CC BY
58
Вестник Воронежского института ГПС МЧС России
ПОЖАРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 669.058
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПОДВЕСКИ
ПОЖАРНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
П.В. Пучков, А.В. Маслов, А.В. Топоров, Ю.Н. Моисеев
Рассмотрена проблема трибологической безопасности резьбовых соединений. Предложен способ решения обозначенной проблемы путем разработки новых конструкций резьбовых соединений с применением магнитоуправляемых жидкостей Проведены расчеты магнитных систем предлагаемых конструкций с использованием метода конечных элементов. На основе расчетов определена наиболее рациональная конструкция магнитной системы для разработанного резьбового соединения закрытого типа. Разработана конструкция резьбового соединения, содержащая магнитную систему на основе сплава NdFeB, предназначенная для использования в устройствах, работающих в тяжелых условиях.
Ключевые слова: уплотнение, магнитная жидкость, трение.
Введение. Надежность - это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах все параметры, обеспечивающие выполнение требуемых функций в заданных условиях эксплуатации. Особое требование к надёжности предъявляется к пожарной и аварийно-спасательной технике. Находясь в дежурном режиме, она постоянно должна быть готова к использованию в самых тяжелых условиях работы. Низкий уровень надежности оборудования вполне может приводить к серьезным затратам на ремонт, длительному простою оборудования и к авариям.
Проблема работоспособности и надёжности резьбовых соединений в настоящее время весьма актуальна, особенно с развитием строительной, аварийно-спасательной, пожарной техники, вакуумной и космической техники, устройств, работающих в условиях Крайнего Севера и сильного грунтового загрязнения.
Постановка задачи. Уменьшение давления окружающей среды, наличие загрязнений изменяет фрикционные характеристики материалов пары трения. В связи с этим процесс трения металлов в таких условиях усложняется, коэффициент трения в несколько раз увеличивается и достигает нескольких единиц.
Следует отметить, что в условиях атмосферного воздуха многие механизмы, в которых исполь-
зуются гайки, винты, болты, шпильки, ходовые винты и т.д. также работают в тяжелых условиях таких как: повышенной влажности, грунтовой загрязненности, при высоких температурах, в агрессивных средах, в результате чего резьбовые соединения теряют свою подвижность. Основной причиной потери подвижности резьбовых соединений является окисление, деформация витков резьбы и деградация смазочного материала.
Наиболее выражены эти явления в узлах подвески пожарных автомобилей. Подвеска автомобиля состоит из целого ряда деталей, обеспечивающих упругое соединение кузова с колесами. Крепление деталей наиболее часто выполняется при помощи резьбовых соединений. В ходе выполнения регламентных и ремонтных работ возникают проблемы разборки этих соединений. Зачастую соединения не могут быть разобраны без разрушения крепежных изделий. Поэтому, разработка подходов к повышению надежности, работоспособности, ремонтопригодности резьбовых соединений узлов подвески пожарных автомобилей является актуальной задачей.
Разработка трибологически безопасного резьбового соединения. Решить проблему надёжности и работоспособности резьбовых соединений можно путем новых конструктивных решений и применения магнитоуправляемых наножидкостей.
19
Выпуск 3(16), 2015
Магнитные смазочные жидкости могут использоваться в качестве смазочного материала в резьбовых соединениях и принудительно удерживаются в зоне контакта трения постоянным магнитным по-
лем. Резьбовая поверхность болта с нанесенной на его поверхность магнитной жидкостью представлена на рис. 1.
а) б)
Рис. 1. Резьбовая поверхность винта с нанесенной на неё магнитной смазочной жидкостью: а - рабочая поверхность; б - торцевая поверхность.
Как вариант решения проблемы безотказной работы пар трения винт-гайка в вакууме может послужить трибологически безопасное резьбовое соединение «закрытого» типа. Конструкция данного резьбового соединения представлена на рис. 2.
Данное резьбовое соединение предназначено для работы в условиях ограниченной смазки, в ус-
ловиях вакуума и др. тяжелых условиях. В условиях вакуума обычные резьбовые соединения теряют свою подвижность из-за испарения смазки и сублимации твердых смазочных покрытий, в результате чего происходит холодное сваривание поверхностей резьбы винта и гайки с образованием мостиков холодного сваривания.
Рис. 2. Конструкция трибологически безопасного резьбового соединения «закрытого» типа: 1 - тело винта М20х2; 2 - кольцо проставное из магнитного материала;
3 - постоянный магнит; 4 - магнитная жидкость на основе полиэтилсилоксана (ПЭС-5); 5 - проставка-цилиндр из магнитного материала; 6 - заглушка.
Сущность предлагаемого резьбового соединения состоит в том, что работоспособность и надежность работы резьбового соединения обеспечивается за счет применения магнитной жидкости на полиэтилсилоксановой основе (ПЭС-5), которая удерживается в зазоре резьбового соединения магнитным полем, которое инициируется постоянными магнитами, установленными в теле винта. В отличие от обычных смазочных материалов смазочные МЖ обладают магнитной восприимчивостью и подвергаются действию наложенного на них магнитного поля: удерживаются в нём или переме-
щаются в зону большей его напряженности. В связи с этим действие смазочных МЖ зависит не только от их собственных смазочных свойств, но и от условий, определяемых наложенным магнитным полем. Под его действием МЖ интенсивно проникают на поверхности контакта в зоне трения и образуют там смазочные слои и плёнки.
