Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 6
1.1. Долговечность подшипниковых у злов 6
1.2. Физическая природа контактной усталости деталей подшипника 10
1.3. Смазочные материалы для подшипников качения 20
1.3.1. Роль смазки в процессе трения и изнашивания 20
1.3.2. Режимы смазки подшипников качения 22
1.3.3. Преимущества и недостатки пластичных смазок перед маслами 23
1.3.4. Использование пластичных смаюк в агропромышленном комплексе 26
1.4. Основные направления повышения долговечности пар трения 28
1.5. Виды и характеристики добавок 29
1.6. Выводы и задачи исследований 38
2. Расчетно-теоретический анализ эффективности применения геомодификаторов в пластичные смазки 40
2.1. Два случая абразивного износа элементов пар трения качения 40
2.2. Зависимость абразивного износа от нагрузки 41
2.3. Оценка характера деформаций, предшествующих износу 43
2.4. Статистика абразивных частиц и оценка числа их, попадающих на элемент площади поверхности детали 48
2.4. Абразивный износ подшипников <ачения 50
3. Исследование надежности сельскохозяйственной техники 57
3.1. Выбор схемы исследования 57
3.2. Определение показателей надежи ости 58
4. Методика проведения испытаний г одшипников качения 69
4.1. Общая методика проведения исследований 69
4.2. Выбор факторов влияющих на режимы трения и скорость изнашивания подшипников качения 69
4.3. Методика лабораторных исследований 70
4.4. Методика экспериментальных испытаний 76
5. Результаты исследований и их анализ 78
5.1. Результаты лабораторных испытаний по многофакторному планированию 78
5.2. Результаты ресурсных испытаний подшипников качения 86
5.3. Результаты эксплуатационных испытаний подшипников качения 92
Общие выводы 95
Литература
- Долговечность подшипниковых у злов
- Преимущества и недостатки пластичных смазок перед маслами
- Два случая абразивного износа элементов пар трения качения
- Выбор факторов влияющих на режимы трения и скорость изнашивания подшипников качения
Введение к работе
Увеличение долговечности изделий открывает огромные ресурсы в удовлетворении потребности народного хозяйства продукцией машиностроения при меньших капитальных вложениях.
Одним из элементов, снижающим показатели надёжности машин, являются подшипники качения. В настоящее время при создании новой конструкции трактора, сельскохозяйственной машины или модернизации существующей модели расчет подшипников качения производится по методике, учитывающей только контактную прочность деталей подшипника, а износ и другие виды разрушений во внимание не принимаются. При этом расчетная долговечность подшипников в часах часто получается выше нормативной долговечности и во многих случаях достигает более 10000 часов. Вместе с тем фактический срок службы большинства подшипников ниже требуемой величины и равеь в среднем 4000 - 5000 часов, а в отдельных случаях всего 2000 - 3000 часов. К этому времени зазоры в подшипниках достигают таких величин, которые вызывают перекосы шестерен и самих колец подшипников, чрезмерный шум и вибрацию, а также неблагоприятное перераспределение нагрузки между телами качения, снижая тем самым и контактную стойкость подшипников.
Значительная часть всех работ, посвященных подшипникам качения, отводится вопросам трения. В них рассматривается зависимость момента трения от конструктивных параметров подшипника, нагрузки, скорости вращения, качества и способа смазки и др. Считается, что от величины трения зависит износ подшипника, однако, как показали, например, работы НАТИ, при эксплуатации в чистом \>асле износ практически отсутствует. В действительности же в процессе эксплуатации в смазке накапливается большое количество механических примесей, приводящих к значительному износу подшипников.
В настоящее время одним из средств повышения ресурса подшипников качения является применение добавок к смазочным материалам.
