Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 8
1.1. Анализ отказов и условий работы кп тракторов кировец 8
1.1.1. Анализ отказов и ресурс а кп 8
1.1.2. Особенности, устройство и работа кп с переключением передач под нагрузкой 10
1.1.3. Условия работы колец в кп
1.2. Исследование деталей узла уплотнения на ремонтном предприятии и технич еские требования, предъявляемые к ним 24
1.3. Выбор материала, и требования предъявляемые к кольцам
1.3.1. Выбор материала для уплотнительных колец и требования, предъявляемые к нему 30
1.3.2. Требования, предъявляемые к готовым кольцам 34
1.4. Производство уплотнительных колец 36
1.4.1. Способы получения заготовок 36
1.4.2. Механическая обработка заготовок колец 38
1.5. Выбор способа для изготовления уплотнительных колец 41
1.6. Цель и задачи исследования 44
2. Общая методика исследования 46
2.1 Программа исследований 46
2.2 Методика проведения стендовых испытаний
2.2.1 Методика испытаний ведущего вала 47
2.2.2 Методика испытаний кп
2.3 Методика эксплуатационных испытаний 50
2.4 Методика обработки экспериментальных данных 52
2.5 Выводы 53
3. Теоретические предпосылки обеспечения долговечности уплотнительных колец 55
3.1. Анализ схем нагружения колец при применении различных устройств для термофиксации 55
3.2. Исследование зависимости остаточной деформации в процессе изготовления уплотнительных колец
3.3 Выбор эпюры радиальных давлений из условия долговечности 71
3.4 Оценка точности методов измерения
3.5. Расчет параметров колец 80
3.6. Расчет параметров устройства для термофиксации 88
3.7. Разработка оптимальной технологии изготовления уплотнительных колец 94 3.8 полученные параметры колец 98
3.9. Выводы 100
4. Результаты экспериментальных исследований 102
4.1. Результаты стендовых испытаний 102
4.1.1 Результаты испытания ведущего вала. 102
4.1.2 Результаты испытания кп 103
4.2. Результаты эксплуатационных испытаний 105
4.3 Выводы 108
5. Расчет технико-экономической эффективности 109
Общие выводы 112
Литература
- Анализ отказов и ресурс а кп
- Методика испытаний ведущего вала
- Исследование зависимости остаточной деформации в процессе изготовления уплотнительных колец
- Результаты эксплуатационных испытаний
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из главных задач, стоящих перед сельским хозяйством на протяжении нескольких десятилетий, является повышение производительности машинно-тракторных агрегатов и улучшение условий труда тракториста. Основой для повышения производительности является комплексная механизация, которая предусматривает применение машин с высокими технико-экономическими показателями и использование средств автоматизации. В свою очередь повышение производительности машинно-тракторных агрегатов достигается повышением рабочих скоростей и улучшением использования тяги сельскохозяйственных машин. Это требует внедрения автоматического регулирования нагрузочного и скоростного режима работы тракторного агрегата и автоматизации его управления.
Для наиболее эффективного использования мощности двигателя и экономичной работы агрегата, необходимо изменять передаточные отношения трансмиссии в соответствии с изменениями внешнего сопротивления движению трактора, которое изменяется в широких пределах.
Оптимальными для тракторов были бы трансмиссии с бесступенчатыми коробками передач (КП), которые позволяли изменять крутящий момент на ведущих колесах в строгом соответствии с изменяющимся сопротивлением движению.
До настоящего времени трансмиссии, которые отвечали указанным требованиям и были бы пригодными для использования на тракторах с точки зрения надежности, работоспособности и стоимости, до сих пор не созданы. Но созданы и получили распространение трансмиссии, которые частично отвечают указанным требованиям и повышают эксплуатационные показатели трактора. К таким относятся гидромеханические трансмиссии и механические трансмиссии, переключение передач которых происходит без разрыва потока мощности.
Такие трансмиссии применяются на отечественных тракторах Кировец (К-700А, К701), Т-150, Т-150К, а так же на тракторах зарубежных фирм: Форд, Джон Дир, Кейс, Массей-Ферпосон и др. Коробка передач является одним из основных элементов таких трансмиссий.
