Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 5
1.1. Условия работы подшипника качения 5
1.1.1. Распределение нагрузки между телами качения 7
1.1.2. Контактные напряжения в деталях подшипника 8
1.1.3. Кинематика подшипника 10
1.1.4. Динамика подшипника 12
1.2. Износ деталей подшипника качения 14
1.2.1. Особенности эксплуатации подшипников качения в сельском хозяйстве 19
1.3. Смазочные материалы для подшипников качения 23
1.3.1. Роль смазки в процессе трения и изнашивания 23
1.3.2. Режимы смазки 25
1.3.3. Преимущества и недостатки пластичных смазок перед маслами 25
1.3.4. Использование пластичных смазок в агропромышленном комплексе 28
1.4. Основные направления повышения долговечности пар трения 32
1.4.1 .Концепция применения металлоплакирующих материалов 34
1.4.2. Физико-химические показатели добавки ТСК 49
1.4.3. Механизм действия добавки ТСК 40
1.4.4. Выводы и задачи исследований 40
2. Теоретические вопросы повышения долговечности подшипников качения путем применения добавок к пластичным смазкам 43
3. Методика экспериментальных исследований 62
3.1. Выбор факторов влияющих на режимы трения и скорость изнашивания подшипников качения 62
3.2. Выбор пластичных смазок для испытаний 63
3.3. Выбор оценочных параметров и их обоснование 64
3.4. Общие условия проведения лабораторных испытаний 65
3.5. Методика лабораторных испытаний по оценке смазочных свойств пластичных смазок модифицированных добавкой ТСК 68
3.5.1. Методика определения антифрикционных свойств пластичных смазок 69
3.5.2. Методика определения противозадирных свойств пластичных смазок 69
3.6. Методика обработки экспериментальных данных 69
4. Экспериментальные исследования влияния добавки ТСК на параметры сопряжения трения качения 70
4.1. Определение оптимальной концентрации добавки ТСК в пластичных смазках для узлов трения качения 70
4.2. Исследование основных характеристик пластичных смазок с добавкой ТСК 72
4.3. Исследование и оптимизация режима приработки узла трения качения с добавкой ТСК 76
4.4. Планирование эксперимента для получения математической модели процесса приработки узла трения качения при использовании пластичных смазок модифицированных добавкой ТСК 77
4.5. Исследование смазочных свойств пластичных смазок модифицированных добавкой ТСК 91
5. Методика проведения ресурсных испытаний подшипников качения 97
5.1. Обработка результатов ресурсных испытаний подшипников качения 104
6. Рекомендации по применению добавки ТСК с пластичными смазками в подшипниках качения 108
6.1. Расчет экономического эффекта от применения добавки ТСК 109
Общие выводы.., 110
Литература 112
Приложение 119
- Износ деталей подшипника качения
- Теоретические вопросы повышения долговечности подшипников качения путем применения добавок к пластичным смазкам
- Выбор пластичных смазок для испытаний
- Исследование основных характеристик пластичных смазок с добавкой ТСК
Введение к работе
Долговечность тракторов и сельскохозяйственных машин в значительной степени зависит от интенсивности изнашивания отдельных деталей. Опыт эксплуатации свидетельствует, что 80-90 % деталей машин выходят из строя по причине износа [84].
Одним из элементов, снижающим показатели надежности машин, являются подшипники качения. Недостаточно высокая долговечность которых, в большинстве случаев обусловлена причинами усталостного характера.
Широкие возможности в управлении процессами трения и изнашивания открываются с применением новых высококачественных смазочных материалов. Известно, что смазка определяет долговечность подшипников качения не в меньшей мере, чем материал его деталей.
Если прекратить смазывать сельскохозяйственные машины, средства транспорта, индустриальные механизмы, то очень быстро не останется практически ни одного действующего механизма. Без высококачественных смазочных материалов невозможен технический прогресс. Поэтому совершенствование смазочных материалов, есть наиболее важный путь повышения надежности подшипников качения тракторов и сельскохозяйственных машин [63].
