Махкамов К.Х. Расчет износостойкости машин: учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания образования равновесной шероховатости.

Испытания проведены на машине трения 2070 СМТ-1 с

образцами "вал-втулка" при нагрузке N = 1000 Н и скорости

скольжения V = 0,92 м/с. Материал вала - сталь 45, втулки –

Бр.ОЦС 5-5-5, смазочное масло - АС-8. Шероховатости измеряли на

профилографе - профилометре модели 250.

Результаты испытаний показывают, что процесс приработки

вызывает большие изменения шероховатости поверхностей и

после приработки устанавливается равновесная шероховатость

поверхностей. Контролируемым параметром окончания приработки

является установившийся коэффициент трения.

Как видно из табл. 6 равновесная шероховатость поверхности

образовалась через 55 минут работы. В период приработки

первоначальная шероховатость уменьшилась до равновесной

шероховатости поверхности, т.е. от R = 0,00134 мм до R = 0,00058

мм для втулки и от R = 0,00136 мм до R = 0,00058 мм для вала.

Средний шаг неровностей увеличился для втулки от S = 0,02438 мм

до S = 0,01808 мм. После приработки шероховатость поверхности

остановилась на равновесной шероховатости R = 0,00059, а

средний шаг неровностей увеличивался дальше.

Таблица 6.

Результаты испытаний образования равновесной шероховатости.

(нагрузка N = 1000 Н., скорость скольжения V = 0,92 м/с.)

Время,

минут

Коэффи-

циент

трения

Вал

Сталь45

Втулка

Бр.ОЦС 5-5-5

,мкм S

,мкм R

,мкм S

,мкм

0 - 1,364 24,38 1,343 11,89

20 0,140-

0,079

0,834 18,14 0,780 12,53

25 0,079 -

0,055

0,583 18,08 0,579 12,87

30 0,055 0,580 21,85 0,609 13,26

35 0,055 0,580 23,65 0,588 13,18

В процессе приработки коэффициент трения уменьшился от f = 0,14

до f = 0,055 и далее имел постоянное значение.

В течение часа через каждый 10 минут с одной и той же

поверхности бронзовой втулки снимались профилограммы.

Профилограммы показали, что по мере приработки происходит

постепенное сглаживание микронеровностей и переход к

равновесному состоянию. Коэффициент трения при этом

уменьшается почти в 3 раза.

Лабораторные и стендовые испытания на износ.

Испытания проведены на лабораторном стенде модели

2070 СМТ-1 по схеме "вал-втулка" в условиях N = 1000 Н и V =

0,92 м/с с образцами, изготовленных из стали 45 и БрОЦС 5-5-5.

Смазочное масло АС-8. Продолжительность испытаний 80 часов.

Результаты испытаний приведены в табл. 7.

Таблица 7.

Результаты испытаний на износ образцов "вал-втулка"

Время

испытания,

минут

Коэффи-

циент

трения

Износ, мг Суммарный

износ, мг

Вал Втулка Вал Втулка

37 0,146-0,055 6,0 6,7 6,0 6,7

365 0,055 0,3 0,5 6,3 7,2

665 0,055 0,6 0,9 6,9 8,1

3746 0,055 3,0 5,0 9,9 13,1

В процессе приработки продолжительностью 37 минут

коэффициент трения изменился от 0,146 до 0,055, износ вала 0,006

г., втулки - 0,0067 г. Испытания показали, что скорость

изнашивания во время приработки на два порядка больше, чем в

процессе нормального изнашивания после приработки.

С целью проверки результатов исследований по приработке

поверхностей, проведены стендовые испытания деталей

дифференциала трактора Т28Х4М.

Исследовалась рабочие поверхности деталей

дифференциала: сателлита с втулкой и оси сателлита. Материал

втулки - БрОЦС 4-4-2,5 , вала 18ХГТ. Режимы испытаний :

скорость скольжения V = 0,454 м/с, нагрузка N = 832 Н.,

продолжительность 4 часа. Во время испытаний измерили

шероховатость поверхностей и их износ (таблица 8).

