Введение
В триботехнике используютследующие основные определения:
Изнашивание — процессразрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопленияего остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном измененииразмеров и (или) формы тела.
Износ — результатизнашивания, определяемый в установленных единицах. Износ может выражаться вединицах длины, объема, массы и др.
Интенсивность изнашивания– отношение величины износа к пути трения, времени или работе трения. Всовременных расчетах на износ при установившемся процессе изнашиванияиспользуют следующие среднеинтегральные значения интенсивности изнашивания:
/> - интенсивность линейногоизнашивания;
/> - интенсивность объемногоизнашивания;/> - интенсивностьизнашивания по массе;/> - энергетическаяинтенсивность изнашивания;/> -интенсивность изнашивания во времени – скорость изнашивания.
Износостойкость —свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условияхтрения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивностиизнашивания.
Смазочный материал —материал, вводимый на поверхности трения для уменьшения силы трения и (или)интенсивности изнашивания.
Смазка — действиесмазочного материала, в результате которого между двумя поверхностямиуменьшается сила трения и (или) интенсивность изнашивания.
Смазочные материалы предназначены для надежногоразделения поверхностей трущихся деталей в условиях граничной,гидродинамической и эластогидродинамической смазки. Одновременно они должныснижать силу трения, интенсивность изнашивания, охлаждать зону трения, удалять потоком масла продуктыизнашивания, а также демпфировать удары ивибрации.
Видыизнашивания сопряженных поверхностей деталей при работе машин весьмаразнообразны. Это связано с комплексным воздействием механических,физико-химических и электрохимических процессов при контакте, а так же, внешнихфакторов окружающей среды, таких, как температура, влажность, агрессивностьсреды и т.п. Совокупность явлений в процессе трения определяет вид изнашиванияи его интенсивность.
Вследствиеразнообразия исходных материалов деталей пар трения и условий их эксплуатации,виды изнашивания классифицированы следующим образом (по ГОСТ 16429-70):
· механическое изнашивание:абразивное (гидроабразивное, газоабразивное), эрозионное, кавитационное,усталостное, вследствие пластической деформации и др.;
· молекулярно-механическоеизнашивание: износ при заедании (диффузионный, адгезионный) и др;
· коррозионно-механическоеизнашивание: окислительное, фреттинг-коррозия и др.
Существующие технологические методы обеспечения износостойкостиповерхностей деталей узлов трения подразделяют на несколько групп:химико-термические, объемная и поверхностная закалка, электрохимические,химическая обработка, механотермические, наплавка износостойких слоев,напыление порошковых покрытий, ионно-плазменная обработка, плакирование,механическое упрочнение и др. Применение этих методов в значительной мересвязано с историей развития автомобилестроения в развитых странах. Саморазвитие этих методов было вызвано стремлением повысить эксплуатационныекачества автотранспортных средств.
1. Теоретическая часть
Фрикционная передача (отлат. frictio, родительный падеж frictionis — трение), механическая передача, вкоторой движение передаётся или преобразовывается с помощью сил трения междутелами качения — цилиндрами, конусами и т.д., прижимаемыми друг к другу.Фрикционные передачи применяют для передачи движения между валами спараллельными (рис.1, а) и пересекающимися осями, для преобразованиявращательного движения в винтовое (рис.1, б) и вращательного в поступательное(рис.1, в).
По конструкции онибывают: с гладкими цилиндрическими катками и параллельными осями; с клинчатымикатками и параллельными осями; с коническими катками и пересекающимися осями.
Фрикционную передачувыполняют с постоянным и переменным передаточным отношением. Фрикционнаяпередача с постоянным передаточным отношением применяют в приборах, т.к.создание небольших потребных сил сжатия тел качения не вызывает трудностей.Широко распространены передачи колесо — рельс и колесо — дорожное полотно всамоходном транспорте (рис.1, г). В машиностроении чаще всего применяютфрикционные передачи с переменным передаточным отношением для бесступенчатогорегулирования скорости — бесступенчатые вариаторы Они служат для плавного,бесступенчатого изменения передаточного числа. В таких передачах, изменяяположение ведущего катка, можно плавно регулировать угловую скорость ведомогокатка.
