Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разным специальностям
На правах рукописи
ГОЛОЩАПОВ ГЕОРГИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ОПОРНЫХ КАТКОВ ГУСЕНИЧНОГО ХОДОВОГО УСТРОЙСТВА НА ПРИМЕРЕ ОДНОКОВШОВОГО ЭКСКАВАТОРА ЭО - 5126
Специальность 05.05.04 Ц Дорожные, строительные
и подъёмно-транспортные машины
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Омск - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном общеобразовательном учреждении высшего профессионального образования Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент
Мельник Сергей Владимирович
Официальные оппоненты: Захаренко Анатолий Владимирович
доктор технических наук, доцент,
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, кафедра Строительные, дорожные машины и гидравлические системы, профессор
Мещеряков Виталий Александрович
доктор технических наук, доцент,
заведующий кафедрой Математики и
информатики филиала Всероссийского заочного финансово-экономического института в г. Омске
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования Омский государственный аграрный университет
Защита состоится л19 июня 2012 г. в 1630 часов на заседании диссертационного совета Д 212.250.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5, ауд. 3124.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ).
Отзывы в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета.
Телефон для справок: (3812) 72-99-76, факс (3812) 65-03-23.
e-mail: dissovetsibadi@bk.ru
Автореферат разослан л17 мая 2012 года.
Учёный секретарь
диссертационного совета Д 212.250.02,
доктор технических наук Кузнецова В.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Эффективность использования одноковшовых экскаваторов, выполняющих около 40% объема земляных работ в строительстве, в значительной степени обусловлена техническим состоянием основных систем, в том числе состоянием гусеничного ходового устройства, на долю которого приходится от 25 до 48% всех затрат на эксплуатационные материалы и запасные части. Значительная доля простоев возникает из-за необходимости устранения отказов и мероприятий технического обслуживания шарнирных соединений опорных катков ходовых устройств гусеничных экскаваторов. Значительные средства расходуются на смазочные материалы. Проникновение загрязнений и воды в узлы трения вызывает абразивное изнашивание трущихся поверхностей деталей опорных катков, что в условиях высоких удельных давлений и динамических знакопеременных нагрузок, свойственных рабочему режиму экскаватора, вызывает износ уплотнительных устройств и раскрытие стыка уплотнений. Дозаправка катков жидкими смазочными материалами не останавливает абразивный износ поверхностей трения деталей, а ведет лишь к перерасходу смазочного материала. Ресурс опорных катков заметно снижается, увеличивается поток отказов, снижается производительность экскаватора из-за вынужденных простоев на ремонт ходовой части.
Повышение ресурса пар трения шарниров опорных катков экскаватора с гусеничным ходовым устройством связано с качеством применяемых смазочных материалов, их способностью не вытекать из полости катка даже в случае отказа уплотнительного устройства, обеспечивать приемлемую периодичность их замены, снижать абразивное изнашивание деталей подшипников. Указанным требованиям отвечают пластичные смазочные материалы. Однако подбор пластичных смазок для конкретных условий работы узлов трения требует исследования их эксплуатационных свойств и режимов использования.
Возможность улучшения эксплуатационных свойств смазочных материалов (и в первую очередь - противоизносных) при абразивном износе производят по результатам исследований, проводимых преимущественно на четырехшариковых машинах трения. Однако, исследования в этой области противоречивы и ограничены, а практические рекомендации по снижению абразивного износа не нашли широкого применения. Полученные данные по оценке эксплуатационных свойств смазочных материалов применительно к узлам трения опорных катков экскаватора требуют уточнения.
Недостаточно исследований, в которых даны рекомендации по подбору добавок, способных эффективно снижать износ поверхностей трения в условиях граничного трения при абразивном изнашивании. Слабо разработана теоретическая база, позволяющая установить связь между периодичностью проведения операций по замене смазок в узлах трения экскаватора и эксплуатационными свойствами смазочных материалов. Отсутствует эффективный метод и оборудование для изучения влияния добавок различной природы на свойства смазочных материалов при абразивном изнашивании шарнира опорных катков экскаватора. На основании вышеизложенного были поставлены цель и задачи исследования.
Цель диссертационной работы: Повышение ресурса шарнира опорных катков гусеничного ходового устройства одноковшовых экскаваторов.
Поставленная цель определила следующие задачи:
1. Разработать модель технического обслуживания шарниров опорных катков экскаватора.
2. Разработать метод оценки эксплуатационных свойств смазочных материалов в условиях абразивного изнашивания.
3. Изучить влияние на эксплуатационные свойства пластичных смазок добавок различной физико-химической природы.
4. На основе теории планирования эксперимента и регрессионного анализа оценить степень влияния исследуемых факторов на