CC BY
29
ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ. МЕХАНИЗМЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 621.891
Ю.И. Густов, К.А. Любушкин, А.А. Орехов
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
МИКРОТОПОГРАФИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
Приведены понятия, определения и соотношения микротопографических показателей изношенных поверхностей в координатной системе относительных давлений и сближений трущихся деталей строительной техники.
Представлены результаты исследований микротопографических и триботехниче-ских показателей шарниров черпаков строительных драг, а также наплавленных дробящих плит щековых дробилок. Применительно к шарнирам драг рекомендуется пара трения сталь 110 Г13Л — наплавка Х-5, обладающая относительно абразива большой твердостью (К = 1,04) и меньшей температурой фрикционного нагрева (А Т = 90 °С). Для подвижных плит щековых дробилок рекомендуется наплавка электродами ВСН-9 и ЦН-16, имеющими наибольшие значения фрикционной усталости (£ = 2,76 и 2,62 соответственно) и незначительные температуры нагрева поверхностей трения (9,4 и 4,9 °С). Для неподвижных плит рекомендованы электроды ЦН-16, Т-590 и КБХ-45.
Микротопографические показатели изношенных поверхностей трения позволяют рассчитать основные триботехнические характеристики рабочих органов и сопряжений строительных машин и оборудования.
Ключевые слова: изнашивание, износ, давление, сближение, биссектриса, полюс, би-центроида, упрочнение, усталость, температура, коэффициент полезного действия.
Анализ гипсографической модели изнашивания в системе координат «относительное давление — относительное сближение 8» [1] позволяет рассмотреть следующие понятия и определения (рис.).
t
0,5
0
8 0 5 8 8
a p ,
m
1
Микротопографическая гипсограмма поверхности трения
© Густов Ю.И., Любушкин К.А., Орехов А.А., 2012
179
ВЕСТНИК 9/2012
1. Парциальные величины микрометалла Бт и микроизноса Б , соответственно определяющие долю микровыступов и микровпадин в шероховатом слое на определенной базовой длине. Величина Бт представляется площадью плоской фигуры под гипсограммой, величина Ба — площадью фигуры над нею. Таким образом, имеем
1
Бт =| гр (б)^Б, Ба = 1 - Бт. (1)
0
2. Длина гипсограммы Ь , измеряемая в линейных или относительных величинах.
3. Биссектрисы Ь и Ь . фигур Б и Б , измеряемые в линейных или относитель-
г т! а! * •> г т а г
ных величинах. Биссектриса фигуры Бш, проведенная в направлении 0—0,5, обозначена Ьш1; в направлении 1-0,5 — Ьш2. Соответственно, биссектриса фигуры Б , проведенная в направлении 0-0,5 — Ьа1; в направлении 1-0,5 — Ьа2.
4. Центры тяжести Ст и Са фигур Бт и Ба — точки пересечения биссектрис Ьш1 и
Ь _, Ь . и Ь _.
т2' а1 а2
5. Бицентроида Ст Са — линия, соединяющая центры тяжести Са и Ст фигур Б и Б .
а т
6. Полюс Р — точка пересечения гипсограммы и бицентроиды.
7. Относительные ординаты центров тяжести С , С и полюса Р — t, t , t при
г 'г а т а т рр г
соответствующих относительных сближениях е , е , е .
^ а т р
8. Относительные опорные точки (относительные контурные давления) — tpa, t при сближениях е , е , е .
рт г а р т
Для рассматриваемой гипсоцентроидной модели изнашивания установлены следующие соотношения.
1. Парциальные величины Ба и Бт по правилу отрезков бицентроиды равны
Оа = ( СаР)Ц СаСт ) = ( р -£ а )/( т -£ а );
От = (СтР)/(СаСт ) = (ет -ер )/(т -еа ).
2. Длина бицентроиды Ьр для многочисленных вариантов гипсограмм оказалась равной величине
Ьв= (0,618 • 0,383)0'5 = 0,486, (2)
где 0,618 и 0,382 — гармонические числа золотой пропорции [2].
3. Отношение длин гипсограммы Ьи бицентроиды Ьр для исследованных вариантов изменяется в пределах
у = Ьу /¿р= 2,91...3,09 « 3 (3)
и практически может считаться трехкратным.
4. Длины биссектрис фигур Ба и Бт конкретной системы координат Iр - е равны между собой, несмотря на различия в парциальных величинах, т.е.
