ФАКТОРЫ ОТКАЗОВ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ЗЕРНОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Вестник АПК

Агроинженерия -; № 2(14), 2014 " "

УДК 664.7:658.588

Курочкин В. Н., Кущева Е. Н. Kurochkin V. N., Kushcheva E. N.

ФАКТОРЫ ОТКАЗОВ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ЗЕРНОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ

FACTORS FAILURE OF PARTS AND UNITS OF GRAIN-PROCESSING EQUIPMENT

Данная статья основана на результатах анализа факторов возникновения отказов и является частью дальнейших разработок теоретических основ и методик совершенствования организации систем технического сервиса.

Целью исследования является теоретическое изучение факторов возникновения отказов зерноперерабатывающе-го оборудования.

Результаты исследования подтверждают, что оптимизация выявленных факторов приводит к снижению интенсивности отказов.

Ключевые слова: технический сервис, зерноперера-батывающее оборудование, надежность, организация, интенсивность отказов

This article is based on an analysis of trends in the development of technical service. It is a part of the further development of theoretical basics and methodologies to improve the organization of systems of technical service.

The aim is to study the factors of failures of grain-processing equipment.

The results confirm that the optimization of the identified factors leads to lower failure rate.

Key words: technical service, grain-processing equipment, reliability, organization, intensity of failures

Курочкин Валентин Николаевич -

доктор технических наук, профессор кафедры экономики и управления Азово-Черноморский инженерный институт Донского государственного аграрного университета г. Зерноград Тел.: (8952) 60-80-077 E-mail: valentin952@mail.ru

Кущева Елена Николаевна -

инженер кафедры

«Землеустройство и кадастры»

Азово-Черноморский инженерный институт

Донского государственного

аграрного университета

г. Зерноград

Тел.: (8928) 13-75-528

E-mail: elena-kuschewa@rambler.ru

Kurochkin Valentin Nikolaevich -

Doctor in Technical Sciences, Professor of Department of Economics and Management Azov-Black Sea Engineering Institute Don State Agrarian University Zernograd

Tel.: (8952) 60-80-077 E-mail: valentin952@mail.ru

Kushcheva Elena Nikolaevna -

Engineer of Department of

Land management and inventory

Azov-Black Sea Engineering Institute

Don State

Agrarian University

Zernograd

Tel.: (8928) 13-75-528

E-mail: elena-kuschewa@rambler.ru

Технологический процесс переработки зерновых является сложной иерархической системой и от особенностей его организации и ведения зависит качество готовой продукции [2]. Технологический процесс представляет собой совокупность научно обоснованных и проверенных на практике приемов переработки сырья в высококачественные конечные продукты. На мукомольном и крупяных заводах сырьем является зерно, конечными продуктами - мука и крупа [3]. Изучение практики эксплуатации зерноперерабатывающего оборудования позволила выдвинуть гипотезу о том, что отказы имеют физическую природу: износ в результате трения, ударные нагрузки, коррозионные процессы.

В основе современного подхода к пониманию трения лежит идея дискретности контакта

трущихся поверхностей и их деления на контак-тирующиеся между собой и с материалом [3,6].

Для узлов зерноперерабатывающего оборудования трение деталей наблюдается в виде трения скольжения и трения качения. Из теории [1] вытекают следующие факторы отказов трущихся деталей зерноперерабатывающего оборудования: из-за контактирования соприкасающихся поверхностей под действием относительного смещения и сжимающих сил с учетом их отклонения от идеальной формы и влияния среды (газы и смазочные материалы), присутствующей в зоне контакта. Она зависит от отклонений от идеальной формы, которые считаются макроскопическими (неплоскостность, извернутость, волнистость и т. п.), которые имеют порядок в диапазоне 10-3^10-4 м. Микронеровности имеют субшероховатость порядка молекулярных размеров.

58

,,„ „„„„, Jj Ставрополья

научно-практическии журнал

Фрикционное взаимодействие шероховатых поверхностей определяется площадью соприкосновения трущихся тел: чем выше класс обработки, тем меньше микрошероховатости и субшероховатости, и тем больше фактическая площадь контакта (ФПК) [5,7]. Другие факторы: изменение ФПК за промежуток времени 2 Х{ААП), время выдержки под нагрузкой шарового наконечника при определении твердости по Бринелю инв), - реологическая постоянная материала (т).

