Сорокин В.М., Курников А.С. Основы триботехники и упрочнения поверхностей деталей машин: курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

181

5.10 Контрольные и предохранительные устройства

Для контроля подачи и состояния смазочного масла применяют указа-

тели его уровня в баках и картерах, потокоуказатели, указатели давления

и температуры. Простейшие из этих приборов и устройств служат для

визуального наблюдения.

Для измерения давления масла служат манометры; для измерения

температуры – ртутные термометры, применяемые обычно в ответствен-

ных подшипниках для измерения температуры масла на выходе.

Предохранительные защитные устройства по характеру действия де-

лят на автоматические и сигнальные. В задачи автоматической защиты

входят: автоматическая остановка машины (агрегата) в аварийных усло-

виях, вызванных нарушениями в смазочной системе; предупреждение

ввода машины в действие при необеспеченности поверхностей трения

смазочным материалом; автоматическое регулирование контролируемого

параметра и ввод в действие резервных средств.

Назначение сигнальных защитных устройств – привлечь внимание

персонала для принятия немедленных мер. Сигналы разделяют на нор-

мальные и аварийные. Нормальные сигналы обычно световые, выполнен-

ные с помощью ламп зеленого, желтого или белого цветов.

Используют также лампы двух цветов: одни свидетельствуют о нали-

чии нормального питания на контролируемом объекте, другие должны

гореть при нормальном состоянии рабочего параметра и гаснуть при ну-

левом значении параметра. Аварийные сигналы могут быть звуковыми

(звонок, ревун), световыми и комбинированными – световыми и звуковы-

ми. Если в качестве светового сигнала используют лампы красного света,

то можно исключить световые сигналы нормального состояния рабочего

параметра или по крайней мере они должны гаснуть при включении крас-

ного света. Световой сигнал может быть мигающим, для чего можно ис-

пользовать лампу оповещения о нормальном состоянии параметра. Ино-

гда используют дублирующий звуковой сигнал. Можно также ограни-

читься одной включенной лампой для нормальной и аварийной сигнали-

зации, варьируя яркость.

При необходимости строго ограничить температуру отработанного

масла применяют автоматический контроль. В случаях, когда измерять

температуру отработанного масла для суждения о перегреве поверхности

трения затруднительно, необходимо контролировать температуру поверх-

ности трения. Это относится, например, к направляющим тяжелых метал-

лорежущих станков, где возможен местный перегрев.

Для автоматического контроля температуры используют ртутные

термометры с электроконтактами, термостаты, термопары и другие дат-

чики.

182

В некоторых случаях целесообразно в смазочной системе иметь сиг-

нализатор загрязненности масляного фильтра.

Сигнализатор загрязненности масла (Японская заявка № 55-27067)

имеет корпус, днище и сигнальный механизм. В корпусе смонтирован

фильтр, заглушенный снизу крышкой. Для спуска отстоя предусмотрена

пробка. Фильтр притянут винтовым штоком. Масло из смазочной системы

попадает через патрубок внутрь корпуса, под давлением проходит фильтр

и очищенное поступает по патрубку к узлу трения. В случае засорения

фильтра давление перед ним резко возрастает. Когда давление превысит

допустимое, под действием разности давлений до и после фильтра специ-

альный клапан преодолевает сопротивление пружины и замыкает контак-

ты электрического сигнализатора (звукового, светового).

5.11 Конструктивные особенности смазочных систем

Параметры и элементы конструкции сточной или маслосборной цис-

терны (бака) смазочной системы играют важную роль в режиме циркуля-

ционного смазывания.

Кратность циркуляции масла в системе, т.е. отношение часовой мас-

совой подачи главных масляных насосов к массе масла в цистерне, огра-

ничивают во избежание сильного вспенивания масла в маслосборнике,

выбрасывания его через суфлер и ускоренного окисления.

Общее количество масла в режиме циркуляционного смазывания ре-

дукторов определяют обычно из расчета (5…8) л на затраты 1 кВт мощно-

сти. При этом объем масла в маслосборнике или в масляной ванне прини-

мают не менее трехминутного расхода его, доводя до 20-минутного рас-

хода в крупных системах. В дизельных установках принимают кратность

циркуляции 10…15, а в турбинных установках транспортных судов –

5…10, доводя ее до 18.

