Выбор схемы лабораторных испытаний при оценке износа кулачковых пар

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выбор схемы лабораторных испытаний при оценке износа кулачковых пар

БАБАК О.П.

Совершенствование узлов трения, повышение их надёжности и долговечности являются одним из приоритетных направлений повышения качества и конкурентоспособности машин оборудования.

Современные темпы экономического развития выдвигают все более жёсткие требования к срокам обновления оборудования и приборов. Это в свою очередь требует сокращения периода проектирования изделий и их доводки. В значительной степени этому способствует сокращение объёма стендовых и натурных испытаний объёктов за счет повышения точности и достоверности расчётных методов, и в частности методик оценки величины износа и долговечности по критерию изнашивания.

Основную сложность при расчетах представляют определение триботехнических свойств материалов, которые, как известно, зависят от большого числа факторов 1. Наиболее желательно определение этих значений из закономерностей, полученных на основе изучения физики процесса изнашивания 1,2.

При отсутствии необходимых данных практически можно проводить испытания образцов сопряжённых материалов, используя эти результаты для расчета сопряжений 1.

Триботехнические испытания, согласно И.В. Крагельскому 3, следует проводить в четыре этапа:

физико-механические лабораторные испытания материалов;

лабораторные испытания пар трения;

стендовые испытания узлов трения;

натурные испытания узлов трения в машинах.

Аналогичная последовательность поэтапных испытаний на трение и изнашивание предлагается в работах И.И. Карасика 4, М.М. Тененбаума 5, Э.Д. Брауна и И.А. Буяновского 6.

Физико-механические лабораторные испытания материалов 3 или испытания первой категории 4,5 проводят для выявления отдельных свойств материала, определяющих его поведение при изнашивании 5.

Примером испытаний первой категории являются испытания материалов путём их истирания о шкурки, применимые для материалов и их сплавов, пластмасс, дерева и других материалов разработанные В.Д. Кузнецовым 7, С.Б. Ратнером 8, М.М. Тененбаумом 9, М.М. Хрущёвым и М.А. Бабичевым 10, Л.Ю. Пружанским 11.

К первой категории относятся испытания на прирабатываемость на машине Х2Б М.М. Хрущёва путём вытирания лунки в поверхностном слое 12, испытания образцов материалов путем их истирания о латунную сетку 13, для оценки смазывающего действия различных жидкостей, исследования природы и эффективности смазывающего действия 14. Общей характеристикой всех методов, относящихся к этой категории испытания, является выделение в качестве объекта исследования какого-то одного свойства или процесса 5. А приоритетной областью их применения являются: сравнительная оценка и аттестация новых материалов, контроль стабильности триботехнических свойств в процессе производства, рекомендации по допустимым режимам нагружения в эксплуатации 4.

Лабораторные испытания пар трения 3 или испытания второй категории 4, 5 также проводятся в лабораторных условиях на образцах материалов, и характеризуется воспроизведением определенного вида изнашивания за счет регламентирования условий внешнего воздействия 5.

Исследования износостойкости материалов проводятся при различных видах изнашивания, в том числе при схватывании 16, абразивном изнашивании 5, 7, 10, гидроабразивном изнашивании 17, кавитации 18, 19, питинге 20. При таких испытаниях можно получить ряд показателей износостойкости, качественно соответствующих эксплуатационным данным, если конструктивные факторы мало сказываются на изнашивании деталей 3,5.

Стендовые испытания узлов трения 3 или испытания третей категории 4,5 позволяют оценивать показатели износостойкости деталей и их сопряжений в натуре с учетом влияния конструктивных и технологических факторов 5. На стендах возможно проведение испытаний практически любых деталей и узлов. При этом возможны испытания как натурных, так и специально изготовленных образцов. Хотя в последнем случае не должно исключаться влияние на износостойкость конструктивных факторов. В стендовых испытаниях наилучшим образом сочетаются чистота и точность лабораторных экспериментов с реальностью объектов исследования и условий их работы 5.

Натурные испытания узлов трения в машинах 3 или испытания четвёртой категории (эксплуатационные) 4, 5 составляют заключительную часть в системе испытаний на трение и изнашивание.

Как отмечается в работе 21, стендовые и эксплуатационные испытания применяются с целью усовершенствования уже существующих конструкций. В то же время на ранних стадиях проектирования неоспоримый приоритет имеют расчетные методы.

С развитием методов расчета износостойкости (и в целом трибологии) роль испытаний первых двух категорий должна все больше возрастать, что позволит расширить возможности управления качеством на начальных стадиях жизненного цикла продукции 4.

Вместе с тем, физико-механический лабораторные испытания материалов в настоящее время имеют преимущественно теоретический, а не прикладной характер 21, и поэтому практически наиболее полезным являются лабораторные испытания пар терния (испытания второй категории).

Современный уровень развития испытаний на трение и изнашивание вообще и второй категории в частности, характеризуется большим разнообразием схем испытаний. Так в работе 22 приведено 38 схем испытаний материалов и 18 схем испытаний смазок, в работе 23 приведено 32 схемы, в работе 24 - 10 схем, в работах 11, 25 по 7 схем. В работе А.В. Раффа 26 приводится 4 схемы испытаний, которые лежат в основе стандартов США и Версальского комитета по материалам и стандартам (VAMAS). В работе В.В. Невзорова 27 подробно рассмотрены три схемы испытаний, которые рекомендуются для стандарта ИСО по оценке триботехнических свойств пластмасс и применяются во Франции, ФРГ, Австрии и странах СНГ. В работе В.А. Войтова 28 описано 14 схем контакта для лабораторных испытаний. В [29] приведено и проанализировано 9 схем контактирования образцов при испытании материалов и 5 схем для трибологических испытаний и смазок.

Значительным разнообразием отличается и экспериментальное оборудование для испытаний на трение и изнашивание. Так в работе 22 приведены технические характеристики шести выпускаемых серийно установок производства стран СНГ, 8 установок производства японских фирм и 4 установок производства фирм ФРГ и США. А также приведена характеристика 35 приборов, установок и машин для трибологических исследований и испытаний. В 24 упоминается про анализ 138 машин и стендов для исследования трения и изнашивания материалов и приведены сведения о 10 устройствах, выпускаемых научным центром триботехнологий (Польша). В работе 25 приведены сведения о 15 машинах трения и инерционных стендах, выпускаемых в Украине, России, Белоруссии, Англии, США, Японии и Италии. В 30 приведено описание и схемы около 200 машин и стендов, из которых почти 50 предназначены для испытаний на трение и изнашивание. В работе 31 приведены сведения и описания 34 машин трения различных конструкций, а также 13 фрикционных стендов.

Лабораторные испытания сводятся к получению необходимой информации о натуральном объекте с помощью более простого объекта-модели 6. Это возможно лишь при условии обеспечения единой физической природы явлений, происходящих в изучаемом объекте и в используемой исследователем модели 6. Таким образом, практическую ценность представляют лишь такие методы лабораторных испытаний, при которых могут воспроизводится условия работы трущихся пар близкие к натурным 25. трение оборудование прибор триботехнический

В большинстве исследований, посвященных проблеме трибологических испытаний, в качестве основной предпосылки объективности результатов лабораторных испытаний выдвигаются требования об идентичности процессов в модельных сопряжениях и натурных узлах в частности обеспечения одинакового вида изнашивания.

В работах 6, 21, 22, 29, 32 в качестве первоочередного условия для обеспечения этого требования утверждается необходимость сохранения идентичности геометрической формы контактирующих элементов. Так, в работе 6 речь идет "…воспроизведении условий механики контакта…"; в 21 - об "…обеспечении одинаковой геометрической формы контактирующих тел…; в 22 - говорится о том, что "…важной конструктивной характеристикой является макрогеометрия контакта исследуемых образцов…".

Таким образом, существенное разнообразие геометрических форм сопрягаемых деталей современных машин объективно обуславливает разнообразие схем контактирования при лабораторных испытаниях узлов трения, и подтверждает то обстоятельство, что основополагающим критерием систематизации таких испытаний является именно геометрическая форма контактирующих элементов.

Наиболее часто встречается следующая макрогеометрия трибологического контакта 22:

выпуклая поверхность с плоской поверхностью (цилиндр - плоскость, шар - плоскость);

плоская поверхность с плоской поверхностью;

выпуклая поверхность с вогнутой поверхностью (цилиндр с цилиндром, шар с шаром, конус с цилиндром и т.д.).

В последние годы в Трибоцентре Технологического университета Подолья под руководством проф. Кузьменка А.Г. активно и плодотворно разрабатываются методы испытаний на трение и износ. Основой этих методик трибологических испытаний является использование экспериментально проверенных, физически обоснованных закономерностей изнашивания и полученных с их использованием решений прямых и обратных износоконтактных задач. Такой подход был использован при оценке износостойкости режущего инструмента и клиньев кулирного механизма трикотажных машин с использованием испытаний по схеме клин - плоскость 33 - 36, при расчетном определении износа сферических элементов дробильных плит, с привлечением экспериментальных данных об испытаниях по схеме шар - плоскость37 - 41. В работе 42 такой же подход используется при разработке метода испытаний на износ по четырех шариковой схеме.

Использование данного подхода позволяет существенно сократить объем экспериментальных исследований, поскольку в ходе испытаний при постоянной нагрузке изменяется площадка контакта, т. е. в ходе одного опыта давления изменяются в некотором диапазоне. С другой стороны такая методология позволяет учитывать неустановившийся режим изнашивания, что, как показывают многие исследования 11, 39, 41, 43, 44, является существенным фактором, значительно влияющим на точность и достоверность результатов.

В современной экономике автомобильный транспорт занимает значительную и стабильную часть рынка в сфере перевозки грузов и товаров. При этом состояние подвижного состава определяет как своевременность и качество предоставляемых услуг, так и уровень вредного воздействия на окружающую среду. Последнее обстоятельство является чрезвычайно важным, поскольку вредные выбросы, получаемые в результате сгорания автомобильного топлива, относятся к числу основных загрязнителей атмосферы. В то же время значительная часть автомобильного парка, как грузового, так и легкового, эксплуатируется в населенных пунктах, поэтому техническое состояние автомобилей и топливная экономичность их двигателей выходят на первоочередной план в обеспечении нормальных условий работы и здоровья людей.

Одной из основных систем автомобиля, определяющих уровень вредных выбросов, является система газораспределения [45, 46]. Газораспределительный механизм содержит большое количество пар трения, однако, наиболее нагруженным и подверженным износу является сопряжение "кулачок - толкатель" или "кулачок - коромысло" [45 - 47]. Для обеспечения нормального технического состояния двигателя в целом и его отдельных систем используется система периодического обслуживания, которая включает, как регулировку узлов, так и замену деталей. Для обеспечения высокой эффективности эксплуатации обязательным условием является определение ресурса деталей и агрегатов, и, прежде всего узлов трения. В связи с высокой актуальностью названной ранее проблемы в Трибоцентре была разработана методика испытаний для такого класса сопряжений [32, 48].

Учитывая геометрию контактирующих поверхностей, в качестве схемы для лабораторных испытаний была выбрана схема "вращающийся цилиндр - плоскость".

Схема испытаний "цилиндр - плоскость" является достаточно распространенной в лабораторной практике. При проскальзывании цилиндра она имеет место, например, в кулачковых механизмах. Такая же схема контактирования реализуется при взаимодействии колеса автомобиля или подвижного железного состава с полотном дороги или рельсом только в условиях относительного качения.

Испытания по схеме "вращающийся цилиндр - плоскость" при относительном скольжении используются в лабораторной практике достаточно давно. Так в работах М.М. Хрущева и др. 10,49 на основе такого рода испытаний оценивалась прирабатываемость материалов.

В работе 49 на основании результатов непрерывных 17-и суточных испытаний, выполненных Коннели, построена зависимость интенсивности изнашивания от давлений. При этом экспериментально определялась величина допустимого давления для единого сочетания материалов и принятых условий испытаний. Безусловно, использование этих данных для других случаев имеет объективные ограничения, а их использование при расчетной оценке износа сопряжений является невозможными.

В работе Л.Ю. Пружанского 11 приводятся результаты, полученные автором, а также другими исследователями. Результаты испытаний в этой работе используются для оценки, как прирабатываемости, так и для величины допустимого давления.

Теоретическую основу методики лабораторных трибологических испытаний кулачковых механизмов с использованием схемы "вращающийся цилиндр - плоскость", разработанной под руководством проф. Кузьменка А.Г., составляют решения износоконтактной задачи для жесткого цилиндра и плоскости [50]. Вопросы практического применения, методики экспериментального определения триботехнических характеристик материалов с описанием оборудования и приспособлений, а также расчетной оценки износа сопряжений рассмотрены в работах [32, 48].

Литература

1. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн. Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. - М.: Машиностроение, 1978. - К.1. 1978. 400с.

2. Проников А.С. Надежность машин - М. Машиностроение, 1978. - 592 с.

3. Крагельский И.В. Трение и износ. - М. Машгиз. 1962. - 383с.

4. Карасик И.И. Основные направления комплексной стандартизации и контроля триботехнических показателей// Стандартизация методов контроля триботехнических показателей качества. - М.: ВНИИНМАШ, 1987. - С. 6 - 14.

5. Тененбаум М.М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин. - М.: Машиностроение, 1966. - 331с.

6. Браун Е.Д., Буяновский И.А. Тенденции развития методов триботехнических испытаний (обобщающая статья)// Заводская лаборатория. - 1997. - Т.63. - №1. - С. 31 - 44.

7. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела. Т.4. - Томск: Полиграфиздат, 1947. - 513с.

8. Ратнер С.Б. Методы оценки изнашивания полимерных материалов на изнашивание.-М.: Изд-во АН СССР, 1962. - С. 71 - 84.

9. Тененбаум М.М. Лабораторная оценка износостойкости сталей при трении о песчаную шкурку // Вестник машиностроения. - 1956. - №8. - С. 18 - 25.

10. Хрущёв М.М., Бабичев М.А. Исследование изнашивания материалов. - М.: Изд-во АН СССР, 1960. - 351с.

11.Пружанский Л.Ю. Исследование методов испытаний на изнашивание. - М.: Наука, 1978. - 116 с.

12.Хрущев М.М. исследование приработки подшипниковых сплавов и цапф. - М.: Изд-во АН СССР, 1946. - 160с.

13. Ратнер С.Б., Колесник Г.С. Испытания резины на износ по металлической сетке// Заводская лаборатория. - 1959. - №11. - С. 37 - 44.

14. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. - М.: Физматиздат, 1963. - 472 с.

15. Матвеевский Р.М. Температурный метод оценки предельной смазочной способности масел. - М.: Изд-во АН СССР. 1956. - 143 с.

16. Семенов А.П. Схватывание металлов - М.: Машгиз, 1958. -280 с.

17. Козырев С.П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации. -М.: Машиностроение, 1964. - 274 с.

18. Богачев И.Н., Минц Р.И. Кавитационное разрушение железоуглеродистых сплавов. - М.: Машгиз, 1959. - 111 с.

19. Гликман Л.А. Коррозионно - механическая прочность металлов. - М.-Л.: Машгиз, 1955. - 201 с.

20. Трубин Г.К. Контактная усталость материалов для зубчатых колес. - М.: Машгиз, 1962. - 404 с.

21. Пасічник О.А., Кузьменко А.Г., Бабак О.П. Вибір схеми лабораторних трибологічних випробувань та врахування масштабного фактора// Вісник Технологічного університету Поділля. - 2001. - №3. Ч.1. - С. 39 - 41.

22. Справочник по триботехнике. В 3-х т. Т.3. Триботехника антифрикционных, фрикционных и сцепных устройств. Методы и средства триботехнических испытаний/ Под общ. ред. М.Хебды, А.В.Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 1992. - 730 с.

23. Крагельский И.В., Добычмн М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - 426 с.

24. Пекошеввски В., Потеха В., Щерек М., Вишневски М.Системный анализ методологии трибологических испытаний конструкционных материалов// Трение и износ. - 1996. - Т. 17. - №2. - С. 178 - 186.

25. Балакин В.А., Сергиенко В.П. Испытания на фрикционную теплоскойкость// Трение и износ. - 1992. - Т. 13. - №1. - С. 48 - 53.

27. Невзоров В.В. Вопросы стандартизации трибологических испытаний на накопления справочных данных по антифрикционным материалам на основе полимеров// Трение и износ. - 1991. - Т.12. - №4. - с687-696.

28. Войтов В.А. Конструктивная износостойкость узлов: В 2-х ч./- Харьков: Центр Леся Курбаса, 1997. Часть II. Методология моделирования граничной смазки в гидромашинах. - 154 с.

29. Основы трибологии (трение, износ, смазка) / Э.Д. Браун, Н.А. Буше, И.А. Буяновський и др./ Под. Ред. А.В. Чичинадзе. - М.: Центр "Наука и техника", 1995. - 778 с.

30. Машины и стенды для испытания деталей / Под ред. Д.Н. Решетова. -.М.: Машиностроение, 1979. - 343 с.

31. Словарь - справочник по трению, износу и смазке деталей машин/ В.Д. Зозуля, Е.Л. Шведков, Д.Я. Ровинский, Э.Д. Браун, Отв. Ред. И.М. Федорченко. - К.: Наук. думка, 1990. - 264 с.

32. Бабак О.П., Кузьменко А.Г., Пасечник А.А. Лабораторные испытания по схеме "вращающийся цилиндр-плоскость"// Проблемы трибологии. - 2000. - №3, 4 (15). - С. 87-89.

33. Кузьменко А.Г., Кузьменко Г.А., Нассер Г.А. Трибоконтакт жесткого клина и плоскости// Проблеми трибології. - 1997. - №4(6). - С. 119 - 142.

34. Кузьменко А.Г., Нассер Г.А. Трибоконтакт жесткого клина и плоскости при неустановившемся режиме изнашивания// Проблеми трибології. - 1998. - №1(7). - С. 129 - 146.

35. Кузьменко А.Г., Кудрявцев В.Г. Решение задачи о вдавливании клина вариационно-экспериментальным методом// Проблеми сучасного машинобудування. - Хмельницький: ТУП. - 1996. - С. 76 - 79.

36. Кузьменко А.Г., Нассер Г.А., Бабак О.П. Методика лабораторных испытаний на износ по схеме "клин-плоскость" клиньев трикотажных машин// Вісник Технологічного університету Поділля. - 2000. - №5. Ч.1. - С. 73 - 77.

37. Кузьменко А.Г., Сытник С.В., Кузьменко Г.А. Жесткий контакт шара и плоскости с износом// Проблеми трибології. - 1998. - №2(8). - С. 21 - 40.

38. Кузьменко А.Г., Сытник С.В., Кузьменко Г.А. Жесткий контакт шара и плоскости с износом. Сообщение 2// Проблеми трибології. - 1998. - №2(8). - С. 82 - 103.

39. Кузьменко А.Г., Сытник С.В., Кузьменко Г.А. Жесткий контакт шара и плоскости с учетом износа. Неустановившийся износ// Проблеми трибології. - 1998. - №3(9). - С. 27 - 35.

40. Кузьменко А.Г., Сытник С.В., Кузьменко Г.А. Методы испытаний на износ по схеме шар-плоскость (методы ШАРП)// Проблеми трибології. - 1998. - №4(10). - С. 36 - 43.

41. Кузьменко А.Г., Сытник С.В. Методы испытаний на износ// Проблеми трибології. - 1999. - №2(12). - С. 38 - 109.

42. Кузьменко А.Г., Дыха А.В. Метод испытаний на износ со смазкой по четырехшариковой схеме (теория износа шаров в ЧШМ)// Проблеми трибології. - 2000. - №3(15). - С. 30 - 40.

43. Кузьменко А.Г., Кузьменко В.А., Нассер Г.А. Модели переходных процессов при изнашивании// Проблеми трибології. - 1997. - №3(5). - С. 81 - 117.

44. Пружанский Л.Ю. Истираюшая способность обработанной поверхности, - М.: Наука, 1975. - 64 с.

45. Бухарин Н.А., Прозоров В.С., Щукин М.М. Автомобили. - Л.: Машиностроение, 1973. - 504 с.

46. Ленин И.М., Попык К.Г., Малашкин О.М. Автомобильные и тракторные двигатели. - М.: Высшая школа, 1969. - 656 с.

47. Степурин П.В. Теоретические исследования трения и изнашивания рабочих поверхностей кулачковых механизмов// Трение и износ. - 1998. - №6. - С. 739 - 743.

48. Кузьменко А.Г., Бабак О.П. Метод испытаний на износ по схеме "вращающийся цилиндр-плоскость"// Проблемы трибологии. - 2000. - №2 (14). - С. 116 - 122.

49. Хрущев М.М. Исследование приработки подшипниковых сплавов и цапф. - М. - Л.: Изд-во АН СССР, 1946. - 213 с.

50. Кузьменко А.Г., Фельдман М.Н., Бабак О.П. Контактная задача с учетом износа для жесткого цилиндра на жесткой плоскости// Проблеми трибології. - 1996. - №1. - С. 43 - 58.

Размещено на Allbest.ru