CC BY
54
Артемов И.И., Войнов А.А. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ КОРПУСОВ СФЕРИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ СУХОГО ТРЕНИЯ
В рамках модели изнашивания, содержащей ряд безразмерных инвариантов, характеризующих процессы поверхностного разрушения сопряжения «палец-корпус» шаровой опоры автомобиля, разработан и экспериментально подтверждён метод повышения долговечности шаровой опоры.
Создание новых изделий машиностроительной отрасли, узлов и деталей для них базируется на внедрении прогрессивных технологических процессов, оптимальном конструировании, создании новых материалов.
Повышение эффективности нового изделия в сравнении с прототипом характеризуется совершенством новой конструкции её надёжностью, долговечностью и технологичностью.
Исследуемый сферический подшипник скольжения содержит трибосопряжение «палец-корпус». В последние десятилетия в конструкцию подобных узлов между трущимися деталями вводится низкомодульный по отношению к металлу полимерный вкладыш.
Из общего количества отказов более 7 0% динамического происхождения и связаны с переменными нагрузками. Эффективность мероприятий по устранению дефектов проверяется расчётом, сравнительными лабораторными испытаниями и стендовыми испытаниями во всём диапазоне рабочих условий. При этом используются образцы, модели и натурные узлы и детали [2, 11].
Введение полимерного материала между трущимися деталями - композиционного полимерного вкладыша (КПВ) - приводит к увеличению пятна контакта, снижению максимального контактного давления в центре пятна контакта, возникновению эффекта демпфирования. Однако, при этом в приповерхностных слоях контактирующих материалов при скольжении пальца относительно вкладыша в результате трения под нагрузкой при неустановившемся режиме происходит повышение температуры до 330К..353К (50...70°С), приводящее к
дислокациям структуры композиционного материала и сдвиговым деформациям приповерхностного слоя вкладыша и КПВ. Материал вкладыша перестаёт следовать закону Гука и в этой ситуации его работа соответствует области текучести классической диаграммы деформирования материала. Течение полимера вкладыша сопровождается остаточными сдвиговыми деформациями. В этом случае происходит изменение формы и шероховатости поверхности элементов трибосопряжения в основном за счёт остаточных сдвиговых деформаций, образующихся при этом микротрещин и деструкции полимерного вкладыша. Возникает так называемый эффект пропахивания. [2]. Это явление характерно для точек поверхностного и приповерхностного слоя вкладыша, через который давление и смещения передаются подложке и далее металлической оболочке корпуса ШШ .
Во многих практических случаях основное значение имеют компоненты тензора деформации от внешних силовых воздействий. Влияние температурного фактора для твёрдых тел редко учитывается. Для полимера, обладающего внутренним трением (вязкостью) , при повышении температуры большое значение имеет низкая теплопроводность и термодинамическая необратимость. Эти свойства приводят к диссипации энергии. Внутреннее трение - вязкость полимера - есть отношение срезывающего напряжения к скорости деформации. Таким образом, вязкость описывает силы сдвига, возникающие в полимере вкладыша [2].
На поверхности соприкосновения полимера с пальцем сила, требуемая для поддержания текучести полимера, пропорциональна площади контакта взаимодействующих пальца и вкладыша, а напряжение сдвига F/A пропорционально Vo/h :
где А - площадь соприкосновения движущихся слоев; п - коэффициент вязкости; Уо- скорость движения пальца в начальный момент; h - толщина полимерного элемента.
Вязкость материала вкладыша и КПВ определяет силу сопротивления скольжению в нем пальца. Сила сопротивления движению сферической поверхности пальца при малых скоростях движения находится по уравнению:
Эта сила прямо пропорциональна вязкости КПВ п и скорости V скольжения сферической головки пальца. Вязкость полимеров ан, применяемых для вкладыша и для КПВ, определяется по аналогии определения вязкости металла на образцах Шарпи с надрезом (или без надреза), т.е. по аналогии с испытаниями металлов и других упругих твердых тел. Для полимеров, применяемых для трущихся элементов подшипников скольжения, показатель вязкости измеряется в кДж/м2 и имеет величины в пределах 20...160 кДж/м2 [10] .
