CC BY
238
УДК 677.05-19
Обеспечение надежности кулачковых механизмов текстильных машин
Денисова НЕ., Шорина НС.
К высшим кинематическим парам относятся подвижные сопряжения двух звеньев, взаимодействие которых осуществляется по линии или в точке. Такие кинематические пары широко применяют в кулачковых механизмах различного назначения. От характеристик звеньев кинематической пары зависит работа всего кулачкового механизма. С помощью профиля кулачка задается точное расположение ведомого звена, которое зависит от изнашивания профилей ведущего и ведомого элементов кулачкового механизма. Профиль ведущего кулачка, как правило, криволинейный, профиль ведомого кулачка (звена) -плоский или криволинейный. Надежная работа кулачкового механизма возможна только при сохранении нужных размеров взаимодействующих элементов, т. е. при определенных величинах износа их рабочих поверхностей, а также при распределении износа по периметру профиля кулачка.
В качестве примера рассмотрим работу пространственного кулачка, применяемого в ткацких пневмопрядильных машинах для получения требуемого закона движения ведомого звена (нитеводителя), с помощью которого осуществляется намотка нити на бобину.
Принцип работы кулачкового механизма представлен моделью на рисунке 1. Его работа заключается в следующем: цилиндрический кулачок 1, вращаясь с заданной угловой скоростью Юк, приводит в возвратно-поступательное движение ролик 2 (толкатель - ролик-ось), который располагается в пазе кулачка 1. Толкатель с роликом 2 соединен с многоопорной штангой нитеводителя 4 через цапфу 3. Штанга получает возвратно-поступательное движение вдоль образующей бобины LБ в направлении оси z-z со скоростью Уш и амплитудой движения L = ЬБ.
1 - кулачок; 2 - ролик толкатель; 3 - цапфа; 4 - нитеводитель; П - паз пространственного кулачка; Оь Оп - опоры нитеводителя
Рисунок 1 - Кинематическая схема кулачка
Основным недостатком кулачковых механизмов, как и всех механизмов с высшими парами, является сравнительно быстрый износ паза кулачка, что приводит к повышению обрывности, ухудшается качество намотки нити на бобину, увеличивается уровень шума, появляются дополнительные нагрузки и
др.
Работа кулачкового механизма сопровождается высокими
динамическими нагрузками, несовершенной смазкой. Согласно
конструкторскому решению ролик толкателя, обкатываясь по пазу кулачка, работает в режиме качения с проскальзыванием. Следствием этого является катастрофический износ паза кулачка и элементов толкателя, а кулачковый механизм приходит в неработоспособное состояние.
Многие ученые-трибологи занимались классификаций видов
изнашивания. На наш взгляд для характеристики износа деталей трибосопряжений (ТС) кулачкового механизма наиболее информативной является классификация, предложенная Б.И Костецким [1]. На основании этой классификации виды изнашивания кулачкового механизма разделены на две группы: допустимые и недопустимые виды изнашивания.
К допустимым видам изнашивания можно отнести окислительный износ, абразивный износ (без снятия стружки и царапания) и износ плёнок не кислородного происхождения. Окислительный износ относится к коррозионномеханическому изнашиванию, при котором преобладают химические реакции за счет кислородосодержащих материалов и окисляющей среды.
Недопустимые виды изнашивания - визуально видимые повреждения адгезионного вида: схватывание, заедание, усталостные повреждения, смятие, абразивный износ со снятием стружки и царапаньем, фреттинг-коррозия.
В упрощенном виде схема развития процессов изнашивания металлических поверхностей при фреттинг-коррозии показана на рисунке 2.
1, 2 - контактирующие детали; 3 - точка контакта поверхностей; 4 - мелкие зарождающиеся каверны; 5 - трещины; 6 - общая большая каверна;
7 - отклонившиеся объемы металла в отклонившихся частицах
и на поверхности каверны
Рисунок 2 - Схема развития процессов изнашивания металлических поверхностей при фреттинг-коррозии
Первоначальное контактирование деталей происходит в отдельных точках поверхности (I). При вибрации окисные пленки в зоне фактического контакта разрушаются, образуются небольшие каверны, заполненные
окисными пленками (II), которые постепенно увеличиваются в объеме и сливаются в одну большую каверну (III). В ней повышается давление окисных частиц металла, образуются трещины. Некоторые трещины сливаются, и происходит откладывание отдельных объемов металла. При этом частицы окислов производят абразивное воздействие. Под влиянием фреттинг-коррозии значительно ухудшается качество поверхности - повышается шероховатость, появляются микротрещины, значительно снижается усталостная прочность деталей, нарушаются заданные зазоры и натяги между сопряженными деталями, возникает заедание и заклинивание контактирующих деталей.
Виды изнашивания кулачкового механизма:
■ Трибосопряжение паз пространственного кулачка -толкатель.