Как видно из табл. 8. равновесная шероховатость на втулке

сателлита 0,57 мкм и на оси сателлита- 0,44 мкм. Приработочный

износ втулки сателлита 0,0383 г. и оси 0,013 г. Диаметр отверстия

сателлита изменился от 28,226 мм до 28,241 мм, а оси - от 28,179

до 28,170 мм. Увеличение зазора во время приработки составляет

0.024 мм.

Результаты расчёта показывают, что в сопряжении "сателлит

дифференциала - ось сателлита" приработка кончается за 157

минут. После приработки образуется равновесная шероховатость

на втулке сателлита R

= 0,375 мкм и на оси сателлита R

= 0,321

мкм. Расчётное значение приработочного износа втулки сателлита

0,015 г. и оси сателлита 0,007 г.

Таблица 8.

Результаты испытания дифференциала трактора Т28Х4М

Деталь Сателлит Ось

N опыта 1 2 3 1 2 3

Шероховатость

до испытания,

мкм

1,26 1,29 1,37 0,74 0,78 0,76

Шероховатость

после

испытания, мкм

0,55 0,57 0,59 0,45 0,44 0,43

Линейный

износ, мкм

15,5 8,1 20,5 8,3 7,9 10,2

Весовой износ, г 0,028 0,023 0,077 0,013 0,010 0,017

Основываясь на полученные результаты, рекомендовано ПО

ТТЗ приработку дифференциала провести в течение 3 часов.

Шероховатость рабочих поверхностей деталей после механической

обработки желательно приблизить к рабочей R

= 0,32 … 0,37 мкм.

В этом случае приработка будет минимальной, а приработочный

износ уменьшается в 1,5 - 2 раза.

Обсуждение результатов расчёта на ЭВМ.

Результаты расчёта параметров шероховатости поверхностей

выполнены на ПЭВМ и приведены в таблице 9. Как видно из

таблицы, погрешность результатов расчёта не превышает 5 %.

Таблица 9.

Сопоставление расчётных и экспериментальных данных

параметров шероховатости поверхностей пары трения «вал-втулка»

(материалы: вал - Сталь 45 и втулка - Бр.ОЦС 5-5-5).

Вал Втулка

, мкм S

, мкм R

, мкм S

,мкм

Опыт 1,364 24,376 1,134 11,890 1

Расчет 1,326 24,059 1,133 11,688

Опыт 0,834 18,142 0,78 12,530 2

Расчет 0,823 17,580 0,755 12,167

Опыт 0,583 18,088 0,579 12,870

Расчет 0,566 17,594 0,564 12,561

4 Опыт 0,580 21,874 0,609 13,260

Расчет 0,568 21,666 0,591 12,915

5 Опыт 0,580 23,653 0,588 13,180

Расчет 0,562 22,967 0,581 12,837

Таблица 10.

Результаты расчета износа на ЭВМ

Время,

минут

Замеренный

износ, г

Рассчитанный

износ, г

Расхож-

дение, %

Вал Втулка Вал Втулка

37 0,0060 0,0061 0,00710 0,00660 13,2

365 0,0003 0,0005 0,00028 0,00047 6,2

665 0,0006 0.0009 0,00057 0,00101 5,3

3746 0,0030 0,0050 0,00320 0.00473 0,8

Как видно из таблицы, отклонение результатов расчета от

действительной не превышает 15 %.

Таблица 11.

Результаты поэтапного расчёта шероховатости поверхности

втулки из Бр.ОЦС 5-5-5. Скорость скольжения V = 0,55 м/с;

нагрузка N = 650 Н.; вал - сталь 45.

