Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы повышения износостойкости подшипниковых узлов трения машин и механизмов 12
1.1 Статистический анализ отказов подшипниковьгх узлов машин и механизмов 16
1.2 Анализ причин и признаков отказов подшипниковых узлов машин и механизмов 19
1.3 Контактное взаимодействие поверхностей трения в подшипниках скольжения и качения 25
1.4 Процессы трения и изнашивания контактирующих поверхностей в подшипниках скольжения и качения 37
1.5 Современные методы повышения износостойкости подшипниковых узлов трения 58
1.6 Выводы, цель и задачи исследований 60
ГЛАВА 2. Методология проведения исследований 62
2.1 Методология проведения теоретических исследований 62
2.2 Методология проведения экспериментальных исследований 65
2.2.1 Модельные испытания пар трения скольжения при граничной смазке и линейном контакте 66
2.2.2 Модельные испытания пар трения качения с проскальзыванием, при граничной смазке и линейном контакте 69
2.2.3 Лабораторные исследования физических свойств смазочных материалов 72
2.2.4 Лабораторные исследования показателей качества смазочных материалов 76
2.2.5 Стендовые испытания уплотнительно-смазочных материалов 85
2.2.6 Стендовые испытания различного типа уплотнений для подшипниковых узлов трения машин и механизмов 88
2.2.7 Стендовые испытания подшипников скольжения при граничной смазке и цикловых нагружениях 93
2.2.8 Стендовые испытаний подшипников качения с пластичными смазочными материалами .97
2.3 Выводы 103
ГЛАВА 3. Моделирование процессов изнашивания в подшипниковых узлах трения 104
3.1 Моделирование процесса изнашивания в нестационарно нагруженных радиальных подшипниках скольжения (ННРПС) 105
3.1.1 Модель изнашивания трибосопряжений ННРПС с учетом геометрических параметров и динамических нагрузок 114
3.1.2 Модель процесса изнашивания трибосопряжений ННРПС при различных периодах эксплуатационного цикла: старта, установившегося движения и останова 124
3.2 Моделирование процесса изнашивания трибосопряжений подшипников скольжения при граничной смазке 133
3.2.1 Модель изнашивания на уровне
субшероховатости поверхности трения 134
3.2.2 Модель разрушения поверхностного слоя на уровне субшероховатости поверхности трения 141
3.2.3 Активация субшероховатой поверхности трения к процессам смазки 150
3.3 Моделирование процесса изнашивания подвижного, контактного трибосопряжения типа «вал-уплотнение» 155
3.3.1 Модель процесса изнашивания в металлополимерном трибосопряжений 159
3.3.2 Влияние герметичности подшипниковых узлов трения на износостойкость их трибосопряжений 163
3.4 Теоретические основы повышения износостойкости и герметичности подшипниковых узлов трения применением смазочных материалов 169
3.5 Выводы 179
ГЛАВА 4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований 181
4.1 Результаты экспериментальной проверки модели разрушения применительно к процессам изнашивания в парах трения скольжения при граничной смазке и линейном контакте 181
4.2 Результаты модельных испытаний пар трения качения с проскальзыванием, при граничной смазке и линейном контакте 189
4.3 Результаты лабораторных исследований физических свойств смазочных материалов 196
4.4 Результаты лабораторных исследований показателей качества смазочных материалов 200
4.5 Результаты стендовых испытаний уплотнительно-смазочных материалов 208
4.6 Результаты стендовых испытаний различного типа уплотнений для подшипниковых узлов трения машин и механизмов 209
4.7 Результаты стендовых испытаний подшипников скольжения при граничной смазке и цикловых нагружениях 214
4.8 Результаты испытаний подшипников качения с пластичными смазочными материалами 219
4.9 Выводы 225
ГЛАВА 5. Реализация результатов исследований 227
5.1 Алгоритм системного подхода к применению методов
повышения износостойкости подшипниковых узлов трения 227
5.2 Применение методов повышения износостойкости
подшипниковых узлов трения 233
5.2.1 Конструкционный метод повышения износостойкости подшипниковых узлов трения 234
5.2.2 Триботехнологический метод повышения износостойкости подшипниковых узлов трения 243
5.2.3 Комбинированный метод повышения износостойкости подшипниковых узлов трения 245
5.3 Выводы 252
ГЛАВА 6. Экономическая оценка разработанных решений и рекомендации по результатам исследований 253
6.1 Расчет экономического эффекта
при модернизации подшипникового узла трения 253
6.2 Расчет экономического эффекта
от повышения долговечности подшипникового узла трения 263
6.3. Расчет экономического эффекта от применения
смазочного материала более высокого качества
в подшипниковом узле трения 269
6.4. Рекомендации по практическому применению результатов
исследований 273
Основные выводы и результаты работы 276
Список литературы
- Контактное взаимодействие поверхностей трения в подшипниках скольжения и качения
- Лабораторные исследования физических свойств смазочных материалов
- Модель изнашивания трибосопряжений ННРПС с учетом геометрических параметров и динамических нагрузок
- Результаты лабораторных исследований показателей качества смазочных материалов
Введение к работе
Актуальность темы. Долговечность машин и механизмов во многом определяется износостойкостью применяемых в их конструкции подшипниковых узлов.
