CC BY
8
УДК 62-97-82
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-363-368
СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ЦИЛИНДРА ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА К РАБОТЕ В УСЛОВИЯХ БЕЗ СМАЗКИ
С.С. Бусаров, Р.Э. Кобыльский, Л.А. Муслова
В представленной научно-исследовательской работе, рассмотрена одна из важнейших проблем трибологии, а именно - снижении износа в период приработки узла трения. Описаны существующие способы снижения первичного износа, а также выдвинута собственная гипотеза, которая позволит быстрей обеспечить равновесную шероховатость в паре трения, тем самым увеличить ресурс работы узла. Выдвинутая гипотеза основана на предварительном сглаживании неровностей с образованием антифрикционной пленки из материала контртела на внутренней поверхности цилиндра поршневого компрессора. Для проверки данной гипотезы был спроектирован и реализован экспериментальный стенд с возможностью проведения научных исследований в широком диапазоне режимных параметров. В процессе исследований были получены фотографии образования пленки на стенке цилиндра и характерного пояска трения. В результате было получено, что «подготовленный» цилиндр позволяет уменьшить время приработки уплотнений, в среднем на 10 часов, а также снизить интенсивность изнашивания для материалов Ф4К15М5 и Ф4, в среднем, в 1,3 раза, то есть, увеличить остаточный ресурс уплотнения на 30 %. Проведенные экспериментальные исследования открывают новую ветвь для исследования процесса приработки при контакте двух разнородных материалов
Ключевые слова: приработка, износ, шероховатость, равновесная шероховатость, трение, поршневой компрессор.
Из основ трибологии известно, что износ узла сопряжения состоит из трех характерных этапов (рис. 1), I - этап приработки; II - установившийся этап с постоянной скоростью изнашивания; III - этап форсированного изнашивания [1-5].
Рис. 1. Три характерных периода при эксплуатации трибосопряжения
Отметим, что износ во время приработки может достигать при неудачном выборе конструкции и технологии обработки пары трения до 30-50 % от предельного. Поэтому всегда следует стремиться к снижению первичного износа, так как именно на эту величину уменьшается предельный износ. В то же время приработка является полезным процессом, так как в течение его трущиеся поверхности приспосабливаются друг к другу, в частности устанавливается так называемая равновесная шероховатость [6-8].
Из мировой практики известен способ приработки со ступенчато - или непрерывно растущей нагрузкой [9-11], суммарное время необходимое для процесса приработки определяется по формуле:
_ 1аМтах^
= (1)
где №тах - максимальная нагрузка приработки Яг - среднее значение шероховатости для деталей узла; Рц - скорость начальног изнашивания при нагрузке N ^ - принятый коэффициент увеличения нагрузки (1,1-1,3).
Расчеты по этой формуле показывают, что оптимальные режимы ступенчатой приработки сокращают суммарное время выхода на номинальный режим в несколько раз.
Для цилиндров двигателей внутреннего сгорания используется методом финишной антифрикционной безобразиной обработки (ФАБО), которая позволяет уменьшить время приработки и увеличить износостойкость гильз цилиндров в 1,6...1,75 раза, а работающих в паре с ними поршневых колец - в 1,35... 1,4 раза [12-13].
Для снижения первичного износа сопряженных узлов трения (цилиндр поршневого компрессора - манжетное цилиндропоршневое уплотнение), авторами данной работы предложен метод предварительной подготовки цилиндра, путем «втирания» антифрикционного самосмазывающегося материала в микронеровности цилиндра. Суть метода заключается в следующем: в сопряженной паре трения цилиндр-цилиндропоршневое уплотнение в начальный период приработки участвует очень небольшое количество контактирующих между собой выступов, происходит интенсивное разрушение неровностей (рис. 2а). С течением времени происходит сглаживание и деформация вершин, сопровождаемое образованием тонкого поверхностного слоя (пленки), микронеровности заполняются материалом контртела (рис. 2б). После периода приработки отработанное манжетное уплотнение заменяется на новое (изготовленное из того же материала) и устанавливается в уже «подготовленный» цилиндр. Так как в «подготовленном» цилиндре на стенках уже имеется тонкий слой антифрикционной пленки, то процесс приработки нового манжетного уплотнения снижается, соответственно, повышается его остаточный ресурс. Для проверки данной теории, были проведены экспериментальные исследования, общий вид экспериментального стенда представлен на рис. 4, фотографии основных узлов входящих в экспериментальный стенд, представлены на рис. 5.
2 3
а д
Рис. 2. Схематичное изображение контакта: 1 - цилиндр; 2 - манжетное уплотнение; 3 - пленка
Объектом исследования является манжетное цилиндропоршневое уплотнение, номинальный диаметр - 20 мм, материал - Ф4 и Ф4К15М5, давление в рабочей камере - 0,8 МПа, частота вращения коленчатого вала - 1000 об/мин.
