Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор исследований в области повышения долговечности шлицевых соединений карданных валов приводов генераторов пассажирских вагонов 12
1.1. Причины выхода из строя и механизм изнашивания шлицевых соединений 12
1.2. Конструкция и особенности работы шлицевых соединений 16
1.3. Методы повышения долговечности шлицевых соединений 25
1.3.1. Конструкционные и технологические методы 25
1.3.2. Смазочные материалы и их разработка 28
1.4. Выводы и постановка задач 31
2. Исследование условий работы и выявление причин выхода из строя шлицевых соединений карданных валов приводов генераторов пассажирских вагонов 35
2.1. Определение статических нагрузок в шлицевых соединениях 35
2.2. Математическое моделирование динамических процессов в шлицевых соединениях 42
2.2.1. Расчет параметров элементов привода 42
2.2.2. Математическая модель динамических процессов в шлицевом соединении 47
2.3. Анализ результатов математического моделирования динамических процессов в шлицевом соединении 56
2.4. Условия смазывания шлицевых соединений и оценка изменения свойств смазок при эксплуатации 62
2.5. Анализ трибоповерхностей шлицевых соединений 68
2.6. Выводы 74
3. Разработка смазочного материала для шлицевых соединений карданных валов приводов вагонных генераторов с улучшенными эксплуатационными свойствами 76
3.1. Вычислительный эксперимент по определению атомных свойств и адсорбции компонентов смазки на поверхности трибосопряжения 76
3.1.1. Методы компьютерной химии и программы для проведения расчетов 76
3.1.2. Подготовка и порядок проведения вычислительного эксперимента 80
3.1.3. Анализ результатов квантово-химических расчетов 86
3.2. Экспериментальное исследование эффективности работы присадки в различных дисперсных фазах и условиях работы 96
3.2.1. Планирование эксперимента и моделирование процесса изнашивания на машинах трения по схемам «колодка-ролик» и «плоскость-плоскость» 96
3.2.2. Анализ результатов экспериментальных исследований 105
3.2.3. Исследование микрорельефа поверхностей трения 116
3.3. Выводы 121
4. Анализ свойств разработанного смазочного материала с оценкой его деструкции при эксплуатации 123
4.1. Физико-химические, реологические и триботехнические свойства разработанного пластичного смазочного материала 123
4.2. Оценка деструкции разработанного пластичного смазочного материала при эксплуатации в шлицевом соединении 127
4.3. Сравнение полученных результатов с данными других авторов 131
4.4. Выводы 133
4 5. Рекомендации по повышению долговечности шлицевых соединений карданных валов приводов вагонных генераторов 134
5. Рекомендации по повышению долговечности шлицевых соединений карданных валов приводов вагонных генераторов
5.1. Рекомендации по повышению долговечности шлицевых соединений 134
5.2. Оценка экономической эффективности предлагаемых решений 135
5.3. Выводы 139
Заключение 140
Список использованной литературы 142
Приложения 154
- Конструкция и особенности работы шлицевых соединений
- Математическое моделирование динамических процессов в шлицевых соединениях
- Методы компьютерной химии и программы для проведения расчетов
- Оценка деструкции разработанного пластичного смазочного материала при эксплуатации в шлицевом соединении
Введение к работе
Актуальность темы. В соответствии с «Транспортной стратегией Российской Федерации на период до 2020 г.» одним из важных направлений развития железнодорожной отрасли является внедрение надежной техники и новых технологий, обеспечивающих сокращение потребляемых ресурсов. В связи с тем, что доля отказов узлов трения подвижного состава составляет около 85 %, проблема повышения их надежности имеет первостепенное значение.
Основное условие комфортной и безопасной перевозки пассажиров -надежная работа индивидуальной системы энергоснабжения с приводом генератора от оси колесной пары.
Одна из наиболее часто встречающихся причин выхода системы энергоснабжения из строя - повышенный износ шлицевого соединения карданного вала привода. Средний срок службы карданных валов не превышает 1,5-2 лет, что не соответствует нормативам межремонтных сроков пробега вагонов.
Учитывая высокую стоимость изготовления и ремонта, вопрос повышения срока службы шлицевых соединений карданных валов приводов вагонных генераторов является актуальным.
Результаты исследований по теме диссертационной работы были использованы в программе фундаментальных и поисковых научно-исследовательских работ, выполненных РГУПС для ОАО «Российские железные дороги» в 2003-2005 гг.
Цели и задачи исследования. Целью работы является повышение срока службы шлицевого соединения карданной передачи привода вагонного генератора путем снижения динамических нагрузок и улучшения условий смазывания.
С учетом поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
Выявить основные причины изнашивания шлицевых соединений приводов вагонных генераторов с учетом условий их работы и оценить эффективность применяемых смазочных материалов.
