Idea Transcript
МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)
ВЫБОР СХЕМ ИСПЫТАНИЙ ФРИКЦИОННЫХ УЗЛОВ НА УНИВЕРСАЛЬНОЙ МАШИНЕ ТРЕНИЯ УМТ-2168 «УНИТРИБ» Методические указания к лабораторно-практической работе по дисциплине «Триботехника»
Часть 1
МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)
Кафедра технологии конструкционных материалов
Утверждаю Зав. кафедрой чл.-корр. РАН, д-р техн. наук, проф. ___________ В.М. Приходько «___» __________ 2016 г.
ВЫБОР СХЕМ ИСПЫТАНИЙ ФРИКЦИОННЫХ УЗЛОВ НА УНИВЕРСАЛЬНОЙ МАШИНЕ ТРЕНИЯ УМТ-2168 «УНИТРИБ» Методические указания к лабораторно-практической работе по дисциплине «Триботехника»
Часть 1
МОСКВА МАДИ 2016
УДК 620.179.112 ББК 34.413 В92 Авторы: Ю.М. Лужнов, В.Д. Александров, Ю.Н. Калачёв, А.Ю. Иванов В92 Выбор схем испытаний фрикционных узлов на универсальной машине трения УМТ-2168 «Унитриб»: метод. указан. к лаб.практич. раб. по дисциплине «Триботехника». В 4-х ч. Ч. 1 / Ю.М. Лужнов [и др.]. – М.: МАДИ, 2016. ‒ 20 с. Данные методические указания предназначены для оказания помощи студентам в выполнении лабораторно-практической работы, оформлении её результатов и подготовке работы к защите. В методических указаниях приведены теоретические сведения о рациональном цикле испытаний пар трения для фрикционных узлов, об общем принципиальном устройстве машин трения, конструктивных особенностях универсальной машины трения УМТ-2168 «Унитриб» и возможных схемах испытаний при её применении. Настоящее издание является частью учебно-методического комплекса по дисциплине «Триботехника», включающего в себя учебную программу, учебное пособие и методические указания к практическим и лабораторным работам. Методические указания рекомендуется использовать при обучении студентов механических специальностей по направлению подготовки специалистов 43.03.01 «Сервис». УДК 620.179.112 ББК 34.413
© МАДИ, 2016
3
1. ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ Приобретение практических навыков применения теоретических знаний о рациональном цикле триботехнических испытаний и о конструкции машин трения общепромышленного назначения в случае выбора схем испытаний на универсальной машине трения УМТ-2168 «Унитриб» для фрикционных пар узлов машин или механизмов. 2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 2.1. Рациональный цикл триботехнических испытаний Триботехнические испытания достаточно трудоёмкий и дорогостоящий процесс. Поэтому исследователи стремятся уменьшить объём испытаний, соблюдая при этом заданные требования к точности и достоверности получаемых результатов. Проводятся триботехнические испытания как на модельных образцах, так и на натурных объектах. Наиболее эффективным является комплексное применение модельных и натурных триботехнических испытаний, объединённых в общую структуру, получившую название «рациональный цикл испытаний», сокращённо РЦИ. Структура РЦИ для подбора пары трения при проектировании узла машины с указанием назначения и содержания всех этапов РЦИ и с представлением в общем виде, получаемых при этом основных зависимостей, представлена в табл. 1. На предварительном (нулевом) этапе РЦИ на основании имеющейся информации проводится предварительный подбор материалов разрабатываемой пары трения по критериям совместимости. Под совместимостью материалов пары трения понимается пригодность их для работы в условиях взаимного контакта без большого износа, схватывания и нестабильного коэффициента трения. При подборе материалов разрабатываемой пары трения следует иметь в виду, что фрикционные сопряжения представляют собой сложную систему взаимодействия материалов пары трения не только друг с другом, но и с рабочей смазкой и окружающей средой. Причём
