Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА І.СОСТОЯНЙЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1,1.Отказы агрегатов и узлов машин 6
1.2.Запыленность окружающей среды и
загрязненность смазочных материалов 8
1.3.Изнашивание поверхностей трения дета
лей машин при наличии в зоне контакта
твердых частиц 17
1.4.Цель и задачи исследования 25
ГЛАВА П.МЕТОДЙЕСА ИССЛЕДОВАНИЙ АГРЕГАТОВ. ТРАНСМИССИИ В УСЛОВИЯХ ЗАПЫЛЕННОСТИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРВД
2.1.Общие положения методики исследования 28
2.2.Сбор информации об эксплуатационной
надежности агрегатов и узлов авто
грейдеров 29
2.3.Определение количественных и качествен
ных характеристик загрязнителей транс
миссионного масла 31
2.4.Определение ведущих видов износа
деталей агрегатов трансмиссии 33
2.5.Износные испытания материалов зубчатых
передач. 35
2.6.Методика статистической обработки
результатов эксперимента 40
2.7.Испытания на долговечность зубчатых
передач агрегатов трансмиссии 41
2.8.Натурные исследования влияния присадки
на износ деталей агрегатов трансмиссии 45
ГЛАВА Ш.РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ АГРЕГАТОВ ТРАНСМИССИИ
3.1.Расчет наибольшего размера абразивной
частицы 48
3.2.Изменения абразивных свойств загрязни
телей смазочных сред 52
3.2.1.Расчет оптимальной продолжительности
эксперимента на абразивный износ 54
3.2.2.Расчет оптимального срока замены
трансмиссионного масла 57
3.3. Расчет срока службы пар трения каче
ния и качения с проскальзыванием 60
ГЛАВА ІУ .ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ АГРЕГАТОВ ТРАНСМИССИИ И ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ МАСЛА НА ИХ ИЗНОС
4.1.Отказы агрегатов и узлов автогрейдеров 78
4.2.Причины потери работоспособности дета
лей трансмиссии автогрейдеров 85
4.3.ИЗН0С деталей в трансмиссионном масле
без абразивных частиц 106
4.4.Загрязнение масел агрегатов трансмиссии
в эксплуатационных условиях 114
4.5.Влияние абразивных частиц,находящихся в
трансмиссионном масле,на износ деталей 122
ГЛАВА У. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
5.1.Роль присадок в увеличении срока службы
деталей машин 139
5.2.Влияние антиокислителей на интенсив
ность изнашивания деталей 145
б.З.Влияние химически активных веществ на
интенсивность изнашивания деталей 146
5.4.Результаты натурных испытаний агрегатов
трансмиссии в эксплуатационных условиях 152
5.5.Расчет экономического эффекта от приме
нения противоизносных присадок 162
ОБЩИЕВЫВОДЫ 165
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 168
ПРИЛОЖЕНИЯ 180
Введение к работе
В результате частого ремонта агрегатов и узлов машин народное хозяйство терпит значительные убытки из-за их простоев.В целом по стране на капитальный ремонт машин и оборудования расходуется примерно 21 млрд.руб., а на амортизационные отчисления -49 млрд.руб. в год.
При повышении износостойкости деталей сокращается расход запасных частей и материалов, снижаются затраты труда на эксплуатацию и ремонт машин. Увеличение срока службы машин равноценно увеличению их выпуска на тех же производственных площадях.
Научным Советом АН СССР по трению и смазкам разработаны основные направления научных исследований на I98I-I985 гг., согласно которым исследование взаимодействия твердых тел в условиях упруго-пластических деформаций, изучение кинетики и динамики задира, дальнейшее развитие методов расчета деталей машин на износ - важнейшие проблемы современной триботехники.
Условия эксплуатации автомобилей.тракторов и дорожно-строи-тельных машин в Средней Азии отличаются высокой запыленностью и абразивиостью грунтов. Износостойкость агрегатов машин,в том числе деталей трансмиссии,в указанных условиях изучена явно недостаточно. Поэтому повышение износостойкости деталей машин имеет важное народнохозяйственное значение.
В настоящее время известны разнообразные эффективные способы повышения износостойкости деталей машин: термическая и химико-термическая обработка легированных сталей,износостойких наплавок и покрытий, саморегулирующихся систем и механизмов, новых материалов и покрытий (пластмассы, древопластики, металлокерамика, кер-меты, твердые сплавы и композиционные материалы), применение при-
5 садок к маслам, упрочнение пластическим деформированием,
В настоящей работе рассматриваются основные представления о видах изнашивания, повреждаемости и повышении долговечности, а также расчет на долговечность основных деталей агрегатов трансмиссии автогрейдеров, используемых в дорожном строительстве. Исследуются специфические условия эксплуатации автогрейдеров в условиях жаркого климата и их влияние на интенсивность изнашивания деталей. Определяются ведущие виды износа и повреждаемости основных деталей агрегатов трансмиссии автогрейдеров. Представлены статистические данные о преждевременном выходе из строя основных узлов и сопряжений, результаты обширных исследований отказов с использованием современных методов экспериментальной физики, механики и материаловедения. Установлены динамика накопления, количественный и качественный составы загрязнителей трансмиссионного масла и их влияние на интенсивность изнашивания основных деталей, а также закономерность изменения активности абразивных частиц в картере агрегатов. Произведен аналитический расчет продолжительности стендовых испытаний, оптимального срока замены масла агрегатов, определен наибольший размер абразивных частиц, проникающих в зону контакта трущихся деталей. Установлена оптимальная концентрация присадок, обеспечивающих снижение интенсивности изнашивания, приведены результаты их проверки в эксплуатационных условиях, а также основные рекомендации по увеличению износостойкости и долговечности деталей агрегатов трансмиссии. Предложены аналитические зависимости для расчета срока службы зубчатых передач, работающих в абразивной среде.