Разработать математическую модель работы шлицевого соединения карданного вала с учетом его перемещений в пространстве и особенностей работы привода генератора.
Предложить теоретико-экспериментальную методику оценки эффективности и создания смазочных материалов на основе квантово-химических расчетов.
Предложить присадку к пластичным смазочным материалам (ПСМ), применяемым в шлицевых соединениях, повышающую их долговечность.
Провести экспериментальные исследования триботехнических, реологических и физико-химических свойств полученного пластичного смазочного материала.
Методы исследования и достоверность полученных результатов. Методологической основой работы являются методы математического моделирования, математического планирования эксперимента, теории размерностей, материаловедения, теории физического подобия и инженерного эксперимента, квантовой химии и физико-химических исследований.
Составление математической модели проводилось на основе уравнений Лагранжа II рода, а также методик автоматического синтеза уравнений движения с использованием теории графов.
Достоверность полученных результатов подтверждается применением апробированных методов исследований и достаточной сходимостью расчетных и экспериментальных данных.
Научная новизна состоит в следующем: - разработана математическая модель работы шлицевого соединения в карданной передаче привода вагонного генератора, учитывающая пространственные колебания элементов карданного вала, зазоры в
7 шлицевом соединении, кинематическую погрешность универсальных шарниров, скольжение в ременной передаче, тормозной электромагнитный момент со стороны генератора;
установлен механизм изнашивания шлицевых соединений карданных валов приводов вагонных генераторов и выявлено, что основным видом их изнашивания является изнашивание при фреттинге;
предложена методика оценки эффективности и создания смазочных материалов, позволяющая прогнозировать их триботехнические характеристики на основе результатов квантово-химических расчетов;
- определены атомные свойства, пространственная конфигурация и полная
энергия молекулы присадки, улучшающей реологические, физико-химические и триботехнические свойства пластичных смазочных материалов;
- установлена зависимость между энергией связи адсорбционного комплекса
«поверхность металла - разработанная присадка» и коэффициентом трения.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Предложена методика определения динамических нагрузок на шлицевое соединение карданной передачи привода вагонного генератора с учетом условий эксплуатации, позволяющая на этапе проектирования оценить влияние конструкционных и технологических факторов на долговечность узла трения.
Установлены рациональные значения зазоров между зубьями шлицевых соединений, обеспечивающие снижение динамических нагрузок более чем в 1,2 раза, и повышение их долговечности.
Предложена присадка, улучшающая триботехнические свойства современных ПСМ - Буксола и ЖРО-М - применяемых на железнодорожном транспорте, что подтверждается результатами эксплуатационных испытаний в Новороссийском вагоноремонтном депо.
Результаты исследований используются в учебном процессе РГУПС при подготовке специалистов по дисциплине «Механика вагонов».
Во введении обоснована актуальность повышения долговечности шлицевых соединений карданных валов приводов вагонных генераторов, дана краткая характеристика структуры исследования и методики выполнения работы, а также описание цели работы.
В первой главе диссертационной работы проведен аналитический обзор состояния вопроса по исследованиям в области трибологии, и в частности изнашивания шлицевых соединений.
Рассмотрены конструкционные и технологические методы повышения долговечности шлицевых соединений, определены задачи исследования.
Вторая глава содержит исследование условий работы и выявление причин выхода из строя шлицевых соединений карданных валов приводов вагонных генераторов.
Разработана математическая модель работы шлицевого соединения в карданной передаче привода вагонного генератора, позволяющая определить динамические нагрузки с учетом пространственных колебаний элементов карданного вала, зазоров в шлицевом соединении, кинематической погрешности универсальных шарниров, скольжения в ременной передаче, тормозного электромагнитного момента со стороны генератора.
Проведено исследование применяемых в настоящее время пластичных смазочных материалов и поверхностей трения после эксплуатации, установлен механизм изнашивания шлицевого соединения.
В третьей главе разработана теоретико-экспериментальная методика оценки эффективности и создания смазочных материалов на основе квантово-химических расчетов. Найдены полные энергии и оптимальные геометрии ряда химических соединений, в том числе предлагаемой присадки фосфоромолибдата натрия. Определены атомные свойства присадки. Построены потенциальные кривые адсорбционных комплексов «поверхность-дисперсная фаза смазки» и «поверхность-присадка» в различных конфигурациях и рассчитаны их энергии связи. На основании результатов расчетов проведена оценка триботехнических свойств исследованных молекул.
Разработан пластичный смазочный материал и проведено его экспериментальное исследование на машинах трения по схемам «колодка-ролик» и «плоскость-плоскость».
Экспериментальные данные подтверждают достоверность выводов о триботехнических свойствах смазочного материала, сделанных по результатам квантово-химических расчетов.
