CC BY
108
УДК 629.114.2
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ ОПОР СКОЛЬЖЕНИЯ АВТОТРАКТОРНЫХ ТРАНСМИССИЙ
В.Г. Кухтов, доцент, к. т.н., ХНАДУ, В.П. Савчук, преподаватель, Херсонский филиал ХНАДУ
Аннотация. Рассмотрена методика оценки несущей способности подшипников скольжения раздаточной коробки колесного тягача класса 30 кН. Обобщены результаты теоретических исследований по оценке несущей способности.
Ключевые слова: подшипники скольжения, трансмиссия, деформация.
Введение
Современная автотракторная техника - это энергонасыщенная техника с множеством сложных механизмов, работающая в различных эксплуатационных условиях. Для обеспечения её высокого уровня надежности и, соответственно, конкурентоспособности, необходимо повышать надежность деталей и узлов агрегатов, которые можно назвать "слабые звенья". "Слабыми звеньями" в конструкциях шасси тракторов и автомобилей всегда были опоры скольжения. Поэтому, большой интерес представляют исследования подшипников скольжения с целью повышения их долговечности. Необходимость проведения таких исследований заключается в изменении принципов расчета и проектирования подшипниковых опор скольжения, которые были противопоставлены классической гидродинамической теории смазки. Новая теория термоупругогидродинами-ческой смазки (ТУГДС), разработанная проф. Ф. Снеговским [1], доказывает ошибочность использования при расчетах допущений о том, что трибосистема шип- подшипник абсолютно не деформируема (квазитвердая), правильные геометрические формы которой не изменяются при приложении нагрузки, что основной поток смазочного вещества выходит в торцы нагруженной зоны, что в смазочном слое подшипника следует принимать одно значение температуры подшипника по окружности и др. Так же нет четких рекомендаций по выбору смазочного материала. Помимо указанных нами особенностей, которые необходимо учитывать при проектировании опор скольжения, на их работоспособность влияют конструктивные и эксплуатационные параметры узла.
Математические трудности, возникающие при расчетах, основанных на теории подшипников конечной длины, вынуждают вводить ряд огра-
ничений, правомерность или недопустимость которых может быть определена исключительно на основании экспериментальных данных. Такое положение определяется большим количеством определяющих факторов, как конструктивных, так и режимных. Следует подчеркнуть, что точность гидродинамического расчета достаточна для практических целей только в том случае, если геометрические и физические параметры, взятые за основу при расчете, не отличаются значительно от тех, которые будут иметь место при работе подшипника. В связи с этим экспериментальное определение таких параметров смазочного слоя как толщина, его форма и давление в нем имеет большое значение для совершенствования теории и практики подшипников скольжения.
Состояние вопроса
Смазочный слой подшипников скольжения был объектом исследования с самого начала развития гидродинамической теории смазки. В 1883 году Н.Петров установил, что при вращении шипа в подшипнике скольжения смазочный слой разделяет трущиеся твердые поверхности, не допуская их соприкосновения. Следовательно, было установлено, что смазочный слой является несущим элементом. Поэтому понятен интерес исследователей к таким параметрам смазочного слоя, как его толщина и форма.
Впервые измерение толщины смазочного слоя с помощью электродов, заделанных во вкладыш, измерил Нюккер. До Нюккера толщину смазочного слоя определяли косвенно по перемещению вала в подшипнике. Позже больших успехов в измерении толщины смазочного слоя достигла группа сотрудников ЦНИИТМАШ в составе Д. Коднира, Л. Ронина, М. Медвинского, Э. Зом-мера, которая разработала емкостной метод для непрерывного измерения. В дальнейшем этот
метод получил наибольшее распространение и совершенствовался многими исследователями.
Так как толщина смазочного слоя И определяется по зависимости
Исследование толщины смазочного слоя И в подшипниках скольжения емкостным способом позволяет производить измерения с высоким быстродействием, малой чувствительностью к изменению температуры и возможностью регистрации контакта трущихся поверхностей. К недостаткам указанного метода необходимо отнести нелинейность измерения и обратно-пропорциональная зависимость толщины смазочного слоя от измеренной емкости.
Суть емкостного метода непрерывного измерения толщины смазочного слоя заключается в непрерывном измерении емкости Сд между датчиком 2, заделанным в вал и металлическим вкладышем (рис. 1). Но на самом деле производится измерение суммарной емкости Ссум=Сд+Спар, где Спар -паразитная емкость, включенная параллельно емкости Сд и состоящая из емкости проводов, соединяющих датчик с измерительной аппаратурой, емкости электрод-вал и других паразитных емкостей. Спар может значительно изменятся в зависимости от конструктивных особенностей экспериментальной установки и условий эксперимента. Изменения Спар вносят погрешности в результаты измерения, так как обычно тарировка датчика производится на тарировочном устройстве, а измерение параметра после установки вала во вкладыш.
Рис. 1. Конструкция датчика толщины смазочного слоя: 1 - изолирующие прокладки; 2 -датчик; 3 -конусная втулка
Приведенная в [2] блок-схема устройства для измерения толщины смазочного слоя позволяет производить компенсацию паразитной емкости непосредственно на стенде.