Недостаточная износостойкость подшипниковых узлов трения вызывает отказы, которые возникают при наработках, составляющих от 30 до 60% от общей наработки до предельно состояния машины или механизма в целом. При этом эксплуатационные затраты на техническое обслуживание и ремонт подшипниковых узлов в 2...3 раза превышают затраты на их производство и изготовление.
Изнашивание подшипниковых узлов сопровождается изменением линейных размеров всех, составляющих их конструкцию трущихся деталей.
Особенностью работы подшипниковых узлов трения является воздействие: рабочих давлений, температур, изменяющихся скоростей относительного скольжения или качения, агрессивности окружающей среды, что приводит к возникновению определенного вида изнашивания (усталостное, абразивное, гидроабразивное, коррозионно-абразивное и др.) и как следствие - к снижению работоспособности и уменьшению долговечности подшипникового узла в целом.
Износостойкость подшипниковых узлов трения, во многом определяется качеством применяемого смазочного материала, параметрами контактирующих поверхностей деталей (отклонение формы, волнистости, шероховатости), и физико-механическими свойствами поверхностного слоя, которые формируются при производстве и изменяются при эксплуатации.
В связи с этим, возникает необходимость в совершенствовании применения методов повышающих износостойкость подшипниковых узлов трения машин и механизмов. Улучшение эксплуатационных показателей применяемых смазочных материалов, качества поверхностей и поверхностных слоев трущихся деталей подшипниковых узлов в настоящее время сдерживается отсутствием системного подхода к выбору методов повышения износостойкости, научно обоснованных методик расчета на изнашивание в присутствии «третьего тела» смазочного материала, а также повышения степени организации смазывания и герметизации узлов трения.
Наиболее актуальными являются исследования, направленные на решение задач по конструктивному совершенствованию подшипниковых узлов с применением различных смазочных материалов, разработке новых адаптированных смазочных систем, предупреждающих износ трущихся деталей и снижающих потери на трение, а также герметизаторов (уплотнений) для предотвращения утечек смазочного материала или проникновения абразива в зону трения деталей подшипниковых узлов.
Объектами исследования являются различные подшипниковые узлы, в частности автомобильных электростартеров; ступиц передних и задних колес автомобилей, редукторов переднего моста автомобильных шасси, коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, промежуточных передач трансмиссии тракторов, а также: моторные, минеральные, индустриальные и трансмиссионные масла, пластичные смазочные материалы и магнитные жидкости (МЖ).
Целью работы является повышение износостойкости подшипниковых узлов трения машин и механизмов на этапах их проектирования, эксплуатации и ремонта на основе научно-обоснованного выбора и применения трибологических методов, связанных с совершенствованием процессов смазки и герметизации.
Методы исследований.
Методологической основой работы являются изучение и описание: закономерностей изменения форм поверхностей трения; структур поверхностных слоев; тепловых процессов при трении, изнашивании и смазке; условий трения; действие смазки на поверхности трения, а также физических свойств и показателей качества смазочных материалов, работающих в подшипниковых узлах трения машин и механизмов.
Теоретические исследования базируются на установлении физической картины процессов трения и изнашивания в трибосопряжениях подшипниковых узлов с последующим математическим описанием основанном на теории контактных взаимодействий, абразивной и энергетической теорий изнашивания, адгезионно-деформационной, молекулярно-механической теорий трения, граничной и гидродинамической теорий смазки и др.
Экспериментальные исследования базируются на разработке рациональных модельных и стендовых триботехнических испытаний, дающих возможность экспериментально, ускоренно установить предполагаемую износостойкость деталей подшипниковых узлов в присутствии «третьего тела» смазочного материала, а также на лабораторных исследованиях качества смазочных материалов работавших в подшипниковых узлах трения машин.
Научная новизна.
-
Предложен научно обоснованный метод расчета нестационарно нагруженных подшипников скольжения при различных периодах эксплуатационного цикла: старта, установившегося движения и останова, с учетом параметров качества контактирующих поверхностей (характеристик отклонений форм, волнистости, шероховатости, субшероховатости) и физико-механических свойств поверхностного слоя.
