Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1. Изменение технического состояния трансмиссий тракторов в процессе эксплуатации 10
1.2. Анализ факторов, влияющих на интенсивность изнашивания зубчатых передач тракторных трансмиссий 15
1.3. Температурные условия работы трансмиссионных масел 19
1.4. Способы улучшения режима смазки зубчатых передач тракторных трансмиссий 30
1.5. Выводы и задачи исследования 36
2. Теоретическое обоснование терморегулирования трансмиссионных масел для снижения интенсивности изнашивания зубчатых передач тракторных трансмиссий 38
2.1. Влияние температуры трансмиссионного масла на толщину смазочного слоя в зоне жидкостной смазки 39
2.2. Влияние температуры трансмиссионного масла на основные трибологические характеристики 44
2.3. Обоснование необходимости терморегулирования трансмиссионного масла 50
2.4. Выводы 51
3. Программа и методика экспериментальных исследований 53
3.1. Программа экспериментальных исследований 53
3.2. Объект и лабораторное оборудование первого этапа исследований 54
3.3. Методика проведения лабораторных испытаний 58
3.3.1. Методика исследования влияния вязкостно-температурных свойств масел на энергозатраты на трение 58
3.3.2. Методика определения оптимальных нагрузочно-скоростных и температурных режимов работы узла трения на масле, содержащем абразивные примеси 59
3.4. Методика определения износа образцов 62
3.5. Объект и оборудование для проведения второго этапа исследований 70
3.6. Методика исследования температурных условий работы масла в корпусе трансмиссии трактора Т-25А 72
3.7. Система терморегулирования трансмиссионного масла в корпусе трансмиссии трактора Т-25 А 73
3.7.1. Конструкция, технология установки электронагревательных устройств в корпусе трансмиссии трактора и подключение их к сети 73
3.7.2. Методика исследования температурных условий работы масла в корпусе трансмиссии трактора Т-25 А, оборудованного системой терморегулирования 77
3.8. Оборудование, приборы и устройства для проведения стендовых испытаний трактора Т-25А 79
3.9. Методика исследования влияния температуры трансмиссионного масла на изнашивание зубчатых колес трансмиссии трактора Т-25 А 82
3.10. Методика определения износа зубьев зубчатых колес 84
3.11. Методика исследования влияния температуры трансмиссионного масла на топливную экономичность дизеля 87
3.12. Методика определения потерь мощности в трансмиссии трактора Т-25 А 90
3.13. Методика обработки результатов экспериментальных исследований 94
4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 98
4.1. Влияние вязкостно-температурных свойств масел на энергозатраты на трение 98
4.2. Статистическая модель зависимости интенсивности изнашивания роликовых образцов от эксплуатационных факторов и ее анализ 100
4.3. Поиск оптимальных условий работы узла трения (на примере роликовых образцов) 104
4.4. Результаты исследования температурных условий работы масла в корпусе трансмиссии трактора Т-25 А 107
4.5. Результаты исследования температурных условий работы масла в корпусе трансмиссии трактора Т-25 А, оборудованного системой терморегулирования 109
4.6. Результаты исследования влияния температуры трансмиссионного масла на изнашивание зубчатых колес трансмиссии трактора Т-25 А 113
4.7. Результаты исследования влияния температуры трансмиссионного масла на топливную экономичность дизеля и потери мощности в трансмиссии трактора Т-25 А 115
4.8. Рекомендации по применению системы терморегулирования трансмиссионного масла 117
4.9. Выводы 119
5. Экономическое обоснование результатов исследований 121
5.1. Определение затрат на модернизацию трансмиссии трактора Т-25 А 122
5.2. Определение экономической эффективности модернизации трансмиссии трактора Т-25 А 127
5.3. Выводы 130
Общие выводы 131
Список использованных источников 133
Приложения 148
- Температурные условия работы трансмиссионных масел
- Методика определения износа образцов
- Статистическая модель зависимости интенсивности изнашивания роликовых образцов от эксплуатационных факторов и ее анализ
- Результаты исследования температурных условий работы масла в корпусе трансмиссии трактора Т-25 А, оборудованного системой терморегулирования
Температурные условия работы трансмиссионных масел
Трансмиссионные масла используют в КПП, ведущих мостах, бортовых передачах, раздаточных коробках, а также в других агрегатах трансмиссий. Все эти агрегаты представляют собой зубчатые передачи: цилиндрические, конические, гипоидные и др. Основное назначение трансмиссионных масел: снижение износа трущихся сопряжений, уменьшение затрат энергии на преодоление трения, отвод теплоты от деталей и предохранение их от коррозии. Они также снижают действие ударных нагрузок, уменьшают шум и вибрацию шестерен, уплотняют зазоры в сальниках и различных соединениях [62].