Композиционный материал ШШ можно рассматривать как неоднородную среду. К таким материалам относятся и поликристаллические среды, и многокомпонентные стохастические смеси, и матричные смеси. Каждый из компонентов неоднородного материала может обладать различными механическими свойствами: упругими, вязко-упругими, пластическими и пр.
Несущая конструкция корпуса ШШ по геометрическим параметрам представляет собой многослойную тонкую сферическую оболочку. Одним из важных вопросов является исследование внутренних или локальных напряжений и деформаций при воздействии внешних нагрузок. В выполненном исследовании многослойный корпус ШШ существующей конструкции заменен на однослойную оболочку с эквивалентным модулем упругости, а затем из рассмотрения его контакта с пальцем рассчитано его напряженно-деформированное состояние.
Для модифицированной оболочки вначале гетерогенную подложку вкладыша заменяют эквивалентным гомогенным слоем, а далее, как и ранее, многослойный корпус заменяют однослойным и решают контактную задачу. Моделирование многослойной оболочки эквивалентной однослойной упрощает исследование НДС в локальной зоне ШШ . При введении модификатора в виде металлических гранул в полимерный элемент последний становится гетерогенным слоем. Моделирование многослойной сферической оболочки однослойной позволяет определить эквивалентный модуль упругости эквивалентной однослойной [1, 3, 12,]:
Eэквк *
Входящие в (1)величины:
(1)
Приведённые безразмерные толщины:
'м.о
м.о
Л - ■
пп — л ■
- Лп
Л — -0 ■ Л0 Л '
Л — Лм.о + Лп 1
Л — Лм.о + Лп
Л
В формулах (1), (2), (3), (4):
Е0 - модуль упругости в окружном направлении,
Ех - модуль упругости в радиальном направлении,
И - приведённая толщина металлической обоймы,
11м.о
- приведённая толщина полимерного элемента,
^ - приведённая высота срединного слоя.
Таким образом, выражения Е0 , Ех , Еэкв к дают возможность моделировать металлический корпус с полимерным элементом гомогенным или гетерогенным однослойной оболочкой с параметрами Еэкв к, рэкв , ^ Коэффициент Пуассона для материалов корпуса и пальца ШШ принят для расчёта VI= VII = V = 0,3 в связи с незначительным отклонением от осреднённого значения V = 0,3.
Процесс упругого контакта на поверхности раздела двух твёрдых тел рассматривается с учётом механики контакта, физики контакта и химического взаимодействия соприкасающихся материалов. Механика деформирования при контактном взаимодействии деталей ШШ отвечает случаю касания двух тел в точке. Сдавливающие силы направлены по прямой, соединяющей центры кривизны поверхностей головки пальца и корпуса. Величины сжимающих сил при этом вызывают только упругие деформации. Упругий контакт при действии нормальной нагрузки FN к поверхностям соприкасания твёрдых тел, выражается следующей интегральной зависимостью [2]:
— | Р<1А ,
где А0 - область контакта, р - произвольное нагружение, FN
нормальная нагрузка.
