Материалы и конструктивные параметры фрикционных элементов механической трансмиссии тракторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

материалы и конструктивные параметры фрикционных элементов механической трансмиссии тракторов

А.Н. Карташевич, А.Ф. Скадорва,

А.В. Лешок, А.А. Дмитрович

Аннотация

фрикционный диск трансмиссия трактор

Эффективность эксплуатации трансмиссии современных энергонасыщенных тракторов в значительной мере определяется правильным выбором материала и конфигурации изготавливаемых деталей, а также диагностическими параметрами, с помощью которых появляется возможность контролировать и своевременно обнаруживать технические неисправности наиболее нагруженных узлов. В статье рассмотрены различные материалы, применяемые для изготовления фрикционных дисков и влияние различных параметров на их работоспособность, а также выбран наиболее информативный диагностический параметр.

The efficiency of exploitation of transmission of modern energy-saturated tractors is considerably determined by the right choice of material and configuration of produced parts, as well as by diagnostic parameters which help to control and timely find technical faults of the most heavily loaded junctions. The article examines different materials, applied for the production of friction discs, and the influence of different parameters on their working efficiency, and shows the most informative diagnostic parameter.

Введение

Эффективность эксплуатации современных энергонасыщенных тракторов в значительной мере определяется возможностью контролировать и своевременно обнаруживать технические неисправности всех их систем. Такую проблему позволяет решить система встроенной бортовой диагностики трактора, разработка которой совпадает с современными тенденциями развития бортовой системы диагностирования, которые характеризуются увеличением числа сигнальных указателей за счет введения новых датчиков и алгоритмов диагностирования и развитием диагностического контроля через систему предупредительной сигнализации [1].

В условиях рядовой эксплуатации ресурс трактора в значительной степени зависит от технического состояния его трансмиссии. Анализ показателей надежности систем тракторов позволил установить [2], что на долю трансмиссии приходится до 24 % всех отказов, поэтому правильный выбор материала изготовления деталей и их диагностических параметров является на сегодняшний день актуальной задачей.

Для переключения передач без разрыва потока мощности в механических коробках передач (КП) широко применяются фрикционные муфты (ФМ) с гидроприводом, основным элементом которых являются фрикционные диски, изготавливаемые в большинстве случаев в виде стальной несущей основы с нанесенным с двух сторон сплошным (или в виде отдельных накладок), пористым, порошковым фрикционным слоем с поверхностной системой маслоотводящих каналов. Работоспособность такой КП во многом определяется состоянием пар трения ФМ.

Одним из способов повышения эффективности эксплуатации трактора является разработка компьютерного диагностирования ФМ трансмиссии, для чего первоначально необходимо выбрать наиболее подходящие критерии оценки качества их функционирования.

Анализ источников

Факторами, определяющими работоспособность пар трения (ПТ) ФМ, являются:

1) физико-механические свойства материалов ПТ;

2) эксплуатационные характеристики режима трения (давление, скорость скольжения ПТ, температура, работа буксования и мощность трения, цикличность воздействия и др);

3) конструктивные особенности узла трения (форма, размеры и число ПТ);

4) коэффициент запаса ФМ;

5) плавность приложения нагрузки при включении, коэффициент взаимного перекрытия и т. д.

Основными фрикционно-износными характеристиками фрикционного материала являются коэффициент трения и интенсивность изнашивания. Для фрикционных пар, работающих в условиях смазки, необходимо применение материалов, обеспечивающих коэффициент трения не менее 0,05, тогда как для узлов без смазки - не менее 0,35. Немаловажным параметром фрикционного материала является значение динамического коэффициента трения, значение которого для узлов трения, работающих в условиях смазки, находится в пределах 0,08-0,15 [3].

Использование спеченных композиционных материалов фрикционного назначения началось в 50-60-е гг. прошлого века. Этот же период отмечается наибольшим числом важнейших решений в области создания новых материалов и технологий получения готовых изделий.