Расчет магнитных систем трибологически безопасных резьбовых соединений. Для исследования работоспособности разработанного резьбового соединения был выполнен расчет его магнитных свойств. Для выполнения расчетов использовался
20
Вестник Воронежского института ГПС МЧС России
метод конечных элементов. Полученные результа- ты расчетов представлены на рисунках 3-5.
1 2 3 4 5
Рис. 3. Картина распределения линий магнитной индукции вдоль резьбовой поверхности винта: 1 - деталь; 2 - винт; 3 - магниты постоянные; 4 - проставка-кольцо; 5 - воздушная полость; 6 - проставка- магнитопровод; 7 - линии магнитной индукции.
Рис. 4. Значение напряженности магнитного поля вдоль рабочей поверхности винта.
21
Выпуск 3(16), 2015
Рис. 5. Распределение магнитной индукции по торцевой поверхности винта.
Анализируя полученные результаты, представленные на рис. 4-5, можно сделать вывод о том, что разработанная конструкция резьбового соединения является работоспособной.
Одним из определяющих факторов надёжной работы трибологически безопасного резьбового
соединения является выбор материала постоянного магнита.
В ходе проделанной работы были изучены магнитные характеристики резьбового соединения с различными магнитными материалами, результаты расчётов представлены на рисунке 6.
Рис. 6. Зависимость напряженности постоянного магнитного поля на рабочей поверхности винта от материала постоянного магнита, установленного в его теле: 1 - неодим-железо-бор N34A - 2706 кА/м; 2 - самарий-кобальт S24H- 1440 кА/м;
3 - неодим-железо-бор N34A - 2520 кА/м;
4 - альнико А5.05В - 147 кА/м; 5 - феррит F3.2c - 380 кА/м.
Из представленного графика зависимости напряженности постоянного магнитного поля на рабочей поверхности винта от материала постоянного магнита, представленного на рисунке 7, видно, что конструкция резьбового соединения будет наиболее рациональной при использовании постоянного магнита на основе неодим-железо-бор.
Спеченный постоянный магнит на основе сплавов типа NdFeB обладает следующими преимуществами перед другими магнитами с точки зрения миниатюризации магнитных и электротехнических устройств:
- более высокие магнитные параметры по сравнению с литым и ферритовым магнитом, NdFeB в 8-10 раз мощнее феррита;
22
Вестник Воронежского института ГПС МЧС России
- возможность создания сильных магнитных полей при малых габаритах;
- обладает одним из наилучших отношений энергетического произведения к цене;
- рекомендуется для применения в широком спектре электротехнических устройств, включая электродвигатели большой мощности.
Однако применение магнита на основе сплава NdFeB в устройствах, работающих в условиях высоких температур, становится неэффективным.
Выводы. На основе вышеизложенного мо-
Библиографический список
1. Киселев В.В. К проблеме улучшения триботехнических свойств смазочных материалов /
В.В. Киселев // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. - 2006. - Т. 49. - № 12. - С. 113-114.
2. Киселев В.В., Топоров А.В., Пучков П.В. Повышение надежности пожарной техники применением модернизированных смазочных материалов / В.В. Киселев, А.В. Топоров, П.В. Пучков // Пожаровзрывобезопасность. - 2010. - Т. 19. -№2. - С. 50 - 53.
3. Киселев В.В., Топоров А.В., Пучков П.В. Перспективы применения магнитожидкостных устройств в пожарной и аварийно-спасательной технике / В.В. Киселев, А.В. Топоров, П.В. Пучков // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. - 2010. - №2. - С. 63-64.
4. Киселев В.В., Топоров А.В., Пучков П.В. Повышение надежности пожарной техники применением модернизированных смазочных материалов / В.В. Киселев, А.В. Топоров, П.В. Пучков // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. - 2010. - №3. - С. 24-28.
5. Пучков П.В., Киселев В.В., Топоров А.В. Разрушение строительных металлоконструкций в условиях пожара / П.В. Пучков, В.В. Киселев, А.В. Топоров // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. - 2010. - №3. - С. 29-32.
6. Киселев В.В., Полетаев В.А. Исследование триботехнических характеристик металлосодержащих присадок к маслам, используемым в электрических машинах / В.В. Киселев, В.А. Полетаев // Вестник ИГЭУ. - 2011. - Выпуск 2. - С. 65 - 67.
7. Киселев В.В., Топоров А.В., Пучков П.В. Перспективы использования модернизированных смазочных материалов в пожарной и аварийноспасательной технике / В.В.Киселев, А.В. Топоров, П.В. Пучков // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. - 2011. - №3. - С. 2329.
жем сделать вывод о том, что разработанная конструкция резьбового соединения будет работоспособной. Установлено, что в качестве источника магнитного поля для разработанной конструкции следует использовать постоянные магниты на основе сплава NdFeB. Применение магнитной смазочной жидкости обеспечит разделение витков резьбы в резьбовом соединении типа винт-гайка, тем самым предотвратит образование мостиков холодного сваривания, а, следовательно, продлит срок службы соединения, повысит его надежность и работоспособность.
References
1. Kiselev V.V. K probleme uluchsheniya tribotehnicheskih svoystv smazochnyih materialov / V.V. Kiselev // Izvestiya vyisshih uchebnyih zavedeniy. Himiya i himicheskaya tehnologiya. - 2006. - T. 49. - № 12. - S. 113-114.
2. Kiselev V.V., Toporov A.V., Puchkov P.V.
Povyishenie nadezhnosti pozharnoy tehniki primeneniem modemizirovannyih smazochnyih materialov / V.V. Kiselev, A.V. Toporov, P.V. Puchkov //
Pozharovzryivobezopasnost. - 2010. - T. 19. - №2. - S. 50 - 53.
3. Kiselev V.V., Toporov A.V., Puchkov P.V.
Perspektivyi primeneniya magnitozhidkostnyih ustroystv v pozharnoy i avariyno-spasatelnoy tehnike / V.V. Kiselev, A.V. Toporov, P.V. Puchkov // Nauchnyie i obrazovatelnyie problemyi grazhdanskoy zaschityi. -2010. - №2. - S. 63-64.
4. Kiselev V.V., Toporov A.V., Puchkov P.V.
Povyishenie nadezhnosti pozharnoy tehniki primeneniem modemizirovannyih smazochnyih materialov / V.V. Kiselev, A.V. Toporov, P.V. Puchkov // Nauchnyie i obrazovatelnyie problemyi grazhdanskoy zaschityi. -2010. - №3. - S. 24-28.
5. Puchkov P.V., Kiselev V.V., Toporov A.V. Razrushenie stroitelnyih metallokonstruktsiy v usloviyah pozhara / P.V. Puchkov, V.V. Kiselev, A.V. Toporov // Nauchnyie i obrazovatelnyie problemyi grazhdanskoy zaschityi. - 2010. - №3. - S. 29-32.
6. Kiselev V.V., Poletaev V.A. Issledovanie tribotehnicheskih harakteristik metallosoderzhaschih prisadok k maslam, ispolzuemyim v elektricheskih mashinah / V.V. Kiselev, V.A. Poletaev // Vestnik IGEU. - 2011. - Vyipusk 2. - S. 65 - 67.
7. Kiselev V.V., Toporov A.V., Puchkov P.V. Perspektivyi ispolzovaniya modernizirovannyih smazochnyih materialov v pozharnoy i avariyno-spasatelnoy tehnike / V.V.Kiselev, A.V. Toporov, P.V. Puchkov // Nauchnyie i obrazovatelnyie problemyi grazhdanskoy zaschityi. - 2011. - №3. - S. 23-29.
23
Выпуск 3(16), 2015
SCREW CONNECTIONS OF FIRE TRUCKS SUSPENSION RELIABILITY INCREASING
The problem of tribological security threads. A method for solving the problems indicated by the development of new designs of screw joints using magnetic liquids. Calculations of the magnetic characteristics of the developed structures are made on the basis of the finite element method. Determined by the most rational design of magnetic system designed for threaded connection closed. The design threaded connections, comprising a magnetic system based alloy NdFeB, for use in devices operating in harsh conditions.
Keywords: seal, magnetic fluid, friction.
Пучков Павел Владимирович,
старший преподаватель, к.т.н.
Ивановская пожарно-спасательная академии ГПС МЧС России,
Россия, г. Иваново; e-mail: palpuch@mail.ru.
Puchkov Pavel V.
Senior teacher, andidate of engineering sciences;
Ivanovo Fire and Rescue Service Academy of State Fire Service of EMERCOM of Russia,
Russia, Ivanovo
e-mail: palpuch@mail.ru
Маслов Алексей Владимирович,
начальник «УНК Пожаротушение»,
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Россия, г. Иваново; e-mail: steelaxe@mail.ru.
Maslov Aleksey V.,
Head of education and scientific complex «Firefighting»
Ivanovo Fire and Rescue Service Academy of State Fire Service of EMERCOM of Russia, Russia, Ivanovo
Топоров Алексей Валериевич,
доцент, к.т.н.,
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Россия, г. Иваново; e-mail: ironaxe@mail.ru Toporov Aleksey V.,
Assistant professor, candidate of engineering sciences,
Ivanovo Fire and Rescue Service Academy of State Fire Service of EMERCOM of Russia, Russia, Ivanovo
Моисеев Юрий Николаевич,
начальник кафедры,
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Россия, г. Иваново.
Moiseev Uriy N.,
Head of operation offire fighting equipment,
Ivanovo Fire and Rescue Service Academy of State Fire Service of EMERCOM of Russia, Russia, Ivanovo
© Пучков П.В., Маслов А.В., Топоров А.В., Моисеев Ю.Н.
24