Г Л А В A I СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
I.I. Отказы агрегатов и узлов машин
Эксплуатационные испытания бортовых автомобилей марки МАЗ-500 показали, что на пробеге 100 тыс.км 65$ всех отказов приходится на двигатель (включая систему смазки,питания и охлаждения) и трансмиссию. При таком же пробеге у автомобилей-самосвалов марки МАЗ-503Б удельный вес отказов по двигателям и трансмиссии составляет примерно 39$ [78J .
После эксплуатационных испытаний 168 автомобилей марки КрАЗ-256 на пробеге 100-120 тыс.км зарегистрировано 4140 отказов [б] .
Анализ распределения отказов показал, что почти 40$ отказов происходит в двигателе, сцеплении и коробке передач. Начиная с 30 тыс.км пробега,на долю коробки передач приходится более 30% отказов. Основными деталями, характеризующими надежность агрегата, являются блок шестерен заднего хода, шестерня У-передачи вторичного вала и П-передачи промежуточного вала, первичный вал, синхронизаторы П-Ш и ІУ-У передач. На их долю приходится 55% отказов. Наработка между отказами по двигателю составляет 33,1-35,6 тыс .км пробега, по сцеплению - 27,3-49,1 и по коробке передач - 31,8-34,3.
Основная часть отказов в раздаточной коробке происходит из-за элементов уплотнителей. Наиболее характерная форма проявления отказов этого агрегата - течь масла в местах уплотнений. Наработка между отказами составляет 88-101 тыс.км пробега.
В карданной передаче более 70% отказов приходится на крестовину карданного вала.
В ведущих мостах более 50% отказов происходит из-за ведущей и ведомой цилиндрических шестерен, полуоои заднего моста, сальников _
г 7
полуоси заднего моста и редуктора. Наработка между отказами составляет 65,9-87 тыс.км пробега.
В агрегатах и узлах автомобилей грузоподъемностью 8 т [99] 49,7$ от общего числа отказов вызвано износом. В отдельных агрегатах и системах отказы, вызванные износом, составляют (от общего числа отказов): двигатель - 47,2$, сцепление - 83,0$, коробка передач - 65,3$, карданная передача - 97,6$, задний мост - 72,9$, передний мост и подвеска - 58,2$, рулевое управление - 79,3$, тормозная система - 49,8$, электрооборудование - 6,2$, кабина и платформа - 46,8$.
По данным Е.С.Кузнецова [бо] , на 100 тыс.км пробега автомобиля МАЗ-503А по внешним признакам отказы распределяются следующим образом: износ (40$), пластические деформации и разрушения (26%), усталостные разрушения (18$),температурные разрушения (12$), прочие разрушения (4$).
Для зубьев шестерен характерны: износ по толщине и длине, усталостное выкрашивание рабочих поверхностей,сколы и обломы [9]. Износ зубьев по длине присущ только скользящим и сопряженным с ними шестерням, сколы и обломы наблюдаются в основном у скользящих шестерен [41,109] . Зубчатые передачи изнашиваются неравномерно, что объясняется равнозначностью деформаций трения скольжения и трения качения, причем сильно изнашиваются ножки зубьев ведущих шестерен и головка зубьев ведомых, значительно меньше - головка зубьев ведущих шестерен и ножка зубьев ведомых. В зоне начальной окружности зубьев шестерен имеется переходной участок.
К основным видам износа и разрушений деталей шлицевых соединений относятся: износ и смятие боковых поверхностей, скручивание, сколы и обломы шлицев ГіЗ, 16,42,90,Ю9| .
8 Отказы из-за износа возникают главным образом вследствие попадания твердых частиц почвенной пыли на трущиеся поверхности,при этом величина износа зависит от запыленности воздуха [5,13,62,82].
1.2. Запыленность окружающей среды и загрязненность смазочных материалов
Большое влияние на долговечность машин оказывает запыленность воздуха. Концентрация пыли в воздухе непостоянна. Она зависит от погоды, направления и силы ветра, времени года, от особенностей промышленного производства, благоустроенности района и многих других факторов. Продолжительный период с высокой температурой и очень малым количеством осадков способствует повышению концентрации пыли в воздухе. Процесс пыле образования еще более усиливается от движения транспорта, так как подстилающая поверхность почвы состоит из разрушающегося и поднимающегося вверх лесса [72,73] .
