Сила трения при контактировании цилиндрических стальных и полиуретановых деталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

СИЛА ТРЕНИЯ ПРИ КОНТАКТИРОВАНИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СТАЛЬНЫХ И ПОЛИУРЕТАНОВЫХ ДЕТАЛЕЙ

С.Г. Бишутин, Г.А. Бишутин, А.И. Карпенков

Аннотация

Представлены результаты экспериментальных исследований по оценке влияния геометрических размеров, силы прижатия и методов механической обработки деталей сопряжения «грузонесущая цилиндрическая штанга - ведущий полиуретановый ролик» фрикционных подъемников на силу трения в рассматриваемом сопряжении.

Ключевые слова: контакт; цилиндрические детали; сталь-полиуретан; сила трения; параметры трибосопряжения.

В настоящее время довольно широкое распространение (особенно в технических устройствах реабилитации инвалидов) получают фрикционные подъемники, работающие за счет создания необходимой силы трения в сопряжении «грузонесущая цилиндрическая штанга - ведущий ролик». Необходимую силу трения создают путем формирования в контакте деталей данного сопряжения значительных давлений и/или искусственного увеличения высоты микронеровностей рабочей поверхности грузонесущей штанги. Такие решения приводят к увеличению стоимости фрикционных подъемников и повышенному износу ведущих роликов, облицованных полиуретаном. В связи с этим возникает необходимость определения рациональных условий контактирования указанных деталей.

В рассматриваемой паре трения ведущий ролик (рис.1), облицованный полиуретаном, контактирует со стальной цилиндрической поверхностью грузонесущей штанги. Полиуретаны представляют собой полимерные материалы, получаемые в результате полимеризации двухатомных спиртов (гликолей) и полиэфиров разного химического состава. Полиуретан характеризуется высокими физико-химическими и эксплуатационными свойствами, что позволяет применять его во многих отраслях промышленности с высокими требованиями к свойствам материала [1-3].

Для изготовления грузонесущей цилиндрической штанги используют прокат в виде труб различного диаметра, выполненных, как правило, из коррозионно-стойких сталей. Рабочую поверхность штанги в основном не подвергают дополнительной обработке, реже применяют механическую обработку. Известны случаи, когда грузонесущую штангу облицовывали наждачной бумагой для увеличения силы трения в контакте с ведущими роликами.

Для имитации работы сопряжения «грузонесущая стальная штанга - полиуретановый ведущий ролик» фрикционного подъемника был изготовлен стенд (рис.2). Стенд представляет собой рамную конструкцию, состоящую из магнитной стойки 1 с индикатором часового типа, испытуемого полиуретанового ролика 2, динамометра 3 типа ДОР-0.3 (ГОСТ 9500-60), стального цилиндрического образца 4, подставки 5, груза 6 на подвесе. Такая конструкция стенда позволяет измерять силу трения при контактировании цилиндрических стальных и полиуретановых деталей с заданной точностью.

Сила трения определялась на этом стенде следующим образом. Полиуретановый ролик 3 заключается в рамку 4 и опирается на её ось (рис. 3). К рамке через шарнирные стержни крепится поперечина 10 с подвесом 11. На подвес 11 устанавливаются грузы 12. Меняя число грузов, можно создать требуемую силу прижатия полиуретанового ролика к стальному образцу. К рамке 4, в месте присоединения к ней поперечины, прикреплены тяги 5, которые имеют шарнирное соединение с планкой 6. К планке 6 присоединен динамометр 7, шарнирно соединенный с тяговым винтом 8. Винт 8 имеет рукоять 9 для его вращения. При повороте рукояти 9 полиуретановый ролик 3 начинает смещаться относительно стального образца, и динамометр 7 фиксирует возникающую силу трения.

Индикатор 2 для фиксирования величины смятия ролика устанавливается на магнитной стойке 1. Измерительный наконечник индикатора контактирует с роликом 3. Перед приложением нагрузки индикатор устанавливается на «ноль», после приложения нагрузки он показывает величину смятия полиуретанового ролика.

При проведении экспериментов использовались трубы различных диаметров (D_ст=80…160 мм) из стали 45 и ролики диаметром 60…80 мм, облицованные полиуретаном и отличающиеся своими механическими свойствами.

