Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований 14
1.1. Применяемость подшипников качения в сельскохозяйственной технике 14
1.2. Долговечность подшипников качения сельскохозяйственной техники 18
1.3. Анализ причин отказов подшипников качения 21
1.4. Условия работы и основные характеристики соединений колец подшипников качения 25
1.4.1. Анализ точностных параметров подшипников качения и сопрягаемых с ними деталей 25
1.4.1.1. Анализ посадок и отклонений 25
1.4.1.2. Нормирование точности формы и расположения поверхностей ..27
1.4.1.3. Нормирование шероховатости поверхностей 27
1.4.1.4. Радиальные зазоры и осевая игра в нерегулируемых подшипниках 28
1.4.1.5. Радиальные зазоры и осевая игра в регулируемых подшипниках 30
1.4.2. Условия работы подшипников качения и сопрягаемых с ними деталей 30
1.4.3. Теоретические аспекты изнашивания посадочных мест подшипников качения и пути его снижения 32
1.5. Анализ исследований по обеспечению надежности соединений колец подшипников качения 37
1.5.1. Анализ методов восстановления деталей неподвижных соединений 37
1.5.2. Методы и качество обработки сопрягаемых деталей 44
1.5.2.1. Корпусные детали 44
1.5.2.2. Валы 45
1.6. Выбор посадок колец подшипников качения 47
1.6.1. Базовые рекомендации по выбору 47
1.6.2. Анализ методов расчета и выбора посадок циркуляционно-нагруженных колец подшипников качения 50
1.6.3. Анализ методов расчета и выбора посадок местно-нагруженных колец подшипников качения 53
1.6.4. Анализ методов расчета и выбора посадок колебательно-нагруженных колец подшипников качения 55
1.7. Выводы, цели и задачи исследований 55
Глава 2. Методика расчета и выбора посадок колец подшипников качения при ремонте сельскохозяйственной техники 59
2.1. Цели и задачи методики 59
2.2. Выбор посадки местно-нагруженного кольца 60
2.3. Расчет и выбор посадки циркуляционно-нагруженного кольца 61
2.3.1. Методика расчета наименьшего конструктивного натяга 61
2.3.2. Методика определения наибольшего конструктивного натяга 66
2.4. Особенности расчета и выбора посадок колец конических подшипников качения при ремонте сельскохозяйственной техники 72
Выводы 74
Глава 3. Методика экспериментальных исследований 75
3.1. Общая методика исследований 75
3.2. Методика проведения измерений и дефектации подшипников качения 78
3.3. Выбор средств измерений для деталей, сопрягаемых с кольцами подшипников качения 83
3.4. Разработка и описание методик испытаний 85
3.4.1. Основные элементы теоретико-экспериментального метода прогнозирования ресурса подшипниковых узлов по физическим параметрам их качества и условий эксплуатации 85
3.4.2. Характеристики стенда для проведения испытания соединения «внутреннее кольцо - вал» 86
3.4.3. Устройство и принцип действия стенда 89
3.4.4. Методика проведения стендовых испытаний с целью определения параметров предельного состояния соединения «внутреннее кольцо - вал» 97
3.4.4.1. Испытание радиальных шарикоподшипников 99
3.4.4.2. Испытание радиально - упорных роликоподшипников 100
3.4.5. Методика проведения эксплуатационных испытаний 101
3.5. Методика проведения и оценки результатов испытаний при многофакторном эксперименте 102
3.5.1. Методика и оценка испытаний радиальных шарикоподшипников 102
3.5.2. Методика и оценка испытаний радиально-упорных роликоподшипников 107
3.6. Обработка экспериментальных данных 109
Выводы 110
Глава 4. Результаты исследований и их анализ 112
4.1. Исследование износа колец подшипников качения и сопрягаемых с ними деталей 112
4.1.1. Исследование износа соединения «вал - внутреннее кольцо» 112
4.1.2. Исследование износа соединения «наружное кольцо - корпус» 113
4.2. Апробация методики расчета и выбора посадок колец подшипников качения 114
4.2.1. Расшифровка условного обозначения подшипника 114
4.2.2. Определение вида нагружения внутреннего и наружного колец 115
4.2.3. Определение геометрических параметров, предельных отклонений колец и радиальных зазоров подшипника 115
4.2.4. Выбор посадки для местно-нагруженного кольца 116
4.2.5. Расчет и выбор посадки циркуляционно-нагруженного кольца 117
4.2.5.1. Определение наименьшего конструктивного натяга 117
4.2.5.2. Определение наибольшего конструктивного натяга 118
4.2.6. Выбор посадки 119
4.2.7. Систематизация результатов расчета и выбора посадок колец подшипников качения для исследуемых соединений 121
4.3. Результаты стендовых испытаний и их анализ 123
4.3.1. Испытания радиальных шарикоподшипников 123
4.3.2. Испытания радиально - упорных роликоподшипников .128
4.4. Результаты исследования динамики изнашивания соединения «вал-кольцо» 133
4.5. Исследование влияния точностных и технологических параметров соединений колец подшипников качения на долговечность 134
Выводы 136
Глава 5. Рекомендации производству и их технико-экономическое обоснование 138
5.1. Рекомендации по повышению надежности соединений колец подшипников качения при ремонте сельскохозяйственной техники 138
