеспечивающего необходимые трибопараметры.
Цель диссертационной работы. Повышение функциональных и эксплуатационных характеристик подвижных сопряжений механизмов и машин путем создания и модифицирования поверхностных слоев.
Задачи исследований.
Сравнительная оценка состояния подвижных соединений и влияние на них смазочных материалов и покрытий, обеспечивающих функциональные параметры машин.
Разработка усовершенствованных методов расчета и прогнозирования параметров технического состояния подвижных соединений.
Создание новых смазочных материалов, покрытий, методов модифицирования поверхностных слоев для направляющих, шарниров, опор скольжения.
Оценка влияния металлоплакирующих смазочных материалов, покрытий на состояние поверхностных слоев и функциональные параметры трибо-сопряжения.
Сравнительная оценка работоспособности металлоплакирующих смазочных материалов, металлополимерных и комбинированных покрытий в направляющих, шарнирах, опорах скольжения.
Выполнение комплекса исследований по оценке функциональных свойств новых смазочных материалов, покрытий в модельных, стендовых испытаниях и реальных условиях эксплуатации.
Практическая значимость работы. Разработанные методы математического моделирования работоспособности поверхностных слоев подвижных сопряжений, разработанные и обоснованные рекомендации по выбору смазочных материалов, покрытий, методов модифицирования поверхностного слоя, позволяют на этапе проектирования принять конструктивные и технологические решения по обеспечению требуемой долговечности и надежности подвижных соединений. Созданы новые металлоплакирующие смазочные материалы, твердосмазочные и металлополимерные покрытия, прошедшие комплекс лабораторных и стендовых испытаний, апробированные в производственных условиях. Разработаны способы получения твердосмазочных и металлополимерных покрытий, модифицирующие поверхностный слой контактирующих элементов и увеличивающие износостойкость, долговечность и ресурс подвижных соединений машин. Разработаны оригинальные методики и оборудование по исследованию эксплуатационных и триботехнических свойств смазочных материалов и покрытий в направляющих, шарнирах и опорах скольжения. Результаты работы внедрены на ряде промышленных предприятий.
Достоверность результатов исследований по оценке триботехнических параметров подвижных сопряжений достигается за счет использования испытательного и регистрирующего оборудования, позволяющего с достаточной точностью осуществлять измерения требуемых параметров в процессе испытаний, использования методов и средств автоматизации измерений, а также статистической обработки результатов измерений с применением современных средств вычислительной техники и программного обеспечения.
Методы исследований. Были использованы положения теорий контактного взаимодействия, гидродинамической смазки, теории и методов рас чета подшипников скольжения, теории трения и износа, методов экспериментальной механики, теории экспериментов, методов и средств аналитического и численного моделирования.
Апробация работы. Основные положения работы рассматривались на международных научно-технических конференциях «Устройства и системы автоматики автономных объектов» (Красноярск, 1990), «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2000), «Неразрушающий контроль и диагностика свойств композитов и изделий из них» (Рига, 1991), «Качество и контроль в машиностроении» (Словакия, Братислава, 1993), «Зубчатые передачи - 95» (Болгария, София, 1995), на Третьей Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» (Красноярск, 2001), на отчетной конференции Научно-технической программы «Научные исследования высшей школы в области приоритетных направлений науки и техники» (Москва, 2001), на Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Улан-Удэ, 2002), на Международных научно-практических конференциях САКС-2002, САКС-2003 (Красноярск, 2002, 2003), научно-технических семинарах по машиноведению и триботехнике в Сибирском государственном аэрокосмическом университете, Красноярском государственном техническом университете, Научно-исследовательском институте систем управления, волновых процессов и технологий (1990 - 2006 гг.).
Работа выполнялась в рамках тематического плана НИР Сибирского государственного аэрокосмического университета и Научно-исследовательского института систем управления, волновых процессов и технологий (1998 - 2005 гг.); в рамках федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2004 гг.», проект № 09-705; региональной научно-технической программы «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов», проект № 407.
