Введение к работе
Актуальпость темы диссертации. Повышение конкурентоспособности отече-гвенных изделий машиностроения на мировом рынке является одной из важнейших щач, стоящих перед промышленностью в настоящее время. Решение этой задачи во ногах случаях определяется необходимостью улучшения технико-экономических оказателей машин и их приводов. В связи с этим элементы привода должны соот-зтствовать не только высокому техническому уровню, но и обеспечивать рабочие арактеристики в различных условиях эксплуатации.
Механизмы свободного хода (МСХ) в силу присущих им сзойств широко приме-яются в приводах машин. Анализ технического развития МСХ выявил две главные гнденции по выработке требований к их эксплуатационным характеристикам. Это овершенствование существующих конструкций и разработка новых МСХ.
Необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований же известных, усовершенствованных и оригинальных конструкций МСХ является ктуалыюй задачей. Это объясняется тем, что на стадии проектного расчета появля-гся возможность в полной мере реализовать потенциальные свойства МСХ, выбрать :атериал для изготовления и рационально сконструировать его в зависимости от ребуемых эксплуатационных условий.
В практическом плане такой подход будет способствовать повышению качества конкурентоспособности отечественной продукции машиностроения и позволит олучить значительный экономический эффект.
Связь работы с крупными научпыми программами, темами. Данная работа ыполнялась по координационному плану ГКНТ при СМ СССР (1984-1990 г.г.) а акже госбюджетных и хоздоговорных НИР: ХД 211-89 (ОАО «МОГОТЕКС» 1989-992 г. г.), ГБ № 9110 (ГР № 01910007634, 1991-1995 г. г.), ГБ № 9115 (ГР Г01910007812, 1991-1995 г. г.).
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является совершенство-ание конструкции и повышение надежности шарикового механизма свободного хода орцового типа.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
исследование работы ШМСХ на основных режимах;
исследование механизма изнашивания главных элементов ШМСХ;
разработка методики расчета ШМСХ;
разработка рекомендаций по проектированию ШМСХ.
Объект исследования. Объектом исследования является шариковый механизм вободного хода торцового типа орипшалыюй конструкции. Предметом исследования вляются процессы, происходящие при взаимодействии шарика с пространственным
2 клином, образованным взаимным расположением двух канавок, поверхнос которых относятся к семейству открытых торовых поверхностей.
Методология и методы проведенного исследования. Исследования основні режимов работы ШМСХ проводились на основании положений теоретической ме> ники, теории машин и механизмов, основных положений расчетов на трение и изнс вычислительной математики, дифференциального и интегрального исчисления. П] проведении экспериментальных исследований основных режимов работы ШМС использовались методы математического планирования эксперимента и статистик ской обработки полученных результатов с применением регрессионно - коррелян онного анализа, методы слепков, электротензометрирования, меднения шариков.
Структурные и фазовые превращения в поверхностном слое материала элемент сопряжения «шарик - криволинейная канавка» проводились металлографически? методами анализа с использованием оптического микроскопа «NEOFOT» (Karl Zei lena), РЭМ «Nanoiab-7» фирмы «Opton» (ФРГ). Измерения микротвердости элемент сопряжения ШМСХ осуществлялись на микротвердомерах ПМТ-3 и «Micromet-: фирмы «Bullermet».
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
впервые исследовано на основных режимах работы взаимодействие шари с поверхностями канавок, образующих в ШМСХ пространственный клин. Определ ны условия для заклинивания шариков, сохранения заклиненного состояния с учет< неравномерности распределения нагрузки между шариками, условие расклиниван: механизма. Это позволило установить степень влияния геометрических и кинематич ских параметров ШМСХ на его работоспособность;
определен характер движения шариков при работе ШМСХ в режиме свобода го хода. Впервые установлены факторы, влияющие на величину суммарного момен трения в механизме. По критерию минимальности потерь на трение определено обг няющее звено механизма и установлены оптимальные значения величины торцово зазора полумуфт в режиме заклинивания;
исследовано состояние материала поверхностного слоя (ПС) элементов сопр женил «шарик — криволинейная канавка». Это впервые позволило определить факт ры, влияющие на состояние материала поверхностей главных элементов ШМСХ, установить степень их влияния на физико -механические свойства ПС, вид фрикц онного контакта в сопряжении и схемы контакта шарика с поверхностями канаві полумуфт механизма;
раскрыт механизм изнашивания элементов сопряжения «шарик - криволине ная канавка» в режиме свободного хода ШМСХ, характерный для циклического упр гого деформирования материала контактирующих поверхностей, отличающий преобладающим влиянием термического разупрочняющего фактора на ПС материа элементов. Установлено, что наибольшему влиянию термического разупрочняюще фактора подвержены шарики. Определена интенсивность их изнашивания. Разраб
ша физическая модель процессов, происходящих в сопряжении при работе IMCX в режиме свободного хода. Определены критерии по выбору материалов для зготовления деталей механизма;
- разработана методика расчета, позволившая впервые на основе полученных іалитических выражений определить основные параметры разработанного ШМСХ. ри этом учитывается выполнение условий по контактной прочности, угловой жест-эсти, а также оценивается работоспособность механизма в режиме свободного хода о предельному износу шариков.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанная ме-эдика расчета ШМСХ торцового типа, позволяет на стадии проектирования опреде-ять оптимальные геометрические параметры конструкции и оценивать ее работр-тособность.