Время,

минут

Коэффициент

трения

, мкм S

, мкм

Испыта-

ние

Расчёт Испыта-

ние

Расчёт

0 - 1,96 1,89 10,0 18,0

2 0,146 0,65 0,63 18,2 19,2

4 0,158 0,46 0,41 28,6 29,1

6 0,095 0,37 0,33 30,6 31,2

8 0,055 0,30 0,30 38,0 39,1

10 0,055 0,30 0,29 45,7 46,2

Во время приработки шероховатость поверхности деталей

непрерывно меняется. Это приводит к изменению площади

фактического контакта и удельного давления на непосредственно

влияющей на скорость изнашивания. Поэтому шероховатость

необходимо рассчитывать по этапам приработки, т.е. используя

возможности ЭВМ, организовать цикл расчета, где результаты

предыдущих этапов расчета являются как бы исходными для

последующих. Блок расчета измененных параметров

шероховатости поверхностей соединен с блоком расчета износа

(см. рис 13).

В таблице 11 показаны результаты расчета шероховатости

поверхностей трения в сравнении с экспериментальными

данными. Как видно из таблицы, отклонение результатов не

превышает 3%.

Глава 4. Особенности изнашивания пар трения

сопряжений.

4.1. Изнашивание исходно свободными

абразивными частицами.

Специфичность условий эксплуатации машин в Средней Азии

характеризуется резкими колебаниями температуры воздуха,

запыленностью рабочей среды. При работе машин в воздух поднимаются

механические частицы грунтов (прежде всего почвенного слоя), большая

часть которых, имея в поперечнике менее 1 мм, остаются во взвешенном

состоянии.

Нужно отметить, что при повышенной запыленности воздуха,

несмотря на высокое совершенство современных систем очистки

воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, все же значительное

количество мелких частиц пыли проникает внутрь цилиндра, вызывая этим

интенсивное загрязнение находящегося в нем смазочного масла, а

следовательно, и повышенные износы.

Определение уровня запыленности воздуха в зонах шарниров

грядиля культиваторов КРХ-4 и КРТ-4 при различных междурядных

обработках хлопчатника [18] показали, что запыленность воздуха с

удалением от почвы резко снижается. Так, запыленность воздуха в зонах

верхнего шарнира в 10-12 раз меньше, чем на уровне оси опорного колеса.

С повышением скорости агрегата в 1,35 раза запыленность воздуха в

среднем также увеличивается в 1,3...1,5 раза. Размер самых грубых частиц

пыли равен 0,5 мм. Частицы с размерами от 0,05...0,01 и 0,01...0,005 мм,

соответственно, составляют в зависимости от величины удаления от

почвы 30...55 % и 20...50 % общего состава. Из этих данных можно сделать

вывод, что при значениях зазора 0,005...0,5 мм в шарнирах всегда имеется

возможность проникновения пыли в зазоры и возникновения

непосредственного влияния пыли на износ сопрягаемых деталей.

В летнее время содержание пыли на дорогах достигает 1,5...2 г/м

воздуха. Известно, что чем больше в почве кварцевых частиц, тем выше

скорость изнашивания деталей. Нужно отметить, что при повышенной

запыленности воздуха, несмотря на высокое совершенство современных

систем очистки воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, все же

значительное количество мелких частиц пыли проникает внутрь цилиндра,

вызывая этим интенсивное загрязнение находящегося в нем смазочного

масла, а следовательно, и повышенные износы.

Установлено, что около 80...90 % загрязнений масла двигателя

приходится на частицы размером до 10 мкм, и 90...92 % загрязнителей

масла агрегатов трансмиссии состоит из частиц размерами до 16 мкм [16].

Во время работы двигателя в условиях запыленного воздуха

увеличение зазора в подшипниках происходит в 9 - 10 раз быстрее, чем в

условиях чистого воздуха. Современные автотракторные воздухоочистители при

надлежащем уходе за ними задерживают 98 - 99 % пыли, содержащейся в

воздухе. Таким образом, только 1 - 2 % пыли поступает с воздухом в цилиндры

двигателя. При плохом уходе за воздухоочистителем (загрязнены фильтрующие

сетки, недостаточный уровень масла в поддоне воздухоочистителя или

применяется очень вязкое масло) воздухоочиститель задерживает 80...85 %

пыли.

Установлено, что только 1/6 часть пыли, попавшей в цилиндры,

выбрасывается при выхлопе, а остальная часть задерживается в двигателе.