Трансмиссионные масла работают в специфических условиях. Трущиеся поверхности деталей зубчатых передач подвергаются действию высоких удельных нагрузок - до 1500. ..2000 МПа, гипоидных - более 2500 МПа. Фактические скорости относительного скольжения трущихся поверхностей зубьев цилиндрических и конических передач составляют на входе в зацепление обычно 1,5...3,0 м/с [11,62,63].
Рабочая температура масла в агрегатах трансмиссии изменяется в широких пределах. Авторы [64] указывают, что при оценке температурных режимов работы масла в агрегатах трансмиссии необходимо различать три наиболее характерных рабочих температуры:
- минимальную - в момент начала работы агрегата после длительного перерыва, равную наиболее низкой температуре окружающего воздуха;
- максимальную - наиболее часто встречающуюся во время работы агрегата при максимальной температуре окружающего воздуха;
- среднеэксплуатационную - наиболее вероятную во время работы агрегата за весь период эксплуатации.
Каждая из этих температур является функцией ряда переменных. Минимальная температура масла в агрегатах трансмиссии зависит от района эксплуатации и времени года. Температура окружающего воздуха в течение года колеблется в широких пределах, и для одной и той же местности разность температур в зимний и летний периоды достигает 40...60 С. Так средняя полоса России характеризуется средней температурой окружающего воздуха в январе от -10 до -20 С, минимальная температура может достигать до - 40 С. Продолжительность зимнего периода достигает здесь 5...6 месяцев в году. Средняя максимальная температура воздуха в июле составляет +27 С. Диапазон изменения абсолютной минимальной и абсолютной максимальной температуры составляет 85...90 С. Разница между минимальной зимней температурой окружающего воздуха в северных зонах и максимальной летней в южных достигает 100... ПО С [8,11,65,66].
Максимальная и среднеэксплуатационная температуры, кроме указанных двух факторов, зависят также от условий работы, типа и марки машины и интенсивности ее эксплуатации. Наибольший интерес с точки зрения рациональной эксплуатации машинно-тракторного парка представляет среднеэксплуатационная температура трансмиссионного масла.
Результаты исследований и опыт эксплуатации машинно-тракторного парка [67,68,69] свидетельствуют, что температурный режим работы агрегатов трансмиссии определяется их конструкцией, природно-климатическими условиями (температура окружающего воздуха, направление и сила ветра, рельеф и фон местности), нагрузочно-скоростным режимом работы и скоростью передвижения машины, а также вязкостно-температурными свойствами применяемого масла.
Наиболее существенным фактором, по мнению авторов [33,70], влияющим на температурный режим масла в трансмиссиях тракторов, является температура окружающего воздуха. Вместе с тем отмечается, что на интенсивность процесса теплопередачи существенную роль оказывает также ветер. В работе [71] указано, что низкие температуры окружающего воздуха с ветрами оказывают большее воздействие на температурный режим узлов машин, чем одни только отрицательные температуры.
Ю.И. Пустозеров [72], оценивая влияние температуры окружающего воздуха и ветра на тепловое состояние узлов трансмиссии трактора ДТ-75, вводит понятие "эквивалентная температура", которая учитывает одновременное охлаждающее воздействие двух факторов: температуры окружающего воздуха и скорости ветра на установившуюся температуру масла работающего механизма.
Авторами источника [68], а также исследованиями А.И. Яговкина [73] установлено, что в условиях низких температур, установившаяся температура масла в агрегатах трансмиссии зависит, в основном, от температуры и скорости окружающего воздуха, обдувающего агрегат, т.е. от суровости климата.
В значительной степени температурный режим трансмиссии зависит также от нагрузочно-скоростного режима ее работы, т.к. масло в агрегатах трансмиссии трактора нагревается в основном за счет тепла, выделяющегося в зубчатых парах при передаче крутящего момента, перемешивания и дросселирования (мятия) масла [68], т.е. при картерной смазке нагрев масла происходит в результате барботирования масла зубчатыми колесами и мгновенных "температурных вспышек" в зоне контакта зубьев [74].
Интенсивность разогрева и величина установившейся температуры масла в агрегатах трансмиссии трактора при данной температуре окружающего воздуха тем больше, чем выше передача, больше нагрузка и вязкость масла, меньше скорость ветра [68].