Установлено, что после ремонта ресурс КП тракторов "Кировец" снижается в 1,67 раза, по сравнению с ресурсом новых КП. В связи с этим, изучение влияния различных узлов и деталей на работоспособность КП с переключением передач под нагрузкой и предложение мероприятий по повышению долговечности КП является актуальной и перспективной задачей.
Цель работы - увеличение межремонтного ресурса коробок передач трактора "Кировец", путем совершенствования технологии изготовления уп-лотнительных колец.
Объект исследования - уплотнительные кольца коробки передач трактора "Кировец".
Методика исследования включает в себя применение современных методов и измерительных приборов. Для измерения формы колец применялся бесконтактный метод с использованием большого микроскопа инструментального (БМИ).
Моделирование процессов, их оптимизация и обработка результатов проводились на современных ПЭВМ.
Научная новизна. Выявлены закономерности изменения формы термо-фиксированных колец в процессе аккомодации. Теоретически обоснована схема нагружения уплотнительных колец при термофиксации.
Практическая ценность. На основании проведенных исследований создано и теоретически обосновано устройство для термофиксации уплотнительных колец, обеспечивающее получение необходимых параметров.
Устройство защищено патентами Р. Ф. № 2087553, № 2111266.
Внедрение. КП тракторов "Кировец" с экспериментальными уплотни-тельными кольцами прошли эксплуатационные испытания в хозяйствах Са-
ратовской области: СХПК Марфинское; Учебно - опытное хозяйство Мумов-ское; УОПП Елизаветенское.
Апробания. Основные положения диссертационной работы были доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского государственного агро-инженерного университета (1995....2000 гг.); на межгосударственном научно-техническом семинаре "Проблемы экономичности эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ", проводимом в Саратовском государственном агроинженерном университете (1996..1999 гг.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах общим объемом 1,1 печатных листа.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 155 стр. машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Содержит 26 рис., 16 таблиц, 8 приложений. Список использований литературы включает 74 наименования, в том числе 3 на иностранном языке.
Анализ отказов и ресурс а кп
Трансмиссия с переключением передач под нагрузкой - это такая ступенчатая трансмиссия (рисунок 1.3), где переключение передач может осуществляться без предварительного снятия нагрузки с двигателя. Эта трансмиссия характеризуется тем, что переключение передач производится без разрыва потока мощности от двигателя к ведущим колесам, либо его длительность сокращена в несколько раз по сравнению с обычными, механическими КП. Переключение передач в такой трансмиссии осуществляется при помощи фрикционных элементов с гидравлическим или пневматическим управлением, без выключения главной муфты сцепления, то есть переключение передач осуществляется под нагрузкой.
Это позволяет сократить время и усилия, затрачиваемые на переключение передач, устранить остановки тракторного агрегата, повысить его производительность. В механизме переключения передач у таких трансмиссий отсутствуют скользящие шестерни. Благодаря своим конструктивным отличиям от обычных механических коробок, такие КП имеют ряд преимуществ, к которым можно отнести легкость переключения передач и отсутствие скола зубьев шестерен.
Применение фрикционных элементов позволяет исключить из схемы трансмиссии главную муфту сцепления, что сделано на отечественных тракторах "Кировец" и некоторых моделях зарубежных тракторов фирм: Форд, Кейс [3]. В этих случаях фрикционные элементы, помимо своего основного назначения, служат для быстрого отключения двигателя от ведущих колес, плавного трогания и разгона трактора, ограничения крутящего момента, действующего на детали двигателя и трансмиссии.
Необходимо заметить, что у различных тракторов порядок расположения основных частей КП может быть различен. Так у трактора Т-150К мощность двигателя подается к диапазонной части, а затем к части где переключение передач производится под нагрузкой (рисунок 1.4).
Главной особенностью рассматриваемой трансмиссии является то, что КП имеет две группы ступеней (диапазоны и передачи), или состоит из двух коробок передач (основной и дополнительной). Это делает ее более сложной и громосткой, но более удобной в эксплуатации.
