Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время более 602 машин и механизмов выходят из строя в результате отказов пар трения. Наиболее тяжелым режимом работы пар трения является режим сухого трения, в котором работают тормозные механизмы, фрикционные передачи, узлы машин текстильной, пищевой, медицинской и химической промышленности, где.смазочный материал не допустим во избежание порчи продукции либо по соображениям безопасности. При сухом трении большое значение приобретает абразивный износ. Скорость абразивного изнашивания зависит от используемых материалов, технологии обработки трущихся поверхностей, скорости трения, давления и, в очень большой степени, от температуры зоны трения. Если скорость трения, давление, свойства материалов, а также технология обработки трущихся поверхностей могут быть определены заранее, то значение температуры непосредственно в зоне трения не поддается точному расчету. Мало этого, эта температура до настоящего времени непосредственно не измерялась.
Наиболее распространенным методом определения температуры в зоне трения является метод искусственной термопары, заключающийся в определении температуры на некотором расстоянии от зоны трения с последующим моделированием тепловых потоков с целью определения температуры в самой зоне трения. Однако, ввод искусственной термопары в один из элементов пары трения приводит к изменению режима работы механизма и, следовательно, влияет на температуру в зоне трения, а расчет температуры по приближенной модели приводит к \значительным погрешностям.
Единственным методом, позволяющим определить температуру непосредственно в зоне трения, признан метод естественной термопары, при котором температура определяется по термо-э. д. с., генерируемой парой трения. Однако, при использовании этого метода возникает ряд трудностей, ограничивающих его применение. Во-первых, так как один или.оба элемента трибопары являются движущимися, то для передачи сигнала необходимо использовать скользящий токосъемник, который сам является генератором термо-э.д.с. и вносит погрешность в результаты измерений. Во-вторых, так как возникающая в трибосопряжении э.д.с, наряду с постоянной составляющей сигнала, содержит значительно большую переменную составляющую, то исполь-
- і -
зование традиционных методов измерения малых постоянных токов и э.д.с. становится невозможный. Кроме того, температура зоны трения не может быть определена непосредственно по величине напряжения, генерируемого в зоне трения, поскольку возникновение последнего обусловлено не только термо-, но и трибоэффектом.
Задача 'усложняется, если элементы трибэсопряжения изготовлены из одного и того же материала или материалов с близкими абсолютными значениями термо-э.д.с,, так как в этом случае термоэлектрическая составляющая мала и сравнима или даже меньше трибоэ-лектрической составляющей.
Таем образом, повышение точности метода измерения и контроля .температуры в зоне трения путем исключения влияние трибоэлект-рической составлявшей тока, а также э.д.с. токосъемного устройства является актуальной задачей также, как и разработка такой установки для проведения научных исследований, которая бы не содержала скользящего контакта вообще.
Целью работы является разработка метода и средств измерения и контроля температуры зоны трения с помощью естественной термопары, исключающих влияние триботоков и позволяющих значительно повысить точность измерений, а также разработка экспериментальной установки для проведения исследовательских 'работ, не содержащей токосъемных устройств со скользящими контактами.
Этапы выполнения работы и основные ее задачи:
теоретическое обоснование целесообразности измерения температуры зоны трения методом естественной термопары;
проведение анализа условий измерения температуры зоны трения методом естественной термопары;
разработка электрической измерительной цепи, позволяющей измерять малую постоянную составляющую тока на фоне значительно превосходящих ее переменных составляющих;
исследование точности измерения налой постоянной составляющей тока разработанным методом;
создание установки, в которой бы либо компенсировались термо-э.д.с., создаваемые скользясими контактами, либо последние отсутствовали;
разработка метода и устройства определения термо-э.д.с, исключающего влияние на .результаты измерения трибосоставляющей тока;
- экспериментальная проверка предложенного метода и усройст-
ва для его реализации;
Методы и средства исследования.