Результаты исследований внедрены в ФГУП «Красноярский машиностроительный завод», Научно-производственном объединении Прикладной механики (г. Красноярск), ОАО «Красноярская ГРЭС-2», Абаканском ваго ностроительном заводе, Качканарском металлургическом заводе, строительных организациях г. Красноярска (ООО «СИТЭК», 000 «Караван»)
Научные разработки используются в учебном процессе при подготовке специалистов по специальностям «Технология машиностроения», «Электронное машиностроение», в преподавании дисциплин, связанных с конструкторской подготовкой студентов машиностроительных специальностей («Детали машин», «Основы конструирования машин», «Прикладная механика», «Теория механизмов и машин»). Под руководством автора защищена 1 диссертация на соискание ученой степени кандидата наук по тематике, совпадающей с научными исследованиями, представленными в данной работе.
В настоящей работе использованы материалы научных исследований, выполненных автором за период с 1978 года. Автор выражает благодарность за помощь и полезные советы доктору технических наук СП. Ереско, специалисту по расчетам, проектированию, обеспечению оптимальной работоспособности уплотнений машин; А.В. Лаврищеву, специалисту по диффузионным технологиям; кандидатам технических наук В.М. Лебедеву и А.А. Ашейчику, специалистам в области триботехники.
Типовые конструкции и классификация подвижных соединений
Конструкция узлов подвижных соединений машин должна максимально удовлетворять требованиям повышения ресурса, работоспособности, надежности, экономичности расходования топлива и масел и других источников энергии, увеличения удельной агрегатной мощности, простоты обслуживания, условиям экологической безопасности и др.
Несмотря на особенности подвижных соединений машин, оборудования, приборов различных отраслей техники (механообрабатывающих станков, транспортирующего и грузоподъемного оборудования, роботов-манипуляторов, легковых и грузовых автомобилей, железнодорожных тепловозов, тракторов, судовой техники, авиационно-космической техники и многих других) основные узлы трения имеют общую основу конструкции и характерные триботехнические показатели.
Рассматривая любую машину как сложную техническую систему, обладающую высокими показателями работоспособности, долговечности и надежности функционирования, можно построить ее иерархическую модель (рис. 1.1). Машина состоит из деталей и соединений. В основу механизмов положены кинематические цепи, составленные из деталей и соединений. Практически все многообразие деталей машин и их конструктивные особенности представлены в трудах А.Ф. Крайнева [117, 175-177]. Большинство деталей работает в режиме трения (жидкостного, граничного, сухого и всевозможных их вариаций и комбинаций). Рассмотрим подробно некоторые из деталей машин, образующих подвижные соединения, работающие преимущественно в условиях граничного трения, с недостаточным количеством смазочного материала. Это детали электромеханического привода, элементы передач, опоры скольжения, направляющие скольжения, шарнирные соединения - детали, которые можно объединить термином «подвижные соединения» (см. [87] и 1.1).
В электромеханических приводах широко используются волновые механизмы передачи движения. Вопросы проектирования и изготовления зубчатых механизмов волновых передач широко освещены в работах М.Н. Иванова, С.С. Кленикова, В.И. Усакова, С.А. Шувалова и др. [49, 50, 58, 61, 62], где предлагаются методы и средства обеспечения высокой надежности и износостойкости этих механизмов. Одними из слабых звеньев электромеханической системы являются узлы трения скольжения. Так как надежность всей системы складывается из надежности элементов, необходимость повышения надежности узлов трения очевидна.
Рассмотрим типы пар трения, встречающиеся в электромеханических приводах, исполнительных устройствах, в других механизмах рабочего, испытательного и технологического оборудования.
Зубчатые колеса - основной элемент механических передач зацеплением цилиндрических, конических, некруглого сечения. Подвижным соединением является контакт боковых поверхностей зубьев. Вид контакта - узкая площадка между выпуклыми или выпуклыми и вогнутыми (при внутреннем зацеплении) боковыми поверхностями зубьев. Между парой контактирующих зубьев возникает нормальная сила Fn (рис. 1.2), направленная по линии зацепления (по общей нормали к рабочим поверхностям зубьев). где ак - контактное напряжение; Ак - площадь поверхности контакта.
