CC BY
11
УДК 621.85:629.114.2.02
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К РАЗРАБОТКЕ САПУНОВ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ
И. А. Спицын, доктор техн. наук, профессор;
А. А. Орехов, канд. техн. наук, доцент; Е. Н. Ардеев, канд. техн. наук
ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. 8 (412) 628-464
Теоретически обосновано снижение скорости абразивного изнашивания деталей трансмиссии трактора в условиях эксплуатации путем повышения ее герметичности. Сформулированы основные требования к техническим средствам, улучшающим работу трансмиссии, на основании которых разработан сапун новой конструкции и определены его основные параметры.
Ключевые слова: трактор, трансмиссия, эксплуатация, скорость, абразив, изнашивание, сапун.
При должном уровне технической эксплуатации трактора одним из основных путей загрязнения трансмиссионного масла является попадание абразивных частиц пыли в результате газообмена полости трансмиссии с окружающей средой. Как известно, частицы пыли имеют высокую твердость и поэтому вызывают абразивное изнашивание трущихся поверхностей деталей трансмиссии.
Скорость абразивного изнашивания деталей определяется по формуле [1]
ТГ Л 1 га АК
И = 4 • 102--- (1)
М , (|)
где А, К, М - факторы, характеризующие
соответственно абразивное воздействие (А), механические свойства материалов (М), кинематические и геометрические параметры сопряжения (К).
Нива Поволжья № 4 (9) ноябрь 2008 57
В свою очередь фактор, характеризующий абразивное воздействие, определяется по формуле
А = е2Па2’5Я0’5 , (2)
где £ - концентрация абразивных частиц, %;
а - условное напряжение сжатия частицы (разрушающая нагрузка, деленная на площадь ее максимального сечения), Па;
Я - средний радиус частиц, м.
С учетом формулы (2) формула (1) примет вид:
И = 4 ■102е2/3а2’5Я0’5 К (3)
М . (3)
Из формулы (3) видно, что на скорость абразивного изнашивания деталей существенное влияние оказывает концентрация абразивных частиц в масле, которую можно определить из выражения
-100 , %,
(4)
М + т
где т - масса абразивных частиц, кг;
М - масса смазочного масла трансмиссии, кг.
Масса абразивных частиц пыли в масле является функцией от различных переменных (параметров):
т = / (<рУ , /н), (5)
где ф - запыленность воздуха, кг/м3;
V - объем поступившего в полость трансмиссии воздуха при газообмене, м3;
Н - суммарная площадь неплотностей, м2.
Поскольку запыленность воздуха в процессе эксплуатации трансмиссии является непостоянной, то для расчетов следует использовать ее среднюю величину фСР.
При эксплуатации трактора происходит непрерывное изменение температурного режима трансмиссии, обусловленное изменением нагрузочно-скоростных режимов работы агрегата, его техническим состоянием, условий окружающей среды, организацией работы и т. д. Газообмен происходит непрерывно и сопровождается как истечением из полости трансмиссии некоторого объема воздуха, так и его поступлением. Если принять, что в полости трансмиссии избыточное давление будет незначительно (рИЗБа0), и учитывая колебания давлений, вызванные изменением температуры р (Т) и насосным эффектом от зубчатых колес рН, то объем поступившего (истекшего) воздуха за смену V определяется из выражения [2]
V = Е
1 + Т(•кУ
і=іик
V
•АТ. +
і
п
VI п
+ Е —•
і = 1 р1/
•п •к,,. 1 N
(6)
3600
р
с/
где V1 - объем свободного пространства трансмиссии, м3;
Т1 - температура окружающего воздуха, оС;
АТ - изменение температуры; р1 - атмосферное давление, Па; км, п1, кы - конструктивно-эксплуатационные факторы;
рС - плотность смеси, кг/м3; t- количество изменений давления р (Т); п - количество изменений давления рН. За период эксплуатации объем поступившего (истекшего) воздуха равен
где V, - объем поступившего (истекшего) воздуха за смену, м3;
Л - количество смен, шт.
С другой стороны, данный объем определяется
т Дх
0
(8)
где р - сопротивление истечению или коэффициент расхода;
f - суммарная площадь отверстий сапуна и неплотностей (площадь сечения), через которые происходит газообмен, м2.