-
Впервые предложена физическая картина изнашивания элементов подшипниковых узлов на уровне субшероховатости поверхности трения и получены теоретические уравнения, описывающие данный процесс.
-
Получена модель изнашивания для пар трения скольжения при граничной смазке на уровне субшероховатости поверхности с учетом структурных изменений и термофлуктуационного разрушения поверхностного слоя.
-
На основе интегральных аналогов, исходной совокупности уравнений, граничных условий и условий однозначности, предложен критерий, определяющий возможность применения магнитных жидкостей в качестве смазочных материалов в подшипниковых узлах трения.
-
Предложен научно обоснованный подход к совершенствованию процесса смазки в подшипниковых узлах трения качения на основе применения магнитных жидкостей, заключающийся в обеспечении адаптирования смазочного материала к условиям трения с повышением герметичности сопряжения.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
-
-
Разработан ряд конструкций стендов, экспериментальных установок и методик триботехнических модельных и стендовых испытаний, для установления возможности к повышению износостойкости подшипниковых узлов трения машин и механизмов различного назначения применением смазочных материалов и герметизаторов (уплотнений).
-
На основе выбранных научных положений разработан алгоритм системного подхода для повышения износостойкости подшипниковых узлов машин, который имеет этапы: выявления ведущего процесса изнашивания для трибосопря- жений, имеющих наиболее низкую износостойкость, установление метода или комбинации методов повышения износостойкости выявленных трибосопряжений, сравнительный анализ, накопление информации и предложение для внедрения в производство.
-
Разработаны новые перспективные технические решения, конструкции подшипниковых узлов машин и механизмов с учетом их функционального назначения, совершенствования процессов смазки и герметизации.
Реализация результатов работы:
Результаты выполненных исследований используются в условиях ООО автозавода «Бергер», Брянского завода колесных тягачей (БЗКТ), сервисных центров ООО «БН Моторс» и ООО «Экипаж». Расчетный экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы на ООО автозавода «Бергер» составил 0,6 млн руб., на Брянском заводе колесных тягачей БЗКТ за счет снижения расходов при производстве модернизированных подшипниковых узлов редукторов мостов автомобильных шасси БАЗ-690902 составил 2,3 млн руб., на ООО «БН-Моторс» и ООО «Экипаж» за счет повышения долговечности подшипников ступиц колес автомобилей ВАЗ применением более качественного смазочного материала составил 12,3 млн руб. Общий расчетный экономический эффект от мероприятий предложенных в диссертации составил 23,4 млн руб.
В условиях ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» разработаны и изготовлены ряд стендов для проведения триботехнических испытаний подшипниковых узлов трения.
Для ООО «Брянский центр независимой автотехнической экспертизы» разработан комплекс методик для практических исследований причин выхода автомобильных подшипниковых узлов из строя.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы в различное время были рассмотрены и обсуждены на :
Международном научном симпозиуме «Гидродинамическая теория смазки - 120 лет», г. Орел, 2006 г.;
Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии», г. Самара 2007 г.;
Международной научно-технической конференции «Проектирование колесных машин», г. Москва, 2006 г.;
Международной научно-технической конференции «Контактная жёсткость. Износостойкость. Технологическое обеспечение», г. Брянск, 2003 г.;
Международной научно-технической конференции «Эксплуатация и методы исследования систем и средств автомобильного транспорта», г. Тула, 2006, 2009 г.
Международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности», г. Брянск, 2008 г.;
Международной научно-технической конференции «Наука и производство», г. Брянск, 2009 г.;
Диссертация докладывалась и обсуждалась:
на заседании кафедры «триботехнология» БГТУ в 2010 г.;
на трибологическом семинаре ИМАШ РАН им. А. А. Благонравова 2011 г.;
на трибологической секции БГТУ в 2011 г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 44 научных статьи, в том числе 17 в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из списка перечня ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 313 страницах машинописного текста и содержит 126 рисунков и 20 таблиц, состоит из введения, шести глав основного текста, заключения, списка литературы из 236 наименований, имеет 2 приложения.
Контактное взаимодействие поверхностей трения в подшипниках скольжения и качения
Научно-технический прогресс и эффективность производства машин и механизмов определяются уровнем развития машиностроения. Комплексная механизация и автоматизация, прогрессивные технологии, новые материалы позволяют повысить технический уровень, ресурс и надежность современной техники, ускорить выпуск новых поколений машин и технологического оборудования для их обслуживания и ремонта. В связи с этим возникает необходимость повышения износостойкости подшипниковых узлов трения, как основных элементов изделий машиностроения в целом.