5.2. Оптимальный технологический процесс ремонта соединений колец подшипников качения 139
5.3. Расчет технико-экономической эффективности от внедрения оптимального технологического процесса ремонта соединений колец подшипников качения 144
5.3.1. Методика оценки экономического эффекта 145
5.3.2. Расчет экономического эфекта от внедрения проектных предложений 149
Выводы 159
Общие выводы 160
Библиографический список 162
Приложения 172
- Долговечность подшипников качения сельскохозяйственной техники
- Методика расчета наименьшего конструктивного натяга
- Характеристики стенда для проведения испытания соединения «внутреннее кольцо - вал»
- Систематизация результатов расчета и выбора посадок колец подшипников качения для исследуемых соединений
Введение к работе
В Федеральной целевой программе стабилизации и развития агропромышленного производства в Российской Федерации на 1996-2000 годы отмечается, что парк тракторов и зерноуборочных комбайнов за пять лет сократился в 1,3 раза, кормоуборочных комбайнов — в 1,2 раза. В настоящее время обеспеченность хозяйств основными видами сельскохозяйственной техники составляет 40-70%, сохраняется тенденция старения парка, возрастает срок эксплуатации машин и оборудования. Снижение платежеспособного спроса сельских товаропроизводителей обусловило депрессивное состояние сельскохозяйственного и тракторного машиностроения [1]. Поэтому в Российской Федерации наиболее низкая техническая оснащенность сельского хозяйства. Например, в США на 1000 га пашни приходится в 3,5 раза больше тракторов, чем в России
Наряду с сокращением машино-тракторного парка продолжает снижаться его техническая готовность, а темпы снижения с каждым годом увеличиваются. По данным профессора Северного А.Э. техническая готовность тракторов и комбайнов в самые напряженные периоды их использования не превышает 60 % [3]. Это во многом обусловлено снижением объемов ремонта техники [4, 5, 6]. Особенно резко уменьшилось количество проводимых ремонтов на специализированных предприятиях. Такое положение объясняется не только ухудшением качества работы данных предприятий или появлением в условиях рынка более сильных конкурентов, но и низкой платежеспособностью заказчиков — товаропроизводителей сельскохозяйственной продукции, вынужденных экономить на ремонте техники. Хозяйства стремятся, как можно больше ремонтно-обслуживающих работ выполнять собственными силами, в ущерб качеству ремонта [6].
Таким образом, для современных условий в АПК, необходимы гибкие, экономные и качественные технологии ремонта машин в зависимости от спроса и платежеспособности товаропроизводителя.
В настоящее время перед агропромышленным комплексом страны поставлена задача: обеспечить устойчивый рост сельскохозяйственного производства и надежное снабжение страны продуктами питания и сельскохозяйственным сырьем. Выполнить поставленную задачу можно путем интенсификации и дальнейшего технического перевооружения сельскохозяйственного производства, повышения надежности и долговечности сельскохозяйственной техники, эффективности ее использования, качественного технического обслуживания и ремонта.
Однако сельскохозяйственная техника, ее качество, надежность и долговечность не отвечают предъявленным требованиям. Поэтому исследования, направленные на повышение долговечности, снижение стоимости ремонта техники, являются актуальными.
Сейчас трудно представить какую бы то ни было современную машину, в узлах которой не были бы использованы подшипники качения. В узлах отдельных тракторов, комбайнов и сельскохозяйственных машин используются десятки, и даже сотни подшипников качения. Такое широкое применение подшипников качения в современных машинах неслучайно. При использовании подшипников качения в значительной большей степени удовлетворяются требования взаимозаменяемости и унификации элементов узла: при выходе подшипника качения из строя его легко заменить новым, поскольку габариты и допуски на размеры посадочных мест стандартизированы.
Расходы на ремонт и техническое обслуживание машинотракторного парка АПК составляют 19 % от его балансовой стоимости. Значительная часть этих расходов приходится на замену изношенных деталей, в том числе подшипников качения. Отсюда становится ясным, насколько важны четкие указания по выбору посадок для подшипников качения и их влияние на работу машин. Срок службы трактора или комбайна составляет 10 и более лет, в то время как большинство подшипников подлежит замене через 2500-3800 часов и даже меньше, причем большинство посадочных мест расположено в элементах корпусных деталей и валов, которые важно сохранить как можно дольше.
В этой связи огромное значение приобретает срок службы элемента детали, связанной с подшипником качения и срок службы всей сборочной единицы. Практикой накоплен большой опыт по расчету, выбору, монтажу и эксплуатации подшипников качения, применительно к различным условиям работы машин и механизмов [5,6, 7].