Средняя запыленность воздуха (число пылинок в I см3 воздуха) в Ташкенте и на его окраинах составляет 137 (летом) и 77 (зимой) в центре города, 152 (летом) и 133 (зимой) на окраине, 23 (летом) и 20 (зимой) в поле [юз] .
Для определения дисперсно-минералогического состава (%) образцы пыли подвергались анализу в лаборатории института геологии АН УзССР [ЮЗ] . Результаты представлены в табл.1.
Степень влияния пыли на изнашивание деталей зависит от ее минералогического состава, размеров и формы частиц (табл.2).
Анализ показал [ юз] , что основными составляющими пыли являются Si02 (кварц),ЛІЛ (глинозем), Fe03 и в значительно меньшем количестве соединения-^ ,Мг , Оа и других элементов (табл.3).
В летнее время содержание пыли на дорогах достигает 1500 -
Таблица I Зависимость дисперсного состава пыли от расстояния до поверхности почвы [ЮЗ]
Удаление от! Процентное содержание частиц размером, мм
ТТ Ґ\ГТVSТТ ЛИЛ *
0,6 и ! 0,25 !0,25-!0,10- 10,05- 10.01- »0,005 и почвы, см !бодее f ,оло !0<05 !0>01 !0>005 !менее
15 1,24 3,36 5,12 10,05 54,77 18,30 7,16
45 - 2,20 3,29 5,74 41,55 38,29 8,93
65 - 1,93 3,19 28,72 47,19 18,97
Таблица 2 Характеристики абразивной пыли [82]
Абразивный материал
Плотность! Содержа- Шоэффи-! Твердость ми-!Дисперс-
частиц, !ние ос-!циент !нералов по !ннй сос-
р/рмз !новных !формы !Виккерсу, !тав и
х/ош ! минера- ! частиц ! (мца; ! размеры
!лов. % ! _! !частиц
Таблица 3 Зависимость химического состава воздушной пыли от расстояния до поверхности почвы [юз]
!элементов.
Расстояние до!Двуокись !Окись алюминия,каль-!Карбонаты различ-поверхности {кремния, * !ция,железа и других !ных элементов,*
почвы, см !
10 2000 мг/м3, а в хлопководческих районах - 3500. Во время песчаных бурь в пустынях запыленность воздуха составляет 17000 мг/м3.В районах солончаков в дорожной пыли содержится значительное количество солей, которые приводят не только к абразивному износу, но и к сильной коррозии деталей.
Чем больше в почве кварцевых частиц, тем выше скорость изнашивания деталей [82] .
Из данных табл.4 видно, что интенсивность изнашивания при работе двигателя на песчаной почве в 1,6 раза больше, чем на лессовой, так как последняя содержит на 20-25$ меньше частиц кварца, чем песчаная.
Величина и стабильность облака пыли зависят главным образом от структуры почвы, скорости движения машин, направления и силы ветра. При концентрации пыли в воздухе, например, 20 г/м3 (на лессовых грунтах), воздушный фильтр автомобиля типа ЗИЛ в течение 10 ч работы должен задержать 5-6 кг пыли, причем промывать фильтр необходимо каждые 3-4 ч работы [40] .
Таблица 4 Влияние различных почв на износ цилиндров двигателей [82]
тт 0 _ „ я ! Среднее с одер»! Диаметральный ! Интенсивность из-
и и ч а а їжание в почве !износ верхней !нашивания по срав-
!кварцевых час-'части цилинд- !нению с лессовой
!тиц, % !ров, мкм ! почвой. %
Песчаная 92-98 140 160
Супесчаная 80-90 118 134
Лессовая 65-75 88 100
Как отмечалось, запыленность воздуха оказывает существенное влияние на износ трущихся поверхностей деталей машин. При работе машины в запыленных условиях большое количество почвенной пыли
проникает через неплотности соединений в картер агрегатов машин, в результате чего загрязняется масло. Наличие в масле незначительной концентрации загрязнителей приводит к интенсивному изнашиванию, при этом срок службы деталей резко сокращается.
Как известно, механические примеси в масле состоят из горючей и негорючей частей. В свою очередь негорючая часть делится на металлическую (продукты износа, попадающие в масло по мере изнашивания деталей) и почвенную пыль, которая попадает в масло при его заливке и через уплотнения и другие неплотности соединений трансмиссии в процессе работы машины.
Одной из возможных причин попадания пыли в трансмиссию являются периодический нагрев и охлаждение заключенного в ней воздуха, а также возникающий в связи с этим газообмен с наружной средой.Величина газообмена может быть значительной. Так, при объеме картера трансмиссии трактора Т-74 0,0612 м3, повышении температуры от 30 до 70С и свободном выходе газа количество пыли увеличивается на 0,008 кг, т.е. на 11,5$ [4] .
Другая причина попадания пыли в трансмиссию - нарушение ее герметизации вследствие больших нагрузок на корпусные детали и упругие деформации рамы машины [ 4 ] .
