CC BY
71
УДК 621.863.2
КОНСТРУКТИВНОЕ ВЫПОЛНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ И СОЗДАНИЕ МАШИНЫ ДЛЯ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ НА АБРАЗИВНОЕ ТРЕНИЕ
Я.А. Ковалева, преподаватель, Н.П. Ремарчук, доцент, к.т.н.,
ХНАДУ
Аннотация. Представлена конструкция машины трения и образцы деталей для испытаний на изнашивание, отличительной особенностью которых является возможность введения в зону трения абразива заданного размера. Применение машины трения позволяет изучить и оценить влияние на износостойкость различных факторов и разработать методы защиты от изнашивания на стадии проектирования.
Ключевые слова: абразивное изнашивание, трение, износ, износостойкость, машина трения.
Введение
Основной причиной, лимитирующей
безопасность работы и вызывающей потери работоспособности деталей различных сопряжений, к которым относятся ходовые устройства, подшипники скольжения, шарниры элементов металлоконструкции рабочего оборудования и рабочих органов строительных и дорожных машин, является абразивное изнашивание.
Во многих случаях качество изделий определяется узлами трения, их конструкцией и условиями эксплуатации. Задачи оценки и обеспечения качества изделий в целом остаются нерешенными, хотя отдельные аспекты связи износостойкости с показателями надежности машин достаточно изучены.
Анализ публикаций
Понимание процессов изнашивания деталей помогает решить практические вопросы повышения долговечности и безотказности узлов, а также и машины в целом.
Представления о природе трения, раскрытые во многих работах [1], например И.В. Крагельского, Д.Н. Гаркунова, явились основой для различных методов расчета трущихся сопряжений. Основополагающей в подавляющем количестве расчетных методов в условиях граничного и смешанного трения является степенная
зависимость интенсивности изнашивания от номинального давления для различных видов контакта. Предложены аналитические
зависимости интенсивности изнашивания от физико-механических характеристик материалов, фрикционно-усталостных свойств поверхностей трения, характеристик микрогеометрии.
Механизм и природа абразивного изнашивания исследованы [1] М.М. Хрущевым, М.А. Бабичевым, Е.С. Берковичем и др.
Изнашивание исследуют следующими методами: с помощью натурных образцов, на стендах и на машинах трения [2]. Все методы исследований имеют ряд отличительных особенностей. Так, процесс определения износостойкости натурных образцов занимает слишком длительное время и этим отличается от процесса проведения ускоренных испытаний. Стендовые испытания позволяют сократить время проведения испытаний деталей и создать условия работы максимально приближенные к реальным. В свою очередь, это дает возможность получить результаты, которые соответствуют результатам, получаемым при эксплуатации машин. Однако проведение испытаний на стендах требует наличия специальных помещений и затрат на создание и обслуживание стендов и помещений. Машины трения дают возможность достаточно точно определить влияние на скорость изнашивания многих факторов, не требуя при этом больших затрат по времени, но требуя значительных материальных затрат на разработку
машин и на проведение испытаний.
Несмотря на многообразие машин трения, большинство из них с образцами типа дисков, барабанов, цилиндров, направляющих и др. не обеспечивают в процессе проведения испытаний постоянного присутствия абразивных частиц в зоне контакта поверхностей сопряженных деталей.
Цель и постановка задачи
Разработка формы конструктивного исполнения испытываемых деталей и машин трения, обеспечивающих непрерывное заполнение зазора в сопряжении деталей абразивом заданного размера, фиксацией его и разрушение трущимися поверхностями деталей, является целью данной работы. Для решения данной цели необходимо разработать такое конструктивное исполнение деталей, которые обладали бы способностью к оптимальному выполнению требуемых функций при обеспечении трения и изнашивания в условиях присутствия абразивной среды.
Повышение износостойкости подвижных соединений, взаимодействующих через абразивную среду, является одной из важных задач для повышения качества и эффективности работы различных типов машин. Для решения этих задач необходимо проводить предварительные испытания по определению действительного характера нагружения, изучению процессов трения при наличии абразива в сопряжениях деталей. Это в свою очередь создает предпосылки для создания различных устройств и установок для испытания на износостойкость.
Особенности конструкции испытуемых деталей и машины трения для исследования в присутствии абразивной среды
Среди различных видов изнашивания для строительных и дорожных машин основным является абразивное [2]. Абразивное изнашивание является результатом взаимодействия трущихся поверхностей с твердыми частицами, находящимися в свободном или закрепленном состоянии. Наибольшее распространение получила точка зрения, объясняющая абразивное изнашивание как царапающее действие абразивных частиц по поверхности металла. Абразивная частица, двигаясь по поверхности металла, срезает материал в виде микростружки или оставляет выдавленную царапину. В первом случае абразивное изнашивание происходит при микрорезании, во втором - при пластическом деформировании.
среда, условия сопряжения деталей, физикомеханические свойства сопряженных
поверхностей. В условиях стендовых испытаний внешние воздействия обеспечивают с помощью пригрузочных устройств.
Одной из таких установок, обеспечивающих абразивное изнашивание (созданная на кафедре ПТСДМО ХНАДУ [4]), является электрогидравлическая машина трения (рис. 1). Она предназначена для испытания образцов и может быть использована для определения работоспособности деталей машин с присутствием абразивной среды.