Теоретические и практические разработки под руководством В. С. Рокоссовского в CCCР позволили создать фрикционный материал МК-5 и технологический процесс производства из него дисков. Этот материал содержит: олово - 9 %; свинец - 9 %; железо - 4 %; графит - 7 %; медь - 71 %. Каждому компоненту данного материала приписывается своя функция. Так, например, добавка олова к медному порошку повышает механическую прочность сырых прессовок и спеченных образцов, а также твердость последних. Графит и свинец устраняют схватывание и заедание, способствуют плавности трения и уменьшению износа поверхностей. Это достигается за счет появления пленки на поверхности трения двух контактирующих поверхностей, когда температура на границе контакта превышает температуру плавления легкосплавной добавки. Образование жидкой смазочной пленки способствует плавному и устойчивому скольжению, что весьма важно при повышенных температурах, когда металлическая матрица обладает большой склонностью к схватыванию и заеданию. Добавка железа способствует повышению коэффициента трения. Наиболее оптимальное количество этой добавки - 4-6 %. Повышение содержания железа до 8 % вызывает повышение как суммарного, так и установившегося износа.

Немаловажным требованием порошкового композиционного материала является способность к быстрой приработке, т. е. образованию за возможно короткий срок в зоне трения рабочего слоя, обладающего устойчивыми триботехническими и эксплуатационными характеристиками. Изменение момента трения в этот период не должно превышать 20 % после 5-7 циклов включений, а площадь трения должна быть не менее 80 % от номинальной. Отсутствие задиров, вырывов, наволакивания и других катастрофических разрушений как в процессе рабочего цикла, так и после него, характеризуют хорошую сопротивляемость схватыванию фрикционного материала. У таких материалов рабочий цикл протекает плавно, без рывков и вибраций.

При разработке новых материалов особое внимание уделялось вопросам повышения износостойкости и получения достаточно высокого и стабильного коэффициента трения, а также вопросам снижения себестоимости и получения экологически чистых материалов. Существенный вклад в этой области был сделан такими исследователями, как В. Генкин, Л. Шмагин, Е. Фишбейн, М. Рутман, А. Дмитрович.

Методы исследования

В ходе исследований использовались методы: экспериментальный, системного подхода, анализа и синтеза.

Основная часть

В государственном научном учреждении «Институт порошковой металлургии» г. Минска создана серия фрикционных материалов с использованием стального порошка, получаемого переработкой шламовых отходов отечественной подшипниковой промышленности. Данные материалы известны под маркой «ШАДЕФ», которая была сформирована из аббревиатуры имен ее разработчиков: Л. Шмагин, А. Дмитрович, Е. Фишбейн.

При проведении сравнительных испытаний фрикционных дисков из материала «МК-5» и «ШАДЕФ» в условиях работы коробки передач трактора Т-150К было установлено, что коэффициент трения материала «ШАДЕФ» в 1,3-1,4 раза выше, а его износостойкость при удельной работе буксования 16 Дж/см² превосходит износостойкость материала МК-5 в 1,5-2,0 раза, коэффициент колебания момента трения (а=M_min/M_max), являющийся характеристикой нестабильности свойств фрикционной пары, находится в пределах 0,4-0,5, а для материала МК-5 в пределах 0,2-0,3.

Материал «ШАДЕФ» успешно используется на РУП «МТЗ» в передаточных и тормозных узлах тракторов «Беларус» 320/1502/1522/2103/2022/2522.

Институтом порошковой металлургии и Молодечненским заводом порошковой металлургии ведется работа по внедрению нового фрикционного материала «ФМ-12» на основе меди с повышенными фрикционными характеристиками. На рис. 1 представлены результаты сравнительных лабораторных испытаний экспериментальных образцов различных фрикционных материалов: «МК-5», «HS43» (Hoerbiger, Германия), «ШАДЕФ» и нового материала «ФМ-12», проведенных на инерционном стенде «ИМ-58» [4].

Рис. 1 Зависимость изменения коэффициента трения фрикционных материалов (f) в процессе торможения от скорости скольжения (V) для различных материалов: 1 - «МК-5»; 2 - «HS43»; 3 - «ШАДЕФ»; 4 - «ФМ-12»

Полученные результаты показали, что разработанный материал «ФМ-12» обладает наибольшим коэффициентом трения и обеспечивает существенно более плавное срабатывание фрикционного узла в процессе включения без резких ударов. Кроме того, неоспоримым преимуществом разработанного материала является отсутствие в его составе не только асбеста, применение которого ограничено директивой Европейского Союза 1999/77/ЕС, но и такого канцерогенного вещества, как свинец.