На современном рынке смазочных материалов представлен широкий выбор добавок, позволяющих повысить смазочные свойства масел за счёт улучшения их противозадирных и противоизносных свойств. Однако до сих крайне мало информации о добавках для пластичных смазок. Поэтому целью данной работы является выявление возможности повышения ресурса подшипниковых узлов сельскохозяйственных машин, путём улучшения смазочных и противоизносных свойств пластичных смазок с помощью геомодификаторов.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
- теоретическое обоснование влияния геомодификатора ТСКВ-100 на
ресурс подшипниковых узлов сельскохозяйственных машин;
результаты исследований показателей надежности
сельскохозяйственных машин;
- результаты экспериментальных исследований по оценке влияния
геомодификатора ТСКВ-100 на ресурс, коэффициент трения и интенсивность
изнашивания подшипников качения при работе в условиях абразивного
изнашивания.
Долговечность подшипниковых у злов
К подшипниковым узлам сельскохозяйственных машин относятся подшипники качения, состоящие и:- внутренней и внешней обоймы, тел качения (ролики или шарики), и посадки: вал - внутренняя обойма, внешняя обойма - корпус. Наиболее изнашиваемым звеном подшипникового узла является подшипник качения. Следовательно повышение долговечности подшипников качения приводит к повышению долговечности подшипниковых узлов, а следовательно и всего агрегата в целом.
Долговечность подшипников определяется большим числом факторов, которые могут быть разбиты на следующие группы: к конструктивным факторам относятся надлежащий выбор материалов, смазок и конструкции подшипников, установление необходимых соотношений размеров их деталей и назначение рациональных внутренних зазоров, разработка принципиально новых типов опор качения; к технологическим факторам можно отнести выбор режимов механической и термической обработки для используемых материалов и рациональных методов получения ич заготовок, обеспечение надлежащего операционного и окончательного контроля, автоматизация процессов изготовления и контроля; к факторам, связанным с применением подшипников, относятся правильный выбор подшипников в соответствии с характером нагрузки, скоростью вращения и рабочей температурой, обеспечение необходимых посадок и соосности посадочных МІСТ, надлежащая смазка и уплотнение подшипников, грамотная техника монтажа и эксплуатации подшипников.
Большое влияние на долговечность подшипников имеет состояние поверхностного слоя рабочих поверхностей деталей подшипников.
Недостаточная высокая долговечность подшипников [1,2,3,4] в узлах машин в большинстве случаев обусловлена не низким их качеством, а грубым нарушением элементарных требований монтажа, смазки и ухода за подшипниками.
Правильная смазка, включающая в себя как правильный выбор смазочного материала, так и правильное его применение, является важным условием нормальной работы подшипника [5]. Недостаток смазки или неправильно выбранный смазочный материал неизбежно приводит к преждевременному износу подшипников и сокращению срока их службы. Смазка определяет долговечность подшипников не в меньшей мере, чем материал его деталей. Особенно иозросла роль смазки с повышением напряжённости работы узлов трения, скоростей нагрузок, а самое главное температур - наиболее важного фактора, обусловливающего долговечность смазки в подшипнике [6]. Правильный выбор смазки важен и в отношении энергетических потерь на преодоление сопротивления от внутреннего трения в самой смазке.
Смазка в подшипниках качешя выполняет в основном следующие функции [7,8,9,10,11,12]: уменьшает трение скольжения, возникающее между телами качения и сепаратором, а также между бортами колец и торцами роликов; уменьшает трение скольжения между поверхностями качения, возникающее вследствие их упругой деформации под воздействием нагрузки при работе подшипников; образует между рабочими поверхностями разъединяющую их масляную плёнку. Благодаря буферному действию смазочная плёнка смягчает удары тел качения о кольца и о сепаратор, увеличивая этим долговечность подшипника и снижая шум при его работе; способствует равномерному распределению тепла, выделившегося при работе подшипника в результате трения его элементов по всему подшипнику, и предотвращает этим развитие высокой температуры внутри подшипника; служит в качестве охлаждающей среды, когда подшипник работает при высокой окружающей температуре или при тяжёлом режиме, сопровождающемся выделением большого количества тепла; защищает подшипник от коррозии.