Известно, что один грамм пыли, попавшей в цилиндр с топливовоздушной

смесью может вызвать увеличение его диаметра в верхнем поясе до 10

мкм. При увеличении в масле двигателя механических примесей от 0,5 до

0,8 % скорость износа верхних поршневых колец увеличилась более чем в

2 раза [18].

Для работы мобильных машин характерна возможность мгновенных

перегрузок с неизбежным требованием быстрого регулирования скорости

рабочего хода. Самоходные сельскохозяйственные машины подвержены сильным

тряскам, ударам, вызванным бездорожьем, передвижением между грядками

технических культур.

Повышенный нагрев стенок картеров, доходящий до

температуры 100 градусов по Цельсию, приводит к перегреву, быстрому

окислению и старению находящихся в них масел и смазочных веществ.

Преждевременное интенсивное старение масла в двигателе приводит к

обильным отложениям на внутренних стенках рабочих поверхностей и

поддона картера смолистых веществ, которые вместе с твердыми

частицами пыли образуют "абразивную пасту", способствующую

интенсификации разрушения рабочих поверхностей трущихся деталей.

Во время выполнения трактором различных сельско-

хозяйственных работ в результате нагрузок, действующих на корпусные

детали трансмиссии, и упругих деформациях рамы трактора при поворотах

и переездах через препятствия, может происходить постепенное

ослабление креплений. Это является одной из причин нарушения

герметизации трансмиссии и попадания в масло пыли [1].

Для установления количественной и качественной картины

попадания абразива в трансмиссии тракторов в НАТИ были проведены

стендовые испытания и обследования в рядовой эксплуатации

трансмиссии ряда тракторов. Исследования показали, что нормативный

срок замены трансмиссионного масла соответствует 0,25...0,30

процентному засорению его абразивными примесями. Одесская

испытательная станция НАТИ установила, что содержание механических

примесей в масле по весу составляло ко времени его замены в среднем 0,5

% [1].

Нарушение сроков замены трансмиссионного масла в эксплуатации,

безусловно, приводит к снижению долговечности работы трансмиссии тракторов

не только в силу загрязнения масла абразивными частицами, но и вследствие

старения и деструкции масла, а следовательно, утраты его смазывающего

свойства. Старение масла происходит в результате его окисления под действием

кислорода воздуха. Скорость окисления масла зависит от его химического состава

и условий эксплуатации, в частности, от температуры масла, величины

поверхности соприкосновения с воздухом, наличия катализаторов окисления.

Нагрев масла ускоряет скорость окисления. При температуре

50...60

C окисление масла становится уже ощутимым. С дальнейшим

повышением температуры интенсивность окисления возрастает [33].

Температура рабочей жидкости гидравлической системы трактора,

работающего в условиях Средней Азии при температуре воздуха

+35

С...+45

С температура рабочей жидкости достигает 80...100

С.

Причиной основной массы отказов (до 70 %) в эксплуатации

гидрофицированных машин является загрязнение рабочей жидкости.

Исследования загрязненности гидравлической системы тракторов в обычных

условиях эксплуатации показывают, что содержание механических примесей

неорганического происхождения в рабочей жидкости колеблется в пределах

0,04...0,1 % по весу.

По физико-механическому составу примеси неорганического

происхождения содержат 70...75 % кремнезема и 10...15 % глинозема. Остальную

часть составляют продукты износа трущихся частей гидроагрегатов и окисления

различных металлов. По дисперсному (гранулометрическому) составу

механические примеси, как правило, представляют собой частицы размером не

более 30 мкм, из них размером до 10 мкм 75...85 %, до 20 мкм 15...20 % и от 20 до

30 мкм 7...8 % [33].

Большое влияние на износ оказывает минералогический состав

пыли. Абразивный износ деталей вызывается твердыми частицами пыли,

при этом микротвердость частиц, влияющих на износ такова: окись

кремния (кварц) 11...12 ГПа, окись алюминия 21 ГПа, окись железа 9 ГПа.

Значительное содержание в механических примесях окислов кремния и

алюминия обуславливает высокую абразивную активность примесей.