Согласно экспериментальным данным ряда исследователей [70,75,8,17,76,77], а также данным, полученным авторами [78], для некоторых марок тракторов (Т-4, ДТ-75, МТЗ-80, МТЗ-50, Т-16М, Т-25А) установлено, что температура масла в агрегатах трансмиссий указанных тракторов в различных условиях эксплуатации изменяется в широких пределах (прил.А). Трансмиссионное масло при этом нагревается с переменной интенсивностью. Около одной трети прироста температуры приходится на первые 30...50 минут работы машины. Время непрерывной работы трактора до наступления установившейся температуры масла при работе под нагрузкой составляет 2...4 часа, без нагрузки на 1,5...2,0 часа больше. Интервал установившейся температуры масла для этих марок тракторов составляет 20...90 С в условиях зимней и летней эксплуатации соответственно. Разность установившейся температуры масла и температуры окружающего воздуха находится в пределах 30.. .70 С.
А.К. Кисленко [70] утверждает, что наиболее характерными температурными режимами при зимней эксплуатации трансмиссий тракторов Т-4 являются температуры 0...+35 С.
В работе [79] указывается, что наиболее рациональными температурными режимами эксплуатации тракторов типа "Беларусь" являются температуры диапазона 0...+40 С. Дальнейшее снижение температуры трансмиссии, с пуском ее в работу без предварительного подогрева, ведет к значительному росту дополнительных затрат средств для выполнения единицы работы.
Продолжительность непрерывной работы трактора обычно не превышает 3,0...3,5 часов, после чего он останавливается и температура масла в его агрегатах снижается до уровня, зависящего от продолжительности простоя и погодных условий, а после, при работе снова поднимается и т.д. На транспортных работах при отрицательных температурах окружающего воздуха велика вероятность работы агрегатов трансмиссии с температурой масла ниже 0 С. Значительное время (причем на всех видах работ) температура масла в агрегатах не поднимается выше + 10 С. Таким образом, при установившейся температуре агрегаты трактора практически не работают, фактическая температура масла ниже установившейся максимальной и является случайной величиной [68,8].
Большой диапазон изменения температуры трансмиссионного масла в сельскохозяйственных тракторах В.В. Матвеев [33,80] объясняет разным объемом масла в агрегатах трансмиссии в сравнении с величиной передаваемой мощности и предлагает использовать для оценки температурного режима работы масла оценочный показатель - коэффициент маслонапряженности (коэффициент напряженности работы масла (М))
Методика определения износа образцов
Среди существующих способов определения износа деталей машин [130] наиболее точным и информативным является метод искусственных баз, недостатком которого является то, что базы выполняются на рабочей поверхности детали, которая при изнашивании загрязняется продуктами износа. Высокие контактные давления также приводит к искажению формы искусственной базы из-за пластического деформирования металла по контуру углубления. По указанным причинам точность измерения износа способами отпечатков и вырезанных лунок снижается, а иногда измерение вообще невозможно (при полном исчезновении отпечатка), поэтому при лабораторных исследованиях применен способ определения износа, лишенный указанных недостатков, при котором база выполняется на нерабочей поверхности образца - на торце нижнего ролика [131]. Данный способ позволил измерять износ образца без снятия его с вала машины трения и не нарушая положения роликов относительно друг друга, что особенно важно при изучении динамики изнашивания.
Искусственная база наносилась на торец ролика 1 (рис.3.5) в виде риски 2, проведенной по радиусу образца, и перпендикулярного штриха 3, отстоящего от поверхности на расстоянии 0,5...0,7 мм [60]. На стекле окуляра оптического прибора, на котором нанесена измерительная сетка, выполнена система рисок, состоящая из рисок 1 (рис.3.6) и 2, пересекающихся под углом 120 , биссектрисы этого угла 3, которая параллельна рискам измерительной сетки 4, а также штриха 5, проведенного перпендикулярно биссектрисе.