В настоящее время на рынке смазочных материалов представлен широкий выбор добавок, позволяющих повысить смазочные свойства масел за счет улучшения их противозадирных и противоизносных свойств. Однако до сих пор нет информации о добавках для пластичных смазок. Поэтому, целью данной работы является выявление возможности повышения долговечности подшипников качения тракторов и сельскохозяйственных машин, путем улучшения смазочных свойств пластичных смазок с помощью добавки ТСК.
Износ деталей подшипника качения
Износоустойчивость деталей машин, работающих при циклических нагрузках, определяется так называемой усталостью материала, вследствие которой происходит разрушение детали при напряжениях, намного меньших предела допустимых статических напряжений. В этом случае срок работы деталей зависит от состояния (степени износа) их рабочих поверхностей.
Износ металлических поверхностей зависит в большой степени от физических и химических свойств трущихся поверхностей. Тепло, которое возникает вследствие упругих деформаций (внутреннего трения материала) и пластических деформаций (сглаживание микронеровностей), способствует местной адсорбции и диффузии кислорода из воздуха или же из смазок в поверхностные слои.
Окисление (коррозия) поверхностного слоя может быть источником и причиной его выкрашивания. Химическая реакция, протекающая между смазкой и металлом, может этот процесс ускорить или замедлить. Следовательно, на износостойкость и долговечность деталей машин оказывает влияние и химическая комбинация материала и смазки.
Предел износоустойчивости детали зависит не только от марки, химического состава и структуры, материала, из которого была изготовлена деталь, но также от состояния и свойств поверхностного слоя детали, что непосредственно зависит от технологии производства [71,73].
Чувствительность предела износоустойчивости к состоянию поверхностного слоя объясняется тем, что поверхность детали является носителем большого числа различных источников концентрации напряжений (например: риски после обработки, где нарушена сплошность кристаллических зерен, макро- и микроструктуры, поверхностные остаточные напряжения и т. п.).
Потребители подшипников качения нередко считают, что причиной низкой стойкости или же преждевременного аварийного износа является недостаточно высокое качество подшипников. Конечно, исключать в полной мере влияние дефектов изготовления подшипников нельзя, однако такие повреждения относительно редки [59,65].
Значительно чаще аварии подшипников вызываются одной из следующих причин: неправильным выбором подшипника для заданных нагрузок и скоростей вращения; нарушением режима работы подшипника в эксплуатационных условиях, плохим теплоотводом от подшипникового узла, нарушением подачи смазки или несоответствующим ее качеством; конструктивными дефектами подшипниковых узлов; технологическими погрешностями изготовления их деталей; недостаточно тщательным монтажом.
На основании технически правильного заключения о причинах возникновения повреждений следует принять немедленные меры, которые если и не смогут в полной мере застраховать дефектный узел от аварии (для этого обычно приходится его переконструировать с заменой типа подшипника), то, во всяком случае, увеличат ресурс работы существующего подшипника в данном узле. Эти меры могут заключаться в устранении несоосности, в регулировке осевой игры и радиального зазора, в улучшении техники контроля и монтажа, в подборе более качественной смазки, а также в обеспечении более интенсивного отвода тепла от подшипника (установка вентилятора, введение водяного охлаждения и т. п.).
Величина износа деталей подшипников непосредственно определяет срок службы подшипников качения в эксплуатации. Поэтому изучение природы износа деталей подшипников качения и разработка мероприятий по повышению их износостойкости и работоспособности имеют большое значение.
Процесс утраты работоспособности подшипника качения в настоящее время изучен еще недостаточно. Этот процесс сопровождается весьма сложными физико-химическими явлениями, протекающими в зоне контакта тел качения с поверхностями дорожек качения подшипника [4,47].