Для установления качественной и количественной картины попадания абразива в трансмиссию были проведены стендовые испытания, которые показали, что нормативный срок замены трансмиссионного масла соответствует 0,25-0,30#-ному засорению его абразивными примесями. При нарушении сроков замены масла содержание в нем негорючих примесей, главным образом абразивных частиц, часто достигает больших размеров [эз] . Содержание механических примесей в масле ко времени его замены составляет по весу в среднем 0,5%, Такой вы-
12 сокий процент свидетельствует о недостаточной герметичности трансмиссии [92] .
Для определения мест проникновения пыли и изыскания средств увеличения герметичности испытуемую трансмиссию помещали в пылевую камеру. Воздух в камере запыляли поверхностным слоем почвы. Концентрация пыли в камере в начале испытания составляла 30 г/м3, к концу испытания она понижалась до 5 г/м3. До начала испытания корпуса узлы трансмиссии промывали и заправляли свежим маслом. За 400 ч работы механические примеси в корпусе коробки передач увеличились на 0,16$, а в корпусе конечной передачи - на 0,98$, что было подтверждено результатами эксплуатационных испытаний [92] .
А.Абдуллаев [ і] исследовал масла трансмиссии пропашного трактора в условиях Узбекистана и выявил изменения темпа нарастания примесей. Общее содержание механических примесей в нигроле до 750 ч его работы в картере коробки передач и до 600 ч в картере бортовой передачи увеличивается медленно. Затем отмечается интенсивный рост содержания механических примесей - от 0,43 до 0,93$ в картере коробки передач и от 0,51 до 1,46$ в картере бортовой передачи за одинаковые промежутки времени.
В картере трансмиссии, заправленном маслом ТАп-15, механические примеси накапливаются менее интенсивно. После 900 ч работы в картере коробки передач они составляют 0,53$, а после 1050 ч -до 6,6$. В картерах бортовой передачи после 750 ч работы находится 0,63$ механических примесей, а после 1050 ч - до 0,95$ [ і]
В агрегатах трансмиссии автомобилей количество негорючих примесей, состоящих главным образом из дорожной пыли, составляет 50-60$ всех примесей, содержащихся в масле [59] . После пробега 6000-8000 км в масле коробки передач автомобиля накапливается 0,3-0,58$ механических примесей (негорючий компонент), а в масле зад-
ІЗ него моста - 0,28-0,40$. Накопление механических примесей в агрегатах трансмиссии линейно зависит от пробега автомобиля.
При испытаниях трансмиссии тракторов Т-75 и Т-74 в пылевой камере [4] были выявлены следующие основные соединения, необеспечивающие достаточной герметичности: шаровые соединения рычагов переключения передач, сочленения валика блокировки с крышкой коробки перемены передач (КПП), корпуса КПП с крышкой,корпусов КПП и заднего моста и др.
Влияние каждого компонента механических примесей на долговечность шестерен изучено Г.И.Скундиным [91,92] . Он установил, что металлические частицы (продукты износа деталей) с твердостью HftC 20-50 на долговечность шестерен почти не влияют. Зависимость долговечности шестерен от наличия почвенной пыли в масле исследована им на стенде ЛТ-6 при концентрациях абразива 0,25-1,5$ в нигроле Л. После 10 ч работы из-за неравномерного износа на ножке зуба появилась линия поверхности малого радиуса, идущая параллельно образующей зуба, после 60 ч - глубокие оспинки. При дальнейшей работе выкрашивание не увеличилось, а началось пластическое затекание оспинок. Это объясняется тем, что абразив, содержащийся в почвенной пыли, во время работы редуктора постепенно теряет свои режущие свойства, притупляется, измельчается и далее не вызывает износа профиля зуба.
Как показали стендовые испытания [4] , износ деталей в коробках передач, работающих на масле, загрязненном пылью (0,8-2,4$),в 1,5-5,5 раза больше износа этих же деталей, работающих на чистом масле. По результатам стендового испытания определено максимально допустимое количество абразивных примесей в трансмиссионном масле [ 93І За критерий работоспособности подшипника, исходя из норма-
14 тивного ресурса трансмиссии, был принят предельно допустимый радиальный зазор - 0,42 мм. Этот размер согласуется со статистическими данными ГОСНИТИ, положенными в основу технических условий на ремонт и дефектовку. Учитывая межремонтный цикл машины и периодичность замены трансмиссионного масла, можно подсчитать допустимый радиальный зазор на каждую замену [93] :
где К$ - количество замен масла трансмиссии за один межремонтный период:
ЯлНг
I - межремонтный ресур машины;
Із - периодичность замены масла;
Snn - предельно допустимый радиальный зазор;
5аоп~ изменение радиального зазора после замены масла.
Содержание абразивных примесей в масле может считаться допустимым, если к концу испытаний средний радиальный зазор подшипников составляет Soon ^ 70 мкм. Для обеспечения работоспособности подшипников качения концентрация абразивных частиц к моменту смены масла не должна превышать 0,1$.