При определении вместимости сточной масляной цистерны необхо-

димо резервировать дополнительный объем на случай возможного вспе-

нивания масла из-за выделения из него воздуха и паров. Стекающее масло

должно освободиться от воздуха и паров до поступления в следующий

круг циркуляции. Сток масла в цистерну не должен вызывать возмущения

его свободной поверхности. Штуцер для слива следует располагать так,

чтобы струя масла не направлялась отвесно вниз (рисунок 5.3), так как это

затрудняет подъем пузырьков воздуха и способствует пенообразованию за

счет подсасывания воздуха из атмосферы. Поступающее масло можно

направить на наклонный отражатель, что уменьшит скорость его стекания

и вспенивания.

183

Рисунок 5.3 – Слив масла в бак

При недостаточном проходном сечении дренажной трубы в цистерне

образуется подпор, который может привести к выбросу масла или друго-

му нарушению нормального его слива от смазываемых объектов.

Отверстия для сливных труб и места забора масла насосами должны

быть расположены так, чтобы исключались застойные зоны и весь объем

масла в цистерне участвовал в циркуляции. Это обеспечит высокую крат-

ность циркуляции масла, что особенно важно для транспортных установок.

Рациональная конструкция масляного бака показана на рисунке 5.4-а.

Бак разделен перегородкой с двумя рядами сеток (рисунок 5.4-б), которые

можно вынимать для осмотра и очистки. Перегородка против отражателя

поставлена для изменения направления движения масла, чтобы освобо-

дить его от загрязнения тяжелыми взвешенными частицами. Для лучшей

очистки бака от шлама дно бака имеет скосы.

Рисунок 5.4 – Схема конструкций масляного бака (а) и перегородки (б):

1 – сапун; 2 – сетка; 3 – перегородка с отверстиями диаметра 10 мм;

4 – сетка с отверстиями 1 мм

; 5 –пробки отверстий для удаления шлама;

6– отверстие для подачи масла насосом

184

Для удаления из бака накопившегося шлама целесообразно устано-

вить специальный отстойник. Обычно верхний кран отстойника открыт, а

нижний закрыт. При удалении шлама верхний кран закрывают, а нижний

открывают. Такая конструкция отстойника не только обеспечивает малые

потери масла при удалении шлама из системы, но и позволяет видеть че-

рез смотровое стекло, много ли шлама накопилось.

Для обеспечения пожарной безопасности маслопроводы прокладыва-

ют так, чтобы исключалось попадание масла через неплотности труб на

горячие части оборудования. Прокладка труб над электрооборудованием

не допускается.

Для уменьшения скорости окисления масла предпочтительны масло-

проводы из стальных или алюминиевых труб. Желательно использование

цельнотянутых стальных труб, более гладких внутри.

Маслопровод в местах присоединения к механизмам должен обладать

достаточной гибкостью, чтобы при малых напряжениях компенсировать

температурные и вибрационные деформации. Это достигается либо ис-

пользованием компенсаторов, либо установкой на металлических трубах

гибких вставок. В случае упругоподвешенной машины труба должна быть

присоединена в таком месте, где перемещения при колебаниях будут наи-

меньшими. Должны быть приняты меры во избежание передачи колеба-

ний от механизма к трубопроводу.

185

6 КОНСТРУКТОРСКИЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ

ИЗНОСОСТОЙКОСТИ

6.1 Задачи конструктора в повышении долговечности и

надежности узлов трения

Конструктивные способы повышения долговечности и надежности

работ трущихся деталей весьма разнообразны и решаются конструктором

на стадии проектирования узлов трения. Основными задачами в этом пла-

не являются:

– оценка и выбор схем узла трения машины с позиции влияния ее на

износостойкость и надежность конструкции;

– выбор материалов пары трения;

– назначение размеров и формы деталей;

– обеспечение нормальной работы узла трения в заданном режиме и

защита от перегрузок;

– обеспечение эксплуатации с минимальными затратами;

– защита узла трения от аварийных повреждений.

Рассмотрим некоторые из этих задач подробнее.

6.2 Оценка и выбор схемы узла трения

Для пары, образованной поверхностями трения, имеющими разные

твердость и размеры, можно выделить два условия:

1) H

> H

; S

< S

;

2) H

< H

; S

< S

где H

, H

– твердости поверхностей трения; S

, S

– соответствующие

площади поверхностей.