Из теории известно следующее: в технике трение является инициатором деформационных, динамических, тепловых, акустических, электрических, адгезионных и других процессов, определяющих ресурс работоспособности узлов трения машин, их энергетику и эффективность [1, 4,5,7].

Для узлов зерноперерабатывающего оборудования проблемой является трение деталей, которое наблюдается в виде трения скольжения и трения качения. Первичной проблемой при изучении трения является контактирование соприкасающихся поверхностей. В понятие контактирования входит взаимодействие поверхностей, принадлежащих твердым телам, под действием относительного смещения и сжимающих сил с учетом их отклонения от идеальной формы и влияния среды (газы и смазочные материалы), присутствующей в зоне контакта.

При работе разных узлов зерноперерабаты-вающего оборудования возникают колебания, связанные с трением, это приводит к появлению шумов, эти колебания называют фрикционными. В зависимости от уровня гашения (вязкости системы ц) колебания могут существовать, либо не возникать. Рассеивание энергии связано в основном с гистерезисом деформации, существенный фактор q - нагрузка, приходящаяся на единицу длины. В соответствии с реологической моделью Кельвина-Фойгта, для малых скоростей качения цк прямо пропорционален скорости.-^, а для больших скоростей /ик = С2>/тЫ1/2/\¥. Поэтому при малых скоростях коэффициент трения качения увеличивается с повышением скорости, а при больших - уменьшается.

Сила трения, следовательно, и износ, зависят от такого фактора, как характеристика подшипника (безразмерная величина А = пи/я). При значении А', соответствующем минимуму коэффициента трения, происходит переход от граничного трения к жидкостному. При А>А контакт деталей размыкается, и износ исчезает. Для гидродинамических подшипников жидкостного трения самый эффективный режим наблюдается при явлении так называемого «стеклования» смазки. Согласно опубликованным данным явление стеклования проявляется при давлении в смазочном слое Ро=400...2500 Мпа. [1].

Упруго-гидродинамическое состояние пленки смазки в такой ситуации определяют три фактора: давление, сдвиг и температура.

Факторы напряжения сдвига при стекловании - предельное напряжение сдвига (тпред); коэффициент, близкий по значению к коэффициенту трения при граничной смазке (С); параметр, определяющий превышение действующего давления в контакте над значением давления (РС) при стекловании (AP).

Отклонениями от идеальной формы, которые считаются макроскопическими, являются неплоскостность, извернутость, волнистость и т.п. Они обычно имеют масштаб, измеряемый в диапазоне 10"3^10"4м. Макроскопические неровности несут на себе микронеровности, измеряемые на уровне 10_5^10_6 м. В свою очередь микронеровности имеют субшероховатость порядка молекулярных размеров.

В основе представлений о фрикционном взаимодействии шероховатых поверхностей лежит понятие о площади соприкосновения трущихся тел [1,4,6].

При случайном расположении шероховатостей на поверхностях контактирующих тел контактное сближение этих тел под действием внешней нагрузки лимитирует фактическая площадь соприкосновения, определяемая геометрией контактирующих поверхностей.

Б.В.Дерягин, И.В. Крагельский, Боуден, Тей-бор, Томлинсон и др. объясняют механизм возникновения трения с точки зрения молекулярно-механическая теория трения, в соответствии с которой трение имеет двойственную природу, то есть силу трения F представляют в виде суммы молекулярной (FA _ адгезионной) и механической (Fa _ деформационной) составляющих. Молекулярная составляющая обусловлена сопротивлением разрыву молекулярных либо межатомных связей, которые возникают между контактирующими телами, он аналогичен процессу разрушения кристаллической решетки при сдвиге. Рассеяние работы трения в теплоту связано с упругой деформацией кристаллических решеток. Работа внешней силы переходит в потенциальную энергию решеток. После разрыва связи потенциальная энергия переходит в энергию колебаний атомов _ во внутреннюю.

При пластическом контакте среднее давление N на пятнах касания близко к твердости по Бринелю, поэтому фактическая площадь контакта шероховатых поверхностей (ФПК) выражается в виде:

А = N/HB. (1)

Для приработанных поверхностей узлов трения деталей зерноперерабатывающего оборудования характерен упругий контакт, так как пластический контакт может частично проявиться при первых включениях оборудования, а последующие нагружения происходят уже в условиях, приближенных к упругому контакту.