Износ при трении качения с относительно небольшим процентом проскальзывания, имеющий место в шарико- и ролико- подшипниках, в ряде исследований рассматривался с некоторыми допущениями. Чаще всего этот вопрос изучался при взаимной обкатке только двух тел. В подшипнике же тела качения находятся в одновременном контакте с наружным и внутренним кольцами, а также с сепаратором, в связи с чем, исследование процесса износа усложняется. В конечном счете, износ основан на микрогеометрических процессах в поверхностных слоях контактирующих деталей. Сущность этих процессов, однако, не может быть точно установлена, если рассматривать их только с точки зрения возникающих в процессе работы механических и геометрических изменений.
Теоретические вопросы повышения долговечности подшипников качения путем применения добавок к пластичным смазкам
В настоящее время бесспорно большое практическое значение для определения долговечности и надежности работы подшипников качения имеет контактно-гидродинамическая (эластогидродинамическая) теория смазки.
Эта наука возникла в нашей стране благодаря трудам А.И. Петрусевича, A.M. Эртеля, и А.Н. Грубина еще в 1945-1950 г. г. и с того времени получила значительное развитие [30,31].
Контактно-гидродинамическая теория смазки является, одним из разделов механики жидкости и газа и объясняет явления, возникающие при жидкостном трении твердых поверхностей. Она учитывает как гидродинамические и тепловые процессы, происходящие в смазочном слое, так и упругие деформации трущихся поверхностей. Эти явления при условии обильной смазки имеют место в большинстве деталей машин: в зубчатых передачах, уплотнениях, подвижных шлицевых соединений, в том числе и подшипниках качения.
В случае гидродинамической смазки усилие от одной трущейся поверхности передается другой через промежуточный смазочный слой. Смазка «прилипает» к трущимся поверхностям, и при движении в ней благодаря вязкости возникают гидродинамические давления, равнодействующая которых - гидродинамическая подъемная сила уравновешивается внешней нагрузкой, приложенной к детали.
Эти гидродинамические давления, действуют на упругие трущиеся поверхности, вызывая их деформации. Величины деформаций определяются величинами и распределением давлений по поверхности, то есть эпюрой давления.
Таким образом, тремя важными параметрами в упругодинамической теории являются: - нагрузка на трущиеся детали; - частота вращения деталей; - вязкость масла.
Вязкость масла очень важный параметр, который сильно зависит от местного давления. При изменении давления внутри любой площадки контакта, например, от 0,1 до 2000 МПа, вязкость масла в различных точках зоны контакта может измениться в тысячи и даже десятки тысяч раз. Масло как бы загустевает. Учитывая крайне малую сжимаемость жидкости, заметим, что хотя слои масла и смещаются один относительно другого значительно мягче, чем твердые поверхности, жесткость их при сжатии весьма велика, и они деформируют стальные трущиеся поверхности. Смазочный слой часто не выдавливается между трущимися телами качения даже при максимальных контактных напряжениях, доходящих до 40000 МПа, причем деформации носят упругий характер [30].
При значительном проскальзывании между трущимися поверхностями иногда возникают мгновенные температуры порядка десятков и даже сотен градусов Цельсия, что вызывает резкое снижение вязкости масла.
Все эти процессы происходят с чрезвычайно большими скоростями. Например, в подшипнике качения с внутренним диаметром 60 мм, при частоте вращения 3000 мин \ время возникновения контакта, его развития и ликвидации измеряется миллионными долями секунды [31].
Таким образом, давления, действующие на данную площадку поверхности, за миллионные доли секунды изменяется от одной до десятков тысяч килограмм на сантиметр квадратный.
На рисунке 6 представлена схема образования смазочной пленки между нагруженными поверхностями ролика и дорожки качения внутреннего кольца подшипника, в условиях гидродинамической смазки [30].
Под действием внешней нагрузки ролик и дорожка качения деформируются на определенную величину. Между деталями образуется зазор, в который затягивается масло. Поскольку вязкость масла при высоком давлении возрастает, при соответствующей окружной скорости и нагрузке создаются условия, необходимые для образования несущей масляной пленки, толщина которой на большей части деформированной поверхности примерно одинакова. Эпюра распределений давлений в пленке масла, также приведенная на рисунке 6, для сравнения сопоставлена с эпюрой эллиптического распределения давлений по Герцу. На стороне входа давление возрастает, достигая в центре площадки максимальной величины Р0, совпадающая с расчетом по Герцу. Затем давление вновь снижается.