В работе используются современные исследования в области трибологии, и, в частности, трибоїюниторинга. При выполнении расчетов применялись аналитические и численные мето-ы, методы физического и математического моделирования, а также элементы математической статистики. Эксперименты выполнены с псмзщью сеггийно выпускаемого оборудования и электроизмерительных п:иборсз г.о разработанной методике, позволяющей значительно повысить точность измерений, а также специально созданных приспособлений. Сбработка экспериментальных данных осуществлялась на ПЭЕМ по оригинальным алгоритмам и программам, а также с использованием системы автоматизации матєматичесих расчетов MattiCAD и табличного процессора Excel.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана электрическая модель многоточечного контакта и на ее основе проанализирована зависимость напряжения, создаваемого термоэлектрическим эффектом и снимаемого с пары трения, от значений термо-э.д. с., возникающих в отдельных течках кентакта;
разработана электрическая модель генерации в гене трения термо-э.д.с. и трибоэлектрических зарядов и на ее основе составлена и решена система уравнений, позволяющая определить при измерениях отдельно токи, обусловленные термо- и триба- эффектами;
- на базе указанной электрической модели разработана элект-
<. рическая схема измерительной цепи, позволяющая получить необходи
мую информацию для решения предложенной системы уравнений;
проведено метрологическое исследование электролитического водородного интегратора Х607 с целью разработки методики, позволяющей значительно повысить" точность измерений;
разработана методика компенсации э.д. с., возникавшей в зоне трения скользящего контакта при передаче информации сг подвижного элемента пары трения к неподвижной измерительной аппаратуре, а также схема установки, не содержащей скользящих контактов, для исследования температурных режимов в зоне трения.
Практическую ценность работы составляют:
- методика определения термо-э.д.с. и трибо-э.д.с., которая
может быть использована как в случае изготовления элементов пары
трения из различных материалов, когда трибоэлектрическая составляющая мала по сравнению с термоэлектрической, так и при выполнении элементов пары трения из одного и того же материала, когда трибоэлектрическая составляющая сравнима или дгле превосходит термоэлектрическую;
разработанное устройство, реализующее предложенный метод разделения постоянной составляющей э.д.с., генерируемой в зоне трения, на термо- -и трибо- составляющие;
разработанная на основе проведенного метрологического исследования интегратора Х607 методика измерения, позволяющая повысить точность измерения малой постоянной состазлящей сигнала на фане значительна больших переменных составляющих;
конструкция установки, позволяющей исследовать пару трения методом естественной термопары без использования скользящего токосъемника, обеспсчиЕающей постоянство и возможность регулирования скорости трения и усилия прижатия трущихся поверхностей;
конструкция скользящего контакта с компенсацией возникающей в нем э. д.с. с целью определения температуры в рабочей зоно трения реальных механизмов предложенным методом.
Реализация и внедрение результатов исследования. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе, подтверждены в процессе работы, проведенной в лаборатории кафедры "Приборостроения, метрологии и сертификации" ОрелГТУ, а также положены в основу разработок локомотивным депо Орловского отделения Московской железной дороги стенда для контроля температуры в зоне трения бандажа колесной пары локомотива и тормозной колодки и ОрелГТУ установки для .усследования температуры в зоне трения подшипников скольжения.
Апробация работа. Результаты диссертационной работы обсуждены и получили положительную оценку на 14 конференциях, в том числе: всероссийской научно-технической конференции "Состояние и проблемы технических измерений", Москва, 1994 г.; второй международной теплофизической школе, Тамбов. 1995 г.; международном научном конгрессе "Молодежь и наука - третье тысячелетие", Москва, 1996 г.; I и II областной межвузовской конференции молодых ученых. Орел, 1996 г.; Орел, 1997 г.; международной научно-технической конференции "Молодая наука - новому тысячелетию". Набережные Челны, 1996 г.; международной научно-технической конференции "Ди-
агностика, информатика, метрология, безопасность - 96", Санкт-Петербург, 1996 г.; международном симпозиуме "Техника и технология экологически чистых производств", Москва, 1996 г.; II всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин". Нижний Новгород, 1997 г.; международном научно-практическом симпозиуме СЛАВЯНТРИБО-4, Рыбинск, 1997 г.
Доклад "Измерение температуры фрикционной пары" получил диплом 2 степени Международного конгресса молодых ученых (Москва, февраль 1996 г.).
Публикации. По содержанию и результатам диссертационной работы опубликованы 18 печатных работ, поданы 3 заявки на изобретение, по одной из которых получено положительное решение.
На защиту выносятся:
электрическая модель зоны трения и соответствующие ей уравнения, позволяющие определить термо- и трнбо- составляющие напряжения;
метод измерения термо-э.д.с. путем исключения влияния три-ботока и схема устройства, реализующего этот метод;
метод измерения малых постоянных составляющих тска при наличии в цепи больших переменных составляющих;
метод и устройство компенсации э.д.с. сксльзящегс контакта.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 198 страницах машинописного текста, содержит 29 рисунков и 25 таблиц. Состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников, включающего 180 наименований работ отечественных и зарубежных авторов, а также двух приложений.