Для смазки подшипников качения применяют смазочные масла и консистентные смазки.
Существенным преимуществом смазочных масел перед консистентными смазками является то, что они легче проникают к поверхности трения. Это значительно снижает опасность наступления смазочного голодания, которое может наступить при применении консистентных смазок даже при наличии их в узле.
Расчётный ресурс работы подшипников качения может быть надёжно обеспечен только при условии соблюдения надлежащего режима смазки и теплоотвода.
Смазка оказывает большое влияние на снижение потерь трения (в основном трения скольжения), во шикающего на площадках контакта шариков или роликов с внутренним и наружным кольцами подшипника, трения скольжения в гнёздах сепаратора.
При наличии плохих уплотнений в условиях сильного загрязнения наблюдается интенсивный абразивный износ рабочих деталей подшипников, сопряжённый с ростом радиальных и, в меньшей мере осевых зазоров, причём питтинг в этом случае уже не наблюдается.
В ряде случаев причинами выхода подшипников из строя могут быть: повышенная несоосность посадочных мест, перекосы, смещение и неточная выверка положения разборных корпусов;
Преимущества и недостатки пластичных смазок перед маслами
Трибосопряжение в зависимости от режима смазки может работать фактически без износа (гидродинамический режим смазки) и в условиях изнашивания (граничный режим смазки). Порядок величин коэффициентов трения при гидродинамическом режиме смазки 0,001 - 0,005, а при граничном - 0,01 - 0,1.
В случае гидродинамической смазки малое трение обеспечивается наличием несущего гидродинам іческого слоя масла, полностью разделяющего поверхности трения, образование которого определяется объёмными или вязкостными свойствами масла, геометрией деталей узла трения, скоростью и нагрузкой, объёмной температурой, а антифрикционные свойства материалов трибосопряжения имеют второстепенное значение.
Наибольшее проявление антифрикционных и противоизносных свойств материалов трибосопряжения происходит в условиях граничной смазки. Этот режим определяется но объёмными вязкостными свойствами смазочного материала, а специфическим воздействием смазки и твёрдого тела в результате адсорбции или емосорбции. Именно при граничном режиме можно выделить трибогехнические характеристики масел, пластичных смазок и присадок, предназначенных для снижения трения и износа трибосопряжения [31,32].
Сложность и многообразие требований к смазочным материалам не позволяет использовать один тип смазки. В тоже время нельзя обойтись, например, и только смазочными маслами [25].
В настоящее время используют твёрдые, жидкие, газообразные, а также пластичные смазочные материалы. Наиболее распространёнными и широко применяемыми в технике в технике общего назначения, в том числе и сельскохозяйственной технике, полу шли жидкие и пластичные смазочные материалы.
По масштабам производства первое место, безусловно, принадлежит смазочным маслам (более 90% всех смазочных материалов). Основная доля их расходуется в двигателях внутреннего сгорания. Также масла широко применяются в различных редукторах (трансмиссионные масла), компрессорах, паровых машинах и турбинах и в других узлах, как правило, рекомендуются для смазки подшипников качения и зубчатых передач.
Пластичные смазки занимают промежуточное положение между твёрдыми и жидкими смазочными материалами. Они представляют собой мягкие мази с достаточно плотной, густой консистенцией, получаемые загущением смазочных масел различными загустителями (в основном, натриевыми, кальциевыми или литиепыми мылами).
