CC BY
1НАДШШСТЬ ПАР ТЕРТЯ ЗАСОБ1В ТРАНСПОРТУ НА СТАД11 ПРИПРАЦЮВАННЯ
Дмитриченко М. Ф., доктор техмчних наук, Нац^ональний транспортний университет, Кигв,
Украгна, ORCIDID: https://orcid.org/0000-0003-4223-1838
Богданов I. М., Нац^ональний транспортний университет, Кигв, Украгна,
ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-6346-4388
DOI: https://doi.org/10.31435/rsglobal_ws/28022022/7773
ABSTRACT
The reduction of the duration of running-in is most strongly influenced by the speed-power and technological factors. It was experimentally established that at specific loads of 0.15 - 3 MPa and tribopair velocities of 6 - 40 m/min (0.1 - 0.66 m/sec) and methods of surface hardening and surface hardening, nitrocementation and ion-plasma thermocyclic nitriding, a combination of speed, power and technological factors can reduce the running-in process by 1.5 - 2 times.
A mathematical model has been developed that combines the components of these factors for the running-in process in relation to the reduction of the latter.
The stand for experimental research of the tribotechnical system, which consists of an automatic gearbox with a magnetic brake, a power supply, a control panel and a PC, has been upgraded. The firmware is written in the Python programming language.
For further research in the chosen direction, the application of wear-resistant coatings with a thickness of 3 ... 10 ^m by PVD methods containing nitrides and carbides is promising.
Citation: Dmytrychenko M. F., Bogdanov I. M. (2022) Reliability of Vehicle Vehicles at the Stage of Preparation. World Science. 2(74). doi: 10.31435/rsglobal_ws/28022022/7773
Copyright: © 2022 Dmytrychenko M. F., Bogdanov I. M. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) or licensor are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.
Вступ. Найбшьш масовими деталями у машинобудуванш е зубчаст колеса. Тенденщя росту потужносп, навантажень i швидкостей у транспортному машинобудуванш вимагае розробки зубчастих передач для високошвидкюних прецизшних машинних агрегата. Надшнють трансмюш засобiв транспорту, особливо швидкюних легкових автомобшв, автосамоскидiв велико! вантажошдйомност^ вантажних автомобшв, а також енергонасичених тракторiв вимагае розробки високонавантажених зубчастих передач. Тенденци зниження ваги у транспортному машинобудуванш ставлять питання щодо застосування мщних зубчастих колю.
Важливою складовою будь-яко! ново! чи вщремонтовано! транспортно! машини, и агрегата i механiзмiв е перюд обкатки, у процес яко! вщбуваеться припрацювання. Скорочення цього перюду е особливо важливим для тривало! подальшо! експлуатацi! машини. При цьому виршальними факторами е дiя на зношування пар тертя як зовшшшх факторiв (сил, швидкостi, температури), так i матерiалiв пари та технологш !х змiцнення. Важливим також е i вибiр оливи для перюду припрацювання.
Аналiз публiкацiй. Новий або вщремонтований механiзм машини обов'язково мае пройти обкатку, призначення яко! - припрацювання уах пар тертя, з яких складаеться машина [1].
У процес припрацювання мають бути реатзоваш два процеси - макрогеометричний та мшрогеометричний. При першому з них вщбуваеться штенсивне припрацювання на макрорiвнi, тобто коли у результат пластичного деформування та зношування збшьшуеться фактичний майданчик контактування. Пiсля досягнення достатньо! величини цього майданчику зростають площi одиничних фактичних контактiв i збiльшення !х числа на мiкрорiвнi [1, 2, 3].
ARTICLE INFO
Received: 10 January 2022 Accepted: 18 February 2022 Published: 28 February 2022
KEYWORDS
earning, friction pairs, surface hardening, heat treatment, speedpower factor.
У двигушв внутршнього згорання автомобiлiв макрогеометричний процес тривае 1^2 години, а повне припрацювання, що включае обидва щ процеси - 35^40 годин [1].
Припрацювання вiдбуваеться на окремих дшянках у режимах тертя при граничному або нашврщинному мащеннi. При цьому накопичуються продукти зношування. Результатом триботехшчних дисипацiйних процесiв е утворення у процес припрацювання на поверхнях тертя пасивуючих плiвок. Цi плiвки захищають основний метал вiд адгезiйного зношування, а також зовшшньо! хiмiчно! дп [4]. Саме тому промивання системи пiсля зливання вщпрацьовано! оливи слщ виконувати малов'язкою оливою, зокрема дизельним паливом, а не, наприклад, гасом, який зруйнував би цю плiвку.