Некоторые исследователи рекомендуют увеличить сроки замены трансмиссионного масла вдвое [93] Эти рекомендации базируются главным образом на положительных результатах испытания масел по таким параметрам, как окисляемость, стабильность и др. Однако, согласно данным испытаний герметичности трансмиссии и износостойкости подшипника и шестерен, удлинения сроков замены масла не дает эффекта [i] .
Известно, что с увеличением срока эксплуатации трансмиссион-
15 ного масла количество абразивных частиц в картере агрегатов растет пропорционально времени эксплуатации. А.Абдуллаев [і] отмечает, что после 1050 ч работы в картере коробки передач пропашного трактора накапливается 0,31 почвенной пыли, при этом содержание железа в масле составляет 0,32$. За этот же период работы в картере бортовой передачи накапливается 0,41$ почвенной пыли, а содержание железа в масле составляет 0,57$. При заправке картера агрегатов маслом ТАп- 15 за то же время эксплуатации количество железа уменьшается более чем в 1,5 раза.
При замене трансмиссионных масел в агрегатах остается 37-67$ "старых" измельченных механических примесей, накопленных за 6000-7000 км пробега автомобиля. При замене масла через 200 км пробега количество механических примесей доходит до 0,187$, а после 7000 км общее количество механических примесей в масле заднего моста составляет 0,313$ [бэ] .
В процессе эксплуатации трактора КТ-І2 [l05J в картерах агрегатов трансмиссии накапливается значительное количество посторонних примесей,увеличивающих абразивный износ шестерен. После 450 ч работы в картере коробки передач находится 0,62$ примесей, а в картере бортового редуктора - 0,5$.
Дисперсный состав и количество абразива в солидоле втулок кулаков и шеек поворотных цапф тракторов МТЗ-50 и Т-40 определяли после их работы от 500 до 5300 ч [ioij При этом несгораемых механических примесей в солидоле оказалось 4-12,3$, а дисперсный состав был следующим: 30 мкм - 40$, 40-60 мкм - 40$, 60-100 мкм < 20$.
Известно, что примерно 70-90$ общего количества поврежденных деталей машин работает на износ ["96І , из них значительное
количество подвержено абразивному износу [26,87,95] .Так,согласно данным М.М.Севернева [87] , в результате абразивного износа из строя выбывает 75-80$, а из-за поломок лишь 20-25$ деталей.Статистические исследования деталей шестеренчатых гидронасосов, проведенные К.Х.Махкамовым [39,7l] , показали, что 84$ деталей выходит из строя по причине износа.
По В.Н.Лозовскому [ 64, 65 ] , все повреждения поверхностей, встречающиеся на деталях золотниковых пар гидроусилителей, можно разделить на пять видов:
повреждение (следы), образующееся от взаимодействия сопряженных поверхностей деталей при трении;
повреждение, образуемое твердыми частицами;
отложение асфальтово-смолистых образований;
смятие и задиры в результате удара;
эрозионное изнашивание.
В результате исследования подшипников гусеничных тракторов двух марок установлено, что на усталостные повреждения приходится только 3-7$ всех дефектов подшипников, а на чрезмерные радиальные зазоры - 57-61$. Средняя доля подшипников трансмиссии, выбракованных из-за повышенного износа, составляет 50$, а иногда и более [93,102] . Подшипники коробок передач выходят из строя из-за абразивного износа, усталостного выкрашивания, поломки и поворачивания колец. В конечных передачах чаще всего наблюдаются чрезмерные износы, разрушения усталостного характера и реже - поломки сепараторов и поворачивания колец подшипников относительно сопряженных деталей. Абразивному износу больше всего подвержены подшипники ходовых систем колесных, гусеничных тракторов и автомобилей, так как эти узлы во время работы находятся в непосредственном
17 контакте с почвой.
Усталостные разрушения в подшипниках качения выражается в частичном или сплошном выкрашивании беговых дорожек колец и тел качения, связанном с перекосами, повреждениями при монтаже вмятинами от попадания на рабочие поверхности металлической стружки и других частиц [33,34] .
Основным видом повреждения ведущей шестерни бортового редуктора является повышенный абразивный износ зубьев [63, 105] . Г.И.Скундин [90] отмечает, что в подшипниках качения абразивные частицы снимают контактно-усталостные слои поверхности трения. Зубья шестерен изнашиваются неравномерно, искажение профиля приводит к резкому уменьшению радиуса кривизны, что способствует ускорению выкрашивания рабочего профиля зубьев. При таких условиях выкрашивание рабочего профиля зубьев наступает после 50-70 тыс. циклов вместо планируемых 10 млн. и более.
1.3.Изнашивание поверхностей трения деталей машин при наличии в зоне контакта твердых частиц
М.М.Хрущов и М.А.Бабичев [l08j считают, что если между поверхностями трения находится большое количество абразивных частиц, то одна часть зерен (меньшая) режет металл, царапает его, другая перекатывается, оставляя след на поверхности в виде выдавленных ямок. Значительная часть зерен перемещается,не царапая и не оставляя за собой никакого следа, часть зерен раскалывается [108] .