В начальный период пара трения должна работать в режиме эласто-гидродинамической смазки. Движение ролика по пазу происходит в режиме качения с проскальзыванием в зоне контакта. На прямолинейном участке имеет место абразивное изнашивание частицами высокой дисперсности. Абразивный износ связан с условиями, в которых работает прядильная машина.
■ Движение ролика по закруглённому участку паза носит ударный характер при переходе ролика от одной стенки паза к другой и вызывает усталостный вид изнашивания. В результате чего происходит интенсивное разрушение окисных плёнок поверхностей трения - образуются чешуйки высокой твёрдости. Они в последствии усиливают интенсивность абразивного изнашивания по контактирующей поверхности паза и ролика. Увеличивается доля металлического контакта, что приводит к схватыванию, переносу материала и задирам, а на поверхности ролика имеет место повреждения в виде глубоких борозд, вследствие царапания внешней поверхности. Кроме того, на поверхности ролика в результате усталостных явлений происходит раскачивание кристаллической решётки, что приводит к появлению на поверхности микротрещин и в дальнейшем к выкрашиванию частиц материала.
Со временем движение ролика по пазу переходит из режима качения в режим чистого скольжения, преобладает граничный режим смазки. Так после 2000 ч. работы кулачки с толкателем подлежат замене по причине износа, а механизм приходит в неработоспособное состояние - нарушается технологический процесс намотки и раскладки пряжи на бобины. Изменяется характер контакта двух тел: модель контактирования плоскость-цилиндр переходит в модель плоскость-плоскость. В начале контакт происходит по тонкой полоске, которая в процессе изнашивания интенсивно расширяется. При таком виде трения имеют место только катастрофичесике (недопустимые) виды изнашивания.
При обследовании пространственного кулачка [2] были построены траектории профиля неработавших и отработавших 2000 ч пространственных кулачков (рисунок 3). Были собраны данные по износу паза в 40 сечениях по шести исследуемым кулачкам, и был проведено вероятностно-статистическое исследование величин и характера износа паза. Анализ показал, что средняя величина размера изношенного паза составила 19,4 мм; предельные размеры
UтП = U ± 3* , соответственно равны Umax= 22,45 мм и Umin= 16,92 мм. Следовательно, максимальный износ составляет 6,4 мм. Предельно допустимая
величина износа не должна превышать 2 мм. Анализируя изношенные кулачки видно, что паз изнашивается не равномерно по траектории и достигает наибольшей величины на участке изменения направления движения. Наибольший износ отмечается на участках: 1-6, 17-25, и 37-40 [2].
1 - номинальный профиль паза; 2 - после 2000 ч эксплуатации Рисунок 3 - Г еометрия профиля паза кулачка
Неравномерный износ профиля кулачка вызывает нарушение плавности перемещения нитеводителя и приводит к изменению его хода, так как длина перемещения нитеводителя связана с величиной износа ролика и паза кулачка пространственного кулачкового механизма. Нарушение точности работы нитеводителя приводит к снижению качества намотки пряжи, т.е. образованию жгутовой намотки (рисунок 4), уменьшению объема пряжи в поковке.
Рисунок 4 - Жгутовая траектория намотки нити
■ Трибосопряжение ролик-ось.
Независимо от рассматриваемых видов изнашивания в параллельном соединении ролик (сталь 20Х) - ось (сталь 45) идут процессы фреттинга и фреттинг-коррозии. Следовательно, образование продуктов фреттинга можно объединить системой Fe-O-H2O. На основании ряда химических уравнений полученные продукты (Fe3O4, Fe3O4+H2O, Fe2O3, гидроокиси типа Fe2O3- H2O)
являются чисто коррозионными. Появление этих продуктов приводит к уменьшению зазора и увеличению доли проскальзывания ролика по пазу пространственного кулачка. Технологическая защита от фреттинга отсутствует, продукты коррозии аккумулируются, спрессовываются и полностью заполняют зазор. Тем самым приводят соединение в неподвижное состояние, в результате чего проскальзывание ролика не может быть исключено. Из чего можно сделать вывод, что применение ролика с опорами скольжения не обеспечивает необходимую надежность механизма и является органическим недостатком конструкции, и, в конечном счете, влияет на качество намотки нити на бобину.
На рисунках 5-8 изображены характерные виды изнашивания деталей кулачкового механизма.
Усталостный, гидроабразивный износ со снятием стружки и царапаньем
а, б — изношенный пространственный кулачок; в - тот же самый кулачок повернут на 180о относительно вида а
Рисунок 5 - Характерный вид пространственного (пазового) кулачка
после 2000 ч работы
Фреттинг-коррозия
Рисунок 6 - Ось ролика пространственного кулачка
Пластическое оттеснение
Абразивный износ со снятием стружки и царапаньем
Фреттинг-коррозия
а - ролик пространственного (пазового) кулачка; б - ролик осевого кулачка
Рисунок 7- Характерный вид поверхности трения ролика в процессе
эксплуатации
фреттинг-коррозия
Рисунок 8 - Осевой кулачок и ползушка после 2000 ч эксплуатации
Вывод. Форма тела и качество намотки в значительной степени определяется величиной износа по профилю кулачка, так как паковка заданной формы наматывается при движении нитеводителя по определенному закону. Если профиль паза кулачка по траектории изнашивается неравномерно, как это имеет место на практике, то будут нарушены формы и структура намотки нити.