Для того, что бы определить какие узлы и детали оказывают существенное влияние на работу КП с переключением передач под нагрузкой, рассмотрим устройство и работу КП, на примере коробки передач трактора "Кировец" (Рисунок 1.5). Коробка передач этого трактора механическая, 16 скоростная (четыре диапазона и четыре переключаемых под нагрузкой передачи), с шестернями постоянного зацепления, механическим приводом с зубчатыми муфтами и гидравлическим управлением фрикционами, обеспечивающим переключение передач без разрыва потока мощности в диапазоне каждого режима [15].
Коробка передач трактора "Кировец" позволяет изменять скорость движения трактора, осуществлять привод насосов гидросистемы управления поворотом и навесного устройства, выполнять задний ход, отключать задний ведущий мост, а так же передавать вращение на вал отбора мощности.
Редукторная часть КП (рисунок 1.5) состоит из ведущего 1, промежуточного 5, грузового 9, раздаточного 14 валов и вала привода насоса 26. Ведущий вал (рисунок 1.6) трехопорный, на нем расположены четыре фрикциона 3,6,7, и 9 и пять прямозубых конических шестерен. Ведущий вал 1 пустотелый, в нем установлены два маслопровода 24, подводящие масло к фрикционам 3 и 9. Подвод масла к фрикционам 6 и 7 осуществляется из средней опоры вала.
Промежуточный вал трехопорный, на шлицах вала установлено семь пар шестерен 2, 3, 4, 21, 22, 23, 24, четыре из которых 3, 4, 22, 24, находятся в постоянном зацеплении с шестернями ведущего вала. На грузовом, трехопорном валу установлены пять цилиндрических прямозубых шестерен 6, 7, 8, 17, 19 и две зубчатые муфты 18, 20.
Раздаточный вал состоит из двух частей: вала привода переднего моста 14, вала привода заднего моста 16.
Как правило, все фрикционные муфты расположены на одном из валов КП и работают поочередно, в соответствии с задаваемой передачей. На тракторах "Кировец" и МТЗ - 80 А фрикционные муфты расположены на ведущем валу, а на промежуточном валу - шестерни постоянного зацепления (рисунок 1.5 ).
Методика испытаний ведущего вала
После проведения испытаний ведущего вала были проведены испытания коробки передач в сборе. При сборке КП в нее были установлены отрегулированные и обкатанные редуктор привода насосов, механизм переключения передач, масляный насос, гидроаккумулятор.
Перед испытанием коробки передач в картер коробки заливалось масло М-ЮГг до уровня верхнего контрольного отверстия.
После чего для заполнения маслом масляных магистралей стенда, ведущий вал коробки передач прокручивали в течение 2"х минут при 900 мин"1. После чего производилась доливка масла до верхнего уровня контрольного отверстия.
Редукционный клапан был отрегулирован на давление 850 КПа при частоте вращения ведущего вала 950 мин"1 и температуре масла 55 С, а маслопроводы смазки полужесткой муфты и муфты механизма ВОМ были соединены со сливом в коробку передач для поддержания уровня масла в норме.
После этого производилось испытание коробки передач без нагрузки при нейтральном положении рычагов управления в течении 20 минут при частоте вращения ведущего вала 950 мин"1. При этом насосы навесной системы и задний выходной фланец коробки передач к заднему мосту были включены.
В таком режиме определялось давление масла в системе смазки коробки передач и давление масла поступающего на муфту механизма ВОМ.
При проведении испытаний, течь масла через уплотнения и наружные соединения не наблюдалась. После испытаний при нейтральном положении рычага переключения передач были проведены испытания коробки на первой, второй, третьей и четвертой передачах в течении 20 мин. на каждой из них. При этом рычаг кулисы должен находится в нейтральном положении, т.е. при выключенных режимах. В этом режиме определялось давление масла в фрикционах.
После этого производились испытания коробки передач при 1200 мин"1 на различных режимах и передачах (таблица 4.2), с включенными задним выходным фланцем и насосами навесной системы. Переключение передач в пределах одного диапазона производилось с последовательным переходом с низшей передачи к высшей. При этом определялось давление в фрикционах передач, фрикционе ВОМ и системе смазки КП.
