CC BY
59
УДК 546.722
Условие нагружения и изнашивания узлов трения в технических средствах сферы сервиса
Владимир Алексеевич Сучилин, д.т.н., проф., e-mail:[email protected] Леонид Михайлович Мисюрин, ст. преп. Сергей Анатольевич Голиков, к.т.н., ст. преп.
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Рассмотрены вопросы, связанные с расчетом сил, действующих на детали узлов трения в технических средствах бытового обслуживания и сервиса; представлены различные технические возможности смазывания деталей узлов трения магнитной жидкостью; дана оценка влияния медьсодержащих присадок на снижение изнашивания деталей узлов трения.
The article considers the issues connected with the calculation of forces that affect friction joint parts in public services equipment. The article offers various technical tools for friction joint part lubricating with magnetic liquid. The article provides the assessment of copper-bearing adjuvant influence on friction joint part wear-out decrease.
Ключевые слова: узел трения, износ деталей, магнитная жидкость, медьсодержащие присадки. Keywords: friction joint, part wear-out, magnetic liquid, copper-bearing adjuvants.
В технически развитых странах в последние годы уделяется все большее внимание вопросам продления жизненного цикла технических средств за счет адаптации механических частей к реальным условиям эксплуатации. Учитывая, что срок создания машин практически любого назначения как у нас в стране, так и за рубежом, зачастую составляет 5 - 10 лет, включая и время, необходимое на экспериментальную доводку и доработку, важно создать такие условия для разработчиков технических средств, при которых их технические и научные идеи опережали бы требования потребителя.
В связи с этим надо отметить, что процесс доводки легковых машин, например в таких странах, как Япония, Германия, Италия, т.е. в странах, где выпускаются всем известные образцы, продолжается на протяжении всего периода их серийного выпуска, что и позволяет создавать конкурентоспособные машины. В полной мере это должно относиться и к техническим средствам бытового обслуживания и сервиса.
Известно, что отечественная бытовая техника пока уступает по своим характеристикам лучшим мировым образцам. Одним из перспективных способов повышения надежности и эффективности данного вида технических средств может стать создание широкой базы данных по условиям функционирования их механической части, системам смазки и технологиям восстановления работоспособности, возможностям совершенствования и данным прогнозирования перспективных моделей на основе новых разработок, в том числе и с учетом изобретений, сделанных в последние годы.
Очевидно, что оценка качества функционирования механических систем технических средств с учетом их специфических особенностей работы потребует учета и разработки новых, иногда оригинальных технических решений, обеспечивающих адекватность требованиям потребителя.
Это важно еще и потому, что несколько лет назад, на этапе формирования рыночных отношений в производственной сфере, образовалось множество малых предприятий по обслуживанию и ремонту техники, которые только сейчас становятся конкурентоспособными.
Наиболее часто на подобных предприятиях приходится иметь дело с восстановлением изношенных механизмов и узлов трения самой разнообразной техники.
Многие узлы трения технических средств сервиса имеют детали, которые совершают как возвратно-поворотное движение, так и движение в плоскости или пространстве совместно со звеньями механизма, например, в механизме кривошип-но-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания (ДВС) автомобиля, где элемент кинематической пары - шейка кривошипа коленчатого вала - вращается по окружности, а головка шатуна совершает сложное плоскопараллельное движение. Внутренняя поверхность головки шатуна и внешняя поверхность шейки кривошипа изнашиваются за счет относительного движения этих сопряженных элементов узла трения. Подобные узлы трения имеют сложный характер нагружения деталей. В общем случае для этих узлов нагруже-ние можно изобразить в виде годографа сил, где два или три вектора являются превалирующими.
В связи с этим рационально вести расчеты деталей на износ с учетом только этих основных нагрузок, а скорость скольжения деталей фиксировать на среднем уровне [1].
Так, для узла трения, изображенного ниже на рисунке, три основных вектора сил Р1, Р2 и Р3 действуют со стороны детали 1 на деталь 2. Поэтому для первого максимального вектора силы Р1 износ детали 1 () образуется за счет действия реакции Я2 со стороны детали 2, равной, но противоположно направленной, и распределяется в пределах угла у1 = ± 90° .
пример на детали 1, с параметрами Г1 Зу и протяженностью Ъ1. В этом случае элементарная сила реакции от действия детали 2 на деталь 1 в направлении нормали к поверхности трения будет выражаться в виде
3 К(2-1)1 = ёг Г1Ъ13У = ёшах^У^У . (1)
Результирующая сила определится из зависимости
0,5п
«2-1 = 2 | <^(2-1)1^^^ = 2ё1тах Г1Ъ1 ' 0,25п (2)
Откуда
ё1т
2Я
2-1
пЪ1г1
(3)
Узел трения кривошипно-шатунного механизма
Для вектора силы Р2 износ детали 1 образуется за счет действия реакции Я2 в пределах угла у2 = ± 90° . Соответственно для вектора силы Р3
деталь 1 изнашивается от действия реакции Я2 в пределах у3 = ± 90°.