Разработанные фрикционные диски (рис. 2) в ПРУП «Молодечненский завод порошковой металлургии» и ГНУ «Институт порошковой металлургии» успешно используются для установки в КП различной техники, выпускаемой ПО МТЗ, РУПП МоАЗ, ОАО «Промтрактор», ОАО «Амкадор», ЗАО ПТЗ, а также проходят испытания опытные партии фрикционных дисков для спецтехники ОАО «Витязь» г. Ишимбай.

Рис. 2 Спеченные фрикционные диски с композиционным фрикционным слоем

Одной из особенностей конструкции фрикционных муфт с металлокерамическими накладками, предназначенными для установки в КП энергонасыщенной техники, является их работа в условиях полужидкостного или граничного трения. В этих условиях можно допустить значительно большие величины удельных давлений на поверхностях трения, чем в условиях сухого трения. Наличие масла в фрикционной муфте потребовало использования специальных каналов на поверхности фрикционной накладки, которые способствуют разрушению масляной пленки на поверхности трения при включении муфты, повышению коэффициента трения за счет отвода смазки от контактов трения, а также обеспечению интенсивного отвода тепла и продуктов износа. Площадь диска, занятая каналами, составляет 32,8-41,5 % [5] от общей площади трения.

На рис. 3 изображены примеры фрикционных дисков с маслоотводящими каналами на их поверхности. А на рис. 4 - влияние профиля этих каналов на коэффициент трения.

Рис. 3 Образцы фрикционных дисков с различным профилеммасляных канавок: а) без канавок; б) спиральные канавки; в) солнечные канавки; г) радиальные канавки; д) спирально-радиальные е) квадратные канавки

Рис. 4 Влияние конфигурации масляных канавок на изменение коэффициента трения фрикционного материала ФМ-12 в процессе торможения: 1 - без канавок; 2 - «солнечные» канавки; 3 - «солнечные» канавки в сочетании с взаимно перпендикулярными пазами

Диски с гладкими поверхностями (рис. 3, а) имеют низкий коэффициент трения ввиду того, что при включении муфты затруднено выдавливание масла из зазоров между трущимися поверхностями. Плохой подвод масла к поверхностям трения при буксовании дисков приводит к недостаточно эффективному охлаждению и их большому износу.

При спиральных канавках (рис. 3, б) затрудняется движение масла под действием центробежных сил в радиальном направлении. Такие канавки обеспечивают высокий коэффициент трения, но ухудшают отвод теплоты с поверхностей трения потоком масла. В результате повышается интенсивность изнашивания дисков [6, 7, 8, 9].

Дополнение такой формы канавок взаимно перпендикулярными пазами (рис. 3, д) позволяет повысить коэффициент трения за счет сокращения пути движения масла от внутреннего края диска к внешнему, что приводит к снижению температуры на поверхностях трения в процессе буксования.

Использование только радиальных канавок (рис. 3, г) приводит к образованию масляного клина за счет движущегося от центра к периферии масла, что снижает коэффициент трения, хотя такая форма каналов обеспечивает более эффективное охлаждение дисков и минимальные их износы вследствие хорошего подвода масла к поверхностям трения [5, 6, 7, 8].

Солнечные канавки (рис. 3, в) обеспечивают высокий коэффициент трения, а также хороший подвод масла в поверхностям трения.

Наибольшее распространение в современных конструкциях ФМ получили диски с канавками типа «квадрат» (рис. 3, г), которые обладают несколько лучшими фрикционно-износными свойствами по сравнению с остальными.

При износе фрикционного слоя на величину масляных канавок наблюдается уменьшение динамического коэффициента трения на 35 % [4] (кривая 5 рис. 4), что приводит к увеличению работы буксования и нагреву фрикционной пары; а также уменьшению коэффициента колебания момента трения, вследствие чего будет наблюдаться более жесткий процесс включения (ударное включение), что снижает долговечность фрикционной накладки.

Увеличение температуры поверхностей трения при уменьшении толщины слоя масляных канавок происходит также вследствие ухудшения отвода тепла и продуктов износа от поверхностей трения.

В результате анализа литературных источников была выявлена общая тенденция изменения коэффициента трения f от температуры (рис. 5).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5 Зависимость коэффициента трения от температуры в зоне фрикционного контакта

Влияние температуры Т в зоне контакта трущихся тел немонотонна (рис. 5). Это обусловлено суммарным эффектом изменения молекулярной и механической составляющих коэффициента трения. С ростом Т коэффициент трения снижается также вследствие уменьшения твердости материала и прочности адгезионных соединений на срез.