Срок службы подшипникового узла зависит от многих факторов, определяемых как условиями эксплуатации подшипников (правильность выбора самого подшипника, посадок колец, качество и количество смазочных материалов, величина и характер нагрузки и т.д.), так и качеством самих подшипников (качество металла и термообработки, расположение волокон вдоль и поперек желобов качения, точность геометрических параметров, качество обработки поверхностей и тел качения и т.д.). Существенное значение имеет также правильность конструктивного выполнения как самого подшипника, так и подшипникового узла.
Одним из наиболее существенных факторов, определяющих долговечность подшипника является, величина радиального зазора, образовавшегося в подшипнике в его рабочем состоянии, которая в одних и тех же подшипниках может резко изменяться в зависимости от условий их сборки, посадки колец на вал и в корпус, а также от величины рабочей нагрузки. Этот зазор в значительной степени оказывает влияние на распределение нагрузки, действующей на подшипник между его телами качения. В работе [7] отмечается многократное уменьшение долговечности подшипников качения при увеличении зазора в посадке.
Следовательно, оптимальная посадка колец подшипника на вал и в корпус, тесно связана, с одной стороны с распределением внешней нагрузки по элементам подшипника, то есть с его долговечностью, и с другой стороны, с износом посадочных мест и самих колец, то есть со сроком службы всей сборочной единицы.
10 Поэтому повышение долговечности подшипников качения и сопрягаемых с ними деталей является одним из основных мероприятий по повышению долговечности и технико-экономической эффективности всей машины.
Большой вклад в развитие технологии восстановления деталей и повышения долговечности соединений внесли: Ачкасов К.А., Батищев А.Н., Бугаев В.Н., Воловик Е.Л., Ерохин М.Н., Кряжков В.М., Курчаткин В.В., Некрасов С.С., Потапов Г.К., Северный А.Э., Стрельцов В.В., Тельнов Н.Ф., Цыпцын В.И., Черноиванов В.И. и другие.
На ремонтных предприятиях посадочные поверхности элементов деталей, сопрягаемых с кольцами подшипников качения, восстанавливают наплавкой, нанесением электролитических покрытий, газопламенным напылением порошков, электромеханической обработкой, электроконтактной приваркой стальной ленты и другими способами.
В последние годы наметилась тенденция использования упрочняющих технологий, которые позволяют значительно повысить относительную износостойкость деталей и соединений. Например, микродуговое оксидирование деталей увеличивает их износостойкость в 2...6 раз. Однако в настоящее время при восстановлении деталей не сформировалась стройная система научного обоснования и нормирования допусков. При выборе посадок соединений восстановленных деталей используется метод прецедентов. Для восстановленных соединений выбирают посадки аналогичные серийным. Такой выбор посадок справедлив лишь в случае общности физико-механических свойств поверхностей деталей, которые существенно отличаются от свойств серийных деталей. Поэтому, выбранные посадки для соединений восстановленных деталей должны быть определены с учетом различий физико-механических свойств сопрягаемых поверхностей. В каждом конкретном случае такие рекомендации являются результатом расчетов и экспериментальных проверок. Необходимость такой работы отмечена в трудах Белова В.М., Ерохина М.Н., Иванова А.И., Кур-чаткина В.В., Голубева И.Г. Карепина П.А., Куликова А.А., Леонова О.А., Сабирова М.Х., Черноиванова В.И. и др.
Для расчета и выбора допусков и посадок восстановленных деталей и соединений необходимо создавать специальные методики.
Целью работы является разработка и апробация методик расчета допусков и посадок восстановленных деталей и соединений колец подшипников качения.
Настоящая работа ставит цель рассмотреть следующие вопросы:
Анализ посадок колец подшипников качения, применяемых в сельскохозяйственной технике.
Влияние проворачивания циркуляционно-нагруженных колец подшипников качения в процессе эксплуатации на долговечность сборочной единицы.
Влияние точностных параметров посадочных мест на долговечность подшипников качения.
Обосновать теоретически и практически необходимость выбора посадок циркуляционно нагруженных колец подшипников качения с оптимальным натягом с учетом гарантированного отсутствия проворачивания и соблюдения норм радиального зазора.
Разработать рекомендации по выбору посадок колец подшипников качения, применяемых в сельскохозяйственной технике.
Работа выполнена на кафедре метрологии, стандартизации и квалиметрии Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горяч-кина в соответствии с комплексно-целевыми программами и темами научно-исследовательских работ:
Федеральная государственная программа машиностроения для агропромышленного комплекса России;
Тема НИЧ МГАУ № 21-96 «Повышение долговечности соединений сельскохозяйственной техники методом оптимизации точностных и технологических параметров», выполненная в соответствии с государственным заказом департамента кадровой политики и образования министерства сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации.