Расчёт на контактное взаимодействие, основанный на теории упругости, полагает приведение модулей упругости двух тел к одному значению
2(Е, • Е„ ) Е, + Е „ ‘
Коэффициент, обобщающий упругие свойства контактирующих материалов, зависящий от модулей упругости Еi (Н/м2) [4], определяется по формуле:
Ег
- 2 (1
Епр
1
МПа
(5)
Приведённый модуль упругости Епр позволяет с достаточной для практики точностью решать контактные задачи с учётом работы пластмассовых слоёв. Жесткостные характеристики для некоторых соприкасающихся материалов пальца и корпуса приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Жёсткостные характеристики материалов пальца и корпуса
А
Материалы композиционной подложки вкладыша Модуль упругости исходного материала Е-10-5 Мпа Эквивалентный модуль упругости двухслойного корпуса Еэкв.к-10-5 , МПа Приведённый модуль упругости контактирующих деталей Епр^10-5 , Мпа Коэффициент, обобщающий свойства контактирующих материалов П-105 , (1/Мпа)
П6-10Л 0,0200 0,5500 0,8700 2,08
КС 3 0А 0,0700 0,6400 0,9800 1,86
ПА ВС-У 0,0900 0,6600 1,0100 1,80
СП-1(или СП-6) 0,3000 0,9123 1,2700 1,43
ПТФЭ 0,7500 1,6935 1,8749 0,97
Сталь+СП-1 0,3000 1,7052 1,2700 1,43
Полиэтилен + Чугун ДЧЛ 0,1500 и 1,2375 1,1681 1,5012 1,21
Сталь + сталь 2,1000 2,1000 2,1000 0,87
Повышение модуля упругости при введении зёрен макромодификатора создаёт предпосылки для создания новых видов ШШ обладающих более высокой износостойкостью и соответственно большей долговечностью с использованием технологических способов и средств.
Сущностью предлагаемого решения является повышение долговечности СПС в процессе изготовления, при котором производится модификация синтетического расплава высокомодульным крупнозернистым наполнителем.
Модификатором преимущественно являются металлические гранулы различной формы (преимущественно шаровидной) с различным гранулометрическим составом с размерами зёрен 0,5...1,5 мм.
Точность сферической формы гранул не регламентируется.
Насыпной объём металлического модификатора должен составлять не более 4 0 % объёма полости между корпусом и пальцем с надетым на него антифрикционным вкладышем. Количество гранул размером 1,5 мм должно быть 25.30% от насыпного объёма модификатора, приходящегося на один подшипник, их шероховатость должна составлять 0,63.1,25 мкм; шероховатость остальных гранул не регламентируется.
При использовании в качестве наполнителя, например, фторопласта-4МБ [10] применяется метод литья под давлением. Температура расплава и металлического модификатора должна быть в пределах 563.593К. Удельное давление в рабочем цилиндре термопластавтомата необходимо поддерживать равным 150 МПа. Перед введением в расплав металлический модификатор нагревается до температуры выше температуры расплава полимера на 10°.20°С. Подача металлического модификатора в формующий агрегат производится в смеси с полимером.
Предварительно перед сборкой ШШ из готовых деталей, на сферическую головку пальца наносится смазка «Р0С0ЙЛ-600» или «Лимол» в количестве 0,015.0,022 грамма. Операция подпрессовки (обжим) корпуса сборки заключается в установке ШШ после сварки в приспособление резьбовой частью пальца вниз и поджатии при помощи пресса (давлением 0,2 МН (20 т) верхней крышки корпуса к нижней для предотвращения прокручивания, проскальзывания, сдвига вкладыша относительно корпуса. Укладка сборки в кассету с отверстиями под сферическую часть крышки пальцами вверх предназначена для прогрева в термошкафу до температуры 373...473К, не превышающей точку плавления материала вкладыша.
Подготовленная сборка далее поступает на пост заполнения полости между корпусом и пальцем ШШ смесью полимера с модификатором методом литья под давлением.
Отмеренные дозаторами заданные количества полимерного материала и металлических гранул загружаются в вибрационный барабан-смеситель (ВБС) с горизонтально расположенной осью вращения. Корпус ВБС снабжён входным и выходным отверстиями для загрузки и выгрузки материалов. Корпус опирается через систему спиральных пружин на основание. Через центральную трубу корпуса пропущен установленный в подшипниках качения дебалансный вал, соединённый упругой муфтой соосно с электродвигателем, установленном на основании. При вращении дебалансного вала корпус под действием возмущающих сил дебалансов совершает круговые инерционные колебания, вовлекающие загруженные в рабочую камеру корпуса материалы в соударения, трение и циркуляцию, направление которой обратно направлению вращения дебалансного вала. Процесс перемешивания - периодический. Характеристики ВБС представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Характеристики вибрационного барабана-смесителя (ВБС)
№ п.п Характеристика Ед.изм. Показатель
1 Объём корпуса л 10
2 Частота колебаний корпуса в минуту 1/мин 1000
3 Допускаемая амплитуда мм Не более 1,5
4 Дебалансный момент кгс-м 1 1 со
5 Число опор корпуса шт 26
6 Охлаждение вибратора Воздушное,
7 Электродвигатель Мощность Число оборотов в мин кВт 1/мин А62-4 1,5 1450
8 Производительность кг/час 15
Основными технологическими факторами, определяющими производительность и качественные характеристики обработки, являются режимы движения рабочих органов (амплитуда, частота, вид вибраций), характеристики рабочей среды.