Критерiями закiнчення процесу припрацювання прийнято вважати [1]:
- початок прямолшшно! дiлянки вщомо! класично! криво! зношування;
- мiнiмiзацiю потужностi при холостому ходi машини;
- стабiлiзацiю моменту тертя та температури;
- найбшьшу ефективну потужшсть двигуна при заданш швидкостi;
- досягнення заданого ступеня прилягання поверхонь, що контактують.
Виходячи iз цього, сформульована мета до^дження, яка полягае у шдвищенш ефективност машин зокрема нових та вщремонтованих засобiв транспорту, шляхом сумюно! дп швидкiсно-силового фактору та сучасних методiв змiцнення поверхонь пар тертя шляхом скорочення перiоду припрацювання.
Програма та методика дослщжень. На рисунку 1 зображена змшена нами класична крива залежносп зносу к вiд тривалост часу Зношування вiдбуваеться у три стади [5]. На стади I вiдбуваеться припрацювання контактуючих поверхонь деталей. Ця стадiя характеризуеться нестабшьнютю параметрiв тертя, високою швидкiстю зношування, що обумовлено значними пластичними деформащями нерiвностей поверхневих шарiв деталей, перебудовою технолопчного мiкрорельефу поверхонь на експлуатацшний та змiною фiзико-механiчних властивостей оливи i матерiалiв трибосистеми.
Рис. 1. Залежтсть зносу h вгд тривалостг часу (. (Ь, 12 - стадгя припрацювання;
III, 112 - пер1од нормального (експлуатацтного) зношування пар тертя;
Ш1, Ш2 - пер1од катастроф1чного зношування.)
Д^нка II криво! вщповщае перюду нормально! роботи з'еднання тсля припрацювання. Спостерпаеться стабшзащя параметрiв тертя, а швидкiсть зношування вщносно невелика, однакова i стала.
Знос деталей поступово спричиняе попршення умов тертя при роботi з'еднань, у результат чого швидкiсть зношування рiзко зростае. Цей перiод процесу вщповщае кривiй III.
Припрацювання мае сво! особливостi стосовно оливи, що при цьому застосовуеться. Така олива повинна бути малов'язкою порiвняно з оливою, що використовуеться у експлуатацшний перюд. Це дае можливiсть оливi проникати у вузью щiлини, добре охолоджувати пару тертя, а також ефективно видаляти з робочих поверхонь продукти зношування.
Знос, Ь
час, /
Вщповщно до сказаного, для припрацювання обираемо оливу з малою в'язюстю, клас 9, кшематична в'язюсть при температурi 100°С - 6*11 мм2/с. Цi показники вщповщають оливам 75W i 80W SAE (США) при аналогiчнiй температурь
Науковi дослiдження у межах дано! роботи були зосередженш на вивченш явищ, що вiдбуваються при робот зубчастих пар, якi широко застосовуються у засобах транспорту (вузли тертя трансмюи i двигуна, а також шестеренних машин). Розглядались зубчастi колеса евольвентного профшю - звичайнi та кориговаш. Допущенням було також те, що обидва колеса пари виготовлялись з одного i того ж матерiалу.
Матерiали для дослiджень. У експериментах використовувались наступнi марки конструкщйних сталей, з яких найчастiше виготовляють зубчастi колеса у автомобiлебудуваннi:
- сталь 18ХГТ; склад - Сг 1,0*1.3%; Мп 0,8*1.1%; Тi 0,03*0,09%; С 0,18*0,23%; змщнюеться поверхневою штроцементащею; застосовуеться в умовах ударних навантажень (шестернi напiвосей i коробок передач); критичш температури: Ас1 - 740°С; Асз - 825°С;
- сталь 38Х2МЮА; склад - Cг 1,35*1,65%; Мо 0,15*0,25%; М 0,7*1,1%; С 0,5*0,42%; змiцнюеться поверхневим азотуванням (шестерш, якi працюють при високих контактних навантаженнях); критичнi температури: Ас1 - 800°С; Асз - 900°С;
- сталь 55; склад - Мп 0,5*0,8%; С 0,52*0,60%; змщнюеться поверхневим гартуванням; застосовуеться у шестернях iз середньою мщтстю серцевини); критичш температури: Ас1 -725°С; Асз - 755°С [7].