Пару с расположением материалов, удовлетворяющим первому усло-

вию, называют прямой парой трения, а удовлетворяющим второму усло-

вию – обратной парой. В случае прямой пары трения по большей поверх-

ности скользит более твердое тело, а в случае обратной пары – более мяг-

кое тело. Примерами прямой пары являются скольжение закаленного суп-

порта по чугунной термически не обработанной станине и скольжение

хромированного поршневого кольца по поверхности цилиндра из перлит-

ного чугуна. Обратной парой будет хромированное рабочее зеркало ци-

линдра и чугунное кольцо. Вал и подшипник с баббитовым слоем при

нагрузке постоянного направления, приложенной к вращающемуся валу,

представляют собой обратную пару.

186

Рисунок 6.1 – Обратные (а) и прямые (б) пары:

1 – с поступательным движением; 2 – с вращательным движением;

, H

– твердости

Чтобы определить, какая пара трения – прямая или обратная предпоч-

тительнее для данной конструкции, следует установить требования к паре

в отношении надежности ее работы, износостойкости, экономичности и

условий эксплуатации.

Недостаточная надежность пары трения в связи с неподходящим под-

бором материалов может выразиться в схватывании и заедании. Опыт

эксплуатации машин, стендовые испытания трущихся деталей и лабора-

торные исследования показывают, что обратные пары трения более стой-

ки к заеданию, а при наличии заедания имеют меньшие повреждения по-

верхностей.

Различие в работе прямых и обратных пар трения состоит в следую-

щем. В прямой паре при перегрузке пластическая деформация ее элемента

с меньшей твердостью препятствует нормальной работе пары, в результа-

те чего возрастают силы трения, увеличивается повреждение поверхно-

сти, и пара быстро выходит из строя. В обратной паре при перегрузке пла-

стическая деформация образца с меньшей твердостью не препятствует

работе пары.

На долговечность и надежность работы узлов трения благоприятное

влияние оказывает жесткость, податливость и специальная конфигурация

деталей.

Податливость детали: общая или местная, позволяет ее рабочей по-

верхности следовать за деформацией сопряженной детали и приспосабли-

ваться к неточностям ее геометрической формы. Самоустанавливающийся

опорный подшипник является простейшим примером конструкции,

имеющей деталь свободной податливости в виде вкладыша, обладающего

187

угловой подвижностью. Полнее роль податливости проявляется в резино-

металлических вкладышах и гуммированных деталях, во вкладышах из

пластмасс и мягких покрытиях рабочих поверхностей.

Сухая резина имеет коэффициент трения выше, чем у других мате-

риалов, и в то же время в паре со сталью, бронзой и латунью при смазы-

вании такой маловязкой жидкостью, как вода, имеет высокие антифрик-

ционные свойства. Это объясняется тем, что гибкая и легко деформирую-

щаяся резина хорошо приспосабливается к неровностям поверхности вала

без нарушения в зоне нагружения непрерывности смазочного слоя. По-

следний благодаря этому для сохранения режима при жидкостной смазке

может быть меньшей толщины, чем при металлической поверхности

вкладыша. Высокая способность деформации резины обусловливает более

равномерное распределение давления по длине вкладыша. Абразивные

частицы, содержащиеся в воде, вминаются в мягкую поверхность резины,

перекатываются по ней, не производя режущего действия, и выносятся с

водой в смазочную канавку. При наличии песка, ила и грязи в смазываю-

щей и охлаждающей подшипник воде вкладыш изготовляют с большим

количеством канавок и подбирают резину с высокой износостойкостью.

Резинометаллические вкладыши устанавливают в соответствующих уст-

ройствах морских и речных судов, в центробежных песковых насосах,

артезианских насосах, гидравлических турбинах, турбобурах и т. п.

Аналогично резине ведут себя мягкие покрытия вкладышей, податли-

вость которых обусловлена малым сопротивлением пластической деформа-

ции. У пластмасс, подобно резине, в соответствии с их модулями упруго-

сти, а у термопластичных пластмасс еще и вследствие их размягчения на-

грузка по длине вкладыша распределяется равномернее, чем у металлов.