Деталь 2 также будет изнашиваться от действия указанных сил. Износ 32 будет находиться в пределах углов у1, у2, у3. Общий износ узла трения, соответственно, будет равен §\-2 = 31 + 82.
Известно [1], что износ в некоторой точке узла трения можно выразить следующим образом: 8г = 8тд^со^у. То же можно отнести и к давлению на поверхности трения: ёг = ётахсо§У, где 8тах и ётах действуют на линии максимального
вектора силы Р1.
Для определения значения ё тах берется элементарная площадка на поверхности трения, на-
С учетом начальных условий узла трения в положении исследуемой на износ точки поверхности трения (в неподвижной системе координат ОХУ) угловая координата детали 1 есть у1, а угловая координата реакции Я2-1 есть а2-1. В подвижной же системе деталь 1 имеет угловую координату в2-1. В этом случае давление, например в точке К, определяется таким образом: от действия вектора Я 2-1 -
ё1К = Йтах^У' , (4)
где у1=оп -(А );
от действия вектора Я 2-2 -
ё2К = ё2тахСОй^^ , (5)
где У2 = а02 -(ф2 +в2) ;
от действия вектора Я2-3:
ё3К = ё3тахСОЭу3 , (6)
где у3 =а03-(ф ) .
Скорость скольжения элементов пары в точке вычисляется по формуле
(7)
= а
1-2 1 >
где а1-2 = аа ± |а2|.
Здесь а>1 и а>2 - угловые скорости деталей 1 и 2 узла трения в положениях, где действуют векторы Р(2-1) 1, Р(2-1)2,Р(2-1)3 .
Скорости же принимают значения: а(1)1, а(1) 2, а(1) 3, а(2)1, а(2) 2, а(2) 3 . После этого величина износа детали 1 от действия указанных сил в искомой точке К определяется следующими уравнениями:
г
Зцк )1 = К1и | gш®(l-2)lrldt,
о
г
д1( К )2 = К1и | g2К®(1-2)2 Г1Ж, (8)
о
г
\ К )3 = К1и | gзК®(1-2)3r1dt■
о
Аналогичным образом определяются значения износа детали 2:
г
32(К )1 = К2и | glК®(2-1)1r2 Ж,
о
г
&2(К)2 = К2и |.?2К®(2-1)2Г2^, (9)
,, )2= К, ^
о
В формулах (8) и (9) К 1и и К 2 и - коэффициенты износа соответственно деталей 1 и 2 узла трения за цикл его работы.
Определив износ в нескольких точках исследуемой зоны, можно построить эпюры износа деталей 1 и 2 и определить общий износ узла трения. Ту же методику расчета износа применяем и для зоны с - д.
Известно, что силы, определяющие процесс изнашивания узлов трения, сами зависят от скоростного режима механизмов. Следовательно, важной задачей является адаптация узлов и систем смазки к условиям функционирования и, в частности, к скоростному режиму машин.
Кроме того, в механизмах, совершающих возвратные движения, можно использовать силы инерции звеньев для подачи смазки к узлам трения, что значительно повышает надежность как системы смазки, так и узлов трения. Но, как известно, силы инерции зависят от скоростного режима механизмов. Следовательно, параметром адаптации системы смазки в данном случае можно считать скоростной режим механизмов (в данном случае машины).
Обычно в подвижном звене, обеспечивающем подачу смазки за счет сил инерции, выполняется специальная проточка и канал, например, в охватываемой детали узла трения [6]. Канал радиуса Я имеет площадь сечения 5 = пЯ2 . При диаметре канала В и при отсутствии охватывающей детали
узла трения из центрального канала под действием сил инерции может выйти столбик смазки, например, высотой Н = В, объем которого V = пЯ2В и масса т = pV , где р - плотность жидкой смазки.
Учитывая, что смазка выходит из канала охватываемой детали в крайнем ее положении, где смазка получает импульс движения, можно записать: ту = прЯ2DV . Время передачи импульса движения можно принять равным г = Щу, где V - средняя скорость движения охватываемой детали узла.
Тогда сила, передаваемая объемом смазки на стенку полости охватываемой детали, будет равна ^ = ту ¡г, так как ¥г = ту .
Давление же в столбике смазки, обеспечивающее подачу и циркуляцию смазки, будет равно
g = ру2. (10)
В узлах трения с возвратно-поворотным и с возвратно-поступательным движением деталей, установленных в механизмах с повышенными требованиями к удержанию смазки в зоне трения и герметичности подвижных элементов, в качестве смазочного материала используют магнитную жидкость.
В этих случаях в зоне расположения уплотняющего сальника узла трения размещают либо металлический постоянный магнит, либо дополнительную уплотняющую прокладку из магнитного полимерного материала, магнитные силовые линии которых замыкаются через неподвижное звено или деталь узла трения. Между этими элементами образуется слой магнитной жидкости, который обеспечивает смазку поверхностей трения и герметичность замкнутого пространства пары трения; такой смазочный слой обладает несущей способностью как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.