Основные положения и результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на конгрессах, симпозиумах, конференциях, семинарах, совещаниях, заседаниях и т. д., в частности на: международной научно-практической конференции, посвященной памяти академика В.П. Горячкина(г. Москва, 21-24 января 1998 г.); всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-98» (г. Москва, 17-18 ноября 1998 г.); всероссийской научно-технической конференции «Машиностроительные технологии», посвященной 130-летию факультета «Машиностроительные технологии» и 10-летию научно-исследовательского института конструкционных материалов и технологических процессов МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 8-10 декабря 1998 г.); международной научно-практической конференции «Современные проблемы технического сервиса в агропромышленном комплексе», посвященной 70-летию кафедры «Ремонт и надежность машин» факультета «Технический сервис в АПК» (г. Москва, 16-18 декабря 2002 г.); научно-техническом совете Минсельхоза России, секция «Техническая политика» (г. Москва, 3 июля 2003 г.); научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов МГАУ им. В.П. Горячкина в 1997-2003 гг.; заседаниях кафедры метрологии, стандартизации и квалиметрии МГАУ им. В.П. Горячкина (г. Москва, 1996-2003 гг.).
По результатам выполненной работы опубликовано девять статей.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений.
На защиту выносятся: результаты анализа долговечности соединений колец подшипников качения сельскохозяйственной техники; теоретические предпосылки повышения долговечности соединений колец подшипников качения оптимизацией точностных параметров; - результаты теоретических и экспериментальных исследований долговечности подшипников качения; - результаты исследований проворачиваемости колец подшипников качения при различных значениях натяга посадки; # - рекомендации по повышению долговечности соединений колец подшипников качения при ремонте сельскохозяйственной техники; методика выбора оптимального технологического процесса ремонта элементов деталей, сопрягаемых с кольцами подшипников качения; эффективность от внедрения оптимального технологического процесса ремонта соединений колец подшипников качения; результаты внедрения рекомендаций и технологии восстановления посадок колец подшипников качения оптимизацией точностных параметров.
Долговечность подшипников качения сельскохозяйственной техники
Срок службы подшипникового узла зависит от многих факторов, определяемых как условиями эксплуатации подшипников (правильность выбора посадок, качество и количество смазочных материалов, величина и характер нагрузки и т.д.), так и качеством самих подшипников (качество металла и термообработки, расположение волокон вдоль и поперек желобов качения, точность геометрических параметров, качество обработки поверхностей качения и т.д.). Существенное значение имеет также правильность конструктивного выполнения как самого подшипника, так и подшипникового узла.
Долговечность многих сборочных единиц и агрегатов сельскохозяйственной техники ограничивается ресурсом подшипников качения. Износ деталей подшипника качения изменяет режим работы сборочной единицы или агрегата и приводит к ускоренному изнашиванию других деталей, так как подшипники качения являются базовыми элементами кинематических цепей. При износе элементов подшипников появляются дополнительные перекосы и погрешности в зубчатых зацеплениях, уплотнениях, чрезмерный шум и вибрация, а также неблагоприятное перераспределение нагрузки между телами качения, что снижает контактную стойкость подшипников. Все это вызывает простои машин, приводит к увеличению расходов на ремонт.
Одним из наиболее существенных факторов, определяющих долговечность подшипника, является величина радиального зазора, образовавшегося в подшипнике в его рабочем состоянии, которая в одних и тех же подшипниках может резко изменяться в зависимости от условий их сборки, посадки колец на вал и в корпус, а также от величины рабочей нагрузки. Этот зазор в значительной степени оказывает влияние на распределение нагрузки, действующей на подшипник между его телами качения.
Следовательно, оптимальная посадка подшипниковых колец на вал и в корпус тесно связана, с одной стороны,с распределением внешней нагрузки по элементам подшипника, то есть с его долговечностью, с другой стороны, с износом посадочных мест и самих колец, то есть со сроком службы всего подшипникового узла. Сельское хозяйство страны ежегодно расходует огромные средства на ремонт техники. Значительная часть этих расходов затрачивается на замену изношенных деталей, в том числе подшипников качения. Стоимость комплекта подшипников составляет 1,66...4,80 % от стоимости картофелеуборочного комбайна или трактора. Однако за срок службы ряд подшипников заменяется несколько раз, что значительно увеличивает эксплуатационные расходы. За срок службы затраты по замене подшипников могут превысить стоимость комплекта подшипников в 6 раз, что составляет около 30 % стоимости всей машины. В масштабах страны эти затраты достигают огромных размеров. Фактическая долговечность подшипников качения сельскохозяйственной техники значительно отличается от расчетной. В результате необоснованного нормирования точности (посадок) сопрягаемых с кольцами подшипников качения поверхностей снижается долговечность подшипников, происходит проворачивание колец по посадочной поверхности, вследствие чего увеличиваются зазоры и ускоряется процесс изнашивания [19, 32]. При текущем и капитальном ремонте сельскохозяйственной техники выбраковывается до 80 % подшипников качения и от 30 до 75 % посадочных поверхностей сопрягаемых с кольцами подшипников качения элементов требуют восстановления. В межремонтный период отказы этих соединений встречаются в 1,2 ... 