Изучена микротопография состояния поверхностей трения с помощью сканирующего зондового микроскопа марки Solver Р47 Pro.
В четвертой главе представлены результаты лабораторного исследования реологических, физико-химических и триботехнических свойств разработанного смазочного материала, а также типовых ПСМ с различными присадками.
Проведена оценка деструкции молекул присадки и изменения пространственной структуры предлагаемого ПСМ в процессе эксплуатации шлицевого соединения с использованием метода инфракрасной спектроскопии.
Выполнено сравнение полученных теоретических и экспериментальных результатов с опубликованными данными других исследователей.
Пятая глава посвящена разработке рекомендаций конструкционного и технологического характера по повышению долговечности шлицевых соединений карданных валов приводов вагонных генераторов.
Рассчитан ожидаемый годовой экономический эффект от применения разработанного пластичного смазочного материала.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на научно-теоретических конференциях «Транспорт» (г. Ростов-на-Дону, 2001-2003, 2005 и 2006 гг.), на III Международном семинаре по контактному взаимодействию и сухому трению (МГТУ им. Н.Э.Баумана, Москва, 2005 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 148 наименований и
10 приложений, содержит 78 иллюстраций и 16 таблиц. Общий объем диссертации составляет 175 стр.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ:
Оценка работоспособности текстропно-карданных приводов генераторов пассажирских вагонов // Труды науч.-теоретич. конф. проф.-препод. сост. «Транспорт-2001». Ч. 2. -Ростов-на-Дону: РГУПС, 2001. С. 115. (Соавторы: Ворон О.А., Рыжов СП.).
Фреттинг-коррозия на деталях подвижного состава // Труды науч,-теоретич. конф. проф.-препод. сост. «Транспорт-2002», Ч, 3. -Ростов-на-Дону: РГУПС, 2002. С. 26.
Напряженно-деформированное состояние шлицевого соединения вала привода генератора пассажирского вагона // «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта». Сб. науч. тр. молодых ученых, аспирантов и докторантов. -Ростов-на-Дону: РГУПС, 2003. С. 25 - 26. (Соавтор: Булавин Ю,П.).
Моделирование карданной передачи привода вагонного генератора // «Повышение эффективности работы электромеханических преобразователей». Междунар. межвуз. сб. науч. тр. -Ростов-на-Дону: РГУПС, 2003. С. 108 - 114, (Соавтор: Булавин Ю.П,),
Прогнозирование динамических характеристик перспективного рефрижераторного подвижного состава // «Механика и трибология транспортных систем - 2003». Сб. докл. междунар. конгресса. -Ростов-на-Дону: РГУПС, 2003. С. 205 - 206. (Соавторы: Волков И.В., Булавин ЮЛ.).
Изменение физико-химических показателей смазок ЖРО-М и БУКСОЛ в процессе эксплуатации // Труды науч.-практич. конф. «Транспорт-2005».-Ростов-на-Дону: РГУПС, 2005. С.262. (Соавтор: Савенкова М.А.).
Механизм смазочного действия пластичных смазок с участием гетерополифосфатов // Труды III Международного Семинара по контактному взаимодействию и сухому трению. -М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005. С. 649, (Соавторы: Савенкова М.А., Челохьян А.В.),
Исследование влияния присадок к железнодорожным пластичным смазкам на их фрикционные характеристики // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. -Ростов-на-Дону: РГУПС, 2005. № 4. С. 29-32. (Соавторы: Челохьян А.В., Савенкова М.А., Булавин Ю.П.).
Исследование железнодорожных пластичных смазок с присадками на основе полифосфатов // Известия вузов. Северо-Кавказкий регион. Технические науки. -Ростов-на-Дону, 2006. № 2. С. 59-61. (Соавторы: Челохьян А.В., Савенкова М.А.).
Динамические нагрузки в шлицевых соединениях карданных валов пассажирских вагонов // Труды науч.-практич. конф. «Транспорт-2006». Ч. 3. -Ростов-на-Дону: РГУПС, 2006. С. 29-30. (Соавтор: Булавин Ю.П.).
Влияние присадок на свойства железнодорожных смазок Буксол и ЖРО-М // Труды науч.-практич. конф. «Транспорт-2006». Ч. 3. -Ростов-на-Дону: РГУПС, 2006. С. 43. (Соавтор: Савенкова М.А.).
Конструкция и особенности работы шлицевых соединений
Как отмечалось, одним из ответственных узлов, в которых используются шлицевые соединения, является механическая часть системы энергоснабжения железнодорожного подвижного состава.