Наружную цилиндрическую поверхность стальных образцов подвергали точению. Точение выполнялось проходным резцом с твердосплавной пластиной с глубиной резания 0,4…0,6 мм, подачей 0,2 мм/об при частоте вращения шпинделя токарного станка 400 мин^-1. В результате такой обработки на цилиндрической поверхности стальных образцов были сформированы микронеровности, высота которых по параметру Ra составила 2,5…3,7 мкм.

В ходе экспериментов варьировался угол б поворота оси ролика относительно оси стального образца (рис. 3). Значение угла б определяли с помощью двух подвесов, которые крепились на стержне ролика. Подвесы образовывали визирную плоскость для определения точного значения катета треугольника, острый угол которого численно равен величине б.

Каждый эксперимент повторялся по три раза. Затем определялись средние значения контролируемых величин. Результаты экспериментов сведены в таблицу.

Анализ полученных результатов показывает, что максимальное значение силы трения наблюдается при б = 4…8. Практически во всех случаях большая сила трения достигалась при использовании полиуретана с твердостью 70…80 ед. по Шору (исключение составляет ряд экспериментов при б=0). С увеличением диаметра стального образца от 80 до 120 мм сила трения увеличивается в среднем на 15…20%. При дальнейшем увеличении диаметра стального образца до 160 мм сила трения меняется незначительно. Следует также отметить наличие тесной корреляционной связи между силой трения и величиной смятия полиуретанового ролика (коэффициент парной корреляции - более 0,9). Сила трения увеличивается при росте нагрузки на ролик по зависимости, близкой к линейной.

Влияние методов механической обработки на силу трения в рассматриваемом контакте оценивалось на основе серии экспериментов. В первой серии экспериментов полиуретановый ролик контактировал со стальным цилиндрическим образцом, который был подвергнут точению, при этом сила трения определялась при различных нагрузках. Диапазон нагрузок на полиуретановый ролик составлял от 300 до 600 Н. Вторая и третья серии экспериментов были проведены в аналогичных условиях на стальных образцах, подвергнутых абразивной и отделочно-упрочняющей обработке. Режимы подбирались таким образом, чтобы высота шероховатости поверхности была такой же, как и в случае токарной обработки образцов.

Затем были составлены отношения F сил трения в контакте ролика с образцами, обработанными различными методами, к соответствующим величинам этих сил, полученным в опытах с образцом, подвергнутым токарной обработке. Для абразивной обработки F=1,15…1,22, для отделочно-упрочняющей обработки F=0,85…0,92.

Полученные данные показывают, что большая сила трения, при прочих равных условиях, наблюдается в контакте полиуретанового ролика со шлифованной цилиндрической поверхностью стального образца. Это может объясняться более развитым микрорельефом шлифованной поверхности по сравнению с микрорельефами, сформированными при других исследованных методах обработки.

Анализ результатов исследований позволяет сделать следующие выводы и рекомендации по обеспечению силы трения в рассматриваемом сопряжении:

1. Для надежной работы пары трения «грузонесущая цилиндрическая штанга - ведущий ролик» целесообразно использовать штангу диаметром 100…120 мм; диаметр ведущего ролика должен быть не менее 80 мм, угол его наклона относительно оси штанги - 4…8.

2. В качестве финишного этапа обработки грузонесущей штанги можно рекомендовать абразивную обработку, поскольку в этом случае в рассмотренном сопряжении будет большее значение силы трения.

3. Контролировать силу трения в реальном сопряжении можно по величине смятия полиуретанового ролика, так как между этими величинами существует тесная корреляционная взаимосвязь.

Таблица 1. Результаты экспериментальных исследований трения полиуретановых роликов о сталь

Примечание. D_ст - диаметр стального образца; P - сила прижатия ролика к стальному образцу; Д - смятие ролика; б - угол поворота оси ролика относительно оси стального образца; А_тр - число делений шкалы динамометра; F_тр - сила трения; механическая обработка стального образца - точение.

механический деталь полиуретановый трение

Список литературы

1. Белый, В.А. Трение и износ материалов на основе полимеров / В.А. Белый, А.Н. Свириденко, М.И. Петроковец, В.Г. Савкин. - Минск: Наука и техника, 1976. - 432 с.

2. Булатов, Г.А. Полиуретаны в современной технике / Г.А. Булатов. - М.: Машиностроение, 1983. - 272 с.

3. Полимеры в узлах трения машин и приборов: справочник / под ред. А.В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 1988. - 328 с.

Размещено на Allbest.ru