Формирование качественных характеристик по равномерности распределения гранул в смеси «полимер-модификатор» после обработки в ВБС при безударном каскадно-водопадном режиме работы возможно при моделировании процесса перемешивания в совокупности с определённым оптимальным гранулометрическим составом модификатора.
В результате обработки смеси при свободной загрузке в вибрирующей камере ВБС при температуре 323К..353К (50...80°С) на зёрнах модификатора образуется вязкое полимерное покрытие. Теоретически толщина слоя покрытия гранул полимером при взаимодействии скользящего слоя полимера в камере и каскадном режиме движения может быть определена по зависимости
п
2Рдл/Т+?
ж<СК д ат
■2R,„Rz^
______ _ і
1, 5Рд-\/ТТ"Р'• ап а0
аупрК к ЬВ
где Рд - динамическая нагрузка в зоне контакта сферы гранулы со слоем вязко-текучего полимера; f
- коэффициент трения скольжения гранул модификатора по слою полимера; с - коэффициент стеснения, зависящий от формы гранул; КД - коэффициент, учитывающий изменение физико-механических свойств контактирующих материалов при динамическом воздействии; От статический предел текучести материала полимера; Ящ - средний по гранулометрическому составу модификатора радиус шарика модификатора; Rz, Ь, В,
о, а, V,- характеристики параметров шероховатости и физико-механических свойств зёрен модификатора,
Кк - коэффициент, зависящий от принятой формы модели неровностей поверхности зёрен модификатора,
параметров опорной кривой, свойств деформируемого полимера.
Заключительным этапом изготовления сферического подшипника скольжения является заправка корпуса реактопластом методом литьевого прессования на червячной литьевой машине, например, типа ФО-1400/330а.
Литьевая машина может быть оснащена дополнительными устройствами, благодаря которым имеется возможность значительно расширить её эксплуатационные возможности при переработке некоторых видов пластмасс, в том числе для изготовления ШШ с модифицированной КПВ.
Процесс пластикации также имеет возможность независимого подбора скорости вращения червяка.
Предлагаемый способ модифицирования подложки предусматривает использование существующей технологии с включением линии дозировки модификатора и его смешивания с реактопластом.
Из приемных бункеров 1 и 3 через дозаторы 2 и 4 в барабан-смеситель 5 одновременно подаются пор-
ции композиционного материала в гранулах (или порошке) и металлические гранулы размером от 0,5 до 1,5 мм. Равномерно-перемешанный модифицированный состав из барабана-смесителя через дозатор 6 подаётся в инжекционный цилиндр.
Далее дозированная порция состава поступает в рабочий цилиндр термопластавтомата, в котором реактопласт под действием температуры в 623...693°К (350...420°С) превращается в расплав модифицированный
металлическими гранулами.
Впрыск модифицированного расплава производится под давлением непосредственно в корпус ШШ . Такой метод позволяет, не меняя технологического маршрута по изготовлению и сборке ШШ получить изделие с новыми свойствами, обеспечивающими повышенные показатели по критерию долговечности.
Технологические параметры формирования подложки литьём под давлением представлены в таблице 3.
Особенность предлагаемого технологического процесса заключается в том, что введение модификатора совместно с полимером вписывается в любую существующую технологическую линию, в том числе автоматизированную, не нарушая пооперационных процессов.