Совершенствование конструкций машин и механизмов характеризуется повышением их эксплуатационных свойств, вместе с тем совершенствуется технология производства, улучшается качество применяемых материалов деталей и эксплуатационных материалов [107]. Широкое применение в промышленности и технике высоких давлений и скоростей, требуют более глубокой разработки вопросов связанных с теорией трения и износа.
В связи с этим развитие современного машиностроения предъявляет все более высокие требования к износостойкости подшипниковых узлов трения, которая регламентируется ГОСТ 30480 -97 «Обеспечение износостойкости изделий. Методы испытания на износостойкость. Общие требования». Например, без повышения износостойкости подшипников качения, становится совершенно невозможно соблюдение ГОСТ 4479-87, который требует удовлетворение таких показателей качества как: показатели назначения (динамическая и статическая грузоподъемности, уровень вибрации, предельная частота вращения, габаритные размеры, класс точности, и др.) и показатели надежности (устанавливаемая безотказная наработка, гамма-процентный ресурс по точности и др.). К важнейшим критериям повышения износостойкости для большинства типов подшипников относятся: прочность, жесткость, смазываемость, теплостойкость, виброусточивость, коррозионная стойкость, точность и др. [4, 78, 106, 148].
Современные машины в своих конструкциях имеют значительную разновидность подшипников по типу и месту установки, которые должны обеспечивать не только износостойкость, но и отвечать ряду дополнительных требований: по шумности работы, металлоемкости, высокой степени унификации и др.
Несмотря на постоянное совершенствование конструкции и ужесточение условий эксплуатации подшипниковых узлов трения, вопросы износостойкости их деталей во многом еще не решены и продолжают привлекать серьезное внимание конструкторов, технологов и эксплуатационников.
Ресурс деталей подшипниковых узлов, как показали статистические исследования отказов из-за необеспеченности износостойкости, во многом уступает общему ресурсу машин в целом и составляет в среднем от 30 до 60%, что требует увеличение доли трудовых и материальных затрат на техническое обслуживание и ремонт в процессе эксплуатации.
В связи с этим проблема повышения износостойкости подшипниковых узлов трения, относится к числу важнейших инженерных проблем, не теряющих своей актуальности с течением времени и имеет большое разнообразие научных подходов и направлений.
Формирование очередного научного этапа развития машиностроения, предусматривает объединение технологий проектирования, изготовления, эксплуатации и ремонта машин (их составных частей), с целью разработки научных основ по системному подходу повышения износостойкости изделий машиностроения на протяжении всего жизненного цикла изделия [169, 172].
Этапы жизненного цикла подшипниковых узлов трения Общеизвестно, что подавляющая часть многочисленных, подвижных три-босопряжений деталей подшипниковых узлов машин подвергается разрушению (износу) поверхностных слоев и изменению форм поверхностей трения. Характер таких разрушений вызывается только одним - превышением действующими напряжениями прочности материала в зонах контакта поверхностей трения трибосопряжений [72].
Износостойкость подшипникового узла трения во многом зависит от качества поверхностного слоя деталей, так как процессы изнашивания и разрушения начинаются с поверхности трения. [168, 172, 175,188, 194].
Решению проблемы повышения износостойкости, а именно обеспечению качества поверхности трения, и его влияния на эксплуатационные свойства деталей машин, посвящены работы таких ученых как: А.Ю. Албагачиева, М.А. Балтера, А.В. Белого, И.И. Берковича, А.Г. Бойцова, Э.Д. Брауна, Н.А. Буше, И.А. Буяновского, Н.А. Воронина, Д.Н. Гаркунова, И.Г. Горячевой, В.В. Гриба, О.А Горленко, Д.Г. Громаковского, Н.Б. Демкина, Н.М. Добычина, Ю.Н. Дроздова, П.Е. Дьяченко, М.А. Елизаветина, СМ. Захарова, В.В. Измайлова, А.И. Исаева, В.Я. Кершенбаума, В.И. Колесникова, B.C. Комболова, Б. И. Костецко-го, И.В. Крагельского, В.Н. Латышева, Н.М. Михина, Н.К. Мышкина, А. Г. Наумова, А.В. Орлова, В.Г. Павлова, Е.А. Памфилова, СВ. Пинегина, В.А. По-гонышева, В.Н. Прокопьева, А.С Пронникова, Э.В. Рыжова, Э.А. Сателя, А.И. Свириденка, М.А. Скотниковой, А.И. Спришевского, А.М.Сулима, А.Г. Суслова, В.Ф. Терентьева, В.П. Тихомирова, В.П. Федорова, К.В. Фролова, М.М. Хрущова, Г.П. Черепанова, А.В. Чичинадзе, зарубежных ученых Ф.П. Боудена, Д. Табора, Г. Польцера, Ф. Мейснера, Д. Мура
Лабораторные исследования физических свойств смазочных материалов
Исследования в области механики контактных взаимодействий, химических и диссипативных процессов в поверхностных и приповерхностных слоях трущихся материалов деталей подшипников показывают, что материал в указанных зонах в процессе трения резко изменяет свое физическое состояние, меняя механизм контактного взаимодействия. Происходят существенные изменения в суб- и микроструктуре поверхностных микрообъемов. Изучение кинетики структурных, фазовых и диффузионных превращений, прочностных и деформационных свойств активных микрообъемов поверхности, элементарных актов деформации и разрушения, поиск числовых критериев оптимального структурного состояния, оценок качества поверхности должны быть фундаментальной основой в поисках материалов и смазочных сред износостойких сопряжений [124].