Влияние температуры и времени на ФПК наиболее заметно проявляется при пластическом контакте [1, 6]. Рост ФПК при повышении

в

естник АПК

Ставрополья

:№ 2(14), 2014

= N к 2 - С) /НВ • С,

(2)

Агроинженерия

59

температуры в основном обусловлен снижением твердости, происходящим по экспоненциальному закону. Временная зависимость ФПК при постоянной нагрузке для металлов удовлетворительно описывается формулой

Рассеивание энергии связано в основном с гистерезисом деформации [3,6]. Исходя их этих соображений, для цилиндрического ролика:

Цк =0,24а(ц-г■})

1/2

(3)

где ААп - изменение ФПК за промежуток времени

Тнв - время выдержки под нагрузкой шарового наконечника при определении твердости по Бринелю, т - реологическая постоянная материала.

Но существенный рост скорости приводит к значительному повышению температуры контакта, поскольку мощность трения (Г ■V) превращается в теплоту. Рост температуры в свою очередь вызывает заметное изменение свойств материалов в зоне контакта, резко снижается твердость. Поскольку увеличивается ФПК, снижается интенсивность молекулярного взаимодействия (т0, р), происходят химические превращения в поверхностных слоях. При очень больших скоростях скольжения возможно оплавление поверхности, и сухое трение переходит в гидродинамическое. В общем случае наблюдается снижение коэффициента трения с ростом температуры.

При работе разных узлов зерноперерабаты-вающего оборудования возникают колебания, связанные с трением. Они приводят к появлению скрипов, эти колебания называют фрикционными. Причинами колебаний являются реологические свойства контакта, а также упругие свойства элементов пары трения и их связей с другими деталями. Главным проявлением реологии контакта является рост ФПК, а следовательно, и статической силы трения с увеличением времени неподвижного контакта и скачкообразное падение силы трения при переходе от покоя к движению, а затем падение силы трения с ростом скорости скольжения, вызванное, главным образом, скачком температуры на пятнах контакта.

В зависимости от уровня гашения (вязкости системы ц) колебания могут существовать либо не возникать. От этого зависит устойчивость, надежность и долговечность механических систем, что необходимо учитывать при проектировании механизмов и замене деталей при ремонте и техобслуживании.

На контакте шариковых и роликовых подшипников постоянно происходят проскальзывания, это источник нагрева, происходящего при рассеянии энергии. Другим источником является вязкоупругое поведение материалов обоймы подшипника. Известно, что проскальзывание вносит незначительный вклад в потери энергии, а главный источник потерь - вязкоупругие деформации ролика (катка) и дорожки (опоры).

где ц - нагрузка, приходящаяся на единицу длины. Более детально задача о качении жесткого цилиндра по вязкоупругому полупространству решена академиком А.Ю. Ишлинским. Свойства полупространства описаны реологической моделью Кельвина-Фойгта. Для малых скоростей качения:

Цк=СХ а для больших скоростей

(4)

(5)

При малых скоростях коэффициент трения качения увеличивается с повышением скорости, а при больших - уменьшается.

В изучаемых узлах трения присутствует гидродинамическое (жидкостное) трение. Оно характеризуется тем, что трущиеся поверхности разделены слоем масла. Минимальная толщина слоя должна быть больше, чем суммарная высота наиболее высоких микронеровностей обеих поверхностей: Ьт1Г>(Ятах1+Ятах2). Масло является вязкой жидкостью. Сила внутреннего трения выражается формулой Ньютона:

¥ =

dV dz

S ,

(6)

где ц - динамическая вязкость;

- поперечный градиент скорости;

Б - площадь сдвига слоев смазки.

Если скорость в направлении, перпендикулярном течению, по мере заглубления меняется по линейному закону, т.е. dV/dz=V/h■

Минимальной зазор возникает в сечении, смещенном на угол р. Для того чтобы выразить подъемную силу масляного клина, силу вязкого трения и минимальную толщину зазора, необходимо решать уравнение Рейнольдса: для жестких элементов пары трения, несжимаемой жидкости и стационарного течения это уравнение в интегральной форме имеет вид:

dp/dx=6пv(h-ho)/h3

(7)

Здесь h0 - толщина зазора в области максимального давления; h - текущая величина зазора.

Входящую в формулы безразмерную величину А = ци/ц называют характеристикой подшипника. Зависимость коэффициента трения от характеристики называют диаграммой Герси-Штрибека.

