Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1. Общие положения 12
1.2. Общие характеристики цепных передач сельскохозяйственного назначения 13
1.3. Смазка цепных передач сельскохозяйственного назначения 16
1.4. Обзор научной информации по теме исследования 21
1.5. Анализ существующих методов расчёта цепей на долговечность 29
1.6. Формулировка темы и задачи исследования 39
2. Теоретические разработки и исследования 45
2.1. Метод логического синтеза при разработке новых технических решений по совершенствованию систем смазки цепной передачи 45
2.2. Описание компоновочных решений новой цепной передачи и систем её смазки 51
2.2.1. Описание компоновки новой цепи и внутренней системы её смазки 52
2.2.2. Упругие свойства новой цепи 59
2.2.3. Звёздочки для цепи внешнего зацепления и система внешней смазки передачи 64
2.3. Анализ сил, действующих в шарнирах и на зубьях в предлагаемой передаче 73
2.3.1. Общие положения 73
2.3.2. Вход в зацепление внутреннего звена цепи 74
2.3.3. Вход в зацепление внешнего звена цепи 78
2.3.4. Выход из зацепления внутреннего звена цепи 81
2.3.5. Выход из зацепления внешнего звена цепи 84
2.4. Износ деталей новой передачи 86
2.5. Смазка передачи и смазочные материалы 96
2.6. Общая оценка возможного повышения долговечности сельскохозяйственных цепных передач при использовании предлагаемых систем смазки и компоновочных решений 102
3. Методика экспериментальных исследований работоспособности предложенных систем смазки 106
3.1. Общие положения 106
3.2. Цели и задачи экспериментальных исследований 107
3.3. Критерии оценки параметров передачи, подлежащих контролю и обоснование длительности экспериментов и количества повторностей опытов 108
3.4. Общая методика проведения экспериментальных исследований 110
3.5. Оборудование, используемое для экспериментальных исследований 114
3.6. Методика определения температурного режима опытных и серийных шарниров цепи 117
3.7. Методика контроля наличия и эффективности смазывающего материала, заложенного в звенья, на трущихся поверхностях шарниров цепи во времени 120
3.8. Методика контроля удлинения шага опытной цепи в сравнении с традиционным аналогом во времени 127
3.9. Методика визуальной оценки наличия смазочного материала на поверхностях зубьев и цепи от системы внешней смазки передачи 129
3.10. Методика оценки наличия и эффективности смазочного материала на трущихся поверхностях шарниров цепи, поступающего к ним от магазина звёздочки 131
3.11. Методика заключительного анализа износного состояния деталей шарниров 132
4.Результаты экспериментальных исследований 134
4.1. Результаты проверки работоспособности системы внутренней смазки цепи 134
4.1.1. Общие сведения 134
4.1.2. Результаты температурного контроля 135
4.1.3. Результаты контроля работоспособности внутренней системы смазки на маятниковом устройстве 139
4.1.4. Результаты контроля удлинения шага (износа) опытной цепи 143
4.2. Результаты экспериментальных исследований внешней системы смазки цепной передачи 144
4.2.1. Общие сведения 144
4.2.2. Результаты оценки поступления смазочного материала на цепной контур 145
4.2.3. Результаты проверки наличия смазывающего материала на трущихся поверхностях шарниров цепи, поступающего к ним от магазина звёздочки 148
5. Методика расчёта предлагаемой передачи на износ 151
5.1. Общие сведения 151
5.2. Методика расчёта 154
6. Технико-экономическая эффективность выполненных исследований 164
6.1. Общие положения 164
6.2. Обоснование исходных параметров и расчёты 165
Общие выводы 170
Литература 173
Приложения 197
- Смазка цепных передач сельскохозяйственного назначения
- Износ деталей новой передачи
- Методика контроля наличия и эффективности смазывающего материала, заложенного в звенья, на трущихся поверхностях шарниров цепи во времени
- Результаты проверки наличия смазывающего материала на трущихся поверхностях шарниров цепи, поступающего к ним от магазина звёздочки
Смазка цепных передач сельскохозяйственного назначения
В практике эксплуатации устройств на базе цепей применимость смазки, как способа повышения их долговечности, в большей степени относится к цепным передачам, то есть к приводным цепям. Относительно необходимости смазки в цепных передачах, работающих в условиях абразивного загрязнения, имеются противоречивые сведения. При этом превалирует мнение, что применение смазки при наличии абразива увеличивает интенсивность изнашивания шарниров цепи.