По форме основного телакачения (у которого меняется радиус качения) фрикционные передачи делят надисковые (лобовые), конусные, шаровые и торовые.
/>
Рис.1. Фрикционныепередачи с постоянным передаточным отношением: а — с параллельными осями дляпередачи вращательного движения; б — для преобразования вращательного движенияв винтовое; в и г — для преобразования вращательного движения в поступательное.
Фрикционная передачавыполняют для мощностей от ничтожно малых значений (в приборах) до сотен кВт,обычно до 20 кВт. Передаточное отношение в силовых передачах до 1/7, приразгруженных валах до 1/15, в ручных передачах приборов до 1/25. Наибольшийдиапазон регулирования простых бесступенчатых фрикционных передач (с двумятелами качения) до 5, сдвоенных (с промежуточными телами качения) до 15, обычно4—8. Прижатие тел качения в простых фрикционных передач осуществляетсяпостоянной силой, в более сложных — силой, возрастающей с ростом передаваемогомомента благодаря клиновому механизму самозатягивания. Форму тел качениявыбирают из условия уменьшения или устранения скольжения, зависящего отразности линейных скоростей соприкасающихся тел.
Преимущества фрикционныхпередач: простота изготовления катков по сравнению с зубчатыми колесами,возможность плавного регулирования угловых скоростей в заданных пределах,бесшумность работы, простота предохранения от поломки.
Основные недостатки:необходимость устройства для прижатия катков, большие нагрузки на валы иподшипники, непостоянство передаточного отношения, сравнительно низкий(0,80...0,92) КПД. Фрикционные передачи применяют в зубчатых фрикционныхлебедках, бульдозерах, скреперах, экскаваторах с канатно-блочной системойуправления.
Материалы катков должныиметь: высокий коэффициент трения />дляуменьшения силы прижатия />,высокий модуль упругости /> дляуменьшения потерь на трение, высокую износостойкость, контактную прочность итеплопроводность. Ведомый каток рекомендуется делать из более твердогоматериала во избежание образования на нем лысок и бороздок вследствиебуксования, которое наступает при перегрузках, если не соблюдается условие />, где /> - передаваемая окружнаясила [6].
Пары качения изготовляютиз закалённых до высокой твёрдости сталей для передач, преимущественноработающих в масле (требуют высокой точности изготовления); из стали ипластмассы (текстолит или специальные фрикционные пластмассы) — для передач,работающих всухую.
Допускаемые напряжениядля закаленных сталей твердостью /> приначальном контакте по линии и при хорошей смазке принимают />; при начальном контакте вточке />. Для текстолита (безсмазки) при контакте по линии />[3].Фрикционныепередачи с переменным передаточным числом называются вариаторами. Они служатдля плавного, бесступенчатого изменения передаточного числа. В таких передачах,изменяя положение ведущего катка, можно плавно регулировать угловую скоростьведомого катка.
/>
Рис.2. Виды вариаторов
Вариаторы разделяются надва основных типа:
а) простые, в которыхизменяется только один радиус контакта, а другой остается постоянным;
б) сложные, в которыхизменяются оба радиуса.
В простых вариаторахпередаточное отношение:
/> />
Диапазон регулирования:
/>.
В сложных вариаторахпередаточное отношение:
/> />
Для смазки фрикционных передач могут применятьсятермостойкие, высокотемпературные смазочные материалы и пасты. Рассмотрим ихсвойства на примере масла Molykote D и DX. Это твердыесмазочные пасты светлой окраски для сборки и подгонки металлических деталей.