1,4 раза чаще, чем в доремонтный [19]. Низкая надежность соединений колец подшипников качения приводит к значительным потерям от простоя машин, а также к повышению трудоемкости технического обслуживания и ремонта агрегатов. В связи с этим, соединения колец подшипников качения требуют точного расчета гарантированного запаса работоспособности, который обеспечивается не только рациональным способом восстановления, но и правильным нормированием точностных параметров соединения. В 1924 году Пальгрен А. [34] одним из первых опубликовал материалы по расчету долговечности подшипников качения. Современные методы оценки долговечности подшипников качения основаны на усталостном разрушении рабочих поверхностей тел качения и колец подшипника. При расчете номинальной долговечности до сих пор не учитывается целый ряд конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов: качество монтажа, характер посадки подшипника, жесткость конструкции сборочной единицы, качество и загрязнение масла, точность изготовления элементов подшипника, сопрягаемых деталей и т.д. Учитывая, что ресурс отремонтированных картофелеуборочных комбайнов и тракторов должен составлять 80 % от ресурса новых машин, долговечность подшипников качения отремонтированных машин должна соответствовать 9,6... 11,2 тыс. мото-ч. Однако эти значения в настоящее время значительно ниже. Поэтому разработка мероприятий по повышению ресурса подшипников качения новых и отремонтированных машин является актуальной задачей. Эффективные мероприятия по увеличению долговечности можно разработать только в том случае, когда известны причины повреждений поверхностных слоев деталей подшипника, физическая сущность и закономерности развития процессов. На рис. 1.8 приведено распределение причин выбраковки подшипников качения. В данном случае основной причиной выбраковки подшипников качения является износ. Второе место по удельному весу занимает разрушение сепараторов. Далее идут причины, связанные с проворачиванием колец подшипников на валах и в корпусах, повреждением усталостного характера и вмятинами на рабочих поверхностях подшипников; сколами колец и др.
Методика расчета наименьшего конструктивного натяга
Автором работы [33] для снижения и равномерного распределения износа нагруженной зоны беговой дорожки рекомендуется при местном нагружении кольцо подшипника устанавливать в гнезде с зазором или с незначительным натягом, что обеспечит возможность проворачивания кольца под действием толчков и вибраций. Однако с увеличением зазора скорость изнашивания посадочных поверхностей увеличивается и происходит снижение долговечности подшипников качения, так как наружное кольцо подшипника деформируется и принимает форму эллипса с большой осью, перпендикулярной направлению приложения нагрузки. Такая форма наружного кольца не позволяет боковым телам качения воспринимать нагрузку. Основная нагрузка передается на центральные тела качения, что приводит к снижению долговечности колец подшипника, шариков, посадочных поверхностей, сепараторов.
По мнению автора [42], причиной проворачивания колец и износа посадочных поверхностей является недостаточная твердость посадочных поверхностей валов. Под действием циклических нагрузок в поверхностных слоях накапливаются пластические деформации, которые способствуют возникновению зазора посадки. Проворачивание внутреннего кольца подшипника относительно вала зависит от радиального зазора в подшипнике. В процессе эксплуатации радиальный зазор в подшипнике увеличивается, изменяется характер нагруже-ния подвижного кольца, появляются динамические нагрузки. В результате прочность соединения уменьшается, а внешний проворачивающий момент возрастает, создаются условия для проворачивания кольца подшипника [43].
Изнашивание посадочных поверхностей происходит в результате многих сложных процессов, протекающих на сопрягаемых поверхностях наружного и внутреннего колец подшипника. Срезаются и сминаются отдельные микро неровности сопрягаемых поверхностей при запрессовке, пластически деформируются микро выступы в зонах фактического контакта в течение первых циклов нагружения. Однако основными причинами износа посадочных мест подшипников качения являются фреттинг-коррозия и проворачивание внутренних и наружных колец подшипников [43, 44, 45].
Изучению механизма фреттинг-коррозии посвящены работы Р.Б. Уотер-хауза, В.В. Шевеля, А.Я. Алябьева, Н.Л. Голего, О.Н. Муравкина, А.В. Рябчен-кова и др. Фреттинг-коррозия является особой формой изнашивания и по условиям возникновения и характеру проявления имеет отличия от других видов изнашивания [44, 46].
В работе [46] указываются два важных отличительных условия: во-первых, скорость относительного перемещения контактирующих поверхностей намного ниже, чем при трении скольжения; во-вторых, при фреттинг-коррозии поверхности никогда не выводятся из контакта, а, следовательно, продукты разрушения почти не имеют возможности выхода из зоны образования.
В работе [47] указано, что при фреттинг-коррозии происходит разрушение оксидных пленок на поверхности посадочного места механическим способом, удаление механических частиц с поверхности в тонко измельченном виде, абразивное воздействие оксидов на поверхности трения.
В работе [48] автор считает, что процесс разрушения контактирующих поверхностей при фреттинг-коррозии определяется действием механического и физического факторов, которые тесно взаимосвязаны. Причем в начале развития фреттинг-коррозии интенсивность разрушения поверхностей определяется в основном механическим фактором. В дальнейшем начинает более существенно проявляться химический фактор, вследствие активации коррозионных процессов в зоне трения.