К1 = Ьт 2 = ьа 1 = ьа 2. (4)
5. Между длинами гипсограммы и биссектрис установлена зависимость
Ьу= Ьт (2Ьт -1) (5)
или
1т1 = 4; = 0,25 + (0,0625 + !у)0,5. (6)
6. Угол наклона бицентроиды ф характеризует отношение силы трения Т и нормальной составляющей N внешней нагрузки Я.
Установлено, что тангенс этого угла равен полному коэффициенту трения скольжения [1]
^Ф = / = (а -т)/( -е^. (7)
Деформационная (механическая) составляющая / полного коэффициента трения может быть оценена по зависимости
Технология строительных процессов. Механизмы и оборудование
Л =(( - {рр )(( -еа адгезионная (молекулярная) составляющая/ по формуле / = (г - г )/(е -е ).
^а V рр т// V т а/
7. Кратная степень поверхностного трибодеформационного упрочнения (разупрочнения) металлов К определяется зависимостью
К = #,/#0 =(От^От )/т/^ , (8)
где Н, Н — поверхностная и исходная микротвердость металла соответственно; Б= 0,618 — гармоническая величина золотой пропорции [2].
8. Предельная степень трибодеформационного упрочнения (разупрочнения) К продуктов износа принимается равной
при К > 1 Ка = К [К0/ + (-1)0,5 ], (9)
при К < 1 Ка = К [К* - (К, -1)2 ].
Для оценки величины К и К можно использовать также выражения
К, = ^, К = ^, К = К, , где е — основание натурального логарифма; t — показатель фрикционной усталости металла, определяемый по формуле
г = 1П (V еа )/1П (/ е^ (10)
или по оценочной зависимости t ~ е / е .
та
9. Сила трения определяется зависимостью
Т = /Н = /К!#0>гррО^т1х„ (И)
где В ширина поверхности трения; Я — максимальная высота шероховатого слоя. Нагрузка на поверхность трения равняется
R = ( + Т2 )0,5 = КН^^^^ (1 + /2 )0'5. (12)
10. Температура нагрева поверхностного слоя при трении может быть определена по зависимости
ДТ, = 1П К,/а, °С,
где а = 2,15 10-3, 1/°С — среднее значение температурного коэффициента для металлов.
Температура продуктов износа может быть вычислена по формуле
АТа = 1П Ка/ а, °С. (13)
11. Коэффициенты полезного действия трибосопряжений можно оценить посредством модели «клинового привода» [3], представляя гипсограмму проекцией наклонной поверхности.
В этом случае КПД вычисляется по формуле
П = /1е(5 + 2ф), (14)
где 5 — угол клина; ф — угол трения, определяемые по гипсограмме (см. рис. 1).
Предлагается оценка КПД трибосистемы посредством биссектрис гипсограммы, когда используется выражение
п . = п . = 0,51 . = 0,51 .. (15)
1тг а ' т- ' а- V /
Близкие значения дает расчет по формуле
П = 1/(1 + 2/У)- (16)
Изложенные понятия, определения и соотношения представляют развитие деформационного-топографического метода исследования триботехнических показателей рабочих органов и сопряжений строительной техники [4].
ВЕСТНИК
9/2012
На основе разработанного метода расчета получены трибомеханические характеристики узлов трения строительных машин и оборудования различного функционального назначения. Учет специфики изготовления материалов и деталей позволил обоснованно выбрать конструкционно-технологические способы повышения износостойкости и долговечности строительной техники.
Ниже приводятся примеры конкретных исследований (табл. 1, 2).