Применения – Скользящие поверхности и фрикционныеконтакты подверженные высоким нагрузкам, требующие «чистой» смазки, особеннопри низких скоростях, а также как «приработочная» смазка; Успешно используется,например, во многих фрикционных контактах электрооборудования и бытовыхприборов, упаковочного и офисного оборудования, прецизионных инструментов,машин для пищевой и пивоваренной промышленности, а также в оборудовании длятекстильной промышленности и переработки пластмасс; Везде, где невозможнатонкопленочная смазка, рекомендуется белая многоцелевая консистентная паста –Molykote® DX. Она также может быть нанесена с помощью щетки или тряпки и даже спомощью шприца для консистентной смазки.
Особенности – Высокая несущая способность;Предотвращает движение рывками и заедание; Хорошая защита от коррозии; Отличнаязащита от фреттингкоррозии и коррозионного истирания; Чистота.
Состав – Минеральное масло; Загуститель; Твердыесмазочные материалы. Температурный диапазон – От -25 до +250°C [9]
Основным критериемработоспособности фрикционных передач является износостойкость рабочихповерхностей контактирующих колес. Обычно, для быстроходных фрикционныхпередач, работающих в масляной ванне, износ стальных колес имеет видповерхностного выкрашивания (питтинга), а расчет ведется (аналогично зубчатымпередачам) на контактную выносливость активных поверхностей колес. Однако вбыстроходных закрытых передачах, даже при наличии интенсивной смазки, иногдаобнаруживается абразивный износ, обусловленный недостаточной чистотой рабочихповерхностей и частой работой передачи на пусковых и тормозных режимах, когдазатруднено образование устойчивой масленой пленке в зоне контакта.
Для тихоходных фрикционныхпередач, у которых не обеспечено устойчивой масляной пленки между контактнымиповерхностями, или передача вообще работает без смазки, характерен абразивныйизнос (истирание) рабочих поверхностей колес. Особенно интенсивный износнаблюдается при наличии систематического проскальзывания (пробуксовывания)колес, переменной нагрузки, попадания на рабочие поверхности абразивов(металлических частиц, песчинок, пыли и т. п.).
Интенсивное истираниерабочих поверхностей колес ведет к нарушению их размеров и правильности формы,а также к появлению дополнительных динамических нагрузок.
Как контактнаявыносливость, так и абразивный износ активных поверхностей колес, в первуюочередь, зависят от величины максимальных контактных напряжений и механическиххарактеристик материалов, из которых изготовлены колеса. Кроме того, наработоспособность передачи большое влияние оказывают технологические факторы(качество и точность изготовления рабочих элементов фрикционной передачи) иэксплуатационные особенности (условия нагружения, проскальзывание,температурный режим, свойства смазки и др.).
Расчет фрикционныхпередач на износостойкость предполагает определение величин интенсивностиизнашивания и толщин износа за требуемый промежуток времени контактирующихповерхностей фрикционных колес при работе без смазки (как правило, открытыхпередач) и со смазкой, а также определение ресурса работы передачи.
При передаче вращающегомомента /> на ведущем валуфрикционной передачи (рис. 3) необходимую силу нажатия можно вычислить поформуле [1, с.46, ф.(3.7)]:
/>, (1.1)
где
/> - коэффициент сцепления (коэффициентрежима работы);
/> — коэффициент трения скольжения;
/> - диаметр ведущего колеса, м.
/>
Рис.3. Расчетная схемафрикционной цилиндрической передачи
Полуширина плоскостиконтакта определяется по формуле [1, с.24, ф.(2.33)]:
/>, (1.2)
где
/> - коэффициент динамической нагрузки(для безударной работы />);
/> - приведенный радиус кривизныдеталей в зоне контакта, мм (/>, где /> и /> — радиусы кривизныконтактирующих поверхностей (знак плюс – при внешнем контакте, знак минус – привнутреннем контакте));
/> — приведенный модуль нормальной упругостител, МПа (/>, где /> и /> — модули нормальнойупругости материалов соприкасающихся деталей).