Если за период эксплуатации т количество поступившего (истекшего) воздуха, отнесенное к сечению f, составит ДХ, то формула (8) примет вид
V = М'/■ АХ . (9)
Газообмен полости трансмиссии с окружающей средой проходит как через сапун, так и через неплотности:
М'/ = Мс' /с + Мн ' /н (10)
где рС, рН - сопротивления истечению или коэффициенты расхода сапуна и неплотностей соответственно;
С ^ - площади сечения эквивалентного отверстия сапуна, неплотностей соот-2
ветственно, м .
Даже при полностью исправных уплотнениях трансмиссии сапуны, установленные на них, не обеспечивают полной очистки поступающего воздуха от пыли, т. к. имеют весьма высокий коэффициент пропуска кф [3]. При неисправных уплотнениях поступление абразивных частиц пыли происходит более интенсивно. Масса абразивных частиц пыли равна
т = Рс?-АХ' (Мс^с'К+Мн^н). (11)
Подставляя выражение (11) в (4) и принимая М + т «М в силу того, что М>>т, получим
Фсг ■ АХ ' (Мс ' /с' к?+ Мн ' /н )
М
•100 , %. (12)
С учетом формулы (12) формула (3) примет вид:
И = 4 • 103,33 {<Рср-(/Ь-Ъ-К + Мн-/и ^ ст2,5^»,5 £
{ М ) М .
(13)
Анализ этого выражения показывает, что для снижения скорости абразивного изнашивания деталей трансмиссии трактора в условиях эксплуатации в первую очередь необходимо повышать герметичность
трансмиссии Ми • /и ^ 0 и снижать коэффициент пропуска сапунов кф^0.
Б =
58
Технические науки
В этой связи можно сформулировать следующие основные требования к сапунам:
- сапун должен обеспечивать высокое
качество очистки воздуха, поступающего в трансмиссию (коэффициент пропуска
кф=0);
- эквивалентное отверстие сапуна (МС /С) должно поддерживать избыточное давление в полости трансмиссии близким к нулю на протяжении всей ее работы;
- эквивалентное отверстие сапуна (МС/С) должно быть гораздо больше эквивалентного отверстия неплотностей (мн /Н) для обеспечения высокой доли общего газообмена через сапун (ДХС>>ДХН).
С учетом вышеперечисленных требований нами разработан сапун редуктора (рисунок) [4], который состоит из эластичного баллона 1, включающего полость для компенсации разрежения 2, прикрепленной к нему рамки 3, двух пружин сжатия 4, ограничивающих свободное опускание баллона 1. Рамка 3, пружины 4 и эластичный баллон 1 установлены на раме 5. Эластичный баллон 1 посредством трубопровода 6 сообщен со штуцером 7, который соединен с картером 8 редуктора. Эластичный баллон 1 закрыт защитным колпаком 9. Сапун устанавливается в удобном для доступа месте мобильный машины. Для контроля герметичности к трубопроводу 6 присоединяется манометр 10, который при помощи патрубка 11 можно вывести в кабину мобильной машины.
(наименование позиций - в тексте)
Сапун работает следующим образом. При расширении нагревающегося в картере 8 воздуха идет его поступление через трубопровод 6 в эластичный баллон 1, который под действием воздуха расправляется. При разрежении воздуха в остывающем редукторе он из баллона 1 под действием атмосферного давления поступает в картер 8, и баллон складывается на рамку
3. При этом происходит сжатие пружин 4, которые подобраны таким образом, что их жесткость не превышает силы разрежения, возникающего в картере 8, а рабочий ход обеспечивает запас воздуха в полости для компенсации разрежения 2. В результате в картере 8 давление постоянно выравнивается относительно атмосферного без воздухообмена с атмосферой, что предотвращает попадание в него пылевидных абразивных частиц из окружающей среды, ускоряющих износ деталей редуктора, и исключает попадание в картер 8 атмосферного кислорода, снижающего срок службы масла.
Основными параметрами сапуна являются: объем эластичного баллона Мс, объем полости для компенсации разрежения М'с, площадь сечения трубопровода ^Р.