На современных пассажирских вагонах применяется индивидуальная система энергоснабжения с генератором и приводом от оси колесной пары. В настоящее время самыми распространенными приводами генераторов, эксплуатирующимися на пассажирском подвижном составе, согласно [118] являются: ТК-2 - текстропно-карданный привод от торца оси колесной пары (рис. 1.1); ТРКП - текстропно-редукторно-карданный привод от торца оси колесной пары (рис. 1.2); редукторно-кардэнный привод от средней части оси колесной пары (рис. 1.3).
Одним из элементов, с помощью которого осуществляется передача вращения от колесной пары к валу генератора, является карданная передача.
Основными деталями карданной передачи пассажирского вагона являются крестовины с игольчатыми подшипниками и карданный вал, выполненный разъемным с осевой компенсацией за счет шлицевого соединения. Карданный вал состоит из шлицевого вала и шлицевой втулки с приваренными к ним с обеих сторон вилками для соединения с крестовинами (рис. 1.4).
Классификация карданных передач [86] В соответствии с классификацией [41], шлицевые соединения карданных передач в приводах генераторов пассажирских вагонов являются; по профилю поперечного сечения - прямобочными; по расположению образующей боковой поверхности зуба относительно оси соединения - прямыми; по технологическим признакам - термообработанными до высокой твердости (HRC 45); по виду сопряжения соединяемых деталей - подвижными под нагрузкой.
К карданным передачам предъявляются следующие требования [86]: - углы наклона карданных валов должны быть по возможности минимальными (для большего к.п.д. передачи и снижения неравномерности вращения валов); - динамические нагрузки, вызванные неравномерностью вращения и несбалансированностью вала, должны быть минимальными; - жесткость карданной передачи необходимо выбирать с учетом динамических характеристик всех элементов привода; собственные частоты крутильных колебаний передачи не должны совпадать с собственными частотами колебаний элементов привода генератора или вагона; - изнашиваемые поверхности (детали подшипников и шлицевое соединение), требующие смазки, необходимо защищать от вытекания смазки, а также от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды.
По данным различных исследований шлицевые соединения обладают рядом особенностей, которые необходимо учитывать при расчете действующих на них нагрузок. К ним относятся наличие погрешностей взаимного расположения вала и втулки в осевом и радиальном направлении, оказывающие влияние на концентрацию нагрузки; радиальные и боковые зазоры в соединении, приводящие к неравномерному распределению нагрузки; возможность самоцентрирования соединения. Так, согласно [74] нагруженность шлицевых зубьев определяется исходя из условия самоцентрирования соединения (независимо от величины боковых и радиальных зазоров и формы шлицев). Авторы [41, 81] проводят расчеты шлицевого соединения с учетом влияния на распределение нагрузки погрешностей расположения зубьев вала и втулки.
Существует несколько методик расчета распределения нагрузок при действии различных факторов, таких как перекос, несоосность элементов соединения, погрешности изготовления или обработки шлицев, смещение деталей вала и втулки и т.д. [41, 74, 81, 114]. В разное время были проведены достаточно обширные исследования влияния этих параметров на износостойкость шлицевых соединений на различной технике (автомобильной, строительной, сельскохозяйственной), в том числе в трансмиссиях и карданных передачах. При этом большая часть работ посвящена работе шлицевого соединения вала и ступицы насаженного на него зубчатого колеса [41, 74, 81].
В целом, согласно [41, 74, 81, 86, 114], исследование шлицевых соединений (в том числе в карданных передачах) сводится к определению нагрузок в соединениях с учетом указанных факторов, а также с учетом динамики путем введения поправочных коэффициентов.
В настоящее время считается, что основными критериями работоспособности шлицевых соединений являются сопротивление смятию и износостойкость зубьев [89]. Общепринятые методы расчета сводятся к определению напряжений на боковых сторонах зубьев [74].
Одной из ключевых особенностей работы шлицевого соединения карданного вала привода вагонного генератора является наличие динамических нагрузок, обусловленных колебательными процессами во время движения вагона. Однако их влияние на износостойкость шлицевых соединений и долговечность карданных валов в целом изучено не достаточно.
Одним из эффективных методов исследования динамики вагона и его узлов является математическое моделирование, Математические модели колебаний вагонов различных типов в виде систем обыкновенных дифференциальных уравнений описаны в [25, 26,124 и др.]. Исследованиям механической части приводов генераторов пассажирских вагонов посвящен целый ряд работ. Рассмотрены пути совершенствования приводов как от средней части оси колесной пары, так и от торца оси (ТРК и ТК приводы). Так, проблемы повышения долговечности клиновых ремней для ТРК и ТК приводов рассмотрены в [20, 60, 112, 109]. В [111] предложен вариант подвески генератора к раме тележки в приводах от торца оси колесной пары вагона. Ее конструкция позволяет снизить динамические нагрузки в узле крепления.