Эксперимент проводился следующим образом. На шток 5 (рис. 4) надевался комплект манжетных уплотнений (2 шт.), предварительное разжатие обеспечивал лепестковый экспандер 1. Наборный комплект устанавливался в цилиндр. При помощи частотного преобразователя 6 (рис. 3) задавалось необходимое количество оборотов коленчатого вала (в нашем случае 1000 об/мин), давление в рабочей камере поддерживалось на уровне 0,8 МПа при помощи регулирующего вентиля, давление в рабочей камере регистрировалось при помощи манометра 3. Суммарное время наработки манжетного уплотнения составило 50 часов, массовый износ регистрировался на весах типа ЛВ-210А, каждые 10 часов.
После 50 часов, на стенке цилиндра образовалась тонкая антифрикционная пленка, на рис. 5 представлена фотография полученной пленки из материала Ф4К15М5. После 50 часов, отработанное манжетное уплотнение заменялось на новое, и в течение последующих 50 часов работала в паре с «подготовленным» цилиндром, массовый износ, также, контролировался на весах типа ЛВ-210А, каждые 10 часов.
Рис. 3. Фотография экспериментального стенда: 1 - электродвигатель; 2 - узел трения; 3 - манометр; 4 - ресивер; 5 - регулирующий вентиль; 6 - частотный преобразователь
Рис. 4. Фотография основных узлов: 1 - экспандер; 2 - датчик температуры; 3 - манжетное уплотнение из материала Ф4; 4 - Манжетное уплотнение из материала
Ф4К15М5; 5 - шток
Результаты. После проведения экспериментальных исследований были получены следующие результаты, рис. 6.
0,0035 0,003 0,0025 1_ 0,002 ^ 0,0015 0,001 0,0005 0
т-г
10 20 30
40
50
Ф4К15М5
подготовленный
цилиндр
Ф4К15М5
стандартный
цилиндр
Ф4
подготовленный цилиндр
Ф4 стандартный цилиндр
время, час
Рис. 6. Результаты экспериментальных исследований
При трении манжетного уплотнения изготовленного из материала Ф4К15М5 о стандартный цилиндр, время приработки составляет, примерно 30 часов, интенсивность изнашивания 7,4^10-5 г/ч. Об окончании режима приработки можно судить при появлении характерного зеркального пояска трения (рис. 7), контакт поверхностей составляет, около, 90 % и стабилизации интенсивности изнашивания [14-15].
Рис. 7. Характерный поясок трения: а - манжетное уплотнение до испытаний; б - манжетное уплотнение после испытаний
При трении манжетного уплотнения изготовленного из материала Ф4К15М5 о подготовленный цилиндр, время приработки составляет, примерно 20 часов, интенсивность изнашивания 5,610-5 г/ч. При трении манжетного уплотнения изготовленного из материала Ф4 о стандартный цилиндр, время приработки составляет, примерно 30 часов, интенсивность изнашивания 0,18^10_3 г/ч. При трении манжетного уплотнения изготовленного из материала Ф4 о подготовленный цилиндр, время приработки составляет, примерно 20 часов, интенсивность изнашивания 0,14^10_3 г/ч.
Погрешность измеряемой массы образцов определяется паспортом прибора, при первичной проверки соответствует следующим значениям: в диапазоне от 10 мг до 50 г -0,4 мг, в диапазоне от 50 до 200 г - 0,5 мг, в диапазоне от 200 до 210 г - 0,6 мг. Так как массы всех образцов уплотнения лежат в диапазоне до 50 г, то абсолютная погрешность каждого измерения массы равна: 8т = 0,4 мг.
Заключение. В ходе проведенных экспериментальных исследований было получено, что «подготовленный» цилиндр позволяет уменьшить время приработки уплотнений, в среднем на 10 часов, а также снизить интенсивность изнашивания для материалов Ф4К15М5 и Ф4,
в среднем, в 1,3 раза, то есть, увеличить остаточный ресурс уплотнения на 30 %. Дальнейшие исследования будут направлены на определение влияния контакта разнородных материалов на остаточный ресурс уплотнения.
Список литературы
1. Сухов С.А. Физические исследования закономерносрей сухого и граничного трения шероховатых поверхностей металлов. Трение и износ в машиностроение, сб. VI, Изд. АН СССР, 1950. C. 235.
2. Diesel Progress International Ed. May - June, 2000. P. 16-53.
3. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. 480 с.
4. Костецкий Б.И., Носовский И.Г., Баршадский Л.И. Надежность и долговечность машин. М.: Машиностроение. 1975. 408 с.
5. Гаркунов Д.Н. Триботехника (конструирование, изготовление и эксплуатация машин): учебник. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Издательство МСХА, 2002. 623 с.
6. Горяинова А.В. Фторопласты в машиностроении. М.: Машиностроение, 1971. 233 с.
7. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин: справочник. М.: Машиностроение, 1984. 280 с.
8. Максимов В.А., Баткис Г.С. Основы триботехники и герметологии: учебник. Титул-Казань, 2007. 312 с.
9. Gusev A.I. Nanocrystalline Materials. Cambridge: Cambridge International Science Publishing, 2004.351 p.
10. Provatar A. Additive tecnologies in engine - building. Austrain Journal of Technical and Natural Sciences. 2015, September - October. №9-10. P. 78-82.