По общему производству пластичные смазки уступают маслам. В разных странах на их долю приходится от 4 до 15% выпуска смазочных масел. Хотя производство масел и превышает выпуск пластичных смазок, однако, это не означает, что масла более широко распространены. Наоборот, число механизмов и узлов трения, смазываемых пластичными смазками значительно больше, чем машин, в которых используются масла. Это объясняется тем, что расход масел на одноразовую заправку механизма, как правило, в сотни и даже тысячи раз выше, чем пластичных смазок. Например, ёмкость картера двигателя грузового автомобиля составляет несколько десятков литров масла. В тоже время в ступицу колеса того же автомобиля достаточно ввести несколько десятков, реже сотен грамм пластичной смазки. Причём только около 5% её будет находиться в самом подшипнике, а на беговой дорожке - всего примерно 1% [33]. Соответственно число точек смазываемых маслами, исчисляется единицами (двигатель, коробка перемены передач, задний мост, картер руля), а смазками - десятками (ступицы колёс, подшипники электрооборудования, сцепления, многочисленные точки смазки шасси, рулевого управления, кузова и так далее). В большинстве механизмов количество смазки, вводимой в узел трения, не превышает нескольких граммов, а нередко даже миллиграммов.
Можно выделить следующие преимущества пластичных смазок перед маслами [25,31]: 1. хорошее удерживание на наклонной и даже вертикальной поверхности, отсутствие выдавливания из узлов трения под действием значительных нагэузок; 2. значительно меньшее изменение вязкости смазки с температурой; 3. лучшие показатели противсизносных и противозадирных свойств (особенно при жёстких режи мах работы); 4. лучшая защита металлических поверхностей от коррозии; 5. высокая герметизация узлов трения, предохранение от попадания нежелательных продуктов; 6. более надёжная и эффективная работа в жёстких условиях эксплуатации при одновременном воздействии высоких температур, давлений, ударных нагрузок, переменном режиме скоростей; 7. экономичность в применении благодаря более продолжительной работоспособности, меньшему расходу и меньшим затратам на обслуживание техники.
Два случая абразивного износа элементов пар трения качения
Условия работы элементов пар трения качения, подверженных абразивному износу, обладают ря;ом особенностей: высокие нагрузки, действующие в контакте, материалами для трущихся поверхностей служат обычно твердые или закаленные стали, число абразивных частиц, попадающих в зазор, незначительно, а их механическая прочность относительно не велика. При определенном соотношении этих величин возможно интенсивное дробление абразивных частиц, что и наблюдается на практике [62, 63, 64,65,66, 67].
В зависимости от соотношения Р., (суммарное давление на 1 см длины контакта), необходимое для одновременного дробления взаимодействующих с поверхностями сопряжения абразивных частиц, кг/см) и Ра (нагрузка на единицу длины контакта, кг/см) можно выделить два случая (рисунок 1).
2. Абразивные частицы, испытывая действие все возрастающих нормальных сил, дробятся при определенной глубине внедрения. Дробление частиц происходит до величин, не больших б +А (8 - толщина смазывающей пленки, А - высота микронеровности), после чего они проходят зону контакта.
Следствием интенсивного дробления частиц в контакте является слабая зависимость износа от нагрузки (в области больших нагрузок), что может служить внешним проявлением такой особенности износа (Рисунок 1). Это связано с тем, что внедрение абразивных частиц конечно (оно определяется их механической прочностью при дроблении) и любая большая нагрузка, чем приводящая к дроблению, уже не может увеличить глубину внедрения (и пропорциональный ей износ). Такая зависимость износа (значительное увеличение его с нагрузкой в области малых нагрузок и весьма слабое увеличение в области больших нагрузок) получена рядом исследователей.
Уже в первых исследованиях износа образцов свободными абразивными частицами было обнаружено, что прямая пропорциональность между износом и нагрузкой нарушается при повышении последней из-за дробления абразивных зерен. Удельные нагрузки, выше которых нарушается прямая пропорциональность и которые выбраны как условие правильной методики эксперимента (для получения линейной зависимости износ-нагрузка), в различных работах состапляли 10-20кг/см [68].