Согласно результатам, полученным М.И.Поляковым, сначала работают только крупные зерна (10%), которые, перекатываясь, наносят вибрационные царапины (возможно и царапание закрепившимися зернами) [80] . Зерна дробятся, и в работу вступают новые. Мате- -
18 риал удаляется лишь при повторном действии зерен.
Л.Э.Вальдма [в] отмечает, что изнашивание материала в результате трения об абразивную прослойку происходит в результате: а) царапания одной поверхности абразивными зернами, шаржированными в другую поверхность; б) обкатывания абразивных зерен (вызывающих пластические деформации в виде выдавленных борозд) между поверхностями.
Анализ процесса трения поверхностей деталей об абразивную прослойку показывает, что на изнашивание влияют очень многие факторы. Основными из них являются механические свойства деталей и абразивных частиц, нормальная нагрузка, размеры и форма абразивных зерен, количество абразивных зерен или их концентрация между поверхностями трения, температура поверхностей трения, скорость трения скольжения и трения качения и смазка поверхностей трения.
Влияние механических свойств деталей и абразивных частиц на процесс изнашивания. Вопросу влияния механических свойств деталей и абразивных частиц на процесс изнашивания при трении об абразивную прослойку посвящены многие работы [8,25,30,38,47,69, 81, 95,106,107,114,117] .
М.М.Хрущов и М.А.Бабичев пришли к выводу, что при абразивном изнашивании износостойкость термически необработанных сталей повышается пропорционально их естественной твердости, а износостойкость термически обработанных сталей с повышением твердости увеличивается линейно, но менее интенсивно [107] .
Л.Э.Вальдма отмечает, что на износостойкость сталей большое влияние оказывает их твердость [9J . Он считает, что для сталей в отожженном состоянии и для сталей,обработанных термически, справедливы зависимости, предложенные М.М.Хрущовым и М.А.Бабичевым [ 106] .
Величина износа сопряженных поверхностей трения при наличии между ними абразивных зерен во многом зависит от соотношения их твердостей. А.В.Поляченко и Г.Г.Горбенко отмечают, что с применением твердых сплавов износ поверхностей деталей уменьшается во много раз [81J . При использовании в паре с твердым сплавом металлов с относительно низкой твердостью износ также небольшой. Этот вывод подтверждается исследованиями М.М.Тененбаума, который отмечает, что уменьшение твердости одной из сжимающих пластинок приводит к значительному увеличению разрушающих нагрузок абразивных частиц [Эб]
Согласно работе [в] , большое влияние на износ оказывает соотношение твердостей металла пм и абразива На .При Нм/Н
С.Л.Наумов, связывая влияние на износ твердости абразива и металла с механизмом абразивного износа, полагает, что в случае, когда твердость абразива выше твердости металла, возможны микрорезание и вдавливание металла [ 77J . Если же "мягкий" абразив взаимодействует с "твердым" металлом, то последний изнашивается в результате разрушения химических пленок.
М.М.Тененбаум отмечает, что при абразивном изнашивании с изменением соотношения твердостей абразива и металла характер износа существенно изменяется [9б] Это отношение он оценил коэффициентом Kfn і
Нт — Нм/На где Им - твердость металла;
//а - твердость абразива.
Соотношение значений твердостей изнашиваемого материала и абразива, отражаемое коэффициентом Km , наряду с другими факторами абразивяости, определяет физическую сущность взаимодействия абразивных зерен с поверхностным слоем материала.При ttm< 0,6-0,7 имеются предпосылки для прямого разрушения поверхностного слоя путем среза или отрыва, В случае, когда Нт> 0,6-0,7, процесс разрушения приобретает полидеформационный или усталостный характер. В условиях абразивного изнашивания сопротивление материалов разрушающему действию абразивных частиц является важнейшим фактором, определяющим износостойкость материалов. Чем выше сопротивление материала отрыву или срезу, тем больше оснований ожидать повышенного сопротивления усталостному и полидеформационному процессам разрушения, хотя они более чувствительны к структурному состоянию материала к разупрочяяющему действию среды.
Влияние нагрузок на процесс изнашивания. Влияние нагрузок на процесс изнашивания исследовали многие авторы [9,14,38,84, 85, 95,98] .
М.М.Севернев выявил характер напряженного состояния в поверхностном слое упругого материала, контактирующего с жестким цилиндром бесконечной длины, при одновременном действии нормальной и тангенциальной нагрузок [85J
Л.Э.Вальдма [8,9] установил, что :
а) при низких удельных нагрузках (30-300 кПа) абсолютный из
нос в конце процесса изнашивания с невозобновляемой абразивной
прослойкой постоянен и не зависит от величины нормальной на
грузки;
б) продолжительность процесса абразивного изнашивания умень
шается при увеличении нормальной нагрузки.
С увеличением удельной нагрузки усиливается интенсивность изнашивания, но суммарный износ в конце процесса остается постоянным^] .