Нарушение герметичности всасывающих линий гидросистемы

приводит к подсосу воздуха в гидросистему и за этот счет может

образоваться растворенная и нерастворенная смесь воздуха с рабочей

жидкостью. Наличие в гидросистеме нерастворенного воздуха ухудшает

работу гидроагрегатов, нарушает плавность движения трущихся

деталей, ухудшает их смазывание, усиливает коррозию деталей.

Нахождение в рабочей жидкости растворенного воздуха вызывает её

окисление. Наличие воды в рабочей жидкости ухудшает смазывающие

качества [33].

Таким образом, специфичность условий эксплуатации машин в

Узбекистане характеризуется, прежде всего, запыленностью окружающей среды,

приводящей к абразивному изнашиванию сопряженных поверхностей узлов

трения. Относительно высокая температура воздуха и другие факторы

интенсифицируют процессы окисления масла, понижению его смазывающей

способности, часто приводящей к работе узла трения в режиме граничного

трения.

Расчет энергии сил трения абразива о поверхность.

Условия работы узлов трения машин, эксплуатируемых в запыленной

окружающей среде, характеризуются наличием в смазывающей жидкости частиц

пыли. Тогда, в подавляющем большинстве случаев, ведущим видом

изнашивания является абразивный, при котором разрушение поверхностных

слоёв деталей происходит в результате их взаимодействия с твердыми

частицами пыли, попадающими в зону трения вместе с циркулирующим маслом.

Модель взаимодействия абразивных частиц с поверхностями трения,

разработанный автором совместно У.Икрамовым, изложен в работе [16]. В

рамках принятой модели абразивная частица представляется округлой формы,

а поверхности трения - плоскими с сферическими неровностями.

Рассматривая изнашивание как энергетический трансформационный

процесс, из (2.39) получим выражение для интенсивности абразивного

изнашивания:

J = (E

+ E

тр

- Q) V

/ E

v t (4.1).

Здесь J = V

изн

v t; V

изн

= (E

+ E

тр

- Q) V

/ E

Энергия трения при абразивном изнашивании состоит из энергии

вдавливания абразивных частиц в поверхность и энергии скольжения

частицы.

тр

= E

вд

+ E

ск

(4.2)

Под действием приложенной к узлу трения нагрузки определенная часть

абразивных частиц вызывает в материале поверхностных слоёв пластические

деформации, а другая часть- упругие деформации.

Энергия вдавливания частицы в поверхность трения при

пластической деформации:

вд

= N

h = N

/(2π R HB) , (4.3)

где N

- нагрузка на единичный абразив.

Энергия скольжения частицы по поверхности трения при

пластической деформации:

ск

= S l σ

, (4.4)

где S - площадь поперечного сечения канавки скольжения; l - путь

трения; σ

- предел текучести материала.

R-h R

a B

Рис. 15. Схема внедрения абразивной частицы в поверхность трения.

Площадь S определим, рассматривая проекцию внедренной части

абразива в поверхность трения в виде сегмента (рис.15).

S = 4 a h / 3 (4.5).

По теореме Пифагора из треугольника АОВ

2 hRha −=

(4.6).

Энергия, необходимая для осуществления скольжения

()

Тск

hRhhlE −=

(4.7).

Путь трения можно рассматривать как произведение скорости и

времени скольжения абразивной частицы.

l = V t (4.8).

Поскольку по Бринелю, с учетом поправки Н.М.Михина [39],

глубина внедрения сферического индентора в поверхность под

воздействием совместно приложенной нормальной и тангенциальной

нагрузки

h = N

/π R HB (4.9).

Таким образом, энергия трения при пластической деформации

сферических неровностей поверхности :

()

hRhhlhNЕ

−+=

(4.10).

В работе [16] анализируется несущая способность поверхностных

слоёв, определена критическая глубина внедрения абразивной частицы,

соответствующая переходу от упругого контакта к пластическому.

Объём материала, вовлеченного в деформацию, приблизительно

приравняем объёму внедренной части абразивных частиц. Тогда,