Табл. 1. Микротопографические и триботехнические показатели шарниров черпаков строительных драг
Показатели Наплавленные металлы
ВСН-12 ОМГ-Н ВСН-6 ОЗШ-1 ОЗИ-1 НГ-2 Т-620 ОЗН-6 Х-5
В а 0,580 0,455 0,406 0,416 0,402 0,514 0,409 0,440 0,320
г 2,05 2,43 2,33 2,09 2,38 2,12 2,97 2,68 2,83
К 1,333 1,255 1,306 1,214 1,164 1,215 1,215 1,240 0,817
К 0,75 0,47 0,62 0,56 0,73 0,65 0,67 0,53 1,04
/ 0,24 0,22 0,21 0,21 0,24 0,28 0,21 0,19 0,31
5, град 28,0 31,9 32,7 32,4 31,3 30,9 31,4 29,6 35,7
пР % 37,3 41,0 42,6 42,6 37,6 31,6 42,5 45,8 26,0
п % 41,0 43,0 44,0 44,0 41,0 37,0 44,0 46,7 35,0
АТ, °С У 134 105,6 124 90,2 71 90,6 90,6 100 94
АТ, °С а 488 445 474 419 292 420 420 491 219
Табл. 2. Микротопографические и триботехнические показатели наплавленных дробящих плит щековых дробилок
Мате- Подвижные плиты Неподвижные плиты
риал В а 8 а / г К АТ °С я п,% В а 8 а / г К АТ , °С п,%
ВСН-9 0,375 0,21 0,511 2,76 0,98 9,4 24,6 0,561 0,30 0,323 1,93 1,31 124,5 34,0
ЦН-16 0,378 0,20 0,348 2,62 0,99 4,9 32,4 0,338 0,20 0,385 2,46 0,87 62,7 30,2
ЭНУ-2 0,437 0,25 0,355 1,72 1,13 55,8 31,9 0,562 0,31 0,24 2,61 1,31 124,7 41,0
Т-590 0,74 0,40 0,766 1,78 1,36 141,3 17,9 0,408 0,22 0,22 2,34 1,06 29,0 43,1
КБХ-45 0,51 0,29 0,42 2,19 1,25 103,5 28,4 0,40 0,22 0,319 2,05 1,05 20,6 34,3
Выводы. 1. Микротопографические показатели изношенных поверхностей трения позволяют рассчитать основные триботехнические характеристики рабочих органов и подвижных сопряжений строительных машин и оборудования с целью обоснованного выбора рациональных методов повышения их долговечности и эффективности промышленного использования.
2. Для работы в условиях гидро-абразивного изнашивания применительно к шарнирам строительных драг рекомендуется пара трения сталь 110 Г13Л — наплавка Х-5, обладающая относительно абразива большей твердостью (Кт= 1,04) и меньшей температурой фрикционного нагрева (АГ ~ 90 °С).
3. Для подвижных плит щековых дробилок рекомендуются наплавки электродами марок ВСН-9 и ЦН-16, имеющие наибольшие значения фрикционной усталости (Г = 2,76 и 2,62 соответственно) и незначительные температуры нагрева поверхностей трения (9,4 и 4,9 °С). Для неподвижных плит можно рекомендовать электроды ЦН-16, Т-590 и КБХ-45.
Технология строительных процессов. Механизмы и оборудование
4. Наибольшей износостойкостью обладают наплавленные металлы, испытывающие в процессе работы трибодеформационное разупрочнение (К < 1) при незначительном нагреве поверхностей трения.
Библиографический список
1. Густое Ю.И. Повышение износостойкости рабочих органов и сопряжений строительных машин : дисс. ... д-ра техн. наук. М. : МГСУ, 1994. 529 с.
2. Коробко В.И. Золотое сечение и проблемы гармонии систем. М. : Изд-во АСВ стран СНГ, 1998. 373 с.
3. ЧихосХ. Системный анализ в трибонике. М. : МИР, 1982. 351 с.
4. Густое Ю.И. Триботехника строительных машин и оборудования : монография. М. : МГСУ, 2011. 192 с.
5. HebdaM., WachalA. Trybologja // Wydawnictwa Naukowo-Techniczne. Warszawa, 1980. 611 p.
6. Petrescu Florin Nicolae. Trjbologie // Institutul de Constructii Bucuresti. 1986. 275 p.
7. Густое Ю.И., Густое Д.Ю., Воронина И.В. Методология определения триботехнических показателей металлических материалов // Сб. докладов XVI Словацко-российско-польского семинара «теоретические основы строительства». Жилина, Словацкая республика. 2007. С. 339—342.
8. Физические величины / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др. М. : Энергоатомиздат, 1991. С. 1232.
9. Густое Ю.И., Воронина И.В. Модернизация и ремонт самоходных машин // Интерстроймех — 2007: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Самара : СГАСУ, 2007. С. 238—242.
Поступила ередакцию е июне 2012 г.
Об авторах: Густов Юрий Иванович — доктор технических наук, профессор кафедры механического оборудования, деталей машин и технологии металлов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 183-94-95, [email protected];
Любушкин Кирилл Александрович — аспирант кафедры механического оборудования, деталей машин и технологии металлов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 183-94-95, [email protected];
Орехов Алексей Александрович — аспирант кафедры механического оборудования, деталей машин и технологии металлов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 183-94-95, [email protected].