Контактные напряженияопределяются по формуле [1, с.24, ф.(2.32)]:
/>. (1.3)
Расчет на износ идолговечность фрикционных передач с постоянным передаточным отношением ивариаторов проводят, определяя на рабочих поверхностях колес величиныинтенсивности линейного износа /> по формуле [1, с.30, ф.(2.47)]:
/>, (1.4)
где
/> - разрушающее напряжение приоднократном растяжении, МПа;
/> - параметр кривой фрикционнойусталости;
/> - поправочный коэффициент к числу циклов до отделения споверхности частиц износа;
/> — коэффициент перекрытия контактныхплощадей (/>, где /> и /> — площади контактаноминальная и фактическая, мм2);
/> - коэффициент, величина которогозависит от волнистости поверхности (для волны, имеющей сферическую форму, />; без учета влиянияшероховатости поверхности на деформацию волн />);
/> - параметр опорной кривойшероховатости поверхности;
/> — комплексная характеристикашероховатости поверхности, учитывающая остроту выступов и их распределение повысоте;
/> - модуль нормальной упругостиматериала детали, МПа;
/> — максимальное давление в центреплощадки контакта (при круговом или эллипсном отпечатке) или продольной осисимметрии площадки контакта (при ленточной форме отпечатка);
/> - молекулярная составляющаякоэффициента трения (/>, где />и /> - фрикционные параметры,зависящие от условий работы пары трения).
В данном случаепринимается, что номинальное и контурное давления равны (/>).
Толщину изношенного слояведущего 1 и ведомого 2 (рис. 3) колес можно определить по формуле [1, с.47,ф.(3.8)]:
/>, (1.5)
где
/> - интенсивность изнашивания рабочихповерхностей ведущего 1 и ведомого 2 колес;
/> - полуширина полоски контакта придействии силы нажатия />, мм;
/> и />-окружные скорости (качения) точек рабочих поверхностей ведущего 1 и ведомого 2колес, м/с;
/> - частота вращения ведущего 1 иведомого 2 колес, об/мин;
/> — время работы рассчитываемойфрикционной передачи, мин.
Максимальную величинутолщины изношенного слоя />необходимосравнить с нормативной (допустимой) величиной износа и определить ресурс работыфрикционной передачи />. Ресурс работыфрикционной передачи по критерию износа определяется по формуле [1, с.38,ф.(3.5)]:
/>, (1.6)
где
/> - допустимый износ ведущего 1 иведомого 2 колес, назначаемый с учетом качества трущихся поверхностей,функционального назначения фрикционной передачи, требуемого уровня надежности,безопасности, экономичности.
2. Практическая часть
Определить максимальнуювеличину износа на рабочих поверхностях колес открытой фрикционнойцилиндрической передачи (рис. 4).
Параметры передачи:
1) Диаметры колес /> и />;
2) Ширина колес />;
3) Передаваемая мощность на ведущем валу/>;
4) Частота вращения ведущего вала />;
5) Коэффициент сцепления />;
6) Коэффициент трения скольженияматериала без смазки />;
7) Модуль нормальной упругости />;
8) Время работы />;
Рабочие поверхности колесобработаны круглым шлифованием (Ra=0,63) и приработаны. Величину допустимогоизноса принимаем: [h]=2,5мм.
Решение
1.1 Определение необходимой силыприжатия в передаче.
Необходимая сила нажатиядля передачи вращающего момента /> определяетсяпо формуле (1.1). Для расчета необходимо определить вращающий момент />:
/>
Тогда необходимая силаприжатия в передаче равна:
/>.
/>
Рис.4. Расчетная схемапередачи
1.2 Определение полуширины плоскости контакта
Вычислим приведенныйрадиус кривизны и приведенный модуль нормальной упругости:
/>;
/>.
Тогда, используя формулу(1.2), найдем полуширину плоскости контакта:
/>.
2.3 Определениеконтактных напряжений
Подставив в формулу (1.3)значения исходных и рассчитанных ранее параметров, получим
/>.
2.4 Определение интенсивностиизнашивания колес передачи
Определим интенсивностьизнашивания рабочих поверхностей колес фрикционной передачи по формуле (1.4).