Анализ динамических показателей привода ТРК проведен в [68]. Установлено, что динамические процессы в узлах привода обусловлены ударными взаимодействиями колеса с рельсом и изменениями электрической нагрузки. Отмечено влияние зазоров в шлицевом соединении карданного вала на повышение нагрузки на якоре генератора и шестерне редуктора.
Авторами [37, 38] исследовано влияние типа подвески редукторов на динамические усилия в элементах привода от средней части оси. Выявлено, что применение подвески с горизонтальной тягой позволяет повысить надежность работы привода.
Математическая модель колебаний привода от средней части оси на тележке подробно описана в [36]. Согласно исследованию динамические нагрузки оказывают негативное влияние на работу элементов редукторно-карданных приводов разных марок. В частности приводят к снижению прочности карданного вала. Эффективной мерой по снижению крутильных колебаний в приводах от средней части оси может быть использование упругой муфты.
Математическое моделирование динамических процессов в шлицевых соединениях
Для разработки математической модели и проведения вычислительных экспериментов требуется определить контактную жесткость зубьев шлицевого соединения и моменты инерции элементов привода.
Имеется ряд работ, в которых указаны приближенные формулы расчета контактной жесткости различных деталей [41, 81, 114]. Однако, ввиду отсутствия примеров их использования применительно к шлицевым соединениям (методики определения контактной жесткости), воспользоваться ими затруднительно. Поэтому найдем контактную жесткость, согласно подходу, изложенному в [17].
Для этого построим трехмерные модели элементов привода вагонного генератора и определим жесткостные и масс-инерционные параметры с помощью расчета методом конечных элементов.
Требовалось построить следующие трехмерные модели: ведомый шкив с валом, сегменты средней части карданного вала, крестовины, вилки, ротор генератора с валом. Некоторые из них, созданные с помощью программы Solid Works, приведены на рис. 2.10.-2.12.
Выполним расчет деформаций методом конечных элементов, В частности, для определения контактной жесткости зубьев приложим нагрузку к сторонам зубьев 486 Н, соответствующую мощности генератора при движении вагона со скоростью 40 км/ч.
В ряде случаев математического моделирования целесообразно отнести контактную жесткость зубьев вала и втулки к одному из элементов карданного вала, например к втулке, и принять вал абсолютно твердым телом. Тогда эквивалентная жесткость элементов С], сг составит Сэкв=(1/С+1/с2)" .
Аналогичным образом найдены деформации и жесткости валов шкива и ротора, а также вилок и крестовин.
Построенные модели позволяют найти тензор момента инерции, необходимый для исследования пространственных перемещений элементов привода.
Таким образом, на основе проведенных расчетов методом конечных элементов получены параметры элементов привода, необходимые для математического моделирования. 2.2.2, Математическая модель динамических процессов в шлицевом соединении
Важнейшим фактором, влияющим на работоспособность шлицевого соединения (как указывалось в гл. 1), являются динамические нагрузки, возникающие в приводе во время движения вагона. Поэтому необходимо оценить влияние этого фактора на износ зубьев.
Составим расчетную схему шлицевого соединения, исходя из следующих положений. Представим зубья как элементы, обладающие некоторой жесткостью, при этом учтем их ширину и наличие зазоров между ними.
Уравнения (2.1) представляют собой математическую модель в первом приближении и получены при следующих допущениях. Сегменты разъемного карданного вала могут совершать только крутильные колебания, величины 12 и Is (моменты инерции вилок карданного вала), в виду их малой величины равны нулю. Контактные взаимодействия в шлицевом соединении d представляют собой функцию, пропорциональную разности соответствующих угловых перемещений, с коэффициентом пропорциональности в виде нелинейной функции эквивалентной крутильной жесткости.
С целью более полного исследования динамической нагруженности шлицевого соединения карданного вала привода вагонного генератора следует рассмотреть пространственные колебания. Для представления модели в виде систем дифференциальных уравнений целесообразно воспользоваться программными продуктами, позволяющими составлять их автоматически. Такую возможность предоставляет MatLab (Simulink). Модель представляет собой систему абсолютно твердых тел с соответствующими масс-инерционными характеристиками, соединенных между собой шарнирами с заданными упруго-диссипативными характеристиками.
С каждым зубом связана локальная система координат, по которой ориентированы упруго-диссипативные связи с нелинейной характеристикой. Система локальных координат шлицевого соединения представлена на рис. 2.23. Показана часть шлицевого вала и локальные оси координат на каждом из 16-ти зубьев, а также в местах соединения тел друг с другом и в центрах масс.
Разработанная математическая модель учитывает следующие особенности. Известно, что ременная передача имеет непостоянное передаточное отношение, обусловленное скольжением ремней. В данной модели это свойство описывается с помощью блока «remennaya peredacha» по экспериментально установленным кривым скольжения [112].