В зарубежной практике существует однозначное мнение о необходимости применения смазки при наличии абразивного загрязнения. Так В. Клот /204/ установил, что даже при загрязнении цепи песком силы трения в шарнире с применением смазки в 4...5 раз меньше, чем в её отсутствие. В методиках стандартов DIN и ASA /190/ не учитывается наличие абразива, как фактора исключающего применение смазки. Зато предусматривается более чем шестикратное уменьшение долговечности несмазанных передач в сравнении с теми, которые имеют стабильную и хорошую смазку. Между тем, Пичак Ф. И. /186/ приводит данные, что в условиях абразивного загрязнения смазываемые цепи изнашиваются в 2 - 4 раза интенсивнее не смазываемых.
Подобное мнение широко распространено и среди инженерно-технических работников агропромышленного комплекса.
При испытаниях тяговых цепей в условиях интенсивного загрязнения различными видами абразивных веществ и при разных удельных давлениях Ивашков И. И. /169/ пришёл к компромиссному результату. По его данным при давлениях в шарнире менее 15 Н/мм и наличии абразива меньше изнашиваются несмазанные тяговые цепи, а при повышении давления сверх этой величины меньше изнашиваются смазанные.
Применимость к сельскохозяйственным цепным передачам выводов некоторых исследователей о нежелательности смазки крайне сомнительна, так как все испытания проводились ими в лабораторных условиях при интенсивном посыпании цепей либо кварцевым песком /186, 204/, либо формовочной землёй и другими, весьма активными абразивными материалами /169/. Для приводных сельскохозяйственных цепных передач характерно загрязнение пылью, фракционный состав которой содержит очень малый процент абразивных, причём очень мелкозернистых, веществ способных к аэрации. Большая же часть пыли состоит из органического вещества, абразивной способностью не обладающего. Кроме того, циркуляция воздуха через зазоры в шарнирах цепи ничтожно мала. Поэтому загрязнение этим путём маловероятно. Но заслуживает внимания путь загрязнения через обновляемый смазочный материал.
При периодической смазке поливом, рекомендуемой существующими техническими требованиями /133, 157/ через каждые 8... 10 часов, пылевые (абразивные) частицы, налипающие на наружные поверхности цепи, увлекаются смазочным материалом в рабочую зону шарниров, каждый раз доставляя туда новые порции активных абразивных частиц. Отсюда следует вывод о том, что такой способ смазки является неприемлемым. Необходим поиск новых, более совершенных способов смазки открытых передач, работающих в условиях абразивного загрязнения.
Кроме этого отсутствие смазки на трущихся поверхностях шарниров приводит к большим потерям мощности. В работах /128, 129, 130, 131, 132, 138, 142, 172, 173/ отмечается, что при смазке поливом цепь оказывается сухой через 10... 12 часов работы и сильно нагревается. То же самое наблюдается и при работе сельскохозяйственных цепных передач. Факт общего нагрева цепи дает основания полагать, что в точках контакта валиков со втулками мгновенные температуры нагрева будут достигать температуры отпуска, что неизбежно приведёт к потере твёрдости поверхностного слоя деталей и резкому падению износостойкости.
Правомерность этого положения подкрепляется тем фактом, что большинство сельскохозяйственных цепных передач эксплуатируется в основном в летний период при высоких дневных температурах окружающей среды. Кроме того, уровень точности расположения звёздочек в цепном контуре весьма низок, что вызывает неизбежное нарушение полноты контакта деталей шарнира по его длине в моменты перегиба цепи на звёздочке. При этом контакт смещается к краям шарнира с резким возрастанием давлений против расчётных и износами валиков и втулок по краям шарниров (см. схему на рисунке 1.3).
Имеется информация от инженерных работников, что некоторые цепи зерноуборочных комбайнов по причинам перегрева от отсутствия смазки выходят из строя за период эксплуатации в течение одного сезона работы. Это значит, что срок их службы не превышает 400 часов при потенциальной возможности в 6... 10 тыс. часов.