Проходя зону зацепления при работе передачи, зубья подвергаются циклическому контактному нагружению, которое вызывает высокие напря жения в зоне контакта и в переходных поверхностях. В зонах действия максимальных напряжений со временем происходит повреждение зубьев: поломка зуба, выкрашивание, износ зубьев, заедание. Теорию расчета контактных напряжений и деформаций разрабатывали многие ученые. Классические работы Г. Герца, Н.М. Беляева, СП. Тимошенко, эксперименты и расчеты А.И. Петрусевича, Д.Н. Решетова, В.Н. Кудрявцева, СВ. Пинегина, С.С. Кленикова, СА. Шувалова и многих других ученых позволили создать расчеты деталей машин на усталостное разрушение [58,61,62,88,90]. При расчетах прямозубых и косозубых передач полагают, что контакт зубьев аналогичен контакту двух цилиндров с радиусами, равными радиусам кривизны эвольвент зубьев в точке контакта, т.е. для расчета параметров контакта зубьев используется задача Г. Герца о контакте цилиндров. В зацеплении зубьев максимальное контактное напряжение где qn - нормальная удельная сила; рпр - приведенный радиус кривизны эвольвент в контакта; р/ - радиус кривизны эвольвенты шестерни; р2 - радиус кривизны эвольвенты колеса; Ft - окружная сила в зацеплении; bw - ширина венца колеса; aw - угол зацепления; Кца - коэффициент нагрузки; Кщ - коэффициент концентрации нагрузки; KHv - коэффициент динамичности; и - передаточное число; fib -угол наклона зубьев на основном цилиндре; dw\ - диаметр начальной окружности шестерни; а - угол зацепления в полюсе в торцевой плоскости. Поломка зуба происходит в результате перегрузок (ударного или статического характера) или от длительной переменной нагрузки, под действием которой в зонах концентрации напряжений образуются и развиваются усталостные трещины. Выкрашивание - отрыв от рабочей поверхности зубьев мелких частиц металла, приводящий к образованию раковин. Этот вид разрушения происходит в закрытых, смазываемых передачах под действием переменных контактных напряжений. Эффективными средствами предотвращения выкрашивания являются увеличение поверхностной твердости зубьев, подбор химически неактивных материалов и др. [18, 91, 93, 94]. Износ зубьев является причиной выхода из строя преимущественно открытых передач при плохом смазывании, не защищенных от попадания абразивных частиц. Для уменьшения износа обеспечивают защиту от попадания абразивных частиц в зону контакта, повышение твердости поверхностей, применение смазочных материалов с повышенной вязкостью. Заедание наблюдается в высоконагруженных и высокоскоростных передачах и является следствием разрыва масляной пленки из-за высоких контактных напряжений. Проявляется в образовании молекулярного сцепления поверхностных слоев металла и последующим разрушением этих связей в процессе скольжения зубьев. Заеданию предшествуют процессы разрушения окисных слоев и адсорбированных пленок, механотермическая активация поверхностных слоев материала [26, 95, 96]. Меры предупреждения заедания: повышение поверхностной твердости зубьев путем их химико-термической обработки, фланкирование, применение противозадирных смазочных материалов и др. [97, 104, 107, 108, 110-116, 176, 177].
Анализ конструкций и режимов эксплуатации шарнирных соединений
Разборные цепи по конструкции и способу изготовлению разделяют на горячештампованные (кованые) и холодноштампованные. Разборная кованая цепь состоит из парных секций, каждая из которых собирается из двух наружных звеньев, валика и внутреннего звена. Наружные звенья имеют в середине перемычку для жесткости, а на краях фасонные гнезда для головок валиков, препятствующие вращению валиков при повороте звеньев цепи. Внутреннее звено выполнено со сквозным просветом и с увеличенной толщиной на концах, в местах соприкосновения с валиками. При повороте звеньев цепи трение происходит между валиком и внутренним звеном. Широкая поверхность контакта в местах соприкосновения этого звена с валиком способствует уменьшению давления и износа звена и валика.
Разборная горячештампованная цепь по своим показателям является одной из наиболее совершенных цепей; она находит широкое применение в подвесных, сборочных, тележечных и скребковых конвейерах.