При определении износа оптический прибор наводился на торец нижнего ролика. При этом биссектриса 6 (рис.3.7) совмещалась с риской 1, а штрих 7 со штрихом 2. В этом положении измерялась длина хорды между точками пересечения рисок 3 и 4 с линией контура ролика 8 до и после изнашивания образцов. По разности измерений (поверхность после изнашивания показана штриховой линией) определялся износ в данной точке поверхности по формуле [60]: где /у и /2 - длины хорд до и после изнашивания (на рис.3.7 соответственно СД и СЭД), мм;
При проведении испытаний на каждом ролике наносились четыре искусственные базы в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях. Износ ролика определялся как среднее арифметическое износов в четырех точках поверхности. Если после изнашивания образца, при измерении параметра базы, точка пересечения рисок 3 и 4 (см. рис.3.7) оказывалась за пределами контура исследуемой поверхности (рис.3.8), то износ определялся по формуле [60]:
Для нанесения искусственных баз использовалось специальное приспособление [60]. Ролик 11 (рис.3.9) закреплялся гайкой 10 в обойме 12. База наносилась резцом 9, в качестве которого использовалась пирамида микротвердомера ПМТ-3. Перемещением ползуна 8, к которому прикреплен резец, винтом 7, на торце ролика нарезалась риска. Затем резец возвращался от поверхности к центру на расстояние 0,5...0,7 мм, которое определялось по нониусной шкале, нанесенной на боковых поверхностях резцедержателя 6 и ползуна 8. В этом положении наносился штрих, перпендикулярный риске, перемещением опоры 13 обоймы 12 по направляющей 14 с помощью винта 15. Резец при этом оставался неподвижным. На боковых поверхностях опоры 13 и направляющей 14 нанесено по одной риске, при совпадении которых обойма 12 занимает положение, в котором линия перемещения резца 9 проходит по радиусу ролика.
Для измерения износа образцов использовалось приспособление 2 на базе отсчетного микроскопа МИР-1М [60], установленное на станине машины трения (см. рис.3.1). Тубус отсчетного микроскопа 1 (рис.3.10) крепился на станине при помощи штатива 3, который при проведении испытаний отводился в нерабочее положение поворотом вокруг оси 7. Окуляром служил микроскоп оптический винтовой МОВ-1-16, на стекле которого на заводе изготовителе была нанесена ранее описанная система рисок (см. рис.3.6). Объектив имел возможность перемещения по направляющим 4 и 5 (см. рис.3.10) в двух взаимноперпендикулярных направлениях: параллельно оси испытываемого ролика для наведения резкости и перпендикулярно этой оси в целях отыскания в окуляре искусственной базы, нанесенной на ролике. В положении измерения штатив фиксировался стопором 6. Цена деления прибора составляла 1,8 мкм.
При практическом применении способа определения износа [131] оказалось, что зона измерения износа недостаточно хорошо освещена, а контуры искусственной базы недостаточно хорошо различимы. Освещение зоны измерения от постороннего источника света, находящегося вблизи зоны измерения, не дало положительных результатов в связи с невозможностью установки источника света в одном и том же положении при каждом измерении износа, а также значительной трудоемкостью этого процесса. Поэтому с целью повышения качества и снижения трудоемкости измерений на корпус 1 отсчетного микроскопа МИР-1М (рис.3.11) жестко крепилась лампа 2 освещения зоны измерения, что способствовало значительному улучшению условий работы при измерении износа испытываемого образца 3 [126].
Статистическая модель зависимости интенсивности изнашивания роликовых образцов от эксплуатационных факторов и ее анализ
В результате реализации многофакторного эксперимента по изучению влияния эксплуатационных факторов (нагрузочно-скоростного, температурного режимов работы узла трения и загрязнения смазочного масла абразивными примесями) на интенсивность изнашивания роликовых образцов получены значения параметра оптимизации, приведенные в прил.Г.
В результате математической обработки результатов эксперимента на ЭВМ получено уравнение регрессии (полином второй степени) в кодированном виде [143,126]:
у = 1,139 + 0,335 - 0,118Х3 + 0,258Х4 + 0,092ХХ2 + 0Д36Х2, (4.1)
Уравнение (4.1), приведенное к натуральным значениям факторов имеет вид:
/ = 3,33 - 1,61 Р - 0,08tM + 2,35С + 1,47Р2 + 6,03-10 4t2M, (4.2)
где у (Г) - параметр оптимизации (интенсивность изнашивания роликовых образцов);
Xi (Р) - нагрузка на верхний образец, задающая величину давлений в контакте, кН;
Хз (tM) - температура масла в ванне, С;
Х4 (С) - концентрация абразивных примесей в масле, % от массы.
Проверка уравнения (4.1) по критерию Фишера подтвердила гипотезу об его адекватности при уровне статистической значимости а= 0,05.
Из выражения (4.2) следует, что в области эксперимента относительная скорость скольжения (V = 0,5...2,5 м/с) не оказывает существенного влияния на интенсивность изнашивания образцов.