Парадокс заключается в том, что при проектировании цепных передач для машин и механизмов конструкторы руководствуются нормативными документами, предписывающими применение смазки, а фактическая их эксплуатация выполняется без таковой.
В связи со сказанным применение смазки сельскохозяйственных цепных передач представляется необходимым, но требуются поиски и разработки новых технических решений по обеспечению их смазочным материалом более рациональными способами и на период устойчивого его присутствия в шарнирах не менее сезона работы машины.
В практике эксплуатации цепных передач имеется несколько способов их смазки /132,156,169/: ручная, консистентная внутришарнирная, капельная, картерная в масляной ванне, струйная (быстрокапельная), центробежная смазка разбрызгиванием, циркуляционная центробежная и циркуляционная распылением.
Общеизвестно, что все сельскохозяйственные цепные передачи имеют открытое исполнение. Поэтому из перечисленных способов возможны и рекомендованы только первые два. По первому способу смазку положено наносить на цепь кистью или поливом из маслёнки через каждые 8... 10 часов работы. По второму способу её рекомендуется выполнять путём погружения очищенной от загрязнения цепи в специальный состав, нагретый до температуры, способной разжижить смазку и обеспечить проникновение её внутрь шарниров. Выдерживать цепь в составе рекомендуется до загустения состава. Периодичность операции - каждые 60...80 часов.
Следует отметить, что обе эти рекомендации не отвечают современным требованиям ни с точки зрения минимизации уходных работ за машинами и орудиями, ни по экологическим соображениям. Проваривание в процессе использования машины или орудия требует демонтажа передачи и существенных затрат времени на организацию и обеспечение процесса при экономически нецелесообразном использовании дорогостоящего смазочного материала и значительном простое машин.
Полив же передачи жидкой смазкой вообще противоречит всем экологическим нормам. Смазочный материал, разбрасываемый работающей во время полива передачей, загрязняет близлежащие части машины или орудия, которые затем обволакиваются пылью и требуют дополнительных издержек на очистку машины с образованием значительного количества продуктов загрязнения, требующих утилизации. Полезное использование смазывающего материала при поливе составляет не более 1 - 2 % от расходуемого. Остальная его часть, так или иначе, попадает в окружающую среду, вызывая её загрязнение.
Как упоминалось выше, при смазке поливом смазочный материал загрязняется налипшей на цепь пылью, тем самым в рабочую зону шарниров доставляются новые порции свежих, активных абразивных частиц, чем увеличивается интенсивность изнашивания цепи.
Как известно большинство сельскохозяйственных машин работают сравнительно небольшими периодами, но крайне напряжёнными по срокам выполнения. Часто непрерывная работа машин в течение суток длится по 14... 19 часов без смены операторов. В такой ситуации ежедневные уходные работы попросту игнорируются. По указанным выше причинам цепные передачи подавляющего большинства сельскохозяйственных машин и орудий работают в современной практике без смазки. Это обстоятельство вызывает интенсивный износ их деталей, что не может не вносить существенных изменений и в механизм их работы.
Таким образом, рекомендуемые способы смазки сельскохозяйственных цепных передач весьма не совершенны и неприемлемы ни по организационным, ни по техническим и экологическим соображениям. В связи с этим совершенно необходим поиск решений по обеспечению надёжной смазки для сельскохозяйственных цепных передач, периодичность которых была бы не менее сезона эксплуатации машины.
Износ деталей новой передачи
Принципиальное отличие во взаимодействии цепи со звёздочками в новой передаче, в сравнении с аналогом, заключается в том, что шарниры не контактируют с зубьями звёздочек. Контакт осуществляется непосредственно валиками, причём с двумя зубчатыми венцами.