Исследуя продукты разрушения при фреттинг-коррозии, [47, 48] авторы установили три основные стадии развития фреттинг-коррозии.
На первой стадии происходит упрочнение поверхностей контакта и циклическая текучесть поверхностных слоев, большая часть выступов фактического контакта взаимодействует друг с другом пластически, разрушившиеся вследствие усталости выступы и срезавшиеся углы схватывания создают первичные продукты разрушения.
На второй стадии в поверхностных слоях продолжают накапливаться усталостные повреждения. Скорость изнашивания на этой стадии невелика, и она связана, в основном, с разрушением образующихся на поверхности трения оксидных пленок. Продукты фреттинг-коррозии, выделяющиеся из зоны трения, состоят из оксида Fe j, присутствуют также оксиды F Qj (Fej04), коррозионные продукты ГегОзхНгО и металлические частицы. Объем продуктов изнашивания больше объема разрушенного металла, и при ограниченной возможности их удаления из зоны трения они способны создавать большие локальные давления. При этом через продукты изнашивания могут передаваться знакопеременные напряжения.
Третья стадия связана с окончательным разрушением зон повреждения, предварительно разрыхленных усталостными и коррозионными процессами. Продукты фреттинг-коррозии по своему составу мало отличаются от продуктов второго периода. Они характеризуются большей дисперсностью. Интенсивность разрушения металлов при фреттинг-коррозии в значительной степени зависит от параметров внешнего механического воздействия на сопряженные поверхности, из которых наиболее важны следующие: амплитуда относительного перемещения, удельная контактная нагрузка, частота колебаний, количество циклов нагружения. Сложный механизм фреттинг-коррозии, влияние большого числа факторов на разрушение контактирующих поверхностей затрудняют разработку способов защиты деталей от нее. В настоящее время нет универсального способа защиты от этого вида разрушения. Большинство разработанных способов пригодны для частных случаев с конкретными условиями работы соединений. Способы защиты деталей машин от фреттинг-коррозии подразделяются на конструкторско-технологические и способы защиты от ведущих процессов повреждения [45]. Конструкторско-технологические способы направлены на предотвращение относительного перемещения контактирующих поверхностей или уменьшение его до величины, не приводящей к значительному развитию фреттинг-коррозии, за счет снижения тангенциальной силы от внешней нагрузки или увеличения силы трения. Увеличить силу трения можно путем повышения коэффициента трения или удельной нагрузки между контактирующими поверхностями в результате снижения площади контакта, увеличения натяга или применения специальных зажимов. Увеличить коэффициент трения можно путем нанесения гальванических покрытий. Нанесение меди и олова приводит к снижению повреждаемости при фреттинг-коррозии. Эффективным способом защиты металлических поверхностей от фреттинг-коррозии является также размещение между ними промежуточной среды. Для этого на одну или обе контактирующие поверхности наносят покрытия с малым модулем упругости — гальванические покрытия, целлюлозу, каучук, резину, клей ВДУ-3 и БФ-2, анаэробные герметики и другие полимерные материалы.
Характеристики стенда для проведения испытания соединения «внутреннее кольцо - вал»
Эволюция методов прогнозирования ресурса подшипниковых узлов по меркам научно-технического прогресса имеет затяжной характер. Это связано с особой сложностью рабочих процессов в подшипниках и высокой трудоемкостью набора статистических данных по их долговечности.
Методика расчета долговечности основана на обширных массивах результатов испытаний. В эмпирический расчет долговечности подшипниковых узлов необходимо включить качественные выводы новой теории расчета ресурса подшипников, комплексно учитывающей шероховатость, загрязнение смазки и предел усталостной нагрузки в коэффициенте ресурса.
Зарубежные разработки расчета долговечности подшипниковых узлов актуальны и для отечественных ремонтных предприятий. Однако, в связи с особенностями нашего производства и условий эксплуатации, прямое использование расчета ресурса по зарубежной методике дает заметное расхождение расчетов с результатами испытаний и эксплуатации.
В настоящее время в ОАО «ВНИГШ» предпринята попытка получения коэффициента ресурса для подшипниковых узлов с учетом российских условий.
В основе расчета лежит степенная зависимость контактной выносливости от растягивающих напряжений на поверхности контакта с учетом концентрации растягивающих напряжений под влиянием технологических и эксплуатационных факторов. Для этого разработаны и уточняются математические модели процессов действия: - смазки: толщина УГД - пленки; - трения: вязкого трения в УГД — контакте и граничного трения на микроконтактах; - теплообмена: в узле, в подшипнике и в силовых зонах трения; - шероховатости рабочих поверхностей по метрологическим данным: концентрация нормальных и касательных напряжений; - твердых частиц в масле: распределение твердых частиц в баках и во входной менисковой зоне контакта, расшифровка парадокса Тэллиана - уменьшение доли частиц в рабочей зоне при помощи эффекта фильтрации в пограничном гидродинамическом слое смазки; - неоднородностей металла у поверхности дорожки качения по металлографическим данным. Математические модели корректируются в процессе испытаний по измеряемым параметрам подшипника и смазки. После получения адекватных моделей расчет ресурса будет обладать повышенной точностью и расширенным диапазоном применения, что позволит ускорить разработку, сократить объем испытаний и распространить исследования на любой тип и типоразмер подшипникового узла, ограничиваясь контрольными испытаниями.