На рисунку 2 подано розрахункову схему зубчастого зачеплення, яка нами використана у дослiдженнях стади припрацювання.
Рис. 2. Схема зубчастого зачеплення При розрахунках припрацювання зубчастого зачеплення враховували, що у межах профшю зубця створюються змшш умови для зношування. По-перше змша швидкост вщносного ковзання вiд нуля у полюс зачеплення до максимуму при контакт нiжки та головки зуба, а по-друге, початковий контакт вщбуваеться по лши, причому площа контакту визначаеться умовами деформаци (зношування) за Герцем.
Вщповщно до закону абразивного зношування, величина лшшного зносу профшя зуба ко за оберт зубчастого колеса:
ко = коЬ1 ,
де - шлях тертя, який проходять точки контакту зубщв за один оберт зубчастого колеса;
к - коефщент, що враховуе iншi фактори контакту пари, що не увшшли до наведеного рiвняння.
Тиск на майданчику контакту спряжених зубщв Zl i ^2 розраховуеться як вщношення сили Q у полюш зачеплення до площi контакту 2Ъе.
При дослiдженнi зношувально! ди, антифрикцiйних i протизношувальних властивостей триботехнiчно! системи використовувався розроблений на кафедрi «Виробництво, ремонт та матерiалознавство» стенд, основою якого була контактна пара «стальна кулька - скляний диск». Стенд було нами модершзовано (рис. 3).
Рис. 3. Стенд (диск з оптичного скла К8 та камера для швидюсного вгдео - знятг)
Модершзований стенд складасться з панелi керування, блоку живлення, автоматично! програмовано! коробки швидкостей та ПК. Автоматична програмована коробка швидкостей -спроектована авторами, обладнана магштним гальмом для рiзко! зупинки двигуна. Прошивка написана на мовi програмування Python та дозволяе регулювати кшьюсть обертiв двигуна. Початково мае режим автоматичного збшьшення обертiв через деякий промiжок часу до максимального значення та рiзко! зупинки. Вщео i3 швидкiсно! камери передаеться до ПК та обробляеться для автоматичного визначення товщини масляно! плiвки через кольоровi кiльця Ньютона. Певний колiр вiдповiдае певнiй товщинi.
Для дослщження об'емного зносу у трибомеханiчних системах використовувався сучасний трибометр CSM Instruments SA.
Питомi навантаження при дослщженнях складали: 0,15 - 3 МПа при швидкостях 6^40 м/хв; база випробувань 12 - 105 ци^в.
Результати дослiджень. Отже, найважливiшими факторами, що впливають на час припрацювання, е швидкiсно-силовi та технологiчнi. Першi безпосередньо впливають на температуру трибопари, а друп включають матерiал складових пари тертя та методи змщнення контактуючих поверхневих шарiв.
Для побудови математично! моделi процесу припрацювання було обрано метод крутого сходження. При плануванш експерименту проводився вибiр кшькосп та умов проведення дослiдiв, достатшх для реалiзацi! поставленого завдання iз заданою точнiстю. Процес цiе! реалiзацi! називаеться оптим1зац1ею.
Для опису об'екту дослщження зручно користуватися юбернетичною системою «чорний ящик». На поведшку останнього впливають визначенi нами вище фактори х. Це - тиск (силовий фактор) Х1 (МПа), лшшна швидкiсть Х2 (м/сек) та технолопчний фактор (метод змiцнення контактуючих поверхонь матерiалiв трибопари) Х3. На рис. 4 фактори Xn показано стршками лiворуч, а стрiлками праворуч - параметр оптишзацл (час припрацювання) у.
X1 *
Х2 Чо рний ящик у ->
Х3
Рис. 4. Схема опису об 'екта дослгдження. PiB^HM математично! моделi у загальному виглядi записуеться так:
у = (р(Х1, Х2, х3) (2)
Така функщя називаеться функщею вiдгуку, причому кожний фактор у дослад може приймати кiлька значень (рiвнiв). У кожного фактора повинш бути мiнiмально та максимально можливi значення, мiж якими цей фактор може змшюватися безперервно чи дискретно.
У нашому випадку ми маемо нелiнiйну модель, коли один фактор залежить вiд рiвня iншого фактора. Тодi матриця певного факторного експерименту типу 23 матиме наступний вигляд (табл. 1).