Выбор пластичных смазок для испытаний
На основе анализа литературы [6,80,81 и др.] была составлена таблица 12, в которой представлены смазки наиболее часто используемые в подшипниках качения тракторов и сельскохозяйственных машин. Таким образом, для испытаний были отобраны пластичные Литол-24, Солидол-Ж и ЦИАТИМ-201.
Трудность контроля состояния смазочного материала в узле трения при изменении структурно-механических свойств смазки (предел прочности, текучести, вязкости, пенетрации) из-за малого количества ее в узле привело к изысканию параметров облегчающих контроль за степенью ее срабатываемости с достаточной достоверностью. Такими параметрами в наших исследованиях были выбраны: температурный показатель -температура в объеме, и момент трения. Эти показатели в достаточной мере характеризуют условия трения и физико-химические процессы, протекающие в трибосистеме.
Температура тот основной фактор, от которого зависит при трении прочность граничного слоя смазки. Такое мнение высказывалось в различной литературе, оно нашло подтверждение в работах Тейбора, Боудена, Смита, М.М. Хрущева, P.M. Матвеевского и др.
В используемой нами лабораторной установке снятие и фиксация температуры испытуемых образцов осуществлялась хромель-копелевой термопарой с регистрацией потенциометром КСП-4.
Изменение температуры и момента трения в трибосопряжении, дает возможность судить о времени работоспособности смазки и фиксировать момент, когда смазка теряет ее. «Площадка стабилизации» - характеризует нормальную работу и указывает на равновесное состояние в узле трения (рис.14)
Размер площадки пропорционален времени работоспособности смазки, а быстрое повышение температуры узла трения ограничивает предельную смазочную способность испытуемой смазки. Момент трения определяет характер фрикционного взаимодействия между трущимися деталями и его величина прямо пропорциональна силе трения, а следовательно и механическим потерям.
При дальнейшем увеличении температуры пластичная смазка необратимо распадается, теряя коллоидную стабильность, при этом образуется две фазы - мыльная и жидкая (масло), существующие независимо друг от друга и обеспечивающие некоторое время (несколько минут) разделение поверхностей трения граничной пленкой, после чего происходит разрушение поверхности образцов.
Основная задача при разработке методик лабораторных исследований на машине трения СМТ, сводилась к созданию условий испытаний близких к эксплуатационным. То есть к проведению испытаний с использованием воздействия всех факторов, которые действуют на подшипник качения в узлах тракторов и сельскохозяйственных машин. Испытания проводили по схеме ролик-ролик при 15 % проскальзывании образцов трения.
Образцы для испытаний, геометрические размеры которых представлены на рисунке 15, имели рабочую поверхность из стали ШХ 15, с твердостью по HRC 62-64 и шероховатостью по Ra=0,16-0,32 мкм.
Схема нагружения представлена на рисунке 16. Ролики устанавливались на верхний и нижний валы машины с таким расчетом, чтобы участок нагружения был 3 мм. Это достигалось с помощью регулировочных шайб 5 (рис. 16). Радиальное биение образцов, контролируемое с помощью головки индикаторного типа, не должно было превышать 0,01 мм.
При проведении испытаний, в зависимости от цели исследований для имитации условий работы подшипников качения изменялись режимы нагружения. Частота вращения и проскальзывание образцов всегда оставались постоянными.
Смазка на ролики наносилась тонким слоем и в процессе работы не пополнялась, это позволяло сократить время испытаний, не снижая их достоверности [4].
При запуске машины трения, нагрузка и частота вращения выводились до рабочих значений плавно.