Для рациональной постановки испытаний и планирования эксперимента используются аппроксимирующие зависимости по пределу усталостной нагрузки в коэффициенте ресурса, полученные как подобные ожидаемым в нашей работе.
С целью повышения информативности и расширения условий испытаний в тесном сотрудничестве и на базе ОАО «ВНИПП» разработан модернизированный испытательный стенд ЦКБ-50М (рис. 3.5) с системой тонкой очистки и охлаждения масла, с программно-аппаратной и измерительной системой для контроля дополнительных физических параметров температурного поля, вибрации, микроконтактов и перемещений в подшипниковом узле, основные технические характеристики которого представлены в табл. 3.3.
Стенд предназначен для определения ресурса подшипниковых узлов с повышенной точностью за счет контроля дополнительных физических параметров режима работы, рациональной постановки и управления режимами испытаний и информационного обеспечения.
Все контролируемые параметры выводятся на экран персонального компьютера в режиме реального времени с одновременной записью на жесткий диск с последующей распечаткой.
В расчете ресурса подшипниковых узлов используются стандартные, адаптированные к задачам данной разработки, модели и программы геометрического, силового и кинематического расчета подшипников. Применена программа STEND, которая является базовым модулем системы математического обеспечения стенда ЦКБ-50М. Программа написана на объектно-ориентировочном языке и предназначена для работы в операционных средах Windows 9 + и выше. Программа представляет собой математическую модель однорядного радиального (радиально-упорного) шарико- или роликоподшипника, нагруженного плоской системой сил (моментов). Внутреннее кольцо подшипника вращается, наружное неподвижно.
Выходные параметры программы: распределение усилий по телам качения; угол зоны нагружения; максимальные контактные напряжения; размеры площадки контакта; рабочие параметры смазки; момент трения; мощность тепловыделения в подшипниковом узле; коэффициент ресурса подшипников; долговечность; толщина УГД - слоя смазки в контакте; кинематические характеристики; регистрация события «выход на кромку борта»; некоторые другие параметры.
Испытательный стенд ЦКБ-50М выполнен по принципиальной схеме, показанной на рис. 3.6. Он состоит из станины 1, корпуса испытательной головки 2, узла осевого нагружения 3 и радиального 4 нагружения, соединительной муфты 5, крышки 6, привода 7, электрической системы 8, масляной системы 9.
Устройство стенда ЦКБ-50М показано на рис. 3.7 и 3.8. Основными его узлами являются: станина; бабка; оснастка испытуемых подшипников; узлы радиального и осевого нагружения с ручными винтовыми прессами; привод; узел смазки и охлаждения; выбраковочное устройство; узел термопар; шкаф с электроаппаратурой.
Крутящий момент, создаваемый электродвигателем привода машины, передается через клиноременную передачу на вал стойки привода и от нее через соединительную муфту на вал оснастки с испытуемыми подшипниками, рис. 3.9. Нагрузка на подшипники обеспечивается двумя узлами нагружения (один узел для радиальной нагрузки, другой для осевой) с помощью ручных винтовых прессов. Величина нагрузки определяется по манометрам. Смазка и охлаждение испытуемых подшипников и подшипников нагружения осуществляется принудительно. Выбраковка подшипников осуществляется с помощью специального устройства. Как только начинается проворачивание внутреннего кольца подшипника на валу, выбраковочное устройство автоматически останавливает стенд. При этом гаснет зеленая сигнальная лампочка и загорается красная. Красная лампочка - сигнал принять необходимые меры: снять нагрузку с испытуемых подшипников, прекратить подачу смазки и т. д. Выбраковочными признаками являются также появление на кольцах или на телах качения подшипника очагов выкрашивания металла, возрастание температуры подшипника, повышение шумности. В этом случае стенд должен остановить наблюдающий за его работой.
Систематизация результатов расчета и выбора посадок колец подшипников качения для исследуемых соединений
Исследования по обоснованию требований к способам восстановления деталей показывает, что величина износа 80 ... 90 % деталей не превышает 0,5 мм и толщина слоя покрытия должна этому соответствовать. Учитывая малое значение шероховатости поверхности абсолютного большинства деталей, целесообразно, чтобы единственной операцией их обработки после нанесения покрытия являлось шлифование. Быстро изнашиваемые детали, ограничивающие ресурс машины, оказывают одновременно решающее влияние на стоимость ремонта. Восстановление деталей обычно связано с нанесением покрытий на изношенные участки, поэтому целесообразно в большинстве случаев использовать для покрытий материалы, обеспечивающие существенной увеличение срока службы.