Следовательно, для сохранения формы тела и повышения качества намотки необходимо предъявить жесткие требования по сохранению размеров деталей кулачкового механизма. Для выполнения этих требований нами
предложены некоторые специальные мероприятия, направленные на повышение надежности элементов кулачкового механизма.
1. Замена индустриального масла И-50А в коробке раскладки на металлоплакирующее масло. По [3] выбираем масло: И-Т-С-100 (мп) (ТУ 38.401127-92) — специально разработанное металлоплакирующее масло для текстильного оборудования. Применение этого масла реализует процесс избирательного переноса.
Масло И-Т-С-100 (мп) имеет в качестве основы масло И-50А и содержащее комплекс функциональных присадок, улучшающих его
эксплуатационные качества: ДФ-11 в объеме 2% масс, ионол - 0,7%, В-15/41 -0,05%, ПМС-200А - 0,005%. Чтобы обеспечить реализацию эффекта безызносности, в базовое масло в количестве 0,6 % масс добавляется медьсодержащая присадка МКФ-18 (ТУ 38 101127-87), включающая в качестве соли жирной кислоты олеат одновалентной меди и с целью повышения противоизносных свойств дополнительно олеиновую кислоту.
ДФ-11 (диалкилдифосфат цинка) - обладает противоокислительными, противоизносными свойствами, ингибитор окисления, задерживает накопление продуктов окисления, прерывая реакции.
В-15/41 - снижает химический (коррозионный) износ металла благодаря образованию защитной пленки или нейтрализации продуктов окисления.
ПМС-200А (полиметилсилоксан) - противопенная присадка, снижает поверхностное натяжение и уменьшает стабильность пены.
Металлоплакирующие масла кроме эффекта безызносности обладают также некоторым демпфирующим свойством.
2. Согласно современной молекулярно-механической теории трение представляет собой процесс взаимного деформирования весьма тонких поверхностных слоев каждого из соприкасающихся тел, осложненный разрушением адгезионных мостиков связи между этими телами или пленками на них. В результате деформирования контактирующих тел и разрыва адгезионных связей между ними значительно меняется рельеф их поверхностей, т.е. происходит их износ. Причем контактирование твердых тел происходит не по всей поверхности, а только в отдельных пятнах контакта. Различные пятна взаимодействуют по-разному. На одних происходит упругий контакт, на других - пластический, на третьих - микрорезание или глубинное вырывание. Если при упругом контакте материал разрушается при большом количестве воздействий n =10 -10 , то при микрорезании и глубинном вырывании достаточно единичного воздействия.
Исходя из этого, наибольшая износостойкость поверхностей трения обеспечивается при наличии упругого контактирования в сочетания с разрушением адгезионных связей в тонком поверхностном слое, т.е. необходимо соблюдать условие положительного градиента механических свойств по глубине (правило Крагельского) [4], что достигается путем создания на поверхности трения твердого тела пленки менее прочного материала. Эта пленка может быть жидкой и твердой, металлической и неметаллической. В связи с этим для уменьшения износа ТС деталей кулачка предложено химическое меднение [5].
Процесс химического меднения является оптимальным для выполнения поставленной задачи (обеспечения надежности работы кулачкового механизма), а также экономически доступным.
Омеднение повышает сопротивляемость образованию задиров и способствует снижению уровня шума, а также способствует реализации режима избирательного переноса.
Литература
1. Костецкий Б.И., Механо-химические процессы при граничном трении/-Костецкий Б.И., Натансон М.Э., Бершатский Л.И. М.: Наука, 1972, 170 с.
2. Денисова Н.Е, Генералов В. А. Анализ отказов и повышение работоспособности кулачкового механизма коробки раскладки пневмопрядильной машины.- Актуальные проблемы науки и образования. Труды Международного юбилейного симпозиума: в 2-х томах, т.2./Под ред. Д.т.н. М.А.Щербакова. Пенза. ИИЦ ПГУ. 2003, с.80-84.
3. Денисова Н.Е. Смазка оборудования текстильной и легкой промышленности: Справочник /Под ред. Н.Е.Денисовой.- М.: Легпромбытиздат, 1994, 448 с.
4. Крагельский И.В. Основы расчётов на трение и износ / И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, В.С. Камбалов - М.: Машиностроение, 1977, 526 с.
5. Денисова, Н.Е. Триботехническое материаловедение и триботехнология// Н.Е. Денисова, В.А. Шорин, И.Н. Гонтарь, Н.И. Волчихина, Н.С. Шорина/ Под. общ. ред. Н.Е. Денисовой. - Пенза: ПГУ, 2006, 264 с.