Используя уравнение (4.1) и зафиксировав одновременно два фактора из трёх на основном уровне, получены зависимости по влиянию каждого фактора в отдельности на интенсивность изнашивания образцов (рис.4.3 - 4.5).
Анализ зависимости, приведённой на рис.4.3 показывает, что при уменьшении нагрузки в контакте интенсивность изнашивания образцов уменьшается. Зависимость имеет нелинейный характер. Однако в производственных условиях управлять интенсивностью изнашивания изменением нагрузки в контакте зубчатых зацеплений не всегда представляется возможным.
Зависимость интенсивности изнашивания роликовых образцов от температуры масла (рис.4.4) имеет оптимум, соответствующей определёной температуре. На наш взгляд, снижение интенсивности изнашивания при увеличении температуры масла от 30 до 60 С объясняется лучшим поступлением маловязкого масла в зону трения, лучшим теплоотводом и более интенсивным удалением продуктов износа от поверхностей трения. При повышении температуры выше 73 С интенсивность изнашивания образцов возрастает, что возможно связано с нарушением гидродинамического режима смазки и значительным снижением толщины смазочного слоя, разделяющего поверхности трения и его прочности.
Увеличение концентрации абразивных примесей в масле приводит к росту интенсивности изнашивания роликовых образцов по линейной зависимости (рис.4.5), что согласуется с данными, полученными при однофакторном эксперименте [4]. Следовательно, для уменьшения интенсивности изнашивания подвижных сопряжений необходимо принимать меры по предотвращению поступления абразивных частиц в трансмиссионное масло в условиях эксплуатации, но полностью исключить их поступление невозможно [5].
Установлено также, что с уменьшением концентрации абразивных примесей в масле влияние температуры масла на абразивное изнашивание увеличивается (рис 4.6). Это ещё раз подтверждает значительное влияние температуры масла на интенсивность изнашивания роликовых образцов.
Таким образом, из трёх рассматриваемых факторов лишь температура трансмиссионного масла является наиболее управляемым.
Результаты исследования температурных условий работы масла в корпусе трансмиссии трактора Т-25 А, оборудованного системой терморегулирования
Результаты испытаний времени нагрева трансмиссионного масла в корпусе трансмиссии трактора от начальной температуры, равной температуре окружающего воздуха, до температуры +5 С с помощью предпускового электронагревателя приведены на рис.4.11. Установлено, что время нагрева масла до указанной температуры составляет: при начальной температуре масла (-24) С - 115 мин., (-12) С - 54 мин., (-2) С - 17 мин.
Результаты испытаний электронагревателей в процессе подготовки двигателя к восприятию эксплуатационных нагрузок представлены на рис.4.12. Установлено, что прирост температуры трансмиссионного масла для всех трех случаев составил 11... 12 С, при различном времени работы двигателя на холостом ходу, которое составило 25...50 мин. При этом температура масла установилась на уровне 16... 17 С. Это объясняется тем, что при понижении температуры окружающего воздуха увеличивается теплоотдача стенок корпуса трансмиссии в окружающую среду и темп прироста температуры масла замедляется.
Динамика температуры трансмиссионного масла в корпусе трансмиссии трактора (при работе термопатрона) при различных температурах окружающего воздуха в эксплуатационных условиях приведена на рис.4.13. В результате установлено, что интенсивность разогрева трансмиссионного масла в данном случае, по сравнению с испытаниями без использования электронагревателей, увеличилась, а время стабилизации температуры масла до наступления установившейся температуры сократилось и составило 100... 120 минут непрерывной работы трактора при различных условиях испытаний. Установившаяся температура трансмиссионного масла составила +38...+39 С и +49...+50 С в зимних условиях эксплуатации при температуре окружающего воздуха -23... -25 С и -2...0 С соответственно, и приблизилась с некоторым превышением во втором случае, к температуре масла, установившейся в летних условиях при проведении испытаний без электронагревателей. В летних условиях эксплуатации (при температуре окружающего воздуха +25...+27 С) установившаяся температура трансмиссионного масла составила +67...+68 С и достигла рационального интервала, найденного по результатам лабораторных испытаний.
Следовательно, для уменьшения теплоотдачи от стенок корпуса трансмиссии в окружающую среду, в зимних условиях на транспортных работах, наряду с использованием электронагревателей, целесообразно рекомендовать применение утеплительного чехла корпуса трансмиссии. При увеличении эксплуатационной нагрузки, рациональный интервал температур трансмиссионного масла может быть достигнут и в зимнее время.
Результаты обработки экспериментальных данных исследования на ЭВМ представлены в прил.Е.