В модель включены универсальные шарниры в виде блоков «sharnirl» и «sharnir2», которые позволяют учесть кинематическую погрешность карданной передачи. Как видно из расчетной схемы (рис. 2.20), сегменты карданного вала, соединенные посредством шлицевого соединения с одной стороны и универсальными шарнирами с другой, могут совершать пространственные перемещения. Это свойство моделируется с помощью блоков «subsystem 1» и «subsystem 16», в которых зубья вала и втулки имеют упруго-диссипативные связи друг с другом. При этом учитывается наличие зазоров. Следует отметить, что система Simulink имеет в наличии лишь базовый набор блоков, таких как «твердое тело» и различного рода шарниры. Поэтому потребовалась разработка дополнительных блоков, оформленных в виде подсистем и встроенных пользовательских функций. Кроме того, необходимо было решить вопросы, связанные с пространственным расположением привода, ввиду наличия принципиальных ограничений языка Simulink.
Таким образом, разработана оригинальная математическая модель с использованием современных достижений динамики многомассовых систем и теории графов. Модель позволяет исследовать работу шлицевого соединения карданного вала привода вагонного генератора во всех практически значимых режимах движения вагона. Это позволяет комплексно подойти к анализу работы трибосопряжения в шлицевом соединении.
Как отмечалось выше, на процессы износа в шлицевом соединении значительное влияние оказывают динамические нагрузки. Поэтому требуется оценить роль этого фактора.
Прежде всего, исследуем влияние зазоров между зубьями шлицевого соединения на величину динамических нагрузок в карданной передаче. Так как именно они могут стать причиной ударных взаимодействий. Данное исследование выполнялось на основе математической модели (2.1). При этом для оценки максимальных значений моментов, скольжение в ременной передаче не учитывалось.
Найдем перемещения зубьев под действием момента, вызванного разностью углов излома карданной передачи. Крутящие моменты, действующие на зубья шлицевого соединения при угле излома карданного вала б1 Силовое возмущение ввиду наличия кинематической погрешности карданного вала является не единственной причиной возникновения крутильных колебаний. Работа подвагонного генератора сопровождается возникновением тормозного электромагнитного момента, который может вызвать дополнительные динамические нагрузки.
Моменты, действующие на зубья шлицевого соединения при наличии тормозного электромагнитного момента Анализ результатов показывает, что перемещения за счет упругих деформаций составляют всего около 0,03 мм. Такие перемещения недостаточны для того, чтобы в зацепление вступили следующие пары зубьев. Однако, момент, возникающий в результате их контакта, в некоторых случаях достигает более 2,5 кН-м. Величина номинального момента на карданном валу без учета динамических нагрузок составляет от 30 до 130 Н-м. То есть, при наличии кинематической погрешности карданного вала величина момента в 20 и более раз превышает момент на валу генератора (п. 2.1).
Методы компьютерной химии и программы для проведения расчетов
Методы молекулярной механики позволяют рассчитать энергию одной точки, равновесной геометрии и молекулярной динамики объектов. При этом атомы рассматриваются как частицы, взаимодействующие посредством потенциальных полей, задаваемых эмпирически. Силы, действующие на атомы, являются функциями их координат [1].
Расчет полуэмпирическими методами проводится с использованием определенных упрощений и приближений, основанных на экспериментальной информации. Это значительно сокращает время, однако позволяет обрабатывать не все элементы таблицы Менделеева (в зависимости от выбранной программы и метода расчета), а перенос известных параметров на другие элементы может давать неверный результат. Полуэмпирическими методами расчета, получившими наибольшее распространение, согласно [129] являются: метод молекулярных орбиталей Хюккеля, CNDO/2, CNDO/S, INDO, INDO/S, ZINDO/1, ZINDO/S, MINDO/3, MNDO, AMI, РМЗ. Они различаются по параметризуемым свойствам, а также по степени воспроизводимости и точности расчетов. По данным [67] чаще всего для кластерных расчетов хемосорбции атомов на поверхности используется расширенный метод Хюккеля.
Необходимо отметить, что кластеры используются для моделирования полной системы, непосредственный расчет которой достаточно сложен из-за ее размеров или структуры. Область применимости кластерных методов согласно [67] ограничивается тем, что протяженность рассматриваемых объектов должна быть меньше (в крайнем случае сопоставима) с геометрическими размерами кластера. Это требование вводится для исключения краевых эффектов взаимодействия.
Квантовая химия рассматривает молекулы как систему электронов и точечных ядер, положения которых фиксированы (в приближении Борна-Оппенгеймера). Однако, получить точное решение уравнения Шредингера для многоэлектронной структуры, а тем более для кристалла невозможно. В этом случае используют дополнительные приближения, которые приводят к методу Хартри-Фока-Рутана [129]. Согласно [72, 67] он является наиболее широко известным и используемым в настоящее время неэмпирическим (ab initio) методом.