Анализируя рисунки 2.10, 2.12, 2.14 и 2.15 можно заметить, что на ведущей звёздочке контакт валиков с зубьями, сопровождаемый взаимным перемещением поверхностей, происходит через один валик. Со вторым же валиком аналогичный процесс происходит на ведомой звёздочке и с противоположной его стороны. Наглядно картина происходящих износов t показана на рисунке 2.16. Износы деталей проиллюстрированы плотной штриховкой. При этом более плотной штриховкой показаны износы пар валиков и пар зубьев, работающих с ведущей звёздочкой. Менее плотной штриховкой обозначены износы на зубьях ведомой звёздочки и парах валиков, работающих с этой звёздочкой.
Как наглядно видно из рисунка 2.16 в работающей передаче существует как бы две независимые системы взаимодействия деталей: часть валиков цепи плюс зубья ведущей звёздочки и вторая часть валиков цепи и зубья ведомой звёздочки. Кроме того, в процессе износа деталей образуется несколько параметров, характеризующих шаг передачи (в дальнейшем их будем обозначать номерами помещённого ниже перечня). В передаче с чётным числом звеньев цепи и чётным числом зубьев звёздочек можно выделить следующие различные по величине шаговые параметры:
1. Шаг шарниров цепи.
2. Шаг между двумя соседними валиками, принадлежащими двум соседним внешним звеньям и работающими с зубьями ведущей звёздочки.
3. Шаг между двумя соседними валиками, принадлежащими одному внешнему звену цепи и работающими с зубьями ведущей звёздочки.
4. Шаг между двумя соседними валиками, принадлежащими двум соседним внешним звеньям и работающими с ведомой звёздочкой.
5. Шаг между двумя соседними валиками, принадлежащими одному внешнему звену и работающими с ведомой звёздочкой.
6. Шаг пары зубьев ведущей звёздочки, работающей с шагом № 2.
7. Шаг пары зубьев ведущей звёздочки, работающей с шагом № 3.
8. Шаг пары зубьев ведомой звёздочки, работающей с шагом № 4.
9. Шаг пары зубьев ведомой звёздочки, работающей с шагом № 5.
Все пронумерованные шаговые параметры имеют расчётную величину одинаковую только в начале работы передачи. После небольшого периода работы количественные их значения становятся различными, и эта разница возрастает в процессе последующей работы в результате износа, даже если предположить, что коэффициенты трения на всех поверхностях одинаковы.
Остановимся подробнее на истоках и характере изменения шага во всех пронумерованных позициях.
Шаг цепи (№ 1) изменяется в результате износа шарниров, то есть в связи с уменьшением диаметра валиков и уменьшения толщины проушин внутренних звеньев. Эти износы приводят к увеличению расстояния между двумя соседними валиками двух соседних внешних звеньев, или, как принято считать, к увеличению шага внешних звеньев. Шаг по внутренним звеньям остаётся неизменным, к тому же они вообще не взаимодействуют со звёздочками.
Шаг № 2 (по валикам) в процессе работы и износа уменьшается, так как при перегибе цепи на ведущей звёздочке изнашивается только один из пары валиков (износ показан плотной штриховкой). Второй (впереди идущий) валик практически не изнашивается, так как перегиб происходит только за счёт перемещения по отношению к звёздочке поверхности, образуемой пластинами внутреннего звена. Валик же на зубе при этом не перемещается и износа не имеет.
Шаг № 3, как и шаг № 2, в текущем варианте образуется на ведущей звёздочке. При этом оба валика принадлежат одному и тому же звену и у впереди идущего контактирующая со звёздочкой поверхность изнашивается, а у следующего за ним нет. Это приводит к тому, что текущий шаг растёт и определяется выражением
При разном числе зубьев на ведущей и ведомой звёздочках величины износов валиков будут разными. Так как в подавляющем большинстве сельскохозяйственных цепных передач число зубьев ведомой звёздочки существенно больше, чем ведущей, изменения в величине шага на ней будут менее выражены, чем на ведущей. Тем не менее, и в том и в другом случае, при работе цепи, средний шаг по валикам, работающим и на ведущей и на ведомой звёздочках, остаётся постоянным и равным начальному (теоретическому). В самом деле (см. выражения (2.55); (2.56); (2.57) и (2.58))
Из сопоставления шагов № 1; № 2; № 3; № 4 и №5 видно, что увеличение шага № 1 от износа шарниров цепи, вызывает увеличение шагов № 2 и № 4, уменьшающихся в результате износа валиков, и никак не влияет на величину шагов № 4 и № 5. Отсюда следует, что увеличение износа шарниров цепи повышает равномерность изменения шагов на валиках, как на ведущей, так и на ведомой звёздочках.