И =
С
где е0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м ; е - диэлектрическая проницаемость смазки, Ф/м ; - площадь конденсатора (в нашем случае это площадь торца датчика, заделанного в вал), м; С - емкость конденсатора, образованного двумя параллельными пластинами, Ф,
то обычно получаемый выходной сигнал обрат-нопропорционален измеряемой емкости. Здесь же предложен способ обработки выходного сигнала логарифмированием. Для решения другой проблемы, связанной с использованием емкостного способа, - нелинейности выходного сигнала, при измерениях толщины смазочного слоя в опорах скольжения использовался метод емкостно-омического делителя. Практически этот метод реализован при использовании операционных усилителей ОУ (рис. 2). Здесь о величине измеряемой емкости и её изменениях судят по падению напряжения на активном плече емкостно-омического делителя ЯС.
Рис. 2. Линейный измеритель емкости
Давление в смазочном слое подшипника скольжения впервые было измерено Тауэром в 1883 году. Для этого Тауэр использовал манометр, который подключил к радиальному сверлению во втулке подшипника. В дальнейшем этот метод с различными усовершенствованиями применялся Лаше (1893г.), Бредфордом и Грюндером (1930 г.), Нюккером (1932 г.), Тихвинским (1936 г.), Румпфом (1938 г.), Буске (1951 г.) и др.
Существенно новый подход к измерению гидродинамических давлений был продемонстрирован Ф. Снеговским в 1955 году. Разработанный им способ заключается в заделывании датчика любой конструкции заподлицо с движущейся опорой скольжения и соединении его через токо-
съемник с регистрирующей аппаратурой. Способ позволяет непрерывно измерять и записывать изменение гидродинамических давлений по окружности подшипника, а также по длине подшипника по любой его образующей. В качестве датчиков использовались месдоза с проволочными датчиками, а также пустотелый цилиндр с наклеенными снаружи тензодатчиками.
Одним из перспективных методов измерения гидродинамических давлений в подшипниках скольжения - есть метод с использованием активных датчиков, действие которых основано на магнитоупругом эффекте (Виллари эффекте). В работе [3] приведена конструкция датчика давления, совмещенного с емкостным датчиком зазора. В качестве чувствительного элемента использовался чистый никель, который отличается высокими магнитными и удовлетворительными механическими характеристиками. Конструкция такого датчика соответствует всем выше перечисленным требованиям, отличается простотой изготовления и широким диапазоном измерения (рис. 3). При использовании такого датчика также для измерения толщины смазочного слоя возникает необходимость в изоляции стержня чувствительного элемента от вала, так как никель, как и все ферромагнитные материалы, является проводником. Применение в конструкции датчика изоляторов не может не влиять на результаты измерения толщины смазочного слоя.
Рис. 3. Конструкция никелевого датчика давления, совмещенного с датчиком толщины смазочного слоя: 1 - никелевый чувствительный элемент; 2 - обмотка датчика; 3 -изолирующая прокладка; 4 - корпус датчика; 5 - провод датчика толщины смазочного слоя; 6 - провода датчика давления; 7 - вал
Для получения качественных результатов измерения, мы поставили задачу создания датчиков,
не нуждающихся в установке в изолирующие прокладки, а так же имеющих высокую разрешающую способностью (по углу) и высокую чувствительность как к малым (0,05.. .0,1 МПа), так и к большим (20.30 МПа) величинам давлений.
Усовершенствование конструкции датчика для одновременного измерения давления и толщины смазочного слоя в подшипниках скольжения.
Анализ датчиков и устройств, для измерения зазора и распределения давлений в смазочном слое, позволяет сформулировать ряд требований, которым они должны отвечать:
- датчик не должен вносить изменения в смазочный слой в результате деформаций;
- датчик не должен допускать перетекание смазки из смазочного слоя в результате наличия различных отверстий;
- датчик не должен изменять выходной сигнал при изменении его температуры;
- датчик и устройства для усиления выходного сигнала должны иметь высокое быстродействие и чувствительность от 0,1 до 20 МПа.
С целью повышения точности измерения параметров толщины и распределение гидродинамических давлений в смазочном слое нами предложена конструкция совмещенного датчика давления и толщины смазочного слоя (рис. 4), чувствительный элемент которого изготовлен из диэлектрика - феррита [4].
Рис. 4. Конструкция ферритового датчика давления, совмещенного с датчиком толщины смазочного слоя: 1 - вал; 2, 3 - осевое и радиальное отверстия вала; 4 - подшипник; 5 -ферритовый чувствительный элемент; 6 -сердечник датчика толщины смазочной пленки; 7 - обмотка датчика давления; 8 -токосъемник; 9, 10 - оборудование для усиления сигналов датчиков зазора и давления соответственно; 11 - регистрирующий прибор
Ферритовый стержень датчика устанавливается в технологическое отверстие 3 вала 1. На наружной поверхности сердечника намотана обмотка 7. В осевое отверстие датчика давления устанавливается электрод датчика толщины смазочного слоя. Провода датчиков соединяются через радиальное отверстие 2 и токосъемник 8 с приборами для усиления сигналов 9 и 10. Усиленный сигнал датчиков регистрируется прибором 11.