Виходячи з дано! матрицi, запишемо рiвняння математично! моделi:
у = Ьо + ЪгХг + Ь2Х2 + ЬзХз + ЬпХХ + ЪгзХгХз + Ь2зХ2Хз + ЬпзХХХз. (3)
Для вимiрювання вщхилення результату дослщу вщ середнього арифметичного значення використовуеться диспершя [8].
Для перевiрки математично! моделi процесу припрацювання на адекваттсть було внесено значення параметру оптишзацп (часу припрацювання), отриманого експериментальним шляхом при наступному рiвнi факторiв: Х1 = 0,15 Мпа; Х2 = 6 м/хв; хз - змщнення сталi поверхневим гартуванням, коефщенти рiвняння (2) Ьо - Ьпз знайшли за рекомендацiями робiт [8, 9, 10]. Виключення грубих помилок експерименпв здiйснювалось з використанням критерiя Стьюдента, а адекваттсть модел1 - при використанш умови п застосуванням критер1я Фшера [9].
2,00 -
1,801,60£ 1,40л
п
д 1,200
о 1.00-Н
0,800,600,402000 2500 3000 3500 4000
Число обертчв 1/сек Рис. 5. Залежшсть товщини пл1вки в1д числа оберт1в.
При збшьшент числа обертв (швидкостi обертання) - товщина мастильного шару в зон контакту зменшуеться. На це впливають: вiдцентрова сила, що видавлюе оливу на периферда та скорочення ширини «мосту», що з'еднуе основну частину мастила та точку контакту.
Подальшi експериментальнi дослiдження були проведенi шестеренних насосах. Ц дослiдження мали на мет визначити кращий або кращi методи змiцнення поверхонь тертя. Переваги шестеренних над шшими типами насошв (поршневих, пластинчастих. Плунжерних та ш.) полягають у використаннi у кшематищ гiдромашини лише обертального руху та у вщсутност безпосереднього контакту робочих органiв (зубцiв шестерень) з корпусом. Це дозволяе суттево знизити штенсившсть процесiв тертя i, отже, значно тдвищити надiйнiсть насоса. У той же час сучасш шестереннi насоси здатш забезпечувати тиск у гiдросистемi до 25 МПа (машини четвертого поколшня). Це викликае пiдвищену увагу до швидюсно-силових та технологiчних факторiв, якi визначають, як було вщзначено вище, час припрацювання.
Ефективнiсть того чи iншого методу змiцнення визначалась за залежнiстю (1) для абразивного зношування. Стендовi ресурснi випробування було проведено на стецщ СИН 25 (м. Кропивницький, ВАТ «Пдросила») за методикою прискорених випробувань. Стенд було обладнано для перiодичного забруднення робочо! рiдини кварцовим пилом у юлькосп 0,1% по масi.
Обговорення результатв дослiдження. Нагрiвання твердих тiл при терт одночасно призводить до рiзкого пiдвищення !х хiмiчно!' активностi, змш характеру взаемодi!' тiл не тшьки одне з одним, але i з навколишнiм середовищем. Високi градiенти температур, що виникають у поверхневих шарах, дуже прискорюють дифузiйнi процеси, якi призводять iнодi
до дуже значно! змши атомарного складу у поверхневому шарi тiл тертя, а, отже, i до змiни ряду властивостей поверхонь тертя, у тому чи^ i вiльно! поверхнево! енергп. Змiни, що вiдбуваються у поверхневих шарах, обумовлеш дифузiйними процесами, отримали назву трибомутацп. Вмiло використовуючи цей процес, можна ютотно скорочувати перюд припрацювання тiл тертя (при скороченш витрат енергп), зменшувати знос виробу шд час обкатки вузла тертя i, завдяки цьому, значно збшьшити строк його експлуатацп.
Таким чином, дослщження показали, що на тривалють припрацювання (в бiк його зменшення без зниження якостi) позитивно впливае сумюна дiя швидкiсно-силового та технолопчного факторiв. Перший з них через ряд промiжних факторiв (товщина плiвки оливи, температуру, iнтенсивнiсть зношування тощо) безпосередньо впливае на тривалють обкатки (припрацювання). Другий залежить вiд вимог до пари тертя i призначаеться попередньо.
Для зубчастих пар з незмщнюваною серцевиною, тобто з низькою прогартовуванiстю, коли застосовуються нелегованi стат, з екологiчних мiркувань слiд рекомендувати поверхневе гартування. Недолiками цього методу е значне жолоблення виробiв, яке можна виправити заключним шлiфуванням жорстким абразивним шструментом.