Рис. 1. Общий вид машины трения
Для изучения устройства и принципа работы, рассмотрим схемное решение машины трения (рис. 2). Машина трения содержит чашеобразную камеру 1 с образцами трения, которые состоят из внутреннего (первого) кольцевого
конусообразного образца 18, закрепленного с помощью первого держателя 19 к днищу 17 с лопастями 9 и внешнего (второго) конусообразного образца трения 8, закрепленного вторым держателем 7 к корпусу 5. Днище 17, относительно неподвижной камеры 1, закреплено на вращающемся валу 10, который опирается на основание 13 через упорный подшипник 14 и с помощью цепной (или ременной) передачи 12 вал 10 соединен с приводом вращения 11. Крышка 4 и корпус 5 вместе с грузом 3 обеспечивают осевую нагрузку образцов трения. С целью предотвращения вращения корпуса 5, а значит внешнего образца трения 8, камера 1 содержит штифты 2. Камера 1 с помощью болтов 6 крепится к станине 16. Частота вращения вала 10 измеряется тахометром 15.
Факторами, влияющими на изнашивание, являются: внешнее воздействие, промежуточная
Рис. 2. Схемное решение машины трения
Работа машины трения заключается в следующем. Через непрерывное вращение днища 17 и закрепленными на нем лопастями 9, абразивные частицы, которые находятся в рабочей среде, направляются лопастями 9 к кольцевому зазору. Под действием сил тяжести, а также за счет самозахвата вращающейся поверхностью внутреннего образца трения 18
абразивные частицы, равные величине зазора 8 , образованного между рабочими поверхностями образцов трения 18 и 8, заполняют этот зазор по всему периметру.
Время, необходимое для заполнения абразивными частицами зазора, устанавливается
экспериментально, а затем задается и измеряется в следующих циклах введения новой порции абразивных частиц в данный зазор применением реле времени. Путь трения характеризуется перемещениями одной поверхности детали относительно другой.
Условия сопряжения деталей зависят от их формы, определяющей номинальную площадь контакта, теплоотводящих свойств, отношения площадей теплоотводящих поверхностей, теплотехнических свойств основных материалов. Отличительная особенность данной установки -использование образцов трения, выполненных в виде усеченных конусов (рис. 3). Благодаря чему абразивные частицы, попадая в зазор, остаются в зоне контакта сопряжений, до полного их измельчения.
а б
Рис. 3. Образцы трения: а - поперечное сечение образцов трения; б - общий вид образцов трения и фиксация детали 8 к корпусу 5
Износостойкость деталей в общем случае устанавливается с помощью одного или нескольких методов измерения износа [3], таких как микрометрирование, взвешивание, метод железа в масле, метода искусственных баз, метод поверхностной активации и другие менее распространенные методы. В нашем случае износ деталей определяется методом взвешивания как одним из наиболее часто применяемых методов. Взвешивание образцов производят до и после испытаний.
Для введения между рабочими поверхностями образцов трения абразивных частиц (рис. 3),
размер которых составляет 8, обеспечивается подъем внешнего образца трения 8 относительно внутреннего 18 на высоту H
H = 8/sin a
где H - высота подъема наружного образца
трения относительно внутреннего образца; 8 -максимальный размер абразивных частиц, которые вводятся в зону между рабочими поверхностями образцов трения; a - величина угла полураствора рабочих поверхностей образцов трения.
Результаты исследования
Результатом испытания деталей на износ на машине трения является получение зависимости износа поверхности трения от пути перемещения поверхностей трения. Получение таких результатов может подтверждать
целесообразность применения машин трения для ускорения процесса испытания деталей за счет введения абразивных частиц в зону между рабочими поверхностями при их нагружении.
Вывод
Испытания на машинах трения обеспечивают достаточно точное установление результатов
изнашивания, не требуют длительного времени и специальных устройств и позволяют отобрать для стендовых испытаний наиболее перспективные материалы деталей. Применение таких видов машин дает возможность ускорить процесс изнашивания образцов трения при более точном моделировании режимов работы,
соответствующих условиям эксплуатации, сократить время подбора оптимальных пар трения для различных узлов деталей машин и в результате этого повысить надежность работы создаваемых и функционируемых узлов деталей машин.
Литература
1. Левитин М.А. Развитие системного подхода в трибологии. / Под ред. Икрамова УА. -Ташкент: Фан, 1988. - 144 с.
2. Рейш А.К. Повышение износостойкости
строительных и дорожных машин / Под ред. Фролова В.В. - М.: Машиностроение, 1986. - 184 с.
3. Суранов Г.И. Уменьшение износа
автотракторных двигателей при пуске. - М.: Колос, 1982. - 143 с.
4. Ремарчук Н.П., Мацак А.Т., Истомин В.П.,
Борисенко В.Г., Рыжаков Ю.В. Узел трения для испытания на износостойкость в присутствии рабочей среды с абразивными частицами и машина для его испытания. Авторское свидетельство СССР - SU 1809366, 1993.
Рецензент: М.А. Подригало, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 24 марта 2006 г.