Изучение процессов в поверхностных слоях контактирующих деталей заключается в теоретических и экспериментальных исследованиях и решениях деформационных, контактных и др. задач, которым посвящено значительное количество работ, как отечественных, так и зарубежных ученых
В работах Д. Бакли установлено, что напряженное состояние контакта во фрикционном взаимодействии контактирующих твердых тел сначала вызывает упругие, а после некоторого порога и пластические деформации. При этом в объеме каждого из сопрягаемых материалов возникают напряжения. Если контактирующие тела перемещаются друг относительно друга, то статическое напряженное состояние изменяется под действием тангенциальных напряжений, возникающих от силы трения на поверхности контакта. При этом зона максимальных напряжений будет располагаться тем ближе к поверхности, чем выше сила трения, а при некотором его значении выйдет на поверхность. Распределение максимальных тангенциальных напряжений имеет исключительную важность, так как имеется прямая взаимосвязь между возникающими напряжениями и разрушением поверхностного слоя [10].
Переход от упругого к упругопластическому контакту при взаимодействии шероховатых поверхностей происходит при определенном значении контактного давления [20], которое в работах И.В. Крагельского [100] определено в виде уравнения: А = 14,5(1 -»2УР5НВ/{А2Е4), (1.1) где \i - коэффициент Пуассона; рнв =\0НВ - контактное давление при котором происходит суммарное сближение поверхностей в результате пластических деформаций микровыступов, когда материал микровыступов заполняет микровпадины; А - безразмерный параметр шероховатости; Е - модуль упругости.
Поскольку все твердые тела имеют шероховатые поверхности, также возникают деформации микронеровностей. Трение качения упругого цилиндра при пластическом деформировании микровыступов шероховатого слоя было рассмотрено в работе Э.А. Буланова [21]. Для большинства материалов даже и при малых нагрузках на площади фактического контакта неровностей развиваются очень высокие локальные напряжения [52]. Рассматривая контакт неровностей одной поверхности с другой, необходимо учитывать свойства обоих материалов. Например, в обычных подшипниках скольжения различие между механическими свойствами медной втулки и стальной цапфы весьма существенно [10]. Контакт цилиндрических гладких поверхностей трения достаточно глубоко был рассмотрен Г.Герцем, Н.М. Беляевым, А.Н. Динником, С.Д. Понамаревым, А. Бидерманом, Дж. Гудъером [180].
Решению термоупругих контактных задач для цилиндрического и сферического подшипников скольжения посвящены работы В.М. Александрова [1], в которых рассматривается модель движения тела вращения цилиндрической или сферической формы в контакте с деформируемым вкладышем (рис. 1.10).
В результате решения задачи теоретически установлены основные критерии работоспособности подшипника при определенных ограничениях (радиусы г0 и г настолько близки и сила Р настолько велика, что угол контакта 20 0 близок к 7U; угол контакта 0О 0;
Изучению зависимостей напряжений на поверхности и внутри взаимодействующих тел (например: ролик и кольцо роликоподшипника) от вели 28 чины относительного проскальзывания и коэффициента трения при качении посвящены работы И.Г. Горячевой [43, 44, 45]. В этих работах особое внимание уделяется анализу растягивающих и максимальных касательных напряжений, концентрация которых может привести к зарождению трещин, областей пластического течения и разрушению поверхностных слоев материалов.
На основе аналитических исследований проведенных И.Г. Горячевой в работе [43] представлена характерная зависимость (рис. 1.11) давления р0, при котором согласно критерию Треска возникает пластическое течение материала (к - предел текучести материала), от отношения тангенциальной силы Г к нормальной Р при различных коэффициентах трения ц.