4
рабочая смазка и окружающая среда могут быть химически активными по отношению к материалам пары трения или же проявлять свойства катализаторов химических процессов. При хорошей совместимости изменение свойств материалов пары трения вследствие контакта материалов с окружающими средами за период расчётного ресурса фрикционного сопряжения должно происходить в заданных пределах. Таблица 1 Рациональный цикл испытаний пар трения для трибосопряжений № этапа 1 0
1а
1б
1в
1г
1д
2а
Назначение этапа
Содержание этапа
2
3 Предварительный этап Подбор сочетаний маОценка по критериям кортериалов на основании розионной стойкости и отаприорной информации сутствию схватывания Первый этап Получение фрикционноВыявление границ соизносных характеристик вместимости пары трепри вариации нагрузки или ния по определяющему температуры фрикционного параметру при комнатразогрева при комнатной ной температуре окрутемпературе окружающей жающей среды среды То же, при повышенных То же, при повышенных и и отрицательных темотрицательных температупературах окружающей рах окружающей среды среды То же, при высокой влажности
То же, в среде высокой влажности
То же, при радиационных воздействиях
Получение фрикционноизносных характеристик при дополнительных радиационных воздействиях
То же, при вибрационных воздействиях
Получаемые зависимости 4
б б б б в в в в г г г г д
То же, при вибрационном воздействии в заданном диапазоне частот
Второй этап Расчёт и воспроизведение Моделирование на обна малогабаритных образразцах условий работы цах температурно-силовых трибосопряжений при полей такой же интенсивкомнатной температуре ности, как и в натуральных окружающей среды трибосопряжениях
д д д
мга мга
· Сг , нга · Сг , нга
5
Продолжение табл. 1 1 2б
2в
2г
3а
3б
4а 4б
2 3 То же, при повышенных или отрицательных То же, при экстремальных температурах окрутемпературных условиях жающей среды Расчёт и воспроизведение на малогабаритных образМоделирование процах градиентов температуцесса трещинообразоры и напряжений таких же, вания как и в натуральном трибосопряжении Моделирование условий работы трибосопряжения при вибрационном воздействии Натурное моделирование в типовых условиях эксплуатации
То же, что в 2а или 2в, но при вибрационных воздействиях
4 мгб
· Сг , нгб · Сг ,
· Сг , нгв · Сг ,
мгб
мгв мгв
нгб
нгв
· Сг , н г · Сг , н г · Сг , н г · Сг ,
м г м г м г м г
Третий этап Оценка влияния на фрикционно-износные характеристики пары трения конструкции трибосопряжения
нм
н г
нм
н н
∆ ∆
Натурное моделирование на стенде экстремальных условий работы трибосопряжения Четвёртый этап Натурное моделирова- Оценка влияния на работоние в типовых условия способность трибосопряжения конструкции машины эксплуатации Натурное моделирова- Оценка гарантированной ние в экстремальных эксплуатационной надежусловиях эксплуатации ности трибосопряжения
эм эм
н н
∆ ∆
Поэтому при проведении испытаний исследуемой фрикционной системы, а также при выборе показателей её эффективности необходимо фрикционную систему рассматривать как единое целое, не выделяя какую-то отдельную часть системы или элемент. Кроме того, при испытаниях необходимо обеспечить возможность получения количественных оценок с требуемой достоверностью. Требуемую достоверность результатов испытаний, как правило, обеспечивают использованием на всех этапах РЦИ материалов пары трения из одной производственной партии, а также назначением объёмов контролируемых выборок и погрешностей измерений в соответствии с рекомендациями математической статистики.