Объем эластичного баллона Мс определяется из выражения
V (1 + Т 'кг) V ж1 'И,2 'кы
УС = ~г-----'АТ +-^----------1—^' рС (14)
Т (1 -АТ'к¥) р, 3600
Величины ДТ, кы, рС берутся с максимальными значениями, при минимально возможных значениях Т1, р1.
Объем полости для компенсации разрежения М'с определяется из следующей формулы:
Гс = V,' —. (15)
р, + Рн
От площади сечения трубопровода /ТР зависит насколько быстро будет компенсироваться избыточное давление (разрежение), которое компенсируется объемом воздуха
Vс = М'/тр -®'Т, (16)
где р - суммарный коэффициент сопротивления (по длине, местное, расправление гофры);
ш - скорость истечения, м/с;
т - время истечения объема М'с, с.
Откуда расчетная площадь сечения трубопровода/ТР составит
/ = -^
^ ТР .
М • й • т Расчетный диаметр
(17)
(18)
В целом, во время работы трансмиссии с сапуном данной конструкции газообмен проходит при небольшом избыточном давлении с малой скоростью истечения, за исключением тех случаев, когда происходит включение-выключение трансмиссии, сопровождаемое скачками давления (раз-
Нива Поволжья
№ 4 (9) ноябрь 2008
59
режения) рН. В этом случае скорость в начале истечения [5]
I 2k (p + рн) “ ( )
w =-------------------1-— -a 2k -р (a) /ип\
\(к -1)-Д7\ р 1 , (19)
где к - показатель адиабаты, для воздуха к=1,4;
R - газовая постоянная, для воздуха Я=287Дж/(кг К);
р - плотность воздуха, кг/м3;
a = —p— - отношение давления сре-
Р, + Рн
ды, в которую поступает газ, к давлению среды, из которой он вытекает;
I 2 к+Г
. . \ак -а к
Pi(a) =-----k+1---- переменная часть
а к
расхода от отношения давлений.
Время истечения объема V'C должно быть минимальным - 1...3 с. В этом случае поступление воздуха через неплотности сокращается до минимума.
При использовании сапуна редуктора предлагаемой конструкции формула (12) примет вид:
s=Pcr'АХ Н'нн'fH -100 % (20)
M
Кроме того, при использовании баллона в виде гофры и полости для компенсации разрежения пропускная способность сапуна данной конструкции много больше пропускной способности неплотностей Hc'fc >> нн • fH , что существенно сокращает количество поступающего воздуха ДХН через сечение fH. Это в свою очередь по-
зволяет сохранять содержание абразивных частиц пыли в масле до его замены в пределах допустимой концентрации - 0,1 %.
Таким образом, применение сапунов новой конструкции позволит минимизировать поступление абразивных частиц в полость трансмиссии трактора и, следовательно, снизить скорость абразивного изнашивания ее деталей.
Литература
1. Ямпольский, Г. Я. Исследование абразивного износа элементов пар трения качения / Г. Я. Ямпольский, И. В. Крагель-ский. - М.: Наука, 1973. - 63 с.
2. Ардеев, Е. Н. Теоретическое обоснование газообмена полости трансмиссии трактора с окружающей средой / Е. Н. Ар-деев, И. А. Спицын, А. А. Орехов // Сб. материалов межрегиональной науч.-практ. конф. молодых ученых. - Пенза: РИО ПГСХА, 2006. - С. 102-104.
3. Янзин, В. М. Разработка и исследование показателей и технических средств для улучшения работы тракторных трансмиссий (на примере трактора МТЗ): Дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03 / В. М. Янзин. -Куйбышев, 1989.
4. Пат. 2256835 С1 Ри, МПК7 Р 16 Н
57/04. Сапун редуктора / И. А. Спицын, А. А. Орехов, Е. Н. Ардеев (Ри). -
№ 2003134896/11; Заявлено 01.12.2003; Опубл. 20.07.2005, Бюл. № 20. - 3 с.
5. Герц, Е. В. Расчет пневмоприводов: справочное пособие / Е. В. Герц, Г. В. Крей-нин. - М.: Машиностроение, 1975. - 272 с.
бо
Технические науки