Б.Саар и Х.Лепиксон предполагают, что с увеличением нагрузки при прочих равных условиях уменьшается вероятность качения -перекатывания абразивных зерен, и они начинают скользить [84] .
В работе [l4] отмечается, что при трении скольжения в условиях смазывания маслом, загрязненным продуктами износа, интенсивность изнашивания с ростом нагрузки сначала резко возрастает, а затем снижается.
Величина износа в большой степени зависит от давления абразива на изнашиваемую поверхность [44] С увеличением нагрузки износ возрастает. Объясняется это тем, что с повышениэм нагрузки глубина внедрения активных абразивных частиц, оставляющих царапины на поверхности трения, и число контактирующих с этой поверхностью частиц увеличиваются.
Влияние размера и Формы абразивных частиц на изнашивание. Л.Э.Вальдма считает,что большое влияние на изнашивание оказывает размер абразивных частиц [в] . Крупнозернистые абразивы в начале трения перекатываются и частично разрушаются,т.е.момент трения уменьшается. Износ деталей пропорционален размеру абразивных зерен.
М.А.Бабичев также отмечает, что объемный износ увеличивается пропорционально размерам абразивных зерен основной фракции
[ з] . Этого же мнения придерживаются В.НЛСащеев [46.47J и В.Е.Маев [67J , которые считают, что с уменьшением размеров абразивных частиц абразивный износ трущихся пар тоже уменьшается,а в случае частиц размером I мкм приближается к безабразивному.
М.М.Хрущов и М.А.Бабичев утверждают, что износ повышается лишь до определенного "критического" размера зерна [іОб] . Если размер абразива больше "критического",то износ остается постоянным и не зависит от размера зерна, а на "критическую" величину абразивного износа твердость образца не влияет - она определяется размером зерна абразива.
По Г.В.Виноградову и В.А.Вишнякову, при трении качения с увеличением размера зерна абразива износ не повышается, а наоборот, уменьшается [l2j . Авторы объясняют это уменьшением объемной концентрации абразивов в смазке (при постоянной весовой концентрации) .
А.Ю.Йшлинский определил влияние формы индентора на величину нормальных напряжений при пластическом контакте [4з] . Он исследовал роль микроскольжений на площадке контакта в формировании силы сопротивления перекатыванию.
В.Саар и Х.Лепиксон считают, что поведение абразивного зерна (и соответственно процесс изнашивания) во многом зависит от формы и размеров [84] .
От округленности зависит режущая способность отдельных выступов зерен, а от сферичности - положение относительно изнашиваемой поверхности, т.е. фиксирование зерен.
Величина радиуса закругления уменьшается с уменьшением размера зерна данного абразивного материала. Чем ближе значение коэффициента сферичности к единице и чем меньше действующая нагрузка при остальных одинаковых условиях, тем больше вероятность, что абразивное зерно будет перекатываться по поверхности образца.
Влияние количества или концентрации абразивных частиц в масле на изнашивание материалов. Большое влияние на процесс изнаши-
23 вания оказывает концентрация абразивных частиц в масле. Многие исследователи утверждают, что существует определенный (оптимальный) состав смесей, при котором износ поверхностей трения оказывается максимальным [8,67,70,95] В более богатых абразивом смесях абразивные частицы перекатываются,в результате чего износ уменьшается [9j . (Если материал образца серый чугун, то "оптимальный" состав смеси по абразиву 20$ [в] ).
Э.Л.Мархасин считает, что по мере увеличения концентрации абразива зависимость износа от нее непрерывно уменьшается, и уже при концентрации абразива в жидкости 30$ величина износа не изменяется [70] .
Исследуя абразивные свойства твердых минеральных частиц малого размера, В.Е.Маев пришел к выводу, что изнашивание зависит от концентрации абразивов прямо пропорционально, но это влияние снижается с уменьшением размеров абразивных частиц [67] .
М.М.Теяеябаум при исследовании зависимости величины износа от подачи абразива в зону трения отметил, что в масле имеется определенное для конкретных условий количество абразивных частиц, при котором износ материала достигает максимального значения [95].
К такому же выводу пришли В.Н.Кащеев [45,4б], М.М.Хрущов и М.А.Бабичев [108] .
Влияние температуры на процесс изнашивания. Научно-технический прогресс требует создания новых конструкционных материалов, способных работать при повышенных температурах в различных,в том числе и агрессивных, средах.
При высоких температурах трение и изнашивание поверхностей в значительной мере определяются термически активным адгезионным
24 взаимодействием [88] . Обнаружена непосредственная связь адгезии с трением: при повышении температуры начала интенсивного термически активизируемого адгезионного взаимодействия резко растет коэффициент трения.
Опыты по определению влияния температуры смазочного материала на процесс абразивного изнашивания провели Г.В.Виноградов и В.А.Вишняков [l2j . Они получили интересный результат: фракция кварца с размером частиц до 6 мкм при температуре масла 0С не вызывала абразивного износа. В идентичных условиях,но при температуре смазочного материала 20С шаровые образцы были заметно изношены. Однако при дальнейшем повышении температуры смазочного масла износ уменьшался. В случае применения пластического смазывающего вещества с повышением температуры наблюдалось увеличение износа. Эти явления Г.В.Виноградов и В.А.Вишняков объясняют процессом седиментации абразивных частиц,зависящим от вязкости среды.