По мере приближения к T₀ падение коэффициента трения замедляется, поскольку уменьшение твердости материала способствует росту размеров и числа пятен контакта. Положение минимума кривой f(Т) зависит от свойств материалов пары трения, геометрии поверхностей и режимов нагружения. Отметим, что влияние температуры на коэффициент трения обусловлено не только приведенными причинами. При повышенных температурах возможны структурные преобразования поверхностных слоев, повышение их химической активности, образование новых соединений на поверхности трения.

Влияние температуры на коэффициент трения обусловливает также зависимость фрикционных характеристик узла трения от его конструкции, в частности от коэффициента взаимного перекрытия к_вз, представляющего собой отношение площадей поверхностей трения сопрягаемых тел, а также от теплофизических свойств этих тел, скорости скольжения и нагрузки.

Заключение

В результате проведенного анализа можно сделать вывод, что для работы в фрикционных муфтах тракторов наилучшим является материал «ФМ-12» с сетчатой структурой канавок. Однако даже незначительный износ фрикционного слоя приводит к уменьшению коэффициента трения, что ведет к увеличению работы буксования, температур поверхностей и, как следствие, ухудшает динамику работы фрикционной муфты трактора.

В связи с этим основной задачей обеспечения работоспособности тракторов, оснащенных гидроподжимными фрикционными муфтами в коробке передач при их технической эксплуатации является возможность безразборного индивидуального технического диагностирования ФМ разных передач, что позволит судить о величине износа фрикционных накладок на ведомых дисках, который в процессе эксплуатации непрерывно увеличивается и может достигать 80-85 % от общего числа дефектов [10].

Износ является главным определяющим параметром работоспособности КП с фрикционными муфтами. Поэтому для определения их технического состояния разработка средств технического диагностирования, позволяющих безразборным способом получать достоверную информацию о параметре износа, является наиболее эффективным решением данной задачи.

Литература

1. Мошкин, Н. И. Разработка автоматизированной технологии и средств технического диагностирования узлов и агрегатов автотранспортных средств сельскохозяйственного назначения: автореферат дис. … д-ра техн. наук: 05.20.03 / Н. И. Мошкин. Новосибирск, 2007. 43 с.

2. Сафонов, В. В. Метод повышения долговечности автотракторных трансмиссий / В. В. Сафонов, В. И. Цыпцын // Диагностика, надежность и ремонт машин: сб. науч. тр.; Моск. гос. агроинж. ун-т. М.: Изд-во Моск. гос. агроинж. ун-та, 2001. С. 11-16.

3. Зельцерман, И. М. Фрикционные муфты и тормоза гусеничных машин / И. М. Зельцерман, Д. М. Каминский, А. Д. Онопко. М.: Издательство «Машиностроение», 1965. 240 с.

4. Ильющенко, А. Ф. Спеченные металлокерамические фрикционные композиционные материалы и изделия / А. Ф. Ильющенко, А. А. Дмитрович, А. В.Лешок // Известия Национальной академии наук Беларуси. 2011. №2. С. 10-17.

5. Хренов, О. В. Металлокерамические фрикционные материалы / О. В. Хренов, А. А. Дмитрович, А В. Лешок // Теория и технология получения порошковых материалов. Минск, 2011. 42 с.

6. Шарипов, В. М. Конструирование и расчет тракторов / В. М. Шарипов. М.: Машиностроение, 2004. 592 с.

7. Шарипов, В. М. Конструирование и расчет тракторов / В. М. Шарипов. М.: Машиностроение, 2009. 752 с.

8. Шарипов, В. М. Проектирование механических, гидромеханических и гидрообъемных передач тракторов / В. М. Шарипов. М.: МГТУ «МАМИ», 2002. 300 с.

9. Сергеев, Л. В. Гидромеханические трансмиссии быстроходных гусеничных машин / Л. В. Сергеев, В. В. Кадобнов. М.: Машиностроение, 1980. 200 с.

10. Антипенко, Г. Л. Алгоритмы компьютерного диагностирования элементов трансмиссий строительно-дорожных машин / Г. Л. Антипенко, В. А. Роговцева // Вестник Могилевского государственного технического университета. 2005. №2. С. 17-20.

Размещено на Allbest.ru