Зависимость контактных давлений, вызывающих начальное пластическое течение, от отношения Т/Р при различных значениях коэффициента трения: 1 - (J. = 0,3; 2 -\i - 0,35; 3 - p. = 0,4; пунктирная кривая соответствует случаю полного скольжения совпадают, что означает действие максимальных касательных напряжений, возникающих при контакте без трения. Кривые 1-3 отклоняются от штриховой линии при увеличении тангенциальной силы Т и вновь попадают на нее при условии Т/Р = ц. (т.е. когда проскальзывание становится полным). Полученные результаты позволяют оценить влияние проскальзывания в условиях трения качения и величины коэффициента трения скольжения в области контакта на начало пластического течения в материале и место его возник новения, но результаты могут быть нивелируемы условиями ограничения: 1. - материалы взаимодействующих тел одинаковы; 2 - процесс качения рассматривается при качении по прямой; 3 - качение осуществляется в отсутствии третьего тела и др.
Для решения контактной задачи, например для радиальных шарико и роликоподшипников, необходимо определить максимальное нагруже-ние на тело качения. Для этого используют задачу lF Штрибека, которая заключается в определении распределения нагрузок между телами качения (рис.1.12) [4, 148].
При решении такой статически неопределимой задачи предполагают, что подшипник изго деформациями колец, тел качения, вала и корпуса пренебрегают. В результате выполнения условия равновесия внутреннего кольца можно получить уравнение, которое определяет зависимость между нагружающей радиальной силой Fr и силой приходящейся на самое нагруженное тело качения F0:
Характер изменения контактных напряжений на внутреннем кольце подшипника качения в точке максимального нагружения зависит от того, какое кольцо (внешнее или внутреннее) получает вращение. При постоянном направлении радиальной силы Fr (рис. 1.12) работа подшипника с неподвижным наружным кольцом (рис. 1.13. а) более благоприятна, чем с неподвижным внутренним кольцом (рис. 1.13. б). Это связано с тем, что число повторных контактов в точке максимального нагружения тела качения за один оборот кольца значительно меньше и меньше их интенсивность
Модель изнашивания трибосопряжений ННРПС с учетом геометрических параметров и динамических нагрузок
Практически, утечка через нижний полюсный наконечник, имеющий пять зубцов, возможна только в случае неисправности уплотняющих прокладок по корпусу МЖУ. Корпус МЖУ выполнен из немагнитного материала, а вал изготовлен из стали 45. Полюсные наконечники из стали 20 покрыты фторопластом. Рабочий зазор между валом и полюсными наконечниками составлял 0,35 мм. Количество заправляемой МЖ для испытания на верхний полюсный наконечник 1...2 см3.
Герметизирующую способность МЖУ с использованием различных МЖ в зависимости от ресурса работы уплотнения определяли следующим образом. 1. — Испытуемую МЖ размешивали в таре стеклянной палочкой и наносили в зазор верхнего однозубцового полюса в количестве 1 см . 2. - Проверяли МЖУ на герметичность после сборки опрессовкой давлением азота 0,02 МПа в течение 30 мин. 3. - Критический перепад давлений определяли в статике и динамике периодической подачей давления по 38 раз в течение 366 ч. 4. - После каждого пробоя МЖУ давление сбрасывалось и МЖУ прокручивалось 10...25 мин без дозаправки. За критерий оценки устойчивости для уплотнительно-смазочных жидкостей был принят коэффициент стабильности К ст, который рассчитывался по формуле: К с,. = Pmax Pl ЮО, (2.4) где К ст - коэффициент стабильности после t времени работы смазочно-герметизирующей жидкости с частотой вращения вала 1000 мин"1; Рпшх — максимальное давление пробоя (давление пробоя, зафиксированное после 30 мин испытания), МПа; Pt - давление пробоя (давление после t времени испытания), МПа. Коэффициент стабильности определялся после 366 ч работы смазочно-герметизирующей жидкости МЖ.
Герметизирующая способность уплотнения любого типа, характеризуется созданием герметичной «стенки», которая способна надёжно разделять объёмы с различными средами при значительном изменении условий эксплуатации, обеспечивая нормативный ресурс работы уплотнения [189].
Герметизация подшипниковых узлов трения машин и механизмов необходима для предотвращения проникновения абразива в зону контакта поверхностей трения главных элементов, которыми могут быть: вал, втулка, кольца, сепаратор, тела качения и др., и утечек смазки из внутренних полостей. Герметизация обеспечивает износостойкость трибосопряжений в процессе длительной эксплуатации подшипниковых узлов трения.
Способность герметизатора (уплотнения) выполнять свои функции зависит от большого количества различных факторов, таких как: температурный режим работы уплотняемого узла; изменение структуры материала уплотнения при эксплуатации; условие контакта уплотнения с деталями герметизируемого узла; агрессивность уплотняемых сред; величина критического перепада давлений с противоположных сторон от уплотнения; и многие другие.