Влияние скорости трения на процесс абразивного изнашивания. Определению влияния скорости трения на величину износа сопряженных поверхностей при сухом трении посвящено много работ, но влияние скорости трения на износ при наличии между трущимися поверхностями абразивных частиц практически изучено мало.Есть предположение,что с увеличением скорости относительного перемещения поверхностей интенсивность их изнашивания быстро уменьшается [ 55 J .
Влияние смазки на процесс абразивного изнашивания. Большое влияние на процесс абразивного изнашивания оказывают количество и вид смазочного материала [2,8,I2,4I,95,I06,I08j . Методы оценки смазочных пленок при гидродинамических режимах описаны в работах Ю.Н.Дроздова [l9,20] , где даны зависимости для расчета износа зубчатого зацепления.
25 Исследуя закономерности процесса трения качения,Г.В.Виноградов и В.А.Вишняков [l2J выявили условия, при которых отсутствует абразивное изнашивание:
б*+Но >d,
где и - глубина неровностей сопряженных поверхностей; и0- минимальная толщина смазочного слоя; О- - наибольший размер абразивных частиц.
Отмечено также весьма значительное влияние физического состояния смазочной среды. При использовании пластического смазочного материала износ (при равных концентрациях) в несколько раз выше, чем в случае применения масел.
В.Н.Виноградов и Е.С.Кузнецов [lI,59J , Г.Н.Скундин [89] также отмечают значительное влияние на износ деталей типа смазочного материала. Г.Н.Скундин, исследовавший долговечность зубчатых колес, указывает, что суммарная площадь и глубина оспинок выкрашивания, а также их расположение на профиле зуба зависят от сорта применяемого масла.
1.4. Цель и задачи исследования
Обзор литературы позволяет сделать следующие выводы.
С увеличением срока эксплуатации машин увеличивается поток отказов,эксплуатационные отказы возникают главным образом вследствие износа и повреждения рабочих поверхностей деталей, интенсивность возникновения изнооовых отказов зависит от уровня запыленности воздуха, влияющего на чистоту смазочных материалов при заправке, а также от степени загрязнения последних в процессе эксплуатации.
Наибольшее количество отказов приходится на двигатель, его системы и агрегаты трансмиссии, которые возникают в результате
попадания почвенной пыли в картер агрегатов.
Интенсивность изнашивания деталей машин, работающих в масле, загрязненном абразивными частицами, зависит от механических свойств материала деталей и абразивных частиц, их размеров, формы и концентрации, нагрузки, температуры поверхности трения, скорости скольжения, качества смазочного материала.
В литературе отсутствуют сведения о динамике накопления загрязнителей масел,изменении их активности в процессе эксплуатации; нет теоретических обоснований продолжительности экспериментальных исследований абразивного изнашивания на машине трения,а" также периодичности смены масла в эксплуатационных условиях,не установлен наибольший размер абразивных частиц, участвующих в процессе изнашивания, расчет скорости абразивного изнашивания производился без учета упругой деформации поверхностей трения, кроме того,отсутствуют данные об уменьшении интенсивности абразивного изнашивания деталей машин в результате применения присадок.
Таким образом, данная работа посвящена исследованию видов износа деталей, прогнозированию расчетными методами срока службы зубчатых передач агрегатов трансмиссии автогрейдеров и разработке рекомендаций по повышению их долговечности при эксплуатации в условиях высокой запыленности окружающей среды.
На основании изложенного выше были сформулированы основные задачи исследования.
Установить причины потери работоспособности агрегатов трансмиссии и определить ведущий вид изнашивания их деталей.
Исследовать на машине трения влияние количественных и качественных характеристик загрязнителей трансмиссионного масла на интенсивность изнашивания материалов деталей агрегатов трансмис-
27 сии.
Установить расчетно-теоретическим путем размеры абразивных частиц, проникающих в зону трения, продолжительность испытаний на машине трения и на стенде, периодичность смены масла в эксплуатационных условиях с учетом изменения активности загрязнителей, а также долговечность шестеренчатых передач с учетом упругой деформации поверхностей трения при контакте.
Определить расчетно-аналитическим путем срок службы зубчатых передач агрегатов трансмиссии при наличии в масле абразивных частиц.
Установить зависимость интенсивности изнашивания зубчатых передач трансмиссии от натрузочно-скоростного режима, концентрации и дисперсности абразивных частиц.
Определить оптимальную концентрацию противоизносных присадок к маслам агрегатов трансмиссии, содержащим абразивные частицы.
Проверить в эксплуатационных условиях результаты лабораторных испытаний по повышению долговечности зубчатых передач агрегатов трансмиссии с помощью присадок.
Оценить экономическую эффективность от внедрения результатов исследования.