11. Wachel J.C. Rotorodynamics of machinery. 1986. P. 19-27.
12. Uppal A.H., Probert S.D. Mean separation and real contact area between surface pressed together under high static loads. Wear, 1973, 23, № 1. P. 39-53.
13. Славин И.Ю. Исследование возможности повышения долговечности поршневых уплотнений из ПТФЭ с комбинированным наполнителем в компрессора без смазки. Автореф. Дис. ... канд. техн. наук. М.: МНХМ, 1968. 13 с.
14. Захаренко В.П. Основы теории уплотнений и создание поршневых компрессоров без смазки: дис.докт.тех.наук. Санкт-Петербург, 2001. 159 c.
15. Новиков И.И., Захаренко В.П., Ландо Б.С. Бессмазочные поршневые уплотнения в компрессорах. Л.: Машиностроение, 1981. 238 c.
Кобыльский Роман Эдуардович, инженер, ассистент, roman.kobilsky@,gmailcom, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Бусаров Сергей Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, bssi1980@mail.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Муслова Любовь Анатольевна, канд. пед. наук, доцент, celezbar@,mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет МВД
METHOD OF PREPARATION OF A PISTON COMPRESSOR CYLINDER FOR OPERATION IN
CONDITIONS WITHOUT LUBRICATION
S.S. Busarov, R.E. Kobylsky, L.A. Muslowa
In the presented research paper, one of the most important problems of tribology is considered, namely, the reduction of wear during the run-in of the friction unit. The existing methods of reducing primary wear are described, as well as their own hypothesis is put forward, which will allow to quickly ensure equilibrium roughness in the friction pair, thereby increasing the service life of the node. The hypothesis put forward is based on preliminary smoothing of irregularities with the formation of an antifriction film from the counter body material on the inner surface of the piston compressor cylinder. To test this hypothesis, an experimental stand was designed and implemented with the possibility of conducting scientific research in a wide range of operating parameters. During the research, photographs of the formation of a film on the cylinder wall and a characteristic friction belt were obtained.
As a result, it was found that the "prepared" cylinder allows to reduce the run-in time of seals by an average of 10 hours, and also to reduce the wear rate for F4K15M5 and F4 materials, on average, by 1.3 times, that is, to increase the residual life of the seal by 30%. The conducted experimental studies open a new branch for the study of the burn-in process when two dissimilar materials come into contact.
Key words: running-in, wear, roughness, equilibrium roughness, friction, piston compressor.
Kobylsky Roman Eduardovich, engineer, assistant, roman. kobilsky@gmail. com, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Busarov Sergey Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, bssi1980@mail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Muslova Lyubov Anatolyevna, candidate of pedagogical sciences, docent, celezbar@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg University of the Ministry of Internal Affairs
УДК 658.516
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-368-374
РЕЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА АНАЛОГОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН
А.В. Анцев, А.В. Воробьев, В.Ю. Анцев
Рассмотрена задача повышения эффективности процесса проектирования грузоподъемных машин на предприятиях подъемно-транспортного машиностроения путем аналогового проектирования с использованием базы данных грузоподъемных машин. Проведена формализация конструкторской документации на изготовление грузоподъемных машин на основе реляционной алгебры (алгебры отношений), так как именно реляционную модель данных поддерживают многие широко распространенные в настоящее время системами управления базами данных (СУБД). Представлена декомпозиция логических операций, выполняемых инженером-конструктором при конструировании и их описания средствами реляционной алгебры, обеспечивающее возможность аналогового проектирования грузоподъемных машин. Представленная база данных грузоподъемных машин, используемая на ООО «Стройтехника», позволяет предприятию производить оперативный оптимизационный выбор комплектующих изделий грузоподъемных машин, давать оперативный ответ заказчику о возможности выполнения его заказа на изготовление грузоподъемной машины, сократить время на разработку конструкторской документации.
Ключевые слова: реляционная модель, база данных, аналоговое проектирование, грузоподъемные машины.
Одним из способов снижения трудозатрат на разработку конструкторской документации при производстве машин, в том числе грузоподъемных машин, является аналоговое проектирование, т. е. проектирование по аналогу, прототипу [1, 2]. Практическое использование аналогового проектирования предполагает анализ значительного количества разработанных ранее проектных решений и выбор из них аналога по максимальному значению коэффициента подобия
[3].
С целью оказания информационной поддержки принятия конструкторских решений при аналоговом проектировании грузоподъемных машин необходима формализация конструкторской документации (КД). В работах [4, 5] обосновано применение для этих целей средств реляционной алгебры (алгебры отношений), так как именно реляционную модель данных поддерживают многие широко распространенные в настоящее время СУБД. Каждое отношение при этом, как правило, имеет свое название (имя). Формально схема отношения R описывается следующим образом [6-9]:
R(4, Ä2, A3,..., Ak \
где A1, A2, A3, ..., Ak - имена атрибутов (реквизитов) кортежа; k - число атрибутов. Для обозначения ключа отношения K подчеркиваются имена атрибутов ключа, а для обозначения имени отношения используется строчная буква r.
368