Перечисленные выше факторы для трёх типов уплотнений (манжетных, магнитожидкостных и их комбинаций) моделировались с помощью экспериментальной установки обший вид которой представлен на рис. 2.20, а и подшипникового узла рис. 2.20, б, а принципиальная схема на рис.2.21.
Экспериментальная установка имеет в своём составе электродвигатель 14 марки 2ПН90МУХЛ4, вал которого соединён посредством муфты 13 с ва б) лом подшипникового узла 12. Частота вращения вала электродвигателя 14 регулируется с помощью пульта управления 15 типа БУ3509-322У4 в диапазоне от 0 до 2400 мин"1.
Подшипниковый узел состоит, из крышки 11, корпуса 9 и проставок 8, 10. Внутри корпуса подшипникового узла установлен вал 12 в шарикоподшипниках 16. В корпусе подшипникового узла имеется канал, соединённый со штуцером и шлангом для отвода воздуха, прорывающегося через уплотнение в момент пробоя. Воздух отводится через канал в склянку с водой 18, где визуально фиксируется.
Во внутренней части проставки 8 устанавливается уплотнение: манжетное, магнитожидкостное (МЖУ) или их последовательная комбинация.
МЖУ (рис.2.21) состоит из постоянного магнита 17 и двух полюсных наконечников 19. В зазоре между полюсными наконечниками 19 и валом 90
Принципиальная схема экспериментальной установки для проверки герметичности уплотнений подшипниковых узлов трения
Крышка 11, корпус 9 и проставки 8, 10 соединены с помощью стяжных винтов между собой и фланцем 7. Фланец 7 приварен к баку 6. Во внутренней части фланца 7 имеется проточка для установки манжетного уплотнения 20, которое кромкой губки контактирует с валом 12, герметизируя подшипниковый узел.
В баке 6 находится моторное масло 25 марки М-10Г2, температура Т (К) которого изменяется посредством нагревателя 26 и поддерживается постоянной терморегулятором 22.
Давление и разряжение воздуха внутри бака 6 для опрессовки уплотнений создаётся с помощью насосной установки, которая состоит из одноступенчатого, пластинчато-роторного насоса 4, имеющего привод от электродвигателя 3 марки АОЛБ 31-4 мощностью 0,27...0,4 кВт, с частотой вращения вала 1400... 1500 мин"1. Вал электродвигателя 3 соединен с насосом 4 посредством клиноремённой передачи 1 с длиной ремня 710 мм. Насосная установка обеспечивает разряжение воздуха в баке 6 до 0,1 мм ртутного столба или нагнетание до 0,5 МПа. Запуск электродвигателя 3 насосной установки осуществляется посредством пускателя 2 типа ПНВС-10.
При проведении эксперимента измеряют следующие основные пара 91 метры: 1 -пробоя уплотнений; 2 - температуру масла; 3 - частоту вращения вала подшипникового узла.
Избыточное давление при пробое уплотнения определяют с помощью манометра 24 и измеряют в тот момент, когда появляются пузырьки воздуха (утечка) в склянке 18.
Температуру нагрева масла внутри бака 6 измеряют термометром 23 при атмосферном давлении в то время, когда насосная установка не работает, а внутренняя полость бака 6 сообщается с атмосферой через отверстие для установки термометра.
Частоту вращения вала 12 подшипникового узла контролируют тахометром часового типа ТЧ-4, который устанавливается на торце вала электродвигателя 14 при отсоединённой муфте 13. Установленная таким образом частота вращения вала электродвигателя, а следовательно, и частота вращения вала 12 подшипникового узла в ходе проведения эксперимента практически не изменяются, так как нагрузка на электродвигатель 14 незначительна и определяется лишь трением в подшипниках и уплотнениях узла.
Экспериментальные исследования проводились отдельно для манжетного уплотнения, МЖУ и комбинации МЖУ с манжетой по следующей методике: 1. В подшипниковый узел экспериментальной установки устанавливалось исследуемое уплотнение определённого типа: манжета, МЖУ или их комбинация. 2. Если эксперимент проводился с использованием МЖУ или МЖУ комбинированного с манжетой, то в зазоры между полюсными наконечниками 19 и валом 12 подшипникового узла с помощью шприца заносилась МЖ, где посредством магнитного поля, создаваемого магнитом 17, полностью заполняла зазоры между валом и полюсными наконечниками. 3. Подшипниковый узел в сборе с помощью стяжных винтов крепился к фланцу 7 бака 6.
Результаты лабораторных исследований показателей качества смазочных материалов
Изнашивание подшипниковых узлов трения сопровождается износом всех, составляющих их конструкцию трибосопряжений. Механизм изнашивания каждого трибосопряжения представляет сложный процесс, который приводит к изменению линейных размеров сопрягаемых деталей.