Г.В. Виноградов и В.А. Вишняков, исследуя абразивный износ подшипников качения [63], отмечают, что повышение нагрузки в 10 раз дает разницу в износе, не превышающую 10% (Рисунок 2). Проведенный в этой работе анализ фракционного состава раздробившихся частиц показал, что их размер сопоставим с размером 8 +Д (значение 8 получено из электрических измерений). Эти и другие авторы [68] отмечают, что если во время испытаний не подавать новых порций абразивных частиц, то процесс изнашивания протекает с убывающей скоростью (Рисунок 2.) и через некоторое время прекращается, причем прекращение изнашивания связано, как они полагают, с дроблением всех частиц до размеров 5 +А. 1,ИГ f Ч 3 ґ,нас Рис. 2. Зависимость абразивного H3Fioca Ич от времени изнашивания т. при трении качения. 1 - износ при нагрузке Р = 60; 2 - то же при Р = 600 Н
Таким образом, теоретические предпосылки и анализ экспериментальных и эксплуатаи ионных данных показывают, что являющаяся обычно признаком абразивного износа линейная зависимость износа от нагрузки соблюдается не но всех случаях. В общем случае И РУ, где величина у не всегда равне 1, для условий тяжелонагруженных сопряжений, поверхности которых выполнены из твердых материалов, у значительно меньше 1.
Выбор факторов влияющих на режимы трения и скорость изнашивания подшипников качения
Низкая надёжность является одной из основных проблем современной техники, так как качество машин характеризуется не только их общими показателями, но главным образом уровнем надёжности - способностью машин выполнять свои функции в течение длительного времени с минимальными затратами труда и материальных средств на поддержание их в работоспособном состоянии [74, 75, 76].
Повышение надёжности машин - один из наиболее действенных путей увеличения производительности общественного труда, так как производство и эксплуатация машин с высокими показателями надёжности возмещает их количество при значительно меньших затратах труда.
С целью изучения надежности сельскохозяйственной техники было организовано наблюдение за парком сельскохозяйственных машин ОАО «АПО Тайцы», Ленинградской области. Под наблюдение были взяты основные группы сельскохозяйственных машин, применяемых для основной обработки почвы, посева, внесения удобрений, заготовки кормов. Машины взятые под наблюдение представлены в таблице 1. Таблица 1. Парк сельскохозяйственных машин взятых под наблюдение.
Информация о надёжности машин и их элементов была получена в результате наблюдений за работой машин в эксплуатации и анализа их технического состояния при проведении технического обслуживания и ремонта. Для учёта эксплуатационной информации предусмотрен журнал учёта наработок и отказов. Наблюдения вели в течение трёх лет, с постоянным сбором сведений о наработке, времени устранения отказа и затратах на запасные части.
При поступлении взятых под наблюдение машин в ремонт проводили техническую экспертизу. Данные об отказах и заменённых при устранении последствий отказа деталях заносили в журнал.
Показатели надёжности определяются на основе параметров, характеризующих работу объектов во времени. Рассматривая работу машин или их элементов с позиций надёжности, можно выделить следующие параметры: наработку до первого отказа или между отказами t0, время восстановления работоспособности после отказа Тв, наработку до предельного состояния R, количество отказов за определённую наработку г, наработку до списания машины tCM.
Все эти параметры являются случайными величинами, что объясняется как рассеиванием характеристик при изготовлении новых машин, так и многообразием условий эксплуатации (почвенно-климатических, режима работы, уровня обслуживания и г.п.). Поэтому их обработку можно произвести только методами математической статистики и теории вероятностей.
Полной характеристикой надёжности являются функции распределения или плотности вероятностей параметров, характеризующих надёжность. Для удобства пользования показателями вместо распределений берут их числовые характеристики - математическое ожидание (среднее значение), среднее квадратическое отклонение и др.
Из комплексных показателей надёжности в сельском хозяйстве наиболее часто используются коэффициенты готовности и технического использования.
Коэффициент готовности К, - вероятность того, что объект окажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых его использование по назначению не предусматривается.