Таблица 3 - Технологические параметры литья под давлением
Расположение литника Температура материального цилиндра, °К Температура формы (корпуса), °К Давление литья, МПа Продолжительность цикла, с
Горизонтальное соосно с продольной осью корпуса ШШ 573.668 °К (300.395 °С) 473.483 °К (200.210 °С) 100.150 65.110
Исследования СПС проводились на специально разработанном стенде для испытания шаровых опор [5, 6,
7, 8, 13] при статическом и динамическом нагружениях.
Стендовые испытания заключались в определении ресурса СПС в зависимости от применяемой КПВ под воздействием динамических нагрузок, синусоидально изменяющихся от 3187 Н до 7 968 Н с частотой 30.134
Гц. Амплитуда колебаний поворотного кулака по вертикали составляла 7 8 мм, а поворот в горизонтальной плоскости 60°.
При проведении испытания СПС через каждые пятьдесят километров стендового пробега, (что соответствует реально пройденному автомобилем пути, равному пяти тысячам километров), регистрировались температура в зоне контакта «палец - вкладыш», температура корпуса СПС и величина осевого зазора в сопряжении «Палец - корпус».
Испытания при симметричном и асимметричном перемещениях двух поворотных кулаков со штатными образцами СПС с амплитудой равной 78 мм и частотой колебаний 30 Гц выявили резкое повышение температуры корпуса СПС - до 321 град К, что связано с низкой теплоотдачей КПВ в окружающую среду при трении скольжения.
На рисунке 1 - график ресурса ШШ по результатам эксперимента штатного образца и образцов с КПВ, модифицированной металлическими гранулами отражает экспоненциальный закон изнашивания.
Экспериментальные результаты испытаний СПС с КПВ, модифицированной стальными гранулами, описыва-
ются уравнением
8 = 0,0543e°-1729L
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
*
* \ '
л * * Т
f т М 1 1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
< SF + сталь Ст3
Пробег х10" км
Д SF + ДЧЛ
Рисунок 1. Ресурс СПС по пробегу. Результаты стендовых испытаний
Анализ результатов стендовых испытаний СПС показал, что:
со временем скорость изнашивания вкладыша и КПВ увеличивается, при этом износ может быть описан экспоненциальной зависимостью;
температура корпуса СПС в процессе изнашивания как заводских так и экспериментальных СПС на первых пятидесяти километрах стендового пробега повышается примерно до 320 К, а затем снижается;
сферические подшипники скольжения с КПВ на основе серфента, заполненного металлическими гранулами с размером фракций 0,5.1,5 мм и при среднем диаметре 1,38 мм плотностью 52%, в сравнении с СПС без модификатора имеют ресурс в 1,1 раза выше при наполнителе в виде чугунно - литьевой дроби, и в 1,3 раза - при наполнении стальными гранулами.
В предлагаемом способе для сравнения долговечности существующих ШШ с новой по параметрам модифицированной подложкой выполнены расчёты, учитывающие влияние температуры внешней среды, физико-
химические и реологические свойства наполнителя.
Выводы
Разработаная математическая модель изнашивания сферического подшипника скольжения в безразмерных инвариантах позволяет прогнозировать его ресурс при различных физико-механических характеристиках
модификатора. Сравнение прогнозируемых значений ресурса с экспериментально-установленными для сферических подшипников скольжения с модифицированными и существующими композиционными подложками вкладыша показало максимальные расхождения до 20%.
Установлено, что повышение плотности заполнения полости корпуса металлическим гранулами увеличивает долговечность ШШ. По результатам испытаний рекомендуется модифицировать композиционную подложку вкладыша ШШ металлическими гранулами размером 0,5...1,5 мм со средним диаметром 0ср до 1,38 мм в количестве 37,5% от общего объема полости корпуса, что повышает долговечность ШШ с подложкой на основе серфента, наполненного чугунно-литьевой дробью, примерно в 1,1 раза, а стальными гранулами в 1,3 раза.