Процессы, сопровождающие изнашивание имеют различные виды и формы. Одним из превалирующих видов изнашивания трибосопряжений является абразивный, который вызывает прямое разрушение поверхностного слоя материала в каждый данный момент времени.
Абразивом являются как продукты изнашивания самих поверхностей трения, так и кварцевые частицы, проникающие из окружающей среды в зону контакта трибосопряжений подшипникового узла. Результатом взаимодействия абразивных частиц с изнашиваемой поверхностью являются сопутствующие процессы, сопровождающиеся выделением тепла, увеличением плотности дислокаций в рабочем слое материала, структурными превращениями и др.
При наличии абразива возможны различные формы деформации поверхностей деталей: упругое и пластическое деформирование, оттеснение, резание или вырывание материала. Следует отметить, что на процесс абразивного изнашивания может влиять природа происхождения абразивных частиц, высокая температура, давление и другие факторы. Общим для абразивного изнашивания является механический фактор разрушения поверхности.
Для обеспечения износостойкости всех трибосопряжений подшипникового узла за счет снижения действия абразивного износа - необходимо решение задач связанных герметичностью их подвижных соединений. В данном случае под герметичностью понимается процесс создания герметичной «стенки», которая способна надежно разделять объемы с различными средами при значительном изменении внешних факторов окружающей среды: температуры, запыленности, агрессивности и др.
Герметичность подвижных соединений обеспечивается таким техническим устройством, как уплотнение, которое в свою очередь также подвержено действию процесса изнашивания.
Например, разгерметизация уплотнения подшипникового узла трения качения на этапе эксплуатации приводит к следующим браковочным признакам подшипника: абразивное изнашивание поверхностей качения контр тел, наклеп и фреттинг-коррозия посадочных поверхностей, перегревание (наличие цветов побежалости на рабочих поверхностях), проворачивание колец в посадочных гнездах и скалывание направляющих буртиков подшипников качения. Завершающей стадией изнашивания подшипникового узла является утечка смазочного материала и полное разрушение его конструкций.
Основные закономерности взаимосвязи износа и герметичности самих контактных уплотнений можно представить графически (рис.3.27).
Герметичность подвижных соединений в значительной степени зависит от износа контактирующих элементов уплотнений. В процессе приработки (рис.3.27, период I) происходит интенсивное изнашивание микронеровностей на поверхностях трения трибосопряжений, но одновременно с этим увеличивается смачиваемая герметизируемой жидкостью (смазочным материалом) площадь трения, и контактное давление распределяется более равномерно. Это приводит к снижению скорости изнашивания и возрастанию степени герметичности уплотнения. В процессе дальнейшей эксплуатации (рис.3.27, период II) смачиваемая площадь остается постоянной, а постепенный износ контактирующего элемента приводит к снижению контактного давления и как следствие к потере герметичности. В точке К наступает критическое по Q вреждение контактирующих поверхно стей, при котором увеличение зазоров в Qmax трибосопряжений вследствие износа не удается компенсировать за счет кон тактного давления. Q Если рассмотреть работу уплот- Qmin нения в течение одного цикла: статиче ский режим (поверхности трения не Рис. 3.27. Зависимость линейного изно са и утечек, от времени работы кон имеют относительного перемещения) - тактного уплотнения: hk и К - величины переходный режим (старт) - динамиче- лннеЛного износа, критическая и после г г приработки; / - ресурс уплотнения; Qi, ский режим (номинальная скорость от- Qmm, и Q„ax - величины утечек - исходная, минимальная и предельно допусти-носительного перемещения поверхно- мая: 1 - линейный износ; 2 - утечкистей трения) - переходный режим (останов), то зависимость скорости изнашивания и утечек имеет своеобразный характер (рис.3.28).
Механизм утечек в течение одного цикла работы уплотнения резко отличается, так как изменяются режимы трения (трение покоя, трение движения) и смазки (граничный, смешенный, гидродинамический)
В статическом режиме работы уплотнения герметичность определяется утечками через неплотности и микроканалы — между неподвижными поверхностями уплотнителя и детали, которые возникают вследствие шероховатости поверхностей и наличия дефектов, температурных и силовых деформаций.
Соприкосновение двух твердых поверхностей образует систему впадин, капилляров произвольной формы и пятен касания. При действии перепада давлений по отдельным капиллярам возникают утечки Q. Кроме того, происходит контактная диффузия, приводящая к процессам адгезии неподвижных поверхностей.
Например, при останове машины из-за прекращения действия трения, температура подшипниковых узлов снижается при постоянном объеме. Во внутренней полости узла создается разряжение, что приводит к возникновению перепада давлений.
Похожие диссертации на Повышение износостойкости подшипниковых узлов трения машин и механизмов
-