6
На первом этапе РЦИ устанавливается влияние определяющих параметров на коэффициент трения f и интенсивность изнашивания I материалов контактирующих поверхностей (материалов 1 и 2). В зависимости от назначения узла трения такими параметрами обычно являются нагрузка на пару трения P или температура фрикционного разогрева пары трения
вследствие относительного перемещения
контактирующих поверхностей. Обязательным на первом этапе РЦИ является выявление границ совместимости пары трения (определение критических точек) в зависимости от значений определяющих параметров – нагрузки на пару трения и температуры фрикционного разогрева. Оценка фрикционно-износных характеристик исследуемой пары трения осуществляется в лабораторных условиях с учётом режимов эксплуатации рассматриваемого узла трения. Испытания на фрикционную теплостойкость Метод экспериментальной оценки коэффициента трения и интенсивности изнашивания материалов при их фрикционном разогреве получил название фрикционной теплостойкости. Сущность этого стандартизованного метода заключается в следующем. Используются образцы исследуемых материалов фрикционного сопряжения, выполненные в виде колец (наружный диаметр колец 28 мм, внутренний 20 мм, высота 15 мм). Кольцевые образцы исследуемых материалов соосно прижимаются друг к другу торцовыми поверхностями с заданным осевым усилием. Один из образцов получает вращательное движение вокруг своей оси, а другой – остаётся неподвижным. Путём дискретного изменения частоты вращения подвижного образца ступенчато изменяют температуру фрикционного разогрева на торцевых контактирующих поверхностях испытываемых образцов. В ходе испытаний определяются значения коэффициента трения f и интенсивности изнашивания I для каждой ступени температуры фрикционного разогрева пары трения . О фрикционной теплостойкости испытываемых материалов судят по характеру зависимости коэффи-
7
циента трения и интенсивности изнашивания от температуры фрикционного разогрева. На втором этапе РЦИ проводятся модельные испытания на малогабаритных модельных образцах. Этим испытаниям обязательно предшествует определение масштабного фактора или расчёт масштабных коэффициентов перехода от модельных образцов к реальному объекту для каждого параметра триботехнической системы. Обычно при расчётах масштабных коэффициентов перехода в качестве известного параметра используется симплекс геометрических размеров Cr1,2 элементов пары трения вида: Сr1,2 =
Аам1 ⋅ Аам2 Sн1 ⋅ Sн2 ⋅ , Аан1 ⋅ Аан2 Sм1 ⋅ Sм2
где Аам1, Аам2 и Аан1, Аан2 – соответственно номинальные площади контакта 1-го и 2-го элементов пары трения модельного и натурного образца; Sм1, Sм2 и Sн1, Sн2 – соответственно характерные размеры 1-го и 2-го элементов пары трения модельного и натурного образца. Характерный размер элементов пары трения S вычисляется как отношение свободной (не находящейся в контакте) площади поверхности элемента пары трения к его эффективному объёму. Характерный размер S учитывает геометрию и механику контактирования поверхностей, а также условия теплопроводности и теплопередачи. После расчёта масштабных коэффициентов перехода обязательно выполняется анализ возможности их реализации при экспериментах на испытательных установках по параметрам режима испытаний: скорости, нагрузке и температуре. Если ускоренные испытания на малогабаритных образцах предшествуют окончательным и достаточно дорогим натурным испытаниям реальных объектов, то может быть получен существенный экономический эффект. Экономия достигается за счёт весьма значительного сокращения машинного (в 3…5 раз) и подготовительнозаключительного (в 10…30 раз) времени при испытаниях. Кроме того, экономятся дорогостоящие опытные материалы, а также сокращается общая численность испытателей.
8
На третьем этапе РЦИ для определения влияния конструктивного оформления пары трения на работоспособность трибосопряжения в заданном диапазоне режимов силового, теплового и скоростного нагружения применяют натурные и стендовые испытания. При проведении натурных испытаний реальный образец машины, на котором установлен испытываемый узел трения, работает в условиях лаборатории. Однако при этом трудно получить полную и достоверную информацию о работоспособности испытываемого узла трения, поскольку образец машины во время подобных испытаний работает в лаборатории при усреднённых значениях режимов, иногда существенно отличающихся от их экстремальных значений при эксплуатации. В лучшем случае с помощью натурных испытаний можно получить информацию об износе элементов пары трения или наработке узла трения на отказ. Поэтому натурные испытания узлов трения непосредственно на машине в лабораторных условиях малоэффективны и должны применяться сравнительно редко. Чаще используется натурное моделирование на специальных стендах, позволяющих воспроизводить и регистрировать режимы нагружения при большой вариации значений контрольных параметров. При этом удаётся непрерывно измерять и регистрировать значения момента сил трения, коэффициента трения, температуры, расхода смазочного материала, а периодически оценивать изменение размеров, качество контактирующих поверхностей и величину износа. Стендовые испытания часто управляются ЭВМ по специальным программам с обязательной автоматизированной обработкой результатов экспериментов. Таким образом, при стендовых испытаниях выявляется, как конструктивное оформление трибосопряжения оказывает влияние на фрикционно-износные характеристики пары трения и соответствие этих характеристик техническим условиям на узел трения. Четвёртый этап РЦИ – это эксплуатационные испытания, которые позволяют учесть ряд факторов, практически не воспроизводимых при лабораторных модельных и стендовых испытаниях.