На основе данной методики спроектирован ШМСХ торцового типа привода ногоканальной системы вентиляции производственных помещений. Механизм полостью удовлетворяет требованиям к данному приводу и обеспечивает работу его кодного звена в тяговом и тормозном режимах. Применение оригинального ШМСХ приводе многоканальной системы вентиляции производственных помещений ОАО МОГОТЭКС» подтверждено актом о промышленном внедрении. Конструкция при-эда, содержащего ШМСХ, защищена документом о технической новизне [29].
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Методика расчета, позволяющая на основе полученных аналитических выра-ений определять основные геометрические параметры ШМСХ торцового типа с четом требований контактной прочности и угловой жесткости, и оценивать его ра-отоспособность в режиме свободного хода по предельному износу шариков.
-
Результаты исследования по выявлению факторов, влияющих на состояние ма-фиала ПС элементов сопряжения «шарик - криволинейная канавка», и позволяющие ценивать физико-механические свойства материала ПС шарика и канавок при работе JMCX в режиме длительного свободного хода.
-
Результаты исследования работы ШМСХ торцового типа на основных режи-ах, позволившие установить зависимость между основными геометрическими и ки-ематическими параметрами и определить их влияния на работоспособность ШМСХ.
-
Механизм изнашивания сопряжения «шарик - криволинейная канавка». Физи-еская модель процессов, происходящих в сопряжении работе ШМСХ в режиме сво-одного хода.
-
Рекомендации по проектированию и использованию разработанных ШМСХ эрцового тина.
-
Перспективные конструкции ШМСХ, защищенные документами о технической овизне.
Личный вклад соискателя. Опубликованные по теме диссертации работы вы-олпены автором лично и в соавторстве. Автором лично разработаны (выполнены):
методика расчета геометрических и кинематических параметр» ШМСХ, учитывающая условия контактной прочности, угловой жесткости и его раб тоспособность по предельному износу тел заклинивания;
теоретические и экспериментальные исследования основных режимов работ механизма;
испытательный стенд и образцы ШМСХ для проведения экспериментальнь исследований, а также физическая модель механизма;
металлографические исследования материала поверхностного слоя элемент* сопряжения «шарик - криволинейная канавка»;
раскрыт механизм изнашивания элементов сопряжения «шарик - криволине ная канавка» и разработана физическая модель процессов, происходящих в сопряж нии «шарик — криволинейная канавка» при работе ШМСХ в режиме свободного хол
конструкция ШМСХ торцового типа применительно к приводу технологій ского оборудования.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты и положения ди сертации доложены и обсуждены на Международных научно-технических конфере циях (Владимир 1992 г.; Москва 1992 г.; Минск 1993 г., 1995 г.; Витебск 1995 г.; Кал нинград 1997 г.; Могилев 1999 г., 2000 г.), на республиканских научно-техничесю конференциях (Могилев 1991 г., 1993 г., 1994 г.).
Опубликованность результатов. Основные положения диссертации опублик ваны в 29 печатных работах, в том числе в одной статье в международном журнал одной статье в журнале, двух статьях в сборниках научных трудов, 17 тезисах докл дов на международных и республиканских конференциях. Новизна технических реш пий подтверждена пятью авторскими свидетельствами СССР и тремя патентами Ро сийской Федерации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общ* характеристики работы, 4-х глав, заключения, списка использованных источников ] 157 наименований, 6-й приложений. Работа содержит 121 страницу основного тексі 4 таблицы, 91 лист рисунков, 61 страницу таблиц приложений с 22 листами рису] ков.