Феррит также как и никель изменяет свою магнитную проницаемость пропорционально приложенным внешним нагрузкам.
Удельное электрическое сопротивление ферритов достигает 1012 Ом-м, что позволяет производить установку электрода датчика толщины смазочного слоя в чувствительный элемент датчика давления без использования дополнительных изолирующих материалов. Использование для измерений магнитоупругих датчиков позволяет производить измерение непосредственно давление в смазочном слое, а не деформацию промежуточных деталей.
При изменении давления в смазочном слое подшипника изменяется и сжимающее усилие на датчике, что в свою очередь приводит к изменению его намагниченности. Вследствие этого в обмотке 7, охватывающей датчик возникает ЭДС, протяженность и величина которого пропорциональны длительности и интенсивности приложенного усилия.
Высокими магнитострикционными свойствами обладают ферриты марок Ф107, Ф86, 21СПА, 15 СП, коэффициент линейной магнитострикции X которых имеет значения от -26 до -29 (для никеля X = -37). Удовлетворительными характеристиками обладают магнитомягкие никель-цинковые ферриты широкого применения, например 400НН, 300ННИ и др. К недостаткам ферритов относят их большую чувствительность к остаточным напряжениям, в том числе и теплового происхождения.
1500 1000 500
Л
/ гооонн
- / /
/ чоонн
__...! 1 1 и \
■100 -50 0 50 100 ±°,С
Рис. 5. Влияние температуры нагрева на магнитную проницаемость никель-цинковых ферритов
Допустимую рабочую температуру определяет температура точки Кюри, что для феррита 400НН составляет около 130°С [5]. Для проведения анализа влияния деформации ферритового датчика на смазочный слой подшипника воспользуемся известным выражением
М/ = ст • 1/ Е,
где А/ - величина деформации датчика, с - напряжение сжатия, / - длина датчика, Е - модуль упругости 1-го рода.
В нашем случае расчет целесообразно провести для напряжения сжатия с = 20 МПа и длины датчика / = 10 мм. Модуль упругости феррита марки 400НН составляет Е = 2-105 МПа. После подстановки исходных значений, получаем максимальную величину деформации датчика А/=1-10-3 мм. Таким образом, мы видим, что величина деформации в 1мкм не будет значительно вносить искажения в смазочный слой, если также принять во внимание, что модуль упругости феррита очень близок к модулю упругости легированных сталей и на практике действительная величина деформации датчика будет несколько меньше.
Выводы
На работоспособность и долговечность подшипниковых узлов трения влияет значительное количество конструктивных, режимных, материало-ведческих и эксплуатационных факторов, полный учет которых при составлении математических моделей работы узла не предоставляется возможным.
Для уточнения и разработки инженерной методики расчета и конструирования подшипников скольжения необходимо производить натурные испытания опор скольжения с определением таких параметров работы узла как давление и толщина смазочной пленки.
Наиболее перспективным методом измерения давления и толщины смазочного слоя есть метод, основанный на одновременном измерении этих параметров с использованием емкостного способа измерения толщины смазочного слоя и магни-тоупругого эффекта (Виллари эффекта) для определения давлений. Недостатком этого метода есть необходимость изоляции датчика изолирующими прокладками, которые могут вносить искажения в результаты измерений.
Предложенный способ для одновременного измерения давления и толщины смазочной пленки позволяет избежать использование изолирующих прокладок вследствие применение в качестве чувствительного элемента диэлектрика - феррита. Предложенный датчик обеспечивает возможность измерения гидродинамических давлений при
температуре до 130 С и не будет вносить искажения в смазочный слой.
Литература
1. Снеговский Ф.П. Достижения и проблемы тео-
рии смазки машин. Международный научный журнал "Проблемы трибологии", Хмельницкий, 2001. - № 2(18). - С. 88-92.
2. А.с. СССР № 821992, кл. в 01 М 13/04. Способ
непрерывного измерения толщины смазочного слоя подшипников скольжения / Ф.П. Снеговский, В.И. Рой. - Опубл. 15.04.81, бюл. № 14.
3. А.с. СССР № 830173, кл. в 01 М 13/04. Уст-
ройство для измерения зазора и давления несущего слоя смазки в подшипниках скольжения / Ф. П. Снеговский, В. И. Рой. -Опубл. 15.05.81, бюл. №18.
4. Декларацшний патент 65352А Украша в01М13/04. Пристрш для безперервного вимiрювання товщини та тиску змащуваль-ного шару в тдшипниках ковзання / Сшговський Ф.П., Верещака М.П., Савчук В.П. - Друк. 15.03.2004, бюл. № 3.
5. Материаловедение: Учебник для ВТУЗов. /
Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косола-пов и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова.-2-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 384 с.
Рецензент: Л.В. Назаров, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 25 марта 2005 г.