Значения параметровшероховатости поверхностей деталей [1, с.81, прилож. 3, табл. 2] дляприработанных чугунных поверхностей, обработанных круглым шлифованием: классшероховатости – 8; />; />; />; />; />; />.
Определим остальныепараметры, входящие в формулу (1.4): коэффициент перекрытия контактных площадей- />; без учета влиянияшероховатости поверхности на деформацию волн />;разрушающие напряжения при однократном растяжении /> икоэффициент кривой фрикционной усталости /> [1,с.83, прилож. 4] — />, />; по номограмме [1, с.84,прилож. 5] поправочный коэффициент к числу циклов до отделения с поверхностичастиц износа />; молекулярная составляющая коэффициента трения [1, с.87, прилож. 7] />.
Подставив полученныезначения в формулу (1.4), найдем интенсивность изнашивания колес передачи:
/>
2.5 Определение толщиныизношенного слоя ведущего /> иведомого /> колес
Толщину изношенного слояколес можно определить по формуле (1.5). Для этого определим параметры,входящие в формулу:
/>
— окружная скорость(качения) точек рабочей поверхности ведущего 1 колеса;
/>
— окружная скорость(качения) точек рабочей поверхности ведомого 2 колеса (здесь /> - относительная потеряскорости);
/>
- передаточное числофрикционной передачи;
/> - частота вращения ведомого колеса.
Подставив полученныезначения в формулу (1.5), получим:
/>
/>
Максимальная величинаизношенного слоя />. По нормамвеличина допустимого износа [h]=2,5мм, следовательно, условие />соблюдается (/>).
2.6 Определениедопустимого ресурса работы фрикционной передачи.
Допустимый ресурс работыведущего колеса передачи определяется по формуле (1.6):
/>
что больше заданного.
Заключение
В этойрасчетно-проектировочной работе был проведен расчет максимальной величиныизноса на рабочих поверхностях колес открытой фрикционной цилиндрической передачи.
Максимальная величинаизношенного слоя />. Условие />соблюдается (/>), значит, передача будетработоспособна в течение заданного срока службы.
Допустимый ресурс работыведущего колеса передачи/> большезаданного, поэтому данная фрикционная цилиндрическая передача может работатьбольше заданного ресурса.
Список использованной литературы
1. Асеев Н.В.,Асеева Е.Н., Крейчи Э.Ф., Матлин М.М. / Под общей редакцией д-ра техн. наукМатлина М.М. / Износостойкость сопрягающихся деталей механического оборудованияназемных транспортных систем: Учеб. пособие / ВолгГТУ, Волгоград, 2000. – 99с.
2. Вирабов Р.В.Тяговые свойства фрикционных передач. – М.: Машиностроение, 1982. – 263с.
3. Иванов М.Н.Детали машин: Учеб. Для машиностр. спец. вузов. – 4-е изд., перераб. – М.:Высш. Шк., 1984. – 336 с.
4. Трибология.Физические основы, механика и технические приложения: Учебник для вузов/И.И.Беркович, Д.Г. Громаковский; Под ред. Д.Г. Громаковского; Самар. гос. техн.ун-т. Самара, 2000. — 268 с.
5. Паршев С.Н.,Ползенко Н.Ю. Испытание металлов на изнашивание. Методические указания к лабораторнойработе.
6. Практическиеметоды расчета на прочность деталей транспортных машин: учеб. Пособие / М.М.Матлин [и др.]; под ред. Д-ра техн. Наук, проф. М.М. Матлина / ВолгГТУ. –Волгоград, 2007. – 264с.
7. Пронин Б.А.,Ревков Г.А., Бесступенчатые клиноремённые и фрикционные передачи (вариаторы), 2изд., М., 1967;
8. Решетов Д.Н.,Детали машин, 3 изд., М., 1974.
9. http://sap.net.ru/Смазки, масла, герметики, нефтепродукты, гсм, тосол, антифриз