Основные параметры тяговых разборных цепей определены ГОСТ 589-74 (табл. 2.4). Предусмотрено изготовление двух типов: Р1 — с вращающимися и Р2 - с фиксированными валиками. Шаги цепей: 63, 80, 100, 160, 200 и 250 мм.
Благодаря пространственной гибкости тяговой цепи конвейер может обслуживать большое количество транспортно-технологических операций в одном или нескольких цехах, расположенных на различных уровнях. В связи с этим на протяжении всего периода обращения конвейера, на нее могут действовать высокие и низкие температуры, агрессивные среды, изменяться влажность, запыленность атмосферы и другие окружающие условия, неблагоприятно сказывающиеся на работоспособности тяговой цепи конвейера и повышающие износ шарниров цепи.
Пространственная гибкость трассы конвейера позволяет перемещать транспортируемые грузы в любом направлении с подъемами и спусками, являясь его неоспоримым преимуществом, в то же время играет отрицательную роль в обеспечении долговечности цепи. При изгибе цепи в плоскости осей шарниров происходит перераспределение давления в шарнире, которое уже действует не по всей поверхности контакта звена и валика, а по одной из кромок звена. Согласно ГОСТ 589-74 относительный поворот внутреннего и наружного звеньев возможен на угол ср до 13 (рис. 2.8).
Пространственность трассы конвейера обеспечивается специальной формой направляющих путей, наличием поворотных блоков, роликовых батарей, звездочек. Для разборных цепей наиболее целесообразно использование поворотных устройств со звездочками, где форма зубьев и впадин между зубьями исключает изгиб звеньев, который имеет место при использовании поворотных устройств с роликовыми батареями.
Работа тяговой цепи конвейера имеет характерную особенность - удары шарнира цепи о зубья звездочек. Относительное скольжение в соединении валика и звена происходит в момент входа в зацепление со звездочкой и в момент выхода из зацепления.
Другой причиной низкой долговечности шарниров тяговых цепей является неточность изготовления сопрягаемых деталей. Основные размеры валиков и звеньев не соответствуют требованиям ГОСТ. Валики обладают некруглостыо, не удален облой, рабочая поверхность звеньев имеет бочкообразную форму. Все это приводит к нарушению формы фрикционного контакта, уменьшению площади контактирования, увеличению давления в шарнире и увеличению износа. Как показала статистическая обработка результатов измерений размеров партии валиков и звеньев, радиальный зазор в соединении изменяется от 0,01 до 0,5 мм.
В реальных условиях работы конвейеров отсутствуют режимы приработки подвижного соединения. Не реализуется ступенчатое изменение натяжения цепи, которое определяется степенью загруженности конвейера.
Регулярная очистка от грязи и рациональная смазка шарниров значительно увеличивает срок службы цепи. Разборные цепи смазывают периодически 1 раз в 4 - 6 месяцев. Обычно для смазывания шарниров в производственных условиях применяют индустриальные масла (ГОСТ 20799-75), соли-долы, консталины, графитол [124, 125]. Как показывают исследования [126, 127], даже при обильном смазывании, цепные шарниры работают при полусухом режиме трения вследствие реверсивности движения трущихся поверхностей, высоких давлениях и при сравнительно малой скорости скольжения.
Элементы тяговой цепи - валики, внутренние и наружные звенья изготавливают из сталей марок 45, 50, 40Х, 40ХФА, 50Г2, 40Г2 и подвергают термической обработке (закалке и отпуску). Твердость после термообработки для внутренних и наружных звеньев составляет HRC 27 ... 32, для валиков HRC32...38.
Исследование влияния поверхностно-активных веществ на триботехнические параметры подвижных соединений
Смазочные материалы являются конструкционным элементом узла трения, во многом определяющим долговечность, надежность и потери на трение в трибосопряжениях (см. 1.3).
Эффективность использования смазочного материала в узле трения зависит от многих факторов: условий его применения (температуры, нагрузок, скоростей перемещения, характеристик окружающей среды и т.п.), режима эксплуатации машины или механизма (постоянных или переменных внешних воздействий, остановок и т.п.), конструктивных особенностей узла трения (типа, размера, характера движения трущихся поверхностей и др.), состава и свойств материалов, с которыми смазочный материал находится в контакте в процессе работы [217].