С другой стороны, для некоторых узлов трения повышению износо-

стойкости способствует увеличение жесткости конструкции. Пример, чем

равномернее распределена нагрузка по длине зуба зубчатых передач, тем

выше их нагрузочная способность. Не точность изготовления и сборки

деталей передачи, изгиб и кручение валов в процессе работы способствует

неравномерному распределению нагрузки. Поэтому увеличение жестко-

сти валов, опор и корпусов является благоприятным фактором в повыше-

нии работоспособности изделий.

6.3 Выбор материалов пары трения

Выполнение требования общей и контактной прочности, жѐсткости

или податливости деталей, их износостойкости, коррозионной стойкости,

вибростойкости и т.д. обеспечивается правильным выбором материалов,

назначением размеров, исходя из расчѐтов на прочность, выбором рацио-

188

нальных конструктивных форм деталей и соответствующей технологии

изготовления. Выбор материала, полностью отвечающего условием рабо-

ты деталей, является весьма сложной задачей.

В зависимости от назначения трущиеся детали изготавливают из кон-

струкционных, фрикционных, износостойких и антифрикционных мате-

риалов широкой номенклатуры.

Из конструкционных сталей изготавливают детали, которые должны

обладать высокой прочностью, жѐсткостью или податливостью. К таким

деталям относятся валы, пальцы, болты шарниров, зубчатые колѐса и др.

Фрикционные материалы – это материалы, которые в контакте с метал-

лическими поверхностями имеют высокий и стабильный коэффициент тре-

ния. Применяются такие материалы в тормозах и фрикционных муфтах.

Износостойкими называют материалы, которые при трении в тяжелых

условиях работы изнашиваются сравнительно мало.

Все пары трения должны обладать антифрикционностью, под которой

понимают комплекс свойств: достаточная статическая и динамическая

прочность при повышенных температурах; способность образовывать

прочный граничный слой смазочного материала и быстро восстанавли-

вать его при разрушении; низкий коэффициент трения; отсутствие заеда-

ния на валу при перерыве смазки; высокие теплопроводимость, теплоем-

кость, прирабатываемость; хорошая износостойкость; не дефицитность и

технологичность.

Подшипниковых материалов, удовлетворяющих всем этим требова-

ниям, нет. Так, например, прочность баббитов с высоким содержанием

олова резко снижается с повышением температуры; прирабатываемость

безоловянистых бронз неудовлетворительная; неметаллические анти-

фрикционные материалы имеют низкую теплопроводимость. Каждый из

подшипниковых материалов антифрикционен в определенных режимах

трения. Об антифрикционности какого-либо материала судят по его ко-

эффициенту трения с сопряженной деталью, сравнительно с другими ма-

териалами при аналогичных условиях испытаний, по объему повреждений

поверхностей трения, по температуре этих поверхностей и т.п.

Трудно отделить антифрикционные материалы от износостойких, по-

скольку износостойкость является общим требованием для всех материа-

лов, в том числе и фрикционных. При подборе материалов с высокой из-

носостойкостью всегда неявно имеют в виду и антифрикционность.

Выбор материалов при конструировании узлов трения представляет

трудную задачу, так как зависит от конструкции и назначения узлов, тех-

нологии производства, условий эксплуатации, требований к сроку их

службы и надежности с учетом стоимости материалов и эксплуатацион-

ных расходов.

189

На выбор материалов могут оказать влияние физико-механические

явления на поверхностях трения, зависящие от условия работы. Напри-

мер, высокомарганцовистая сталь (сталь Гатфильда), из которой изготав-

ливают щеки дробилок, броневые плиты шаровых мельниц, воронки для

приемки шихты и др. детали имеет аустенитную структуру с наличием

мартенсита и включений карбидов. После закалки эта сталь имеет высо-

кую прочность при значительной вязкости (σ

= 80-100 МПа,

= 200-300 Hм/см

, НВ 2000-2200). При больших давлениях и ударах

сталь склонна к наклепу, который тем больше, чем выше удельная нагруз-

ка, при этом твердость поверхности повышается до НВ 5000. Удары при

трении приходятся на твердую корку (пленку) при вязком основании

(сердцевины), при износе пленка возобновляется. Однако в условиях аб-

разивного изнашивания (проушина звеньев гусениц тракторов при экс-

плуатации на песчаных почвах) эта сталь изнашивается даже быстрее, чем

среднеуглеродистая.