Разработанный технологический процесс смешивания ингредиентов композиционной подложки вкладыша в заданной пропорции позволяет снизить общее время процесса изготовления сферического подшипника скольжения и увеличить производительность процесса литья под давлением.
Включение процесса модифицирования композиционной подложки вкладыша металлическими гранулами в
существующую технологию с использованием литья под давлением позволяет без нарушения последовательности операций осуществлять изготовление сферического подшипника скольжения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Артёмов, И.И. Повышение долговечности шаровых опор легковых автомобилей / И.И. Артёмов, А.А. Войнов // «Известия вузов. Машиностроение», 2007 № 9. С. 43.51
2. Артёмов, И.И. Моделирование изнашивания и прогнозирование ресурса трибосистем / И.И. Артёмов,
В.Я. Савицкий, С.А. Сорокин - Пенза: Информационно-издательский центр Пензенского государственного
университета, 2004. - 374 с.: 186 ил., 16 табл., библиогр. 194 назв.
3. Банах, Л.Я., Разработка математической модели и анализ собственных колебаний жидкостного ракетного двигателя с учётом упругости составляющих подсистем / Л.Я. Банах, С.Н. Жеребчиков, М.А. Ру-дис. Проблемы машиностроения и надёжности машин, Наука, 2004, № 6, С. 3.8
4. Биргер, И.А. Прочность, устойчивость, колебания.: Справочник в 3-х томах. Под ред. д-ра техн. наук проф. И.А. Биргера и чл. кор. АН Латвийской ССР Я. Г. Пановко. Т.1. 1968. - 831 с.
5. Войнов, А.А. Диагностика шаровых опор передней подвески легковых автомобилей с целью безраз-борного их восстановления «ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМАХ»: Сборник докладов седьмой Российской научно-практической конференции - Оренбург: ИПК ГОУ, 2005. - 433 г. 86.91 стр.
6. Войнов, А.А. Исследовательский стенд для ускоренных испытаний элементов и узлов передней подвески легковых автомобилей / «Повышение эффективности использования автотракторной и сельскохозяйственной техники» Межвузовский сборник научных трудов XVI региональной научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья конференции 2005с. 153.156
7. Войнов, А.А. К вопросу стендовых испытаний шаровых шарниров на долговечность / А.А. Войнов, Е.С. Люлюкин // «РАЗВИТИЕ ТРАНСПОРТА В РЕГИОНАХ РОССИИ: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ» Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. г. Киров. 2007. С. 20.23
8. Войнов, А.А. Стенд для испытаний реальных деталей легковых автомобилей /Современные тенденции развития транспортного машиностроения и материалов. Сб. статей X Международной научно-технической конференции «Современные тенденции развития транспортного машиностроения и материалов». Изд-во ПДЗ, Пенза. 27.28 мая 2005. - С. 18.21.
9. Войнов А.А., Грабовский А.А., Артемов И.И. / Патент Российской Федерации. № 2308011 «Стенд для испытания шаровых опор»
10. Калинчев, Э.Л. Свойства и переработка термопластов: Справочное пособие. - Л.: Химия, 1983 -
288 с., ил.
11. Машков, Ю.К. Трение и модифицирование материалов трибосистем / Ю.К. Машков, К.Н. Полещенко,
С.Н. Поворознюк, П.В. Орлов // - М.: Наука, 2000. - 280 с.
12. Чуфистов, Е.А. А.А. Моделирование контакта пальца с полимерным вкладышем в расчетах на прочность сферических подшипников сухого трения / Чуфистов Е.А., Войнов А.А., Суменков С.А. // Инновационные процессы в управлении предприятиями и организациями - 2007. Сб. статей VI международной научно-технической конференции: Пенза: ПДЗ, 2007, с. 105-108
13. Экспериментальные исследования шаровых шарниров в подвеске автомобиля. «Материалы и техноло-
гии XXI века» Сборник статей V международной научно-технической конференции. «Материалы и технологии XXI века». Сборник статей V международной научно-технической конференции. Пенза: ПДЗ 2007. С.
173-176