Как упоминалось выше, шаг по зубьям звёздочек при кратном соотношении чисел звёздочек и звеньев цепи тоже изменяется по разному (см. схему). Для ведущей звёздочки
Методика контроля наличия и эффективности смазывающего материала, заложенного в звенья, на трущихся поверхностях шарниров цепи во времени
Контроль наличия и эффективности смазывающего материала, заложенного в звенья, на трущихся поверхностях шарниров цепи во времени представляет определённые трудности. Очевидно, что периодическая визуальная оценка наличия смазывающего материала на трущихся поверхностях шарниров цепи была бы наиболее целесообразной. Однако для этого потребовалось бы каждый раз подвергать цепь полой разборке. Кроме того, объективная количественная оценка этого параметра визуально также невозможна. То есть эффективность размещённого в звеньях смазочного материала во времени при такой форме контроля невозможна.
Для более объективного контроля этого критерия работоспособности предложенной системы смазки был разработан оригинальный метод наблюдений и оценки с использованием маятниковой системы.
Известно, что в зависимости от наличия или отсутствия смазочного материала в зазоре между трущимися поверхностями шарниров цепи коэффициент трения может колебаться от 0,05 до 0,28. Примерно в таком же соотношении будет изменяться и работа сил трения.
Задача контроля данного критерия имела бы прямое и однозначное решение, если бы имелась возможность узнать величину коэффициентов трения в паре трения шарниров не только при установившихся режимах, но и контролировать процесс их изменения во времени.
Как известно прямое определение конкретных значений коэффициентов трения в различных парах трения и при различных условиях смазки требует сложного и дорогостоящего оборудования. Поэтому оперативное применение его при лабораторных испытаниях цепных передач представляется не реальным.
Нами предлагается для сравнительной оценки трения в шарнирах цепи обозначить базовое состояние шарнира, со сравнительно однозначной и стабильной работой трения, и относительно него судить о процессах, протекающих в шарнире при моделировании иных состояний. В качестве базового состояния предлагается принять работу трения в шарнире цепи при отсутствии смазочного материала на его поверхностях. Такое состояние сравнительно легко создать и стабильно поддерживать на определённом отрезке цепного контура путем предварительного обезжиривания трущихся поверхностей соответствующими растворителями.
В качестве критерия оценки такого состояния и последующих моделируемых состояний предлагается некий сравнительный оценочный коэффициент трения К, по своей природе идентичный известной версии, но не сопоставимый с ней по точности оценки количественного и физического состояния, но характерный и достаточный для предлагаемых методики, оборудования и условий эксперимента.
В качестве устройства для определения коэффициента К предлагается система физического маятника (рис. 3.6 и 3.7), опорой которого последовательно и во времени служат шарниры отрезков цепи, с созданными моделями различных состояний. В каждом опыте маятник отводится на одинаковый, заданный угол уп и после свободного отпускания груза совершает несколько колебаний до полного их затухания. Очевидно, что при прочих одинаковых условиях полное число колебаний будет пропорционально работе трения в шарнире, а, следовательно, упомянутому оценочному коэффициенту К.
Число колебаний легко можно фиксировать визуально и, выполнив определённые вычисления, в каждом опыте найти величины коэффициента К. Сравнивая их со значением этой величины для базового состояния и друг с другом, можно оценивать характер изменений, происходящих в шарнирах при той или иной модели опыта.
Теоретическую зависимость для расчёта коэффициента К можно получить используя схему, показанную на рисунке 3.6, и приняв некоторые допущения, упрощающие расчёты. Прежде всего, допускается, что изменение амплитуды затухающего процесса происходит по прямолинейному закону. Кроме того, с некоторой погрешностью расчёты выполняются по величине средней амплитуды колебаний и средней величине усилия, действующего в стержне маятника и шарнире. Так как эти неточности одинаковы для всех опытов, то они не могут влиять на точность относительной оценки характера процессов, протекающих в шарнирах моделируемых ситуаций.