Особенностью метода Хартри-Фока является то, что электронное взаимодействие учитывается как сумма взаимодействий каждого электрона со средней электронной плотностью остальных электронов, тогда как на самом деле их движение коррелированно. Для учета электронной корреляции применяются метод конфигурационного взаимодействия (О), многоконфигурационный метод самосогласованного поля (MCSCF) и теория возмущений Меллера-Плессета (MP) [145]. Ab initio метод требует для расчетов гораздо больших затрат времени, чем остальные, особенно при оптимизации геометрии или молекулярно-динамических расчетах больших систем с тяжелыми атомами.
Точность и обоснованность результатов ab initio расчетов существенно зависит от выбранного базисного набора - аналитических функций, максимально точно описывающих атомные орбитали системы. В качестве таких функций могут быть выбраны орбитали слейтеровского (ОСТ или STO) или гауссовского (ОГТ или GTO) типов. Различают одно-, двух- и трехэкспоненциальные базисы (SZ, DZ, TZ соответственно). При этом, чем больше количество функций, описывающих атомную орбиталь, тем точнее моделируется система. Базисные наборы могут дополняться поляризационными функциями, описывающими межатомные взаимодействия и химическую связь. Такие базисные наборы обозначаются знаком . Наиболее распространенные базисные наборы, использующиеся при квантово-механических расчетах в различных программах представлены в табл. 3.1 [129].
Правильный выбор базисных функций очень важен для прогнозирования свойств молекул. Выбор широкого базиса позволяет добиться более точных результатов расчетов, хотя и увеличивает их время.
В настоящее время существует ряд программ для квантово-химических расчетов: PC Gamess, Gaussian, HyperChem, ChemOffice, "WinMOPAC и другие. Выбор программы зависит от исследуемых параметров, метода расчетов и характеристик системы.
Пакет PC Gamess (General Atomic and Molecular Electronic Structure System) [135, 143] является широко известной, достаточно эффективной программой для квантово-химических ab initio расчетов. Она позволяет проводить вычисления с помощью методов Хартри-Фока (обобщенного, ограниченного и неограниченного) с возможностью учета электронной корреляции методами CI, MCSCF и МР2 и широким выбором базисных наборов. Программа также позволяет проводить полуэмпирические расчеты. Ее особенностью и преимуществом является возможность проведения параллельных расчетов.
Пакет ChemOffice содержит несколько программ (ChemDraw Ultra, Chem3D Ultra и ChemFinder), позволяющих создать (построить) структуру молекулы и провести ее расчет, а также сохранить результаты в базе данных. В Chem3D Ultra доступны полуэмпирические, неэмпирические методы расчета и методы молекулярной механики. Для расчетов молекулярной механики в Chem3D применяется встроенный модуль CS Mechanics, для полуэмпирических используются расширенный метод Хюккеля, методы, доступные в программе WinMOPAC, которая встроена в Chem3D, и в программе Gaussian (не встроенной, но доступной из меню Chem3D). Для проведения ab initio расчетов используются программы PC Gamess и Gaussian.
Программа HyperChem позволяет проводить расчеты методами молекулярной механики (ММ+, Amber, BIO+, OPLS в зависимости от типа молекул) и квантово-механическими методами. Для полуэмпирических можно выбрать из более чем 10 методов. Однако, в настоящее время не для всех химических элементов известен набор параметров для расчета. Неэмпирические расчеты в HyperChem проводятся с помощью ограниченного и неограниченного методов Хартри-Фока с возможностью учета электронной корреляции методом МР2 при достаточно широком выборе базисных наборов.
WinMOPAC является программой для полуэмпирических расчетов, которая содержит встроенную программу для просмотра геометрии молекул. Для расчетов в ней доступны методы MINDO/3, MNDO, AMI, РМЗ; а также несколько алгоритмов поиска минимума полной энергии молекулы.
В зависимости от выбранной программы структура молекул может задаваться в виде изображения или в виде так называемой Z-матрицы - файла, содержащего данные о рассчитываемой системе (координатах атомов и связях между ними). Z-матрицы могут быть написаны как вручную (в текстовом редакторе), так и с использованием специальных программ.
Оценка деструкции разработанного пластичного смазочного материала при эксплуатации в шлицевом соединении
Смазочные материалы во время работы узлов трения меняют свои триботехнические свойства, что может привести к значительному падению эффективности их применения. Поэтому следует на этапе разработки ПСМ оценить роль этого фактора.
Выявление химических превращений органических компонентов ПСМ является надежным средством прогнозирования изменения его свойств. Данное исследование проведено с использованием метода инфракрасной (ИК) спектроскопии. Выполнено сравнение результатов, полученных для разработанного ПСМ и для ЖРО-М и Буксола с присадками триоксида молибдена и полифосфата натрия.