При значении А*, соответствующем минимуму коэффициента трения, происходит переход от

60

,,„ „„„„, Jj Ставрополья

научно-практическии журнал

граничного трения к жидкостному. При А>А* контакт деталей размыкается, и износ исчезает.

При проектировании гидродинамических подшипников жидкостного трения самый эффективный режим наблюдается при явлении так называемого «стеклования» смазки. Согласно опубликованным данным явление стеклования проявляется при давлении в смазочном слое Рс = 400...2500 МПа.

Упруго-гидродинамическое состояние пленки смазки в такой ситуации определяют три фактора: давление, сдвиг и температура.

Напряжения сдвига при стекловании описывают двучленным выражением:

' тпред. ^ САР,

(8)

где тпред - предельное напряжение сдвига;

С - коэффициент, близкий по значению к

Литература

1. Беркович И. И., Громаковский Д. Г Трибология. Физические основы, механика и технические приложения: учебник для вузов [Текст] ; под ред. Д. Г. Громаковско-го. Самара : Самарский государственный технический университет, 2000. 268 с.

2. Димитров В. П., Хубиян К. Л., Хараша-хьян С. М. Применение метода анализа иерархий при моделировании предметной области [Текст] // Искусственный интеллект в XXI веке. Решения в условиях неопределенности: сборник статей VI Всероссийской научной конференции. Пенза : Приволжский дом знаний, 2008. С.13-16.

3. Курочкин В. Н., Кущева Е. Н. Теоретические аспекты исследования процесса возникновения отказов зерноперераба-тывающего оборудования [Текст] // Техника и оборудование для села. 2012. № 4 (178). С. 35-37.

4. Лебедев А. Т., Захарин А. В., Слюсарев А. С. Повышение долговечности вакуумного насоса пластинчатого типа // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2007. № 7. 25-26 с.

5. Лебедев А. Т., Макаренко Д. И., Прокопов Д. В. Анализ параметров сегментов режущих аппаратов отечественного и импортного производства // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2010. № 1. С. 19.

6. Лебедев А. Т. Ресурсосберегающие направления повышения надежности и эффективности технологических процессов в АПК : монография. Ставрополь, 2012. 376 с.

7. Лебедев А. Т., Магомедов Р. А. Результаты эксплуатационных испытаний лемехов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2007. № 7. С. 25-26.

коэффициенту трения при граничной смазке;

АР - параметр, определяющий превышение действующего давления в контакте над значением давления при стекловании РС.

При проектировании узлов трения, имеющих гидродинамические подшипники, целесообразно использовать режим стеклования, обеспечивающий устойчивую работу подшипника, высокую жесткость опор и минимальные потери на трение. Исследование факторов отказов деталей и узлов зерноперерабатывающего оборудования подтверждает, что оптимизация указанных факторов приведет к существенному снижению интенсивности отказов, зафиксированных во время производственных опытов с зерноперерабатывающими системами.

References

1. Berkovich I. I., Gromakovskii D. G. Tribology. Physical fundamentals, mechanics and engineering applications: a textbook for high schools [Text] ; ed. D. G. Gromakovskii. Samara : Samara State Technical University, 2000. 268 p.

2. Dimitrov V. P., Hubiyan K. L., Ha-rashahyan S. M. Application of the analytic hierarchy process for modeling domain [Text] // Artificial Intelligence in the XXI century. Decisions under uncertainty: a collection of articles VI All-Russian scientific conference. Penza : Volga House of Knowledge, 2008. P. 13-16.

3. Kurochkin V. N., Kushcheva E. N. Theoretical aspects of the study of the emergence of grain-processing equipment failures [Text] // Machinery and equipment for the village. 2012. № 4 (178). P. 35-37.

4. Lebedev A. T., Zaharin A. V., Slyusarev A. S. Increased durability of the vacuum pump plate type // Mechanization and electrification of agriculture. 2007. № 7. 25-26 p.

5. Lebedev A. T., Makarenko D. I., Prokopov D. V. Analysis parameters cutter units of domestic and imported // Mechanization and electrification of agriculture. 2010. № 1. P. 19.

6. Lebedev A. T. Resource-direction to improve reliability and efficiency of technological processes in AIC : Monograph. Stavropol, 2012 376 p.

7. Lebedev A. T., Magomedov R. A. Results of performance tests plowshares // Mechanization and electrification of agriculture. 2007. № 7. 25-26 p.

T