9
Например, переменные силовые нагрузки могут увеличить износ на 20…40% по сравнению с испытаниями при среднем эффективном значении нагрузки. Наложение вибраций от других узлов машины может привести к изменению трения в 1,5…2 раза и к увеличению износа. Загрязнённость среды абразивом повышает износ в несколько раз. На работоспособность пары трения существенно влияет изменение температурного режима работы пары трения вследствие интенсивного обдува или плохого теплоотвода. При эксплуатации действие не только перечисленных, но и целого ряда других факторов чаще всего имеет стохастический (случайный) характер и воспроизвести его при лабораторных испытаниях (особенно если рассматривать совокупное влияние этих факторов) практически не удаётся. Именно в этом и состоит уникальность эксплуатационных испытаний. Однако при эксплуатационных испытаниях на реальных образцах машин чаще всего трудно выполнять замеры силы трения и температуры в испытываемых фрикционных узлах. Это может быть связано с малыми габаритами, сложностью конструкции испытываемых узлов трения или неудобством доступа к ним в общей компоновке машины. Замеры же износа поверхностей в парах трения требуют достаточно длительной остановки машины для разборки испытываемого узла трения. При эксплуатационных испытаниях используют ЭВМ с комплектом прикладных программ по обработке получаемой информации. Статистическая обработка экспериментальной информации позволяет более точно оценить износные характеристики, а также вычислить математическое ожидание и дисперсию полученных величин, составить уравнение регрессии для ввода информации в базу данных. Завершается рациональный цикл испытаний анализом результатов всех его этапов. После введения коэффициентов запаса полученная информация применяется для прогнозирования надёжности отдельных узлов и машины в целом.
10
Рекомендации по применению рационального цикла испытаний Считается, что проведение РЦИ в полном объёме наиболее эффективно при разработке принципиально новых конструкций машин и модернизации крупных машин. На стадии проектирования машины выполнение РЦИ позволяет разработать узлы трения, обеспечивающие заданный ресурс работы машины, а реализация РЦИ для узлов трения крупных машин позволяет экономить значительные средства и время при наличии у предприятия испытательной лаборатории. В тех случаях, когда в машине применяются типовые конструктивные решения и серийные пары трения, достаточно использовать только этапы РЦИ, основанные на моделировании. При таких испытаниях необязательно уделять большое внимание уровням точности моделирования при натурных или эксплуатационных испытаниях. Допустимо ограничиться получением сравнительных результатов. 2.2. Оборудование для триботехнических испытаний Из достаточно большого многообразия оборудования, применяемого для проведения триботехнических испытаний, можно условно выделить три группы: измерительные приборы, специализированные стенды для испытания узлов трения и универсальные машины трения или комплексы. Измерительные приборы – самая разнообразная группа применяемого оборудования. Не имея возможности перечислить всё многообразие используемых при проведении триботехнических испытаний измерительных приборов, приведём лишь один небольшой пример. Назовём некоторые виды приборов, применяемых для определения физико-механических и теплофизических свойств контактирующих поверхностей пар трения – твёрдомеры, микроскопы, дилатометры, дефектоскопы, приборы для определения затухающих колебаний. При выполнении трибологических исследований широко используются специализированные стенды для испытания материалов и узлов трения в квазистационарных (близких к стационарным) и нестационарных режимах трения. К ним относятся стенды для испытания
11