Для цитирования: Густое Ю.И., Любушкин К.А., Орехое А. А. Микротопографические показатели поверхностей трения строительных машин и оборудования // Вестник МГСУ. 2012. № 9. С. 179—184.
Yu.I. Gustov, K.A. Lyubushkin, A.A. Orekhov
MICROTOPOGRAPHIC PARAMETERS OF FRICTION SURFACES OF CONSTRUCTION MACHINERY AND EQUIPMENT
The article covers the concepts, definitions and correlations of parameters of worn surfaces within the coordinate system of relative pressures and convergences of interacting elements of construction machines.
The authors provide their findings based on the research of microtopographic and tribologi-cal engineering parameters of scoop hinges of construction drags and fused crushing plates of jaw crushers. As for the drag hinges, the friction pair is to include steel 110riZL and X-5 padding that demonstrates high resistance to friction (Kt=1.04) and low temperature of frictional heating (AT = 90 °C). Mobile plates of jaw crushers need electrodes VSN-9 and TsN-16 for padding purposes, as they demonstrate the biggest frictional fatigue values (t = 2.76 and 2.62, respectively) and insignificant temperature of heating of friction surfaces (9.4 and 4.9 °C). Electrodes TsN-16, T-590 and KBKh-45 are recommended for fixed plates.
ВЕСТНИК 9/2012
Microtopographic parameters of worn friction surfaces are used to analyze the main tribologi-
cal engineering parameters of operating elements and joints of construction machines and items of
equipment.
Key words: wear-and-tear process, deterioration, pressure, juxtaposition, bisector, pole, bi-
centroid, hardening, fatigue, temperature, performance.
References
1. Gustov Yu.I. Povyshenie iznosostoykosti rabochikh organov i sopryazheniy stroitel'nykh mashin [Improvement of Wearability of Operating Elements and Joints of Construction Machines]. Moscow, MGSU Publ., 1994, 529 p.
2. Korobko V. I. Zolotoe sechenie i problemy garmonii sistem [The Golden Section and Problems of Harmony of Systems]. CIS ASV Publ., Moscow, 1998, 373 p.
3. Chihos H. Sistemnyy analiz v tribonike [The System Analysis in Tribology]. Moscow, MIR Publ., 1982, 351 p.
4. Gustov Yu.I. Tribotekhnika stroitel'nykh mashin i oborudovaniya [Tribological Engineering of Construction Machines and Equipment]. Moscow, MGSU Publ., 2011, 192 p.
5. Hebda M., Wachal A.. Trybologja. Wydawnictwa naukowo-techniczne. Warszawa, 1980, 611 p.
6. Petrescu Florin Nicolae. Trjbologie. Institutul de Constructii Bucuresti. 1986, 275 p.
7. Gustov Yu.I., Gustov D.Yu., Voronina I.V. Metodologiya opredeleniya tribotekhnicheskikh po-kazateley metallicheskikh materialov [Methodology of Identification of Tribological Parameters of Metal Materials]. Collected works of the 16th Slovak-Russian-Polish Seminar "Theoretical Basics of Construction". Zilina, Slovak Republic, 2007, pp. 339—342.
8. Babichev A.P., Babushkina N.A., Bratkovskiy A.M. Fizicheskie velichiny: spravochnik [Physical Values: Reference Book]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1991, 1232 p.
9. Gustov Yu.I., Voronina I.V. Modernizatsiya i remont samokhodnykh mashin [Modernization and Repair of Self-propelled Machines]. Materials of International Scientific and Technical Conference «Interstroymekh-2007». Samara, SGASU Publ., 2007, pp. 238—242.
About the authors: Gustov Yuriy Ivanovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Mechanical Equipment, Elements of Machines and Technology of Metals, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; tm@mgsu. ru; +7 (499) 183-94-95;
Lyubushkin Kirill Aleksandrovich — postgraduate student, Department of Mechanical Equipment, Elements of Machines and Technology of Metals, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected]; +7 (499) 18394-95;
Orekhov Aleksey Aleksandrovich — postgraduate student, Department of Mechanical Equipment, Elements of Machines and Technology of Metals, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected]; +7 (499) 18394-95.
For citation: Gustov Yu.I., Lyubushkin K.A., Orekhov A.A. Mikrotopograficheskie pokazateli poverkh-nostey treniya stroitel'nykh mashin i oborudovaniya [Microtopographic Parameters of Friction Surfaces of Construction Machinery and Equipment]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 9, pp. 179—184.