При одних и тех же химическом составе и механических свойствах

материалы могут существенно различаться по износостойкости из-за раз-

личия структур. Крупнозернистые сплавы, например, легко прирабатыва-

ются и более пластичные, но менее износостойкие. Наличие в структуре

легко выкрашивающихся твердых или крупных мягких составляющих

часто приводит к схватыванию поверхностей трения. Крупные карбиды в

чугунах способствуют образованию сетки термических трещин при рабо-

те деталей.

Сложность задачи подбора рациональной структуры материала можно

показать на подшипниковых сплавах. Основное требование к структуре

антифрикционных сплавов было впервые сформулировано в 1897 г.

Г. Шарпи. Согласно правилу Г. Шарпи хорошо работающие антифрикци-

онные сплавы должны иметь равномерно распределенные в пластичной

матрице (основе) твердые зерна с низким коэффициентом трения и малой

склонностью к задирам. В свое время все подшипниковые сплавы удовле-

творяли этому правилу (баббиты, оловянистые бронзы). Однако в после-

дующем были разработаны сплавы с мягкими включениями в твердой

матрице (свинцовистая бронза), однородные антифрикционные материа-

лы и др.

Для изготовления деталей узлов трения в настоящее время применяют

огромное количество различных материалов. Наиболее широко исполь-

зуют сплавы железа, сплавы из цветных металлов, порошковые и синте-

тические материалы.

Подшипниковыми материалами на основе железа являются графитиро-

ванная сталь и перлитные чугун: серые (АЧС) с пластичным графитом, вы-

сокопрочные (АЧВ) с глобулярным графитом, ковкие (АЧК) с хлопьевид-

190

ным графитом и медистые чугуны. Эти материалы обладают высокой твер-

достью (НВ 1600-2500), плохо прирабатываются и склонны к заеданию.

К сплавам из цветных материалов относят бронзы, баббиты, алюми-

ниевые сплавы.

Бронзы применяют для подшипников, работающих при больших ско-

ростях и удельных нагрузках. Наиболее распространены оловянные (БрО,

БрОФ), оловянно-свинцовые и оловянно-цинково-свинцовые (БрОЦС).

Для экономии олова разработаны безоловянистые бронзы (БрАЖ,

БрАЖМ и др.), которые имеют более худшие антифрикционные свойства.

Высокооловянистые материалы, содержащие Рb, Сu, Sb, Al, в которых

в пластичной матрице находятся твердые составляющие, называют бабби-

тами. Их заливают на вкладыши при температуре 450-480 С толщиной

(0,25…3,0) мм. Баббиты имеют самые высокие антифрикционные свойст-

ва и хорошо прирабатываются.

Для неответственных подшипников применяют сплавы из алюминия

и кремния (АЛ2, АЛ4), алюминия и магния (АЛ8), алюминия и меди

(АЛ10, АЛ18В). При выборе зазоров в подшипнике необходимо учиты-

вать высокий коэффициент термического расширения алюминиевых

сплавов.

Из сплавов на цинковой основе находит применение ЦАМ, содержа-

щий в качестве легирующих добавок алюминий, медь и магний.

Порошковые антифрикционный материалы получают путем смеши-

вания прессования и спекания заготовок из порошков железа, бронзы,

графита.

После спекания в материале остаются поры которые используются

как резервуар смазочного масла. При нагревании за счет трения масло

выходит из пор и образует сплошную пленку на поверхности контакта,

при этом расход масла в 10 раз меньше, по сравнению с расходом в брон-

зовых подшипниках.

Пористость подшипника определяет величину допустимой нагрузки

на него. Для обычных условий работы подшипника пористость должна

быть в пределах (18…25)%. Для малонагруженных подшипников приме-

няют железографитные порошковые материалы – ЖГр с различным со-

держанием графита. Более часто используют порошковые бронзографиты

(БрОГ). Введение в порошковые материалы различных добавок позволяет

целенаправленно регулировать свойства. При создании порошковых ан-

тифрикционных материалов можно применять металлизированные по-

рошки твердых смазок и твердых включений в качестве многофункцио-

нальных добавок. На рисунке 6.2 показаны кривые интенсивности изна-

шивания при включении этих добавок (по В.Г. Мельникову).