подшипников качения, зубчатых колёс, для определения работоспособности уплотнений и др. Независимо от конструктивного исполнения специализированные стенды должны: обеспечивать возможность измерения мощности или работы; устанавливать потери на трение с учётом погрешности измерений, температурный режим зоны трения, окружающей среды; точно фиксировать значения скорости, нагрузки, пути трения и времени; позволять выполнять быструю разборку рабочего узла для измерения износа. К универсальным машинам трения относятся лабораторные машины и установки для испытаний материалов на трение и износ. АО «Точприбор» выпускает разработанные совместно с ИМАШ РАН триботехнические комплексы УМТ-2168 «Унитриб», ИИ-5018. Эти универсальные машины трения имеют ряд сменных узлов, позволяющих выполнять испытания практически по всем схемам контактирования фрикционных элементов, применяемых в машиностроении. Универсальные машины трения имеют в общем случае блочный принцип построения и состоят из следующих основных функциональных узлов (рис. 1). Испытательный блок 1 является основным узлом и предназначен для формирования испытываемой пары трения. Он должен обеспечивать точную и надежную установку образцов, однозначность и определённость в реализации расчётной схемы испытаний, включая равномерность нагрузки и износа образцов за счёт их самоустанавливаемости или других мер. Соединения испытательного блока не должны иметь люфтов. Чаще всего должна обеспечиваться возможность испытаний различных типов и размеров образцов по нескольким схемам, т.е. универсальность с возможностью быстрой переналадки. Обычно в испытательный блок конструктивно входит датчик силы (момента) трения, являющийся частью системы измерения. Привод 2 предназначен для сообщения движения одному или нескольким образцам, входящим в узел трения, и включает в себя электродвигатель и передаточный механизм, кинематика которого оп-
12
ределяется характером относительного движения трущейся пары. Регулирование скорости в широких пределах осуществляется с помощью электропривода. Привод должен обеспечивать плавность движения, без рывков и ударов, если последние специально не предусмотрены методом испытаний.
5 3 2
6 7
1 4
8
Рис. 1. Структурная схема универсальной машины трения: 1 – испытательный блок; 2 – привод; 3 – узел нагружения; 4 – камера; 5 – машина трения; 6 – пульт; 7 – блок управления; 8 – измерительный блок
Узел нагружения 3 предназначен для создания постоянной или переменной нормальной нагрузки на образцы. Для этой цели используются рычажно-гравитационные, пружинные, пневматические и другие механизмы. При этом должны обеспечиваться плавное приложение и стабильность режима нагружения независимо от изменения в процессе испытаний силы трения и величины износа. Камера 4 служит для проведения испытаний в специальных температурных условиях, в вакууме, при подаче смазочного материала, абразива и т.д. Часто она выполняет также защитную функцию, ограждая оператора от воздействия продуктов износа, шума и других вредных факторов. Камеры могут быть герметизированы полностью или частично. Указанные узлы обычно монтируются на общей станине, снабжённой в необходимых случаях виброопорами. Конструкция должна обеспечивать надёжную виброизоляцию машины, работающей в усло-
13
виях интенсивных динамических нагрузок, в том числе путём установки на изолированный фундамент. Собственно машина трения 5 электрически связана с пультом 6, содержащим блоки управления 7 и измерения 8. Однако в некоторых случаях электрооборудование размещается непосредственно в машине, т.е. специальный пульт отсутствует. На машинах трения измеряются и регистрируются параметры, необходимые для получения полной информации о процессе трения: сила (момент) трения, сила нормального давления, скорость и путь трения, температура в заданной зоне, износ, работа трения, а при необходимости и другие параметры. С целью повышения производительности испытаний и их достоверности на практике используется микропроцессорная вычислительная техника как для обработки данных по определенным программам, так и для управления режимом испытаний. 