В процессе работы машин и механизмов происходят значительные химические и физические изменения масел, изменения их состава и свойств, что влияет на эксплуатационные свойства масел. Для предотвращения подобных изменений в большинство смазочных масел вводят специальные вещества и их композиции. По функциональному действию присадки разделяют на антиокислительные, антифрикционные, противоизносные, противоза-дирные и др.
Действие антиокислительных присадок направлено на стабилизацию химического состава масла, особенно при высоких температурах. Антифрикционные, противоизносные и противозадирные присадки предназначены для улучшения смазывающих свойств масел.
Поскольку все присадки являются поверхностно-активными веществами (ПАВ), то независимо от своего функционального назначения, они влияют на смазочную способность масла. На рис. 3.24 приведены экспериментальные данные испытаний некоторых веществ, используемых в качестве присадок и жидкого масла ВМ-1, на температурную стойкость. Жирные вещества - касторовое масло и олеиновая кислота имеют высокую температурную стойкость
Глицерин, обладая невысокой температурной стойкостью, имеет важное свойство по отношению к меди - стимулирует протекание избирательного переноса при трении стали по медьсодержащему сплаву [105, 184, 212, 214]. Добавление глицерина к металлоплакирующим смазочным материалам Ц201МІ0 улучшает их триботехнические свойства. На рис. 3.25 и в таблице 3.1 представлены результаты исследований. Видно, что критическая нагрузка увеличивается и можно говорить о некотором оптимуме содержания присадки. На рис. 3.26 виден этот оптимум - при содержании глицерина в количестве 20% наибольшая критическая нагрузка для смазочного материала. Нагрузка сваривания во всех случаях ниже, чем для базового смазочного материала без присадки глицерина.
Температурная стойкость металлоплакирующего смазочного материала монотонно повышается с увеличением присадки глицерина, что видно на рис. 3.27 и в таблице 3.2.
Олеиновая кислота аналогично влияет на триботехнические свойства металлоплакирующих смазочных материалов: уменьшая нагрузку сваривания, при некотором оптимальном количестве присадки повышает критическую нагрузку. Результаты приведены на рис. 3.28 и в таблице 3.3.
Глицерин, как смазочная среда, широко исследовался [105, 184, 239, 240] по комплексной программе среди других смазочных материалов, проявляющих поверхностную активность к взаимодействующим материалам. На фрикционном контакте в результате механохимических превращений в процессе трения образуются низкомолекулярные продукты [239, 240]. Методом масс-спектрометрии обнаружены вода, формальдегид, метиловый спирт, уксусный альдегид, муравьиная кислота, этиловый спирт, акролеин, пропионо вый альдегид и др. Эти продукты могут являться восстановителями, что ускоряет образование медной пленки на фрикционном контакте [184].
Оборудование и методика получения металлополимерного покрытия
Диффузионная сварка — разновидность сварки давлением — происходит за счет взаимной диффузии атомов контактирующих частей при относительно длительном воздействии повышенной температуры и незначительной пластической деформации (ГОСТ 2601—74); сварное соединение образуется в результате диффузии атомов соединяемых частей через поверхность стыка как в твердом, так иногда и в жидком состоянии (при применении расплавляющегося промежуточного слоя). Соединяемые поверхности с помощью приложения сжимающего давления сближаются на расстояния действия межатомных сил. Если процесс соединения протекает при наличии жидкой фазы, то потребность в давлении отпадает, поскольку происходит предварительное смачивание соединяемых поверхностей жидкой пленкой [42].
Сварку проводят в специальных сварочных установках. Установки для диффузионной сварки не сложны по своей конструкции (рис. 4.7). Две части детали помещают в вакуумную камеру 1, в процессе сварки камера охлаждается проточной водой 2, для защиты деталей от интенсивного окисления в процессе разогрева и сварки стыкующихся поверхностей в рабочей камере обеспечивается разрежение 3; источником нагрева свариваемых деталей служит индуктор высокочастотного генератора 4; сжимающее усилие передается от гидросистемы 5. После сварки детали охлаждаются в вакуумной камере до соответствующей температуры [34, 37, 39, 84].
При данном способе образование соединения обусловлено действием трех основных параметров, за которыми необходим тщательный контроль.
Это — температура, давление и время выдержки (сварки) при заданных пературе и давлении [34, 36, 37, 45]. тем Температура соединения для однородных материалов, как правило, должна составлять 0,5-0,7 температуры плавления металлов или сплавов, при сварке разнородных металлов - металла с более низкой температурой плавления.
Повышение температуры необходимо для ускорения взаимной диффузии атомов материалов через поверхность стыка; для обеспечения некоторого размягчения металла, которое способствует поверхностной деформации — смятию неровностей, в результате чего соединяемые поверхности более плотно контактируют друг с другом и ускоряется процесс диффузии.
Давление служит одной главной цели: обеспечить плотный контакт поверхностей, подлежащих соединению. Величина прилагаемого давления должна быть достаточной, чтобы в результате деформации поверхностей соединяемых деталей все пустоты в области стыка заполнились свариваемыми материалами. Если давление недостаточно, мелкие пустоты сохраняются, значительно снижая качество соединения. Вспомогательная функция давления заключается в разрушении поверхностных окислов, обеспечивая необходимую чистоту соединяемых поверхностей.
Время протекания процесса сварки при заданных температуре и давлении в большинстве случаев должно быть минимальным, что обосновано как физико-механическими, так и экономическими соображениями. Для диффузионной сварки необходимо лишь время для обеспечения плотного контакта и диффузии. Слишком значительная диффузия может привести к образованию пустот в шве (в зоне соединения), в ряде случаев к образованию хрупких интерметаллических фаз (при соединении разнородных металлов и сплавов). Для получения наиболее прочного соединения достаточно лишь установление плотного контакта между соединяемыми поверхностями и минимальная диффузия атомов через поверхность соединения.
Диффузионная сварка наилучшим образом протекает при вакууме не ниже 10 мм рт. ст. или при бескислородной атмосфере инертного газа. С этой целью используют сухой аргон либо гелий (точка росы ниже -57 С). Иногда для восстановления применяют газовую водородную среду для предотвращения окисления и других загрязнений соединяемых поверхностей.
С целью совмещения полезных противоизносных и антифрикционных свойств фторопласта и порошков мягких металлов был выбран способ изготовления покрытия методом диффузионной сварки в вакууме. Способ реализован с помощью установки A306.04 с радиационным нагревом в вакууме (1,3 ... 0,13 Па). Сварка производилась в вакуумной камере (рис. 4.8) путем нагрева с одновременным сжатием свариваемых деталей. В комплект установки входят: - генератор высокой частоты АЗ-2-67, вакуумметр ВИТ-2, потенциометр КСП-4 с термопарой хромель-аллюминий, нагружающее устройство. Смесь порошков помещается в приспособление для сварки, устанавливается в нагружающее устройство внутри радиационного нагревателя. В процессе исследований были выявлены оптимальные величины процесса нагревания и силового воздействия на получаемый материал: скорость нагрева смеси порошков, величина сжимающего усилия, темпера тура спекания материала, время выдержки при температуре спекания, скорость охлаждения в приспособлении и на воздухе.
В качестве основы покрытий использовались порошки фторопласта Ф-4Д, Ф-4МБ, Ф-40. Наполнителем служили порошки меди ПМ1, никеля ПНЭ, силицированного природного графита и серебристого графита. Технологический процесс получения металлополимерного покрытия реализуется следующим образом [303].
На предварительно обработанную поверхность металлического изделия наносят фторполимер с наполнителем, нагревают до температуры спекания в вакууме или защитной среде со скоростью 0,1-0,3 град/с, спекают под давлением 0,5-5 МПа в течение 15-40 мин, после чего, не снимая давления, проводят охлаждение в две стадии: со скоростью 1-3 град/с до 310-290 С, а на воз духе до 150-120 С. Способ позволяет повысить эксплуатационные характеристики и снизить трудоемкость нанесения покрытий. Способ реализуется с помощью специальных приспособлений, формирующих форму покрытия. На рис. 4.9 изображена схема осуществления способа.