При проведении испытаний производилось повторение последних двух режимов для достоверности полученных результатов. Далее производилось измерение давление масла в фрикционах и системе смазки КП, при частоте вращения ведущего вала 1850 мин"1 на всех режимах и передачах. Температура масла в коробке передач во время испытаний составила 80 С. Продолжительность испытания коробки передач в сборе составила 33,5 часа. Общая продолжительность стендовых испытаний составила 60 часов.
При проведении эксплуатационных испытаний экспериментальные кольца устанавливались на ремонтируемые КП тракторов "Кировец".
После ремонта КП производили обкатку тракторов в течении первых 60 моточасов, так как правильно проведенная обкатка является необходимым условием долговечной работы трактора. Обкатка тракторов проводилась в следующих условиях. В первые 10 часов, работа трактора осуществлялась с нагрузкой на крюке не выше 30 % от номинальной, как правило выполнение легких транспортных работ. Работа тракторов осуществлялась на всех режимах и передачах переднего хода и одной из передач заднего хода с крутыми поворотами влево и вправо на первом и втором режимах и плавными поворотами на третьем и четвертом режимах.
На втором этапе нагрузка на крюке увеличивалась до 70%, в таком режиме работа тракторов составила 30 часов.
На третьем режиме обкатка тракторов производилась путем агрегатирования тракторов с сельскохозяйственными машинами и орудиями на режимах, исключающих перегрузку двигателя и трансмиссии. Во время работы трактора с навесными сельскохозяйственными орудиями производилась проверка гидросистемы навесного устройства. При этом производилось несколько подъемов и опусканий орудия на средней и максимальной скорости вращения выходного вала двигателя.
Во время обкатки производилось наблюдение за работой агрегатов трансмиссии, гидросистемы и электрооборудования. Не допускалась перегрузка и дымление двигателя. Ограничение мощности двигателя производилось в течении 120 часов работы трактора.
После обкатки производилась замена масла в системе смазки двигателя, коробки передач, главной и конечных передачах ведущих мостов, промежуточной опоре, гидробаках гидросистемы управления поворота и навесного устройства. Была проведена замена фильтрующих элементов масляных фильтров двигателя, были промыты фильтры коробки передач, гидросистем управления поворотом и навесного устройства. Было проведено ТО-1.
После обкатки трактора с экспериментальными уплотнительными кольцами выполняли весь комплекс сельскохозяйственных работ в соответствии с планом хозяйств. Программа эксплуатационных испытаний специально не задавалась. Каких-либо особых условий обслуживания или эксплуатации не создавалось, что позволило оценить работу колец в реальных условиях эксплуатации. Наработка КП с экспериментальными кольцами в различных хозяйствах составила в среднем 2,6 тыс. моточасов.
Во время зимней эксплуатации при температуре окружающего воздуха ниже минус 25 С в коробку передач и гидросистему навесного устройства заправлялась смесь масел 80% применяемого зимнего масла и 20% веретенного масла АУ.
Исследование зависимости остаточной деформации в процессе изготовления уплотнительных колец
Методики проверялись путем преобразования предложенных формул и сопоставления с исходной (3.27). Методика А.Я. Александрова показала равенство предложенных формул исходной.
С учетом нелинейности материала некоторые авторы [51] предлагают использовать фактические диаграммы растяжения-сжатия для расчета формы колец.
Для аппроксимации зависимости между напряжениями и деформациями используется функция, предложенная Н.И.Савицким: для зоны расширения a=Ai Е+А2 Е (3.39) для зоны сжатия a=Bi Е+В2 Е (3.40) где коэффициенты Аі,Ві,А2,В2-зависят QT характера диаграмм и могут быть получены методом наименьших квадратов. Таким образом, было получено выражение для угла альфа, используемого в расчете Александрова. а=-ц/-3/4хК5 xR/hlHv)/+R J" V(3/4xK5/hlH)2 + 64/Ьп1нхМ!/К7 +тс/2 0 (3.41) Интеграл определяется любым численным методом. Достаточную точность дал метод численного интегрирования способом прямоугольников при шаге 2 градуса формула 2. 1/р = - (dx/cPF х dVcTT2 - dy/d х d2x/d2) / [(dx/d F )2+(dy/d4/)2]3/2 (3.42) координаты точек геометрической оси свободного кольца определяются методом А.Я. Александрова, формулы: Xi = RZ coscti Ay; (3.43) Xi=RZ SinaAvj/ (3.44) AR - VYi2+(R- Xi)2 - R; (3.45) Pi =arcSin Yi / (AR і +R)2, (3.46) где A\/ - шаг численного интегрирования, приращение радиуса вектора і-й точки геометрической оси при переходе его из свободного состояния в сжатое; pi - угловая координата і-й точки геометрической оси свободного кольца. Рассмотрев различные методики расчета формы кольца в свободном состоянии, нами была выбрана методика А.Я.Александрова, так как имеет достаточную точность при расчете формы кольца любого размера.
При расчете формы кольца, нами учитывались результаты исследования остаточной деформации. Для этого полученная форма корректировалась с учетом усадки кольца при его аккомодации. В результате получалась форма кольца, которая после усадки совпадала с расчетной.
При расчете было принято допущение, что перемещения от действия нормальной и поперечной силы пренебрежительно малы на основании выводов, сделанных Боровских И.П. и Каюковой Т.П. [70]. Ими была произведена оценка допущения "Перемещения от действия нормальной и поперечной силы пренебрежительно малы". Эта оценка, основанная на расчетах, показала, что принимаемые допущения вполне допустимы. Максимальная погрешность AR при этом составляет 0,002 мм или 0,07% общего приращения (AR - AR)/ARx 100% (3.47) Таким образом, N и Q можно пренебрегать при расчете формы колец. Необходимо отметить, что ступенчатый замок колец 0100 мм. (рисунок 1.9) будет оказывать влияние на изменение момента инерции а следовательно на кривизну кольца.
Вычисление интеграла производится на ПЭВМ численным методом. Радиальная сила при этом может задаваться с любым шагом и характером распределения ф по периметру кольца.
Используя геометрические параметры колец, по формулам определяем массив углов а от 0 до 180. По значениям угла находятся точки средней линии свободного полукольца в декартовой системе координат по формулам Хк - XK.i +r cosPK, (3.57) YK=Y„K.1 +rSinpK, (3.58) где г- длина элемента полукольца, г= ds=7tR/n 3к= ( ак.,+ак) / 2, Xl= Y1=0. (3.59) От декартовой системы можно перейти к полярной с центром Oi R=( Хо -ХО 2+Y2 , Xj Xo (3.60) Ф H arcSin(Xi/Ri) X, X0. (3.61) і ті- arcSin(Xi/Ri), Расчет производился с учетом коэффициента запаса прочности, потому что напряжения при обработке заготовок из-за увеличенной радиальной толщины превышают напряжения кольца в работе на 18-30%. Это обстоятельство вынуждает предусмотреть коэффициент запаса прочности готовых деталей, равным 1.2-1.3.
Рассмотрев устройства для термофиксации, было выявлено, что существующие устройства не обеспечивают кольцам необходимые параметры. Было установлено, что применение круглой оправки с вырезом напротив замка позволит изменять форму кольца в свободном состоянии путем изменения величины выреза сегмента и диаметра оправки.
Определим оптимальные геометрические параметры оправки, способной обеспечить кольцам заданные параметры. Для расчета параметров оправки за исходные данные были взяты параметры кольца, которые необходимо получить при термофиксации. Так как кривизна кольца, его форма и закон распределения радиального давления зависит от изгибающего момента, в основу расчетов было заложено вычисление моментов, приложенных к кольцу со стороны оправки.
Сравнив уравнение моментов, приложенных к кольцу со стороны оправки при различных ее диаметрах и величине выреза сегмента и уравнение моментов приложенных к кольцу со стороны цилиндра, соответствующее выбранному закону распределения радиального давления, можно будет сказать, при каком соотношении параметров оправки достигается наибольшее схождение уравнений моментов.
Результаты эксплуатационных испытаний
При частоте вращения ведущего вала 1850 мин" давление масла в фрикционах находилось в пределах 940 - 980 КПа на всех режимах и передачах. Давление масла в системе смазки КП составило 120 КПа.
При проведении испытаний течь масла через уплотнения и наружные соединения не наблюдалась. Температура масла в коробке передач во время испытаний составила 80 С.
