Введение к работе
к.т.н., с.н.с. Э.С. Гинзбург
.
Актуальность темы. Трение – одно из не до конца познанных явлений природы, присущее всем подвижным и многим неподвижным соединениям, инициирующее целый «букет» сопутствующих процессов: механических, физических, химических, тепловых и т.д. На преодоление сил трения и изнашивания затрачивается более одной трети энергии, вырабатываемой человечеством.
Основным количественным показателем интенсивности этих процессов служит сила трения (при вращении – момент трения).
Многолетняя практика научных исследований и технических приложений показала, что существенное сокращение объемов работ при получении информации по данному вопросу можно обеспечить, используя безразмерную характеристику этой силы – коэффициент трения, определяемый на серийно выпускаемых машинах трения с использованием стандартов на проведение трибологических исследований.
При проведении подобных исследований наиболее широкое распространение получили серийно выпускаемые машины трения, обладающие общностью конструктивного решения – машины «Амслера»: ИИ 5018, 2070 СМТ-1, СМЦ-2, Shimadzu и др. Исследованиями установлено, что величины коэффициентов трения, полученные на машинах одного типа в идентичных условиях, существенно отличаются, несмотря на высокую точность современной измерительной аппаратуры. Это требует проведения дополнительно большого количества сравнительных экспериментов и значительно увеличивает трудоемкость и стоимость процесса испытаний.
Учитывая, что результаты практически всех теоретических исследований коэффициента трения смазочных материалов апробируются на машинах трения, вопрос снижения погрешности фрикционных испытаний является актуальным.
Работа выполнялась в соответствии с планом хоздоговорных научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО РГУПС по темам: «Исследование влияния физико-химических и теплофизических процессов на износ трибосистемы «колесо-рельс»» (договор № 77/41 от 19.07.07, шифр 19.2.016 Н.) и «Исследование трибологических свойств высокотяговых масел для фрикционных вариаторов» (договор № 443-11126 от 8.08.11).
Цель работы: повышение точности определения коэффициента трения антифрикционных пар в условиях малых вращающих моментов и сил сжатия образцов путем устранения систематических погрешностей, вносимых особенностями конструкции машин трения типа «Амслер».
Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1 Провести анализ технической литературы по исследованию влияния различных факторов на точность определения коэффициента трения и установить основные причины возникновения этих погрешностей.
2 Теоретически оценить влияние потерь вращающего момента в шпиндельном узле машин трения типа «Амслер» на величину определяемого коэффициента трения.
3 Предложить модели для расчета передаточных отношений наиболее распространенных механизмов нагружения образцов машин трения типа «Амслер».
4 Разработать конструкцию устройства для измерения фактического значения силы сжатия образцов.
5 Предложить методику градуировки машин трения типа «Амслер», учитывающую потери на трение в шпиндельном узле.
Научная новизна:
1 Теоретически установлено, что использование общепринятой методики градуировки машин трения типа «Амслер» приводит к возникновению систематических погрешностей при измерении момента трения и силы сжатия образцов.
2 Аналитически показано, что погрешность измерения момента трения прямо пропорциональна приведенному коэффициенту трения в подшипниках шпиндельного узла машины и обратно пропорциональна произведению диаметра ведущего ролика на величину измеряемого коэффициента трения. При величине коэффициента трения менее 0,1 значение погрешности достигает 20% и более.
3 Предложены модели для расчета передаточного отношения механизмов нагружения образцов различных машин трения типа «Амслер». Показано, что основной причиной систематической погрешности силы сжатия является неустойчивое равновесие каретки, величина которой зависит от особенности конструкции и массы каретки.
4 Установлены критерии, при выполнении которых обеспечивается устойчивое равновесие рычажных систем, используемых в машинах трения.
Практическая ценность работы.
1 Разработана, изготовлена и апробирована динамометрическая скоба СД-2 для определения усилия сжатия роликовых образцов при межосевом расстоянии 40…60 мм с точностью 2 %.
2 Предложен механизм нагружения образцов, устраняющий недостатки серийных конструкций и обеспечивающий точность силы сжатия образцов в пределах 2 %.
3 Разработана методика статико-динамической градуировки датчика момента, обеспечивающая точность измерений 3 %.
4 Осуществлено расширение технологических возможностей машины трения ИИ 5018 путем увеличения диапазонов измерений вращающего момента и силы сжатия образцов с 100…5000 Н до 25…5000 Н и с 0,5…20 Нм до 0,1…20 Нм соответственно.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-практических конференциях «Транспорт 2008-2011» (г. Ростов-на-Дону, 2008-2011 гг.); VIII Международной конференции «Трибология и надежность» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.); «Инновации, перспективы развития локомотиво- и вагоностроения России» (г. Ростов-на-Дону, 2008 г.); конференции «Трибология – машиностроению», посвящённая 70-летию Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН (г. Москва, 2008 г.); Международной конференции «Трибология и нанотехнологии» (г. Иваново, 2009 г.); «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.); на семинаре им. М.М. Хрущева (ИМАШ РАН, г. Москва, 2010 г.); семинаре им. Н.А. Кислика (г. Ростов-на-Дону, РГУПС, 2010 г.); на кафедре «Трибология и технологии ремонта нефтегазового оборудования» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина (г. Москва, 2011 г.).
Реализация результатов работы.
Проведена аттестация механизмов нагружения машин трения на предприятиях: ОАО «ВНИИЖТ» (СМЦ-2, зав. № 103 и СМЦ-2, зав. № 66), Хозрасчетный творческий центр Уфимского авиационного института (2168 УМТ), Ивановская государственная текстильная академия (2070 СМТ-1 № 2, инв. № 01381699).
В Хозрасчетном творческом центре Уфимского авиационного института (г. Уфа) внедрены:
- конструкция механизма нагружения, обеспечивающая высокую точность силы сжатия образцов, особенно, в области малых значений (в пределах 2 %);
- статико-динамическая градуировка машин трения типа «Амслер», обеспечивающая точность определения момента трения в пределах 3 %;
- динамометрическая скоба СД-2 (сертификат о калибровке № 000128, выданный ФБУ «Ростовский ЦСМ»).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы, в том числе пять работ в изданиях ВАК и монография, получен 1 патент РФ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников из 91 наименования и приложения, изложена на 165 страницах машинописного текста, включая 84 рисунка и 54 таблицы.