Регистрация момента трения и температуры производилась на лентах потенциометров. Каждое испытание проводили с трех кратной повторностью, обеспечивающих доверительную вероятность ОС — 0,95, при относительной ошибке = 3%.
После окончания опыта образцы очищались и промывались от старой смазки и продуктов износа в ацетоне и высушивались на воздухе, после чего производились исследования поверхности образцов трения.
Исследование основных характеристик пластичных смазок с добавкой ТСК
Для отыскания экстремума функций описываемых полиномами третьего порядка решили уравнения: Оптимальная концентрация добавки ТСК в пластичных смазках составляет 1,8 - 2,1 %. Как и предполагалось ранее, ее величина оказалась несколько выше, чем для масел. Проведенный анализ внешнего состояния рабочих поверхностей образцов трения на приборе ПМТ-3 выявил образование на них защитной пленки, которая в процессе работы сопряжения препятствовала непосредственному контакту деталей и преждевременному разрушению смазочного материала, тем самым, способствуя более длительной работе узла трения. с добавкой ТСК Для оценки основных характеристик пластичных смазок с добавкой ТСК были проведены лабораторные исследования, результаты которых представлены в таблицах 13, 14 и 15. Проведенные исследования не выявили существенного изменения характеристик пластичных смазок после введении в них добавки ТСК, все показания строго соответствуют ГОСТ. Выделение участка Т 2 вызвано особенностью протекания процессов характерных только для стационарного режима. Величина Т , связана со свойством металла и добавки, а величина Т 2 только со свойствами добавки. Оптимальное время фиксации нанесенного слоя было определено на основе однофакторного эксперимента, проведенного согласно пункту 3.4 по схеме б (рис.17) и должно составлять не менее 30 минут. На время работы образцов трения до задира существенное влияние оказывают нагрузка при приработке и время приработки, остальные факторы оказывают не столь значительное действие. Для подтверждения этого и отыскания оптимального сочетания, выделенных факторов, был проведен эксперимент типа 2 , включающий в себя четыре опыта. Функция отклика для выбранного плана эксперимента представляется математической моделью вида: где Ь0 - свободный член уравнения регрессии; Ъх, Ь2 - коэффициенты уравнения регрессии при линейных эффектах; Ъх 2 - коэффициент уравнения регрессии при эффекте взаимодействия. Для удобства записи условий эксперимента и обработки экспериментальных данных уровни факторов кодировали. В качестве фактора х/ приняли время приработки образцов трения (Т j), а в качестве фактора хг - нагрузку на образцы при приработке (Рпр). Остальные факторы были зафиксированы на некоторых оптимальных уровнях, так частота вращения равнялась 1000 мин л, а проскальзывание дисков 15 %. Чтобы исключить влияние систематических ошибок, вызванных неучтенными факторами, варианты сочетаний факторов были рондомизированы с помощью таблицы случайных чисел [38]. Матрица планирования представлена в таблице 16. После реализации матрицы планирования коэффициенты регрессии по формулам: были подсчитаны где уи - значение критерия оптимизации, полученного в U -ом опыте (для одного опыта берется среднее арифметическое из повторностей); N - количество опытов (число строк в матрице эксперимента). где Xiu, X - значение двух факторов в U - ом опыте. Далее были определены статистические оценки. Дисперсия, характеризующая ошибки опытов в матрице плана, определялась по формуле: где ТП - число повторностей одного опыта (одной строки матрицы плана); уы - значение критерия оптимизации в параллельных опытах (в U -ой строке). Значимость коэффициентов регрессии bt и Ъ-. проверялась с помощью построения доверительного интервала для них. Коэффициент регрессии считается значимым, если его абсолютное значение не превышает величину доверительного интервала АЬп который находили по формуле: где t - табличное значение t - критерия при числе степени свободы, с которым определялось S ; Sb, - квадратичная ошибка коэффициентов регрессии, определяемая по формуле: Для проверки адекватности представления результатов эксперимента полиномом первой степени определяли расчетом значений критерия Фишера (F) по формулам