Результаты измерения давления в системе смазки и фрикционах КП на различных режимах показали его соответствие техническим требованиям, предъявляемым к новым и ремонтируемым коробкам передач. Это свидетельствует об обеспечении герметизации уплотнительного узла и нормальной работе уплотнительных колец (приложение 6).
Разборка КП и определение износа деталей узла уплотнения после проведения стендовых испытаний не производились.
Эксплуатационные испытания проводились в следующих хозяйствах Саратовской области: СХПК Марфинское; Учебно-опытное хозяйство Мумовское; ПСХ Колышлей; ГУОПП Елизаветинское.
Экспериментальные кольца 0100 мм и 0185 мм устанавливались на ремонтируемые КП тракторов "Кировец". Данные трактора нашли широкое применение при выполнении различных сельскохозяйственных работ (пахота, культивация, боронование, посев, лущение стерни, безотвальная обработка почвы и транспортные работы). По данным Министерства сельского хозяйства Саратовской области на 1999г. количество тракторов в хозяйствах области составляет 4000 тракторов или 13,2 % от общего количества тракторов различного назначения [74]. Трактора с экспериментальными уплотнительными кольцами выполняли весь комплекс сельскохозяйственных работ в соответствии с планом хозяйств. Трактора эксплуатировались в обычных условиях, что позволило оценить работу колец в реальных условиях эксплуатации. Наработка КП с экспериментальными кольцами составила в среднем 2,6 тыс. моточасов, (приложение 7)
Применение предлагаемой оправки дало возможность, изменяя форму колец, получить более равномерный износ колец по периметру (рисунок 4.1). Каких-либо существенных отличий в характере износа поверхностей деталей, сопрягаемых с серийными и экспериментальными кольцами, проследить не удалось(приложение 8). Максимальный износ поверхности нажимного диска 0100 мм составил 0,41 мм, средний износ -0,19 мм, для диаметра 0185 мм максимальный износ равен 0,42 мм, средний износ - 0,23 мм (рисунок 4.2).
Во время эксплуатационных испытаний проводилось наблюдение за изменением давления в гидросистеме КП, и определялась причина снижения давления масла. Устранению подлежали следующие причины: низкий уровень давления масла в картере; засорение сетки маслозаборника насоса; зависание редукционного клапана; течь масла в соединениях маслопровода и др.
Износ деталей узла уплотнения фрикциона и утечку масла через узел уплотнения можно было определить по следующим неисправностям. 1. Уменьшение скорости движения трактора на данной передаче при неизменной частоте вращения выходного вала двигателя. Это неисправность вызвана недостаточным сцеплением дисков трения и их пробуксовкой. 2. "Поводка" трактора при включенном режиме и выключенной передаче. Что свидетельствует о короблении дисков трения. zzrm 1- серийные кольца 0 185 мм.; 2- нажимной диск 0 185 мм.; серийные кольца 0 100 мм.; 4- нажимной диск 0 100 мм.; 5 экспериментальные кольца 0 185 мм.; 6- нажимной диск 0 185 мм.; экспрементальные кольца 0 100 мм.; 8- нажимной диск 0 100 мм.
Экономичность эксплуатации тракторов определяется уровнем материальных затрат на ремонт, техническое обслуживание, запчасти и ГСМ. Эксплуатационные испытания тракторов «Кировец» показали, что КП с экспериментальными уплотнительными кольцами имеют больший ресурс после ремонта, чем КП с серийными кольцами.
Ожидаемая эффективность от применения колец может быть оценена по экономии средств из-за уменьшения количества ремонтов КП (разборка, сборка) и экономии средств на запчасти. Кроме того, экономия будет достигаться за счет уменьшения простоя тракторов «Кировец».
Исходные данные для расчета взяты из действующих технических условий и прейскурантов Аткарского ремонтно-технического предприятия и Ершовского ремонтного завода. Расчет экономической эффективности производился исходя из наличия тракторного парка «Кировец» в Саратовской области. Увеличенный межремонтный ресурс, находится как разность межремонтных ресурсов КП с экспериментальными и серийными кольцами после ремонта