ИК-спектроскопия исследует переходы между колебательными уровнями атомов в молекулах. Энергия таких переходов составляет 0,05 - 1,24 эВ, что соответствует изменению волнового числа от 10000 до 400 см 1. ИК-спектросокопия позволяет сравнивать строение молекул одного и того же вещества в различных агрегатных состояниях. Помимо этого, ИК-спектры используются для изучения структуры t молекул, изучения внутри- и межмолекулярных взаимодействий, качественного и количественного анализа [66, 101]. Присутствие в исследуемых соединениях функциональных групп выявляют с помощью сравнения полученного спектра с литературными данными (на основании величин энергии поглощения, волнового числа и формы линий).
ИК-спектры поглощения записывались на спектрофотометре марки «Specord-75IK» в области частот 4000 - 400 см 1. Источником излучения служила платино-родиевая спираль накаливания с рабочей температурой 1200 С. Точность в определении волновых чисел составляет для узких линий ±2 см"1, а для широких могла снижаться до 3 - 4 см"1.
Твердые образцы обычно изучаются в виде суспензий или таблеток. В данном случае образцы для исследования готовили гомогенизацией смазочных материалов в вазелиновом масле (2,5-5 мг смазки). При анализе ИК-спектров образцов учитывались характерные полосы поглощения вазелинового масла. Регистрация спектров производилась автоматически на бланке, калиброванном по коэффициентам пропускания соответствующих волновых чисел. Интерпретация спектров проводилась с использованием данных [48, 90, 94]. Инфракрасные спектры ПСМ с присадками после эксперимента на машине трения по схеме «плоскость-плоскость» показаны на рис. 4.1 - 4.2. ИК-спектры типового ЖРО-М до и после работы описываются практически идентичными кривыми, и отличаются присутствием нескольких пиков, наличие которых, однако, имеет существенное значение. Так, частота колебаний около 1700 см 1 на ИК-спектре, снятом после эксперимента (рис. 4.1), соответствует наличию ароматических альдегидов (колебания связи С=0), отсутствующих в чистой смазке. Следовательно, структура смазки меняется при эксплуатации в результате окислительных процессов и деструкции при больших нагрузках. В спектрах смазки ЖРО-М с присадками (рис. 4.1) наблюдаются слабые полосы на частоте около 450 см"1. Что соответствует колебаниям металла (кристалла), и может говорить о присутствии в изношенной смазке атомов железа - частиц износа [48].
В типовом Буксоле установлено присутствие серосодержащих соединений: сульфонов -R-SOr-R и сульфокислот -R-SO3H, а также аминов R-NH2. Наличием серосодержащих соединений можно объяснить более высокие антифрикционные свойства Буксола в сравнении с ЖРО-М, выявленные при экспериментальных исследованиях.
Анализ ИК-спектров разработанного пластичного смазочного материала с присадкой фосфоромолибдата натрия подтверждает предположение о сохранности пространственной структуры системы и отсутствии процесса агрегации частиц. Очевидно, что это соединение способствует более упорядоченному расположению частиц дисперсионной среды в межслоевом пространстве.
По данным ИК-спектроскопического исследования, фосфоромолибдат натрия, выделенный при изучении системы Na20-P205-Mo03, обладает смешанной молибденофосфатной анионной структурой, построенной из фрагментов фосфатных и молибдатных цепей, связанных мостиками Р-О-Мо. При этом химическая природа аниона, введенного в пластичную смазку в качестве присадки, является важным фактором, оказывающим значительное влияние на процессы, происходящие при режиме граничного трения.
Сравнение полученных экспериментально данных с литературными показало, что интервалы характеристических частот колебаний сохраняются. В спектре фосфоромолибдата натрия происходит некоторое смещение характеристических частот колебаний групп Р02 и POP при введении триоксида молибдена. Однако их полосы поглощения находятся в областях, соответствующих колебаниям молибдатных и фосфатных структурных групп.
В ИК-спектрах предлагаемого ПСМ после испытания на машине трения выявлено наличие концевых групп Р02 (диапазон частот 1385-1145 см"1) и Р-О-Мо (диапазон частот 815-660 см 1). Это подтверждает, что процессы, протекающие в трибосопряжении, не вызывают деструкции молекул присадки фосфоромолибдата натрия.
Основные результаты теоретического и экспериментального исследования эффективности предлагаемого смазочного материала для шлицевых соединений приводов вагонных генераторов изложены в главе 3. Результаты сравнивались с экспериментальными данными, как полученными в данной работе [21, 106, 131], так и с опубликованными другими исследователями [42, 89,114, 121, 123].