2.3. Универсальная машина трения УМТ-2168 «Унитриб» Универсальная машина трения УМТ-2168 «Унитриб» была разработана трибологами ИМАШ РАН и заводом «Точприбор» (г. Иваново). В состав машины трения входят: испытательная установка, привод движения испытываемых образцов, узел нагружения образцов, пульт измерения и управления. На пульте машины трения регистрируются момент трения, температура в зоне трения, измеряются частота вращения, путь трения, нормальное усилие прижима. На рис. 2 представлена схема, поясняющая конструкцию испытательной установки, узла нагружения и механизма привода универсальной машины трения УМТ-2168 «Унитриб». В корпусе 5 испытательной установки в подшипниках размещён полый вал 3, внутри которого проходит шток 4. Диск 8 установлен на штоке 4 шарнирно и через кольцо 6 и гибкую связь 9 связан с валом 3, который через рычаг 10 воздействует на упругий элемент 11 силоизмерителя. От мембранного пневмопривода 1 осевая нагрузка передается штоку 4 и диску 8. На диске 8 устанавливаются пальчиковые образцы 7 или закрепляются специальные камеры с приспособлениями для испытания
14
пар трения. При этом диск 8 может жестко соединяться с кольцом 6. Для охлаждения водой в диске 8 имеются внутренние каналы. Подвод образцов осуществляется перемещением корпуса 5 по станине 18 путём вращения рукоятки 19. 10 11 4
8
7 16
9
12
15
воздух
13 1
20 3
17 21
5
18
14
6
14
P
б)
16
в)
16
19
М
P
2
а)
Рис. 2. Принципиальная схема универсальной машины трения УМТ-2168 «Унитриб»: а – общая схема; б – схема испытаний при качательном движении; в – схема испытаний при прямолинейном возвратно-поступательном движении
С помощью специальных приспособлений реализуются различные схемы испытаний. Съёмные камеры позволяют проводить испытания образцов типа «вал – втулка» или «вал – палец» как при вращательном, так и при качательном движении вала. В этих случаях привод осуществляется от кривошипа 16, установленного на валу 17 редуктора 13. Во всех случаях нагрузка на образцы создается автономным мембранным пневмоприводом 1. Для измерения суммарного числа оборотов диска 14 (путь трения) служит датчик 20. Переключение скоростных диапазонов вращения электродвигателя 2 реализуется с помощью датчика 21. Частоту вращения вала 12 редуктора блока привода машины трения можно плавно изменять в диапазоне от 50 до 3000 об/мин, а величину нормальной нагрузки на образцы можно регулировать в ин-
15
тервале от 0,02 до 5 кН путём изменения давления сжатого воздуха, подаваемого в пневмопривод 1. Универсальная машина трения УМТ-2168 «Унитриб» позволяет проводить испытания по восьми кинематическим схемам и по этому показателю не имеет аналога в мировой триботехнической испытательной практике. Кроме того, машина снабжена системой автономной капельной смазки образцов, а также может работать в комплексе с ЭВМ, обеспечивая обработку результатов по заданной программе, например, расчёт фрикционной теплостойкости. Испытательные схемы универсальной машины трения УМТ-2168 «Унитриб» позволяют имитировать работу наиболее распространённых в машиностроении узлов трения (табл. 2). Схема № 1 – испытание по типу «кольцо – кольцо» имитирует работу дискового тормоза, фрикционной муфты или упорного подшипника скольжения. Схема № 2 – испытание по типу «вал – втулка», имитация радиального подшипника скольжения. Схема № 3 – испытание по типу «ролик – колодка», имитация колодочного тормоза. Схема № 4 – испытание по типу «палец – диск» имитирует работу пар трения при высоких скоростях относительного перемещения поверхностей. Схема № 5 – испытание по типу «вал – втулка» при качательном движении, имитация шарнира. Схема № 6 – испытание по типу «вал – три трубки», имитация работы трубок в теплообменнике. Схемы № 7 и № 8 – испытание по типу «палец – ролик», имитация нагруженного линейного контакта. Важной конструктивной характеристикой узла трения является коэффициент взаимного перекрытия КВЗ. Ориентировочные его значения приводятся в табл. 2 при характеристике типовых узлов трения и соответствующих им схем испытаний на универсальной машине трения УМТ-2168 «Унитриб».
16
Таблица 2 Схемы испытаний на универсальной машине трения УМТ-2168 «Унитриб» № п/п
Серийный узел трения (поступательное движение)
1
Дисковый тормоз, муфта, упорный подшипник КВЗ ≈ 1; КВЗ < 1
Схема контакта образцов
№ п/п
Серийный узел трения (возвратнопоступательное движение)
Схема контакта образцов P
P
Шарнир КВЗ = 1
5
V
V P
2
3
4
Подшипник скольжения КВЗ ≈ 1; КВЗ < 1
6 V
Трение при сравнительно высоких скоростях КВЗ < 1; КВЗ