Неустранимую погрешность при проведении опытов будет создавать элемент качения вследствие наличия зазора в шарнире. Однако по мере сближения радиусов контактирующих поверхностей от приработки влияние этого фактора будет уменьшаться, и после сравнительно небольшого периода работы оно будет несущественным. Поэтому поведение опытов выполнялось после приработки поверхностей шарниров опытной цепи под нагрузкой в течение 50 часов
Из выражения (3.10) видно, что при постоянных геометрических параметрах маятниковой системы оценочный коэффициент трения при моделируемых условиях трения в шарнире определяется числом колебаний маятника N от момента пуска до момента его остановки.
На рисунке 3.7 показано реально исполненное маятниковое устройство с установленным на него отрезком опытной цепи. Для того чтобы исключить перекос деталей в шарнире во время опытов, то есть, чтобы обеспечить их I контакт по всей длине шарнира, маятниковое устройство в месте крепления звена цепи имеет собственный шарнир, ось которого расположена перпендикулярно плоскости звена и может фиксироваться после навешивания груза специальным болтом.
В реализованной версии маятникового устройства геометрические параметры, входящие в формулу (3.10), были равны: L = 600 мм, ун = 22 , а диаметр шарнира равнялся диаметру валика стандартной цепи шага 19,05 мм и равнялся d = 5,94 мм. Поэтому расчёты результатов по определению коэффициента К выполнялись по упрощённому выражению: К = 19,89/iV.
Перечень и последовательность выполнения операций по контролю аличия и эффективности смазывающего материала, заложенного в звенья, на трущихся поверхностях шарниров цепи во времени состоит в следующем:
- контролируемый участок цепи одним из звеньев жёстко закрепляется на маятниковом приборе;
- стержень маятника, оснащённый грузом, сначала навешивается на второе звено, соединённое изучаемым шарниром с первым, а затем жёстко соединяется с ним;
. - фиксирующий болт шарнира маятникового устройства отпускается, [ благодаря чему детали шарнира занимают положение, обеспечивающее им взаимный контакт по всей длине шарнира, а затем им же фиксируется занятое положение;
- после этого выполняют зачётные опыты, повторность которых минимум трёхкратная и пуск маятника выполняется с одной и той же позиции;
- так как скорость перемещения маятника невелика, то регистрация числа колебаний вполне возможна визуально, хотя не исключается применение электронных или оптических регистрирующих устройств;
- по средним значениям числа колебаний и при известных геометрических параметрах системы периодически, сначала через 50 часов, а потом через каждые 100 часов работы цепи вычисляются оценочные коэффициенты трения по каждой изучаемой модели, на основании которых делаются соответствующие оценочные выводы;
Так как параметр NB каждом опыте многократно (более чем в тысячу раз) больше оценочного коэффициента К, то ошибка измерения последнего весьма мала и он может быть вполне сопоставим с общепринятой версией коэффициента трения.
Результаты проверки наличия смазывающего материала на трущихся поверхностях шарниров цепи, поступающего к ним от магазина звёздочки
По внешнему наблюдению за интенсивностью смазывания наружных поверхностей цепи не возникало сомнений в активном проникновении жидкого смазывающего материала внутрь её шарниров. Тем не менее, были проведены специальные трёхкратные опыты по определению сравнительного оценочного коэффициента трения К на маятниковом устройстве. Результаты опытов представлены в таблице 4.4.
Сопоставляя полученные данные с аналогичными данными по системе внутренней смазки цепи (см. табл. 4.1), можно заключить, что уже через десять часов работы системы внешней смазки шарниры в опытах получили некоторое количество смазочного материала. Видно, что оценочный коэффициент трения К в сравнении с контролем (несмазанная цепь) имеет значительно меньшую величину, вполне сравнимую с аналогичными данными для смазанных шарниров в системе внутренней смазки.
Таким образом, проведенные экспериментальные исследования внешней системы смазки цепи однозначно подтверждают её работоспособность. Также подтверждается тезис о том, что для полного выяснения всех аспектов работы этой системы и определения оптимальных параметров её использования для разных режимов эксплуатации, необходимы специальные всесторонние и углублённые исследования.