Исследования показали [57], что способы приварки регулируемыми импульсами тока являются весьма универсальным, технологически гибким и перспективным направлением нанесения разнообразных покрытий на детали практически любых размеров с целью их восстановления или упрочнения. К деталям из различных марок стали, чугуна, бронзы и силуминов на установленных режимах могут быть приварены покрытия с заданными свойствами, толщиной 0,1 ... 1,5 мм. Применение данных технологий в 2 ... 3 раза сокращает расход металла, электроэнергии, трудоемкость последующей обработки, обеспечивают закалку слоя, исключают нагрев деталей и выгорание легирующих элементов, позволяют приваривать к деталям ленту из сталей 08КП, 10, 20, 40, 40Х, 50, 65Г, У8, У10, 50ХФА, Х6ВФ, Р9, Х18Н9Т и др.
Валы являются наиболее массовой группой деталей машин и, соответственно, вопросам нанесения покрытий различного типа на шейки валов уделяется особое внимание. Самый простой и дешевый способ нанесения покрытий на валы — приварка стальной ленты. Материал ленты может быть выбран с учетом исходного материала детали, условий его работы и изменений его свойств в процессе приварки. Приваркой стальной ленты могут быть восстановлены (упрочнены) практически все типы цилиндрических и конических шеек валов, изготовленных из различных марок стали и чугуна, а также такие, ранее не восстанавливавшиеся поверхности, как посадочные пояски гильз цилиндров, изготовленных из чугуна.
При восстановлении деталей контактной приваркой экономический эффект создается в результате различных многосторонних преимуществ этого способа. При этом можно наметить несколько принципиально различных случаев, типичных для конкретных групп деталей. Простейшим случаем является замена одного способа восстановления деталей (например, наплавки в среде С02) на способ контактной приварки ленты. В период внедрения способа приварки были оценены сравнительные затраты на восстановление указанными способами различных деталей картофелеуборочного комбайна КПК-3 и трактора К-701 (табл. 5.3).
Из приведенной таблицы следует, что способ приварки превосходит способ наплавки в 2 ... 3 раза практически по всем показателям. Особую роль в современных условиях приобретает значительное (до 3 ...4 раз) сокращение расхода металла, электроэнергии и повышение производительности труда. Следует указать и на такие преимущества приварки, как отсутствие выгорания легирующих элементов, высокая твердость слоя и его мелкозернистая структура, малая глубина термического влияния, значительное уменьшение припуска, удаляемого при механической обработке, и соответственно, сокращение ее трудоемкости и расхода абразивных материалов. Важное значение имеет также резкое улучшение условий труда и возможность использования рабочих низкой квалификации. Во многих случаях имеет место также увеличение ресурса восстановленных деталей, что позволило, например, в ОАО «Клинское РТП», ОАО «Собинское РТП», ОАО «Агросервис», где этим способом восстанавливают несколько наименований деталей, добиться повышения ресурса отремонтированных тракторов и сельскохозяйственных машин.
В связи с тем, что контактная приварка наиболее эффективна для восстановления деталей с малыми износами, применяемое оборудование целесообразно сопоставить с новым оборудованием для восстановления деталей близ-ким по области применения гальваническим железнением (табл. 5.4). Из приве 143 денной таблицы следует существенное превосходство по всем параметрам оборудования и в целом способа контактной приварки. Сказанное, безусловно, справедливо лишь для определенной номенклатуры деталей, так как для многих деталей способ гальванопокрытия является единственным возможным.
Вторым является случай, когда новый способ создает возможность восстановления деталей, которые ранее другими способами восстановить было невозможно. Примерами, иллюстрирующими этот случай, являются восстановление стаканов подшипников, восстановление резьбовых участков корпусов форсунок и штуцеров, восстановление гильз (цилиндров) двигателей с воздушным охлаждением, восстановление шестерен насосов типа НШ по высоте зуба, восстановление шатунов, восстановление коренных опор в блоках и т. п. В перечисленных случаях эффективность существенно выше, поскольку стоимость восстановления сопоставляется с ценой новой детали.
Третьим случаем является применение технологии, позволяющей не только восстановить размеры изношенных поверхностей, но и одновременно значительно увеличить их износостойкость, то есть увеличить долговечность детали. Наиболее часто этот случай имеет место при восстановлении деталей контактной приваркой ленты. Процесс приварки ленты выгоден не только потребителям отремонтированной техники, которые получают при этом более долговечные детали и узлы, но и ремонтным предприятиям. Поскольку каждое ремонтное предприятие обслуживает определенную зону, и машины возвращаются на эти же предприятия для повторных ремонтов, экономия предприятий определяется тем, что уменьшаются затраты на восстановление деталей, так как повторного восстановления многие или не потребуют вообще, или потребуют значительно реже и в меньшем объеме. Контактная приварка ленты не только создает наибольший экономический эффект, но, что в настоящее время не менее важно, обеспечивает большую экономию металла.