В технических средствах сферы быта и сервиса встречаются узлы, где одна из деталей перемещается относительно второй неподвижной (гидро- или пневмоприводы, амортизаторы, направляющие станков и др.). В этом случае удобно в неподвижной детали узла иметь полость, в которую помещается магнитная жидкость. Канал, связывающий полость с подвижным элементом узла, служит для подачи смазки в зону трения. В специальной полости подвижной детали узла размещен постоянный магнит, который ориентирован в сторону поверхности трения. Магнитная жидкость захватывается магнитными силами из полости неподвижной детали, удерживается и обеспечивает необходимый режим смазывания трущихся по-
верхностей. Важно в данном случае подобрать оптимальные условия системы смазки.
Эффективность работы данной системы смазки зависит от следующих параметров: т - массы смазки в зоне трения, I - параметра магнитного силового поля; £ - параметра магнитной жидкости, которые связаны соотношением т = /(I,е) . Чаще всего магнитная жидкость - это коллоидный раствор магнетита в индустриальной смазочной среде. Магнетит же получают по реакции В.К. Бибика [2]:
8№0Н + 2БеС1з ■ 6Н2О + Бе804 ■ 7Н2О =
=Рез04 | + №2804 + 6№С1 + 2ЗН2О. (11)
Известно, что магнитная жидкость в качестве смазочного материала может работать с медьсодержащими присадками [з] и реализовывать явление избирательного переноса в тяжело нагруженных узлах трения. Однако требуются дополнительные исследования в этой области. Снижение изнашивания в этом случае можно объяснить тем, что в начальный момент работы пары трения на поверхностях микронеровностей образуются медные пленки, которые снижают коэффициент трения.
В период приработки узла трения медные пленки с вершин микронеровностей деталей смещаются вместе с частицами основного материала во впадины, выравнивая поверхности и уменьшая износ сопряженных поверхностей.
Медные пленки пластичны и могут многократно выдерживать сдвиговые деформации без разрушения и отделения частиц. За счет устранения острых кромок микронеровностей сопряженных поверхностей в паре трения, медные пленки вновь образуются, теперь уже практически на всей поверхности зоны трения узла, и повышается стойкость медных пленок, что обеспечивает необходимую долговечность узла трения.
Рассматривая роль разделяющих медных пленок в зоне трения деталей узла более детально, можно отметить, что соприкосновение сопряженных деталей узла трения происходит по некоторой поверхности, что обусловлено деформациями пленки в зоне контакта. Максимальное давление &тах будет вблизи средней линии данной контактной поверхности.
Это давление можно определить по формуле
£тах = Нв, (12)
где Н - максимальная контактная деформация поверхности трения; в - удельная жесткость материала в зоне трения.
На расстоянии l от средней линии деформируемой поверхности сопряженных деталей деформация будет определяться зависимостью
Ht = H -yl, (13)
где у - длина дуги деформируемой поверхности, а удельное давление - выражением
gj =ß( H -yl) . (14)
Элементарная сила dPa будет уравновешена в этой зоне так:
dPa = g,dl = ß(H -yl)dl. (15)
Общую деформирующую силу на расстоянии l от средней линии деформируемой поверхности можно выразить в следующем виде:
l
Pa =JdPa = ßHl - 0,5ßyl2. 0
Тогда
H = ( PJ ßl) + 0,5/l. (16)
При наличии в зоне контакта деталей пластичных медных пленок ß будет ниже, чем без их присутствия. По этой причине увеличивается деформация H контактной зоны, что снижает gmax и,
как следствие, повышает несущую способность зон трения сопряженных поверхностей.
Таким образом, одним из перспективных способов повышения качества обслуживания и ремонта технических средств может стать создание базы данных по условиям функционирования механических частей, системам смазки и технологиям восстановления работоспособности узлов трения, а также навыкам применения новых конструкционных материалов, например магнитной жидкости и магнитных полимеров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Проников А.С. Надежность машин. М.: Машиностроение. 1978.
2. Фертман В.Е. Магнитные жидкости. М.: Высшая школа. 1988.
3. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин. М.: Машиностроение. 1984.
4. Решетов Д.Н. Работоспособность и надежность деталей машин. М.: Высшая школа. 1974.
5. Трибология и надежность машин. Сб. науч. тр. ин-та машиноведения им. А.А. Благонравова / Под ред. В.С. Аду-евского, Ю.П. Дроздова. М.: Наука. 1990.
6. Сучилин В.А. Применение магнитной жидкости в узлах трения // Вестник машиностроения. 1997. № 9. С. 52 - 53.
7. Сучилин В.А., Грибут И.Э., Голиков С.А. Применение магнитной жидкости в технологиях сервиса транспортных средств // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2011. № 4. Т. 7. С. 41 - 45.
Поступила 05.06.2012 г.