Пари, якi складаються з низькою кiлькiстю легуючих елеменпв i працюють в умовах ударних навантажень, слiд змiцнювати нiтроцементацiею. Термiчна обробка таких зубчастих колiс здшснюеться у середовищах оливи i вщзначаеться середнiм змiцненням серцевини. Незначне жолоблення виробiв вимагае фiнiшних операцiй еластичним iнструментом.
Пари тертя, якi працюють в умовах високих контактних навантажень i тому виготовляються iз високолегованих сталей, слщ змiцнювати йонно-плазмовим термоциктчним азотуванням. Цей процес розроблено у 1нститут проблем мiцностi iм. Г.С. Писаренка. Переваги такого процесу полягають у вщсутносп жолоблення, тобто вщпадае необхщнють фiнiшно! механiчно! обробки.
Висновки i напрямки подальших дослiджень. На скорочення тривалостi припрацювання найбiльш сильно впливають швпдкюно-силовий та технологiчний фактор. Експериментально встановлено, що при питомих навантаженнях 0,15 - 3 МПа та швидкостях трибопари 6 - 40 м/хв (0,1 - 0,66 м/сек) i методах поверхневого змiцнення i поверхневого гартування, ттроцементащя та йонно-плазмове термоциклiчне азотування, поеднанням швпдкюно-силового та технологiчного факторiв можна знизити процес припрацювання у 1,5 - 2 рази.
Розроблена математична модель, що поеднуе складових цих факторiв на процес припрацювання стосовно скорочення останнього.
Модершзовано стенд для експериментальних дослщжень триботехшчно! системи, який складаеться з автоматично! коробки швидкостей з магштним гальмом, блоку живлення, панелi керування та ПК. Прошивка написана на мовi програмування Python.
Для подальших дослщжень в обраному напрямку перспективними е нанесення на пари тертя знососпйких покриттiв товщиною 3 -г- 10 мкм методами PVD, що мютить нiтриди та карбщи.
REFERENCES
1. Harkunov D.N. Trybotekhnyka: uchebnyk / D.N. Harkunov. M.: Mashynostroenye, 1989. 328 s.
2. Trybotekhnika ta osnovy nadiynosti mashyn: navch. posibnyk / M.F. Dmytrychenko, R.H. Mnatsakanov, O.O. Mikosyanchyk. K.: INFORMAVTODOR, 2006. 216 s.
3. Osnovy trybolohyy (trenye, yzonos, smazka) : Ucheb. dlya tekhn. vuzov / pod obshch. red. A.B. Chychynadze. M.: Mashynostroenye, 2001. 664 s.
4. Shevelya V.V. Trybokhymyya y reolohyya yznosostoykosty: monohrafyya / V.V. Shevelya, V.P. Oleksandrenko. Khmel'nytskyy: KHNU, 2006. 278 s.
5. Nadiynist' sil's'kohospodars'koyi tekhniky: pidruchnyk / M.I. Chernovol, V.YU. Cherkun, V.V. Aulin ta in.: za zah. red. M.I. Chernovola. Kirovohrad: KOD, 2010. 320 s.
6. Dykha O.V. Vuzly tertya mashyn. Rozrakhunky na znosostiykist': navch. posibnyk / O.V. Dykha. Khmel'nyts'kyy: KHNU, 2013. 147 s.
7. Prykladne materialoznavstvo: pidruchnyk / O.V. Sushko, E.K. Posvyatenko, S.V. Korchev, S.I. Lodyakov. Melitopol': TOV «Forward Press», 2019. 352 s.
8. Brodskyy V.Z. Vvedenye v faktornoe planyrovanye eksperymenta / V.Z. Brodskyy. M.: Nauka, 1976. 223 s.
9. Shenk KH. Teoryya ynzhenernoho eksperymenta, per. s anhl. E.H. Kovalenko. — Pod red. N.P. Buslenko. — M.: Myr, 1972. — 382 s.
10. Mozhovyy O.V., Bohdanova O.I., Hlukhonets' O.O. Osnovy prohnozuvannya nadiynosti i dovhovichnosti transportnykh mashyn: navch. Posibnyk / O.V. Mozhovyy, O.I. Bohdanova, O.O. Hlukhonets'. Vinnytsya: DPU 2018, 130 s.
