CC BY
16
Научни трудове на Съюза на учените в България - Пловдив Серия В. Техника и технологии, том XIII., Съюз на учените, сесия 5 - 6 ноември 2015 Scientific Works of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series C. Technics and Technologies, Vol. XIII., Union of Scientists, ISSN 1311-9419, Session 5 - 6 November 2015.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛНИ РЕЗУЛТАТИ ОТ ИЗСЛЕДВАНЕ НА ИЗНОСУСТОЙЧИВОСТТА НА ПОЛИАМИДНИ ЗЪБНИ КОЛЕЛА
ПЕТКО ДОБРЕВ
EXPERIMENTAL RESULTS OF AN INVESTIGATION ABOUT WEAR DURABILITY OF POLYAMIDE GEAR WHEELS
PETKO DOBREV
Abstract: The experimental results of a comparative investigation about wear durability of polymeric spur gears made from polyamide(PA6), running at different conditions. Some conclusions and analizes are made.
Key word: polymer, polyamide, wear durability, spur gear wheel
1.Въведение
Използването на полимерии зъбни предавки е разпространено в много индустрии. Правилното подбиране на полимерни материали предлагат по-добра производителност от металните зъбни колела. Част от предимствата, които можем да изброим за полимерните зъбни колела са следните - лесна поддръжка, устойчивост на износване при работа на сухо, ниско ниво на шум при работа, антикорозионни материали са полимерите, ниска цена за производство и разходи за изработката им[1]. Като недостатъци на полимерните зъбни колела може да изброим по-голямо топлинно разширение и свиване, ниска якост против счуп-ване на зъбите от умора на огъване, ниска контактна якост, голямо абсорбиране на влага и др. В научните публикации се докладва за различни повреди при полимерните зъбни колела (термично свързани, питинг и износване), като най-често повредите са в резултат от износване[2]. В тази връзка тук са описани експериментално проведените резултати на износоустойчивост на полиамидни цилиндрични зъбни колела влизащи в зацепление под товар и при честота на въртене от 1000об/мин.
2.Същност и методи на експерименталното изследване
Тестовите изследвания са направени върху полимерни зъбни колела от материала полиамид /PA6/, най-често използвания полимер в инженерните дейности. Материала е устойвич на огъване, износване и скъсване. Подходящ за работа при голямо натоварване за дълги периоди, не се препоръчва за работа в много влажни среди. Механичните характеристики на полимерният материал са - относително тегло 1.13г/см3, работна температура 100°C, точка на топене 220°C, абсорбация на вода 9-10%, якост на опън 60-70 N/mm2, модул на еластичност 3000 N/mm2, твърдост по Shore скала D 85, устойчивост на скъсване 80 N/ mm2[3]. Основните параметри на изследваните зъбни колела са - брой зъби z=30, модул m=2mm, широчина на зъбния венец b=17.4mm, профилен ъгъл по делителната окръжост а=30°.
Фиг. 1. Полимерни зъбни колела - конструкция и фотография
Експериментите бяха извършени върху стенд , работещ на принципа на затворения контур (на циркулация на мощността) за изпитване на износоустойчивост на полимерни зъбни колела. Електродвигателя през ремъчна предавка задвижва зъбните колела като преодолява само съпротивлението от триене в механичната система, а изпитваната двойка зъбни колела е натоварена със статичен момент осигурен от теглото на товара окачен на рамо спрямо оста на окачване на лагерният блок. По време на въртенето се измерваше текущата температура в полюса на зацепването с помоща на безконтактен инфрачервен термосензор. Данните от този датчик се събираха от интерфейсно устройство за събиране на данни (data logger) и се записваха чрез специализиран софтуер във файлове на компю-тър. Също по време на въртенето се измерваше и нивото на шума породен от въртенето на изпитваната двойка зъбни колела посредством дигитален звукомер. Износването се опре-деляше чрез измерване на загубата на маса след изтичане на определен интервал от време. Тогава стенда се спираше, тестваните колела се сваляха и се измерваше тяхната маса. След това те отново се поставяха на стенда и въртенето им под натоварване продължаваше така до изтичането на определен брой цикли (брой завъртания).
