CC BY
39
Королев Альберт Викторович -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета
Ивлюшина Ирина Михайловна -
преподаватель Вологодского государственного технического университета
Комиссаров Александр Игоревич -
студент кафедры «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета
Korolev Albert Viktorovich -
Doctor of technical sciences, professor, head of Department «Technology of mechanical engineering» Saratov State Technical University
Ivlyushina Irina Mikhailovna -
Teacher of the Vologda State Technical University
Komissarov Alexander Igorevich -
Student of the Department «Mechanical Engineering» of Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 11.05.2011, принята к опубликованию 24.06.2011
УДК 621.9.06.08
Ю.А. Кривошеин, М.В. Виноградов
АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ МНОГОСТУПЕНЧАТЫХ ФРИКЦИОННЫХ ПЕРЕДАЧ ПРЕЦИЗИОННОГО ТОКАРНОГО МОДУЛЯ
Рассмотрены вопросы взаимодействия элементов трибосопряжений многоступенчатых фрикционных передач.
Фрикционная передача, трибосопряжение, скольжение
Ju.A. Krivoshein, M.V. Vinogradov
THE ANALYSIS OF PARAMETERS MULTISTAGE FRICTION GEARS OF THE PRECISION TURNING MODULE
Questions offrictional contact of elements of multistage friction gears are considered.
Friction gear, friction, sliding
В современном автоматизированном прецизионном технологическом оборудовании и контрольно-измерительных машинах все более широко применяются многоступенчатые фрикционные передачи, позволяющие при определенных условиях обеспечить показатели точности, недостижимые с помощью других механических передач. Например, применение многоступенчатых фрикционных передач в металлорежущих станках (МРС) обеспечивает при их рациональной компоновке значительное упрощение кинематических цепей, высокий
КПД (до 98%), отсутствие люфтов, приемлемую технологичность, низкий уровень вибраций, плавность перемещений [3].
Однако опыт промышленной эксплуатации приводов с такими передачами выявил ряд факторов, снижающих их эксплуатационную надежность. Сложный характер физико-технических процессов в трибосопряжениях (ТС) фрикционных передач обусловливает необходимость исследования влияния состояния поверхностей сопрягаемых элементов на характер их взаимодействия, определяющий функциональную надежность.
Системный анализ взаимодействия элементов ТС фрикционных передач и исследование их поверхностей после стендовых испытаний и производственной эксплуатации показывают, что поверхностные слои изменяются в основном под действием знакопеременных деформаций в зоне контакта, а также в результате действия физических и химических полей окружающей среды.
Тяговые свойства фрикционных многоступенчатых передач во многом определяются величиной коэффициента трения между элементами их ТС. Основная зависимость, определяющая работоспособность фрикционных передач, имеет вид [1]
р • I = ре-Р, (1)
где Р - сила прижатия роликов; / - коэффициент трения; ¡Зс - запас сцепления (для силовых передач ¡Зс = 1,2... 2,0; для приборных ¡Зс = 2,0...3,0); - передаваемая окружная сила.
Из уравнения (1) видно, что для обеспечения функциональной надежности фрикционных передач необходимо обеспечить стабильное и высокое значение коэффициента трения между элементами их ТС, что позволит уменьшить требуемую силу прижатия. Геометрические и кинематические соотношения фрикционных передач определяются при условии отсутствия проскальзывания между рабочими телами. Скольжение в этих передачах нарушает равномерность движения ведомого звена, приводит к износу поверхностей элементов ТС. Различают три вида скольжения: упругое скольжение, буксование и геометрическое скольжение [2].
Передача движения фрикционными передачами сопровождается упругим скольжением - относительным перемещением точек соприкосновения взаимодействующих элементов, обусловленным различием их упругих деформаций в месте соприкосновения и в направлении передачи движения. Упругие ролики ТС фрикционной передачи, прижатые один к другому, в результате упругих деформаций соприкасаются по поверхности (рисунок). Ширина поверхности касания для ТС ролик - ролик [2]
Ъ =
для ТС ролик - шток
4 0-Р-Г •г1
к (г + г2) • I
ъ = ^^, (3)
V к-1
где 0 = (1 - )/ Е1 + (1 - т22)/ Е2; г1 - радиус роликов; I - длина площадки касания; ¡11 - коэффициент Пуассона (¡т = 0,3 для стали); Е - модуль упругости (Е = 2,1 х 105 МПа для стали).
При больших усилиях прижатия на площадке касания возникают значительные контактные напряжения, носящие переменный характер. Под действием моментов М1 и М2, а также сил трения в месте соприкосновения Ъ21 или Ъ12 элементы роликов сжимаются и растягиваются в разных зонах взаимодействия. По периметру поверхностей роликов в месте соприкосновения можно выделить три характерные зоны. На ведущем ролике в зоне 11 происходит сжатие и искривление поверхностных слоев, уменьшающееся по мере удаления от поверхности, далее в зоне 111 они находятся в сжатом состоянии, затем в зоне Ш1 происходит их растяжение. На ведомом ролике в зоне 12 происходит растяжение поверхностных слоев,
101
уменьшающееся в глубину от поверхности, при этом точки на поверхности ролика 1 скользят относительно точек на поверхности ролика 2. В зоне 112 поверхностные слои находятся в растянутом состоянии, при этом точки роликов 1 и 2 относительно друг друга неподвижны, их скорости У1 и У2 одинаковы, В зоне Ш2 растягивающие усилия снимаются и поверхностные слои ролика 2 сжимаются, при этом точки на поверхности ролика 2 скользят относительно точек на поверхности ролика 1. Так как скольжение точек колеса 2 относительно точек колеса 1 направлено навстречу скорости У2, недеформированные элементы ролика 2 движутся с меньшей окружной скоростью, чем скорость элементов ролика 1. Угловая скорость со2 меньше величины, обусловленной только геометрическими соотношениями неде-формируемых тел. Передаточное отношение
i _ «1 _ Г2 4-2
«2 Г1
= « = Г2(1 + Х), (4)
где X - коэффициент упругого скольжения, для пары сталь по стали X = 0,001 - 0,003 [64].
Без упругого скольжения передача движения в фрикционных механизмах невозможна, для обеспечения высокого модуля упругости, уменьшения скольжения и гистерезисных потерь на деформацию, высокой контактной выносливости, стойкости к износу и заеданию, высокой теплопроводности элементов ролики фрикционных передач изготавливают из легированных сталей и подвергают закалке до твердости ИЯС 55.. .60 с обеспечением низкой шероховатости поверхностей трения (Яа = 0,32...1,23 мкм).
Для того чтобы в рассматриваемых фрикционных передачах с параллельными валами не происходило геометрического скольжения, линия контакта элементов ТС должна быть параллельна валам.
Буксование возникает при перегрузках, когда передаваемая сила Б12 больше силы трения Б21 (рисунок). В этом случае ведомое звено затормаживается или даже останавливается, а ведущее продолжает двигаться, вызывая выделение теплоты и местный износ рабочей поверхности ведомого звена, нарушая его правильную форму, следствием чего являются вибрации и удары.
При больших усилиях прижатия переменные контактные напряжения при многократном приложении вызывают усталостное разрушение поверхностей элементов ТС, при небольших усилиях прижатия возможно пробуксовывание под воздействием нагрузки на фрикционную передачу, что может привести к интенсивному локальному изнашиванию поверхностей элементов и изменению их геометрии (появлению лунок и лысок), вызывающему неравномерность скорости выходного звена, появлению ударных нагрузок, что обусловливает возрастание вибраций, увеличение потерь в фрикционной передаче, то есть приводит к функциональным отказам при эксплуатации.
Используемые в приводах подачи на токарных модулях типа ТПАРМ многоступенчатые фрикционные передачи имеют ограничения по величине развиваемой силы на штоке, причем верхний предел, в наиболее нагруженном ТС, связан с величиной контактного напряжения сжатия, определяемого уравнением Герца-Беляева [2]
б > б = 0,418
сж.доп сж.тах '
F■E (5)
и ■ p•
где бсж.доп - допускаемое контактное напряжение сжатия (для закаленной стали бсж.доп = 800 МПа); E = 2^ ■ E2/(E1 + E2) - приведенный модуль упругости; р = г1 ■г2/(г1 + г2 ) - приведенный радиус кривизны.
Нижний предел связан с пробуксовкой роликов в случае, когда сила резания становится сравнимой с FIптmax . В первом случае снижается долговечность фрикционной передачи, во втором - резко снижается эксплуатационная надежность приводов подачи и всего модуля в целом.
Анализ передаточного отношения многоступенчатых фрикционных передач приводов подачи показывает, что проскальзывание элементов их ТС необходимо учитывать введением в формулу передаточного отношения коэффициента относительного скольжения Хс
№ г2
'фп
№
г (1 - хс)
(6)
Сохранение постоянного значения передаточного отношения многоступенчатой фрикционной передачи 1мфп определяет точность передачи, которую можно оценить погрешностью изменения линейной скорости штока. Величина гмфп модулей ТПАРМ для разных модификаций составляет от 20 до 10000. Анализ изменения величины скорости штока Ушт для трехступенчатой передачи, имеющей 1фп = 100, показывает, что в идеальном случае, когда значения всех параметров постоянны, а скольжение отсутствует, скорость штока определяется выражением
(7)
Ушт = № • 'мфп • ^
где гмфп = г12 ■ '34 ■'56; (01 - угловая скорость первого ролика связанного с двигателем привода подачи; 112; 134; г56 - передаточные отношения соответствующих ступеней передачи; г7 - радиус седьмого ролика, непосредственно определяющий скорость штока,
Схема возникновения упругого скольжения
Для двухступенчатых фрикционных передач приводов подачи токарных модулей, при заданных допускаемых отклонениях реальных размеров роликов их влияние на погрешность скорости штока по величине не превосходит значения 3 • 10- и ими можно пренебречь, а основной доминирующий вклад в погрешность вносит скольжение элементов ТС передачи [3, 4].
При использовании многоступенчатых фрикционных передач в замкнутой системе привода подачи токарных модулей типа ТП1АРМ величина Xс, на первый взгляд, существенного значения не имеет, однако при динамических нагрузках (разгон, торможение, реверс, работа привода в режиме стружкодробления) она в значительной степени влияет на динамические свойства привода подачи. В условиях эксплуатации это приводит к отказам, то есть аварийным остановкам токарного модуля из-за срабатывания блокировки «несовпадение координат», а так-
103
же искажению профиля при обработке сложных поверхностей, отсутствию стружкодробления при обработке вязких материалов. Очевидно, что величина Xс является важной характеристикой многоступенчатой фрикционной передачи, позволяющей объективно оценить ее потребительские свойства с учетом различных факторов, которые трудно определить в явном виде (например, перекос осей роликов или локальный износ рабочих поверхностей элементов ТС).
С учетом относительного скольжения передаточное число многоступенчатой фрикционной передачи, имеющей т ступеней в общем виде можно определить по уравнению
г . г г
¿мфп - -* \ Л--Л-, (8)
1 (1 - Хл Уз (1 - Хс 2 >.^(1 - Хст )'
Г V1 - ХаГзК1 - Хс 2.УГ,
где п = 2-т - число рабочих элементов (роликов) ТС передачи.
Если раскрыть скобки в этом уравнении и пренебречь членами второго порядка малости, то можно записать
¿мфп - (¿12 • ¿34 .. ¿т ^ - Ё Хск ^ . (9)
Если также учесть относительное скольжение в ТС ролик-шток, то скорость штока нагруженной трехступенчатой фрикционной передачи будет определяться выражением
^шт - Щ • ¿мфп • Г [1 - (Хс1 + Хс 2 + Хсз + Хс4 )] , (1 0)
а относительное изменение скорости штока будет
V - V
АУШТ - шт . (11)
^Ошт
Анализ приведенных уравнений показывает, что относительное скольжение в общем случае определяется величиной прижимной силы элементов ТС, величиной внешней нагрузки на выходное звено, количеством ступеней в передаче и состоянием рабочих поверхностей элементов ТС. В реальных фрикционных передачах определение скоростей роликов и штока имеет определенные сложности из-за высоких требований к точности измерений, так как Xс имеет малые значения, а передача работает в реверсивном режиме с односторонней силовой нагрузкой.
Наличие на поверхностях роликов вторичных структур, попадание пыли, адсорбированной влаги, масляных пленок и продуктов органического происхождения существенно влияет на величину флуктуаций коэффициента трения. Экспериментальные исследования величины / на промышленных многоступенчатых фрикционных передачах при различных условиях эксплуатации и в лабораторных условиях, для различных состояний поверхностей трения, показали следующие значения / = 0,12 - 0,2 для ТС ролик - ролик; / = 0,21 - 0,41 для ТС ролик - шток, что отличается от справочных значений, рекомендуемых для расчетов. В реальных производственных условиях на рабочих поверхностях элементов ТС имеются продукты изнашивания, пленки адсорбированной влаги и технологических жидкостей, масляные и разные другие загрязнения, то есть многоступенчатые фрикционные передачи при работе без смазки (условно сухие) имеют параметры ниже, чем в случае работы со смазкой.
Для экспериментальной проверки влияния смазки на эксплуатационную надежность формообразующих узлов токарных модулей были проведены сравнительные испытания многоступенчатых фрикционных передач при работе со смазкой и без смазки.
При работе фрикционных передач без СМ продукты фрикционной коррозии на рабочих поверхностях элементов ТС появляются через 1-2 минуты работы, вначале на первых, а затем на последних ступенях. При работе со смазкой рабочие поверхности оставались чистыми после 300 часов испытаний. Результаты сравнительных испытаний показали, что реальные многоступенчатые фрикционные передачи при работе без смазки и при работе в ус-
ловиях погружения в масляную ванну обеспечивают на выходном звене сопоставимое тяговое усилие. Кроме того, наличие смазки стабилизирует функциональные параметры передачи за счет защиты элементов ТС от внешних загрязнений и воздействия атмосферы окружающей среды, а также способствует удалению из зоны контакта продуктов изнашивания, образующихся при трении, и тем самым повышает эксплуатационную надежность формообразующих узлов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пронин В. А. Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи / В. А. Пронин, Г. А. Равнов. М.: Машиностроение, 1980. 320 с.
2. Крагельский И.В. Узлы трения машин: справочник / И.В. Крагельский, Н.М. Ми-хин. М.: Машиностроение, 1984. 280 с.
3. Управление надежностью трибосопряжений автоматизированных станков / Ю.А. Кривошеин, А.А. Игнатьев, М.В. Виноградов и др. // Точность технологических и транспортных систем: сб. ст. Междунар. конф. Пенза: ПГУ, 1998. С. 50-52.
4. Кривошеин Ю.А. Определение информативных параметров контактирования три-босопряжений / Ю.А. Кривошеин, М.В.Виноградов // Управляющие и вычислительные комплексы в машино- и приборостроении: межвуз. сб. Саратов, 1999. C. 47-50.
Кривошеин Юрий Александрович - Krivoshein Jury Aleksandrovich -
кандидат технических наук, Candidate of Technical Sciences,
доцент кафедры «Автоматизация The senior lecturer of chair «Automation
и управление технологическими and control of technological processes»
процессами» Саратовского государственного Saratov State Technical University технического университета
Виноградов Михаил Владимирович - Vinogradov Michael Vladimirovich -
кандидат технических наук, Candidate of Technical Sciences,
доцент кафедры «Автоматизация The senior lecturer of chair «Automation
и управление технологическими and control of technological processes»
процессами» Саратовского государственного Saratov State Technical University технического университета
Статья поступила в редакцию 04.05.2011, принята к опубликованию 24.06.2011
УДК 621.867
О.А. Лускань
РЕАЛИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ГРУЗОВ НА ИМПУЛЬСНОМ ТЕЛЕЖЕЧНОМ КОНВЕЙЕРЕ В ИНЖЕНЕРНОМ РАСЧЁТЕ
Рассмотрена методика инженерного расчёта с рекомендациями по выбору основных параметров импульсного тележечного конвейера, разработанная на основе проведённых теоретических и экспериментальных исследований процесса движения тележек с грузами на конвейере.
Груз, тележка-спутник, механизм свободного хода, инерция, транспортирование