Предпазенизключвател J Фиг. 2. Схема на изпитателния стенд
При измерването на теглото се използваше прецизна аналитична везна със стойност на деленето 0.1mg. Тестовите изпитвания бяха проведени върху сдружени двойки (общо четери двойки ) от полимерни зъбни колела при различен натоварващ момент Т - при 25.2 Nm, 18.9 Nm и 12.6 Nm при честота на въртене 1000 об/min до достигане на определен брой завъртания. Измерването на масата на едно контролно зъбно колело закрепено неподвижно към лагерният блок се използваше за корекция за изменения на масата дължаща се на изпарението или абсорбацията на влага от изпитваните полимерни зъбни колела. Продължителнста на експериментите бе от 1 до 2 денонощия със спиране само за измерване на масата.
З.Резултати и анализи
3.1.Износване на полимерните зъбни колела
Износването в зависимост от броя цикли и големината на натоварването Т, според екс-перименталните резултати е показано на фиг. Чрез процента на относителната загуба на маса R% изчислена по формулата:
(
Я0% =
0
V 0о
Л
р - р
0 1 г
Р
.100%
Където: Р0 , Р.- съответно първоначална и текущо измерена маса на зъбното колело; 00, 0. - съответно първоначална и текущо измерена маса на контролното зъбно колело; Я% . -относителната загуба на маса в проценти.
Относителна загуба на маса от износване, %
Фиг.3. Загуба на маса при задвижващо зъбно колело
Фиг.4. Загуба на маса при задвижвано зъбно колело
Горните графики показват очаквано повишение на износването с нарастване на натоварването T. При Т=12.6 Nm и T=18.9 Nm се наблюдава почти линеен характер на износването, докато при T=25.2 Nm имаме скокообразно повишаване на износването. 3.2.Температура в полюса на зацепване
Фиг.5. Температура в полюса на зацепване в Целзиеви градуси
Резултатите ясно показват наличието на права корелация между натоварването T и измерената в полюса на зацепване температура. При T=12.6 Nm и T=18.9 Nm имаме почти еднаква температура в полюса на зацепване през целият период на изследването. При T=25.2 Nm наблюдаваме постоянно повишаване на температурата, до температура която е по-висока от работната температура за този полимер.
З.З.Шум при работа на зъбните колела
Фиг.6. Шум при работа на полимерните зъбни колела 4.Заключение
Проведените изследвания целят да се провери как реагират полимерните зъбни колела от полимера РА6 работят при различни натоварвания. Зъбните колела бяха натоварени с 25.2 Nm(100%), 18.9№п(75%) и 12.6№т(50%). Броят на завъртанията на полимерните зъбни колела беше 1440000 в рамките на 24 часа. При 50%%) натоварване се наблюдава ниско и плавно износване на зъбните колела. При 75% натоварване износването също е плавно, но загубата на маса в % съдържание е повече от 3 пъти спрямо тази при работа с 50%% натоарване. При 1 00% натоварване се наблюдава огремна загуба на маса, увеличено ниво на шум и повишаване на температурата до над 100°С, която е критична за този полимер и доведе до разрушаване(фиг.7) на водещото зъбно колело само след 90000 завъртания.
Фиг.7. Снимки на повреденото зъбно колело при работа с натоварване T=25.2 Nm
Публикуването на това изследване става благодарение на средства по научноизследователски проект в помощ на докторанта Петко Добрев от ТУ-София, филиал Пловдив.
Литература
1.R.Walter. Engineering principles for plastic gears, October 2004.
2.K.Mao. The performance of dry running nonmetallic gears. PhD thesis, Birmingham University, 1993.
3. http://www.baktrade.com/store/product/productid/277
Контакти:
Адрес: Пловдив 4000, ул. Цанко Дюстабанов 25 ; e-mail: eng.dobrev@ mail.bg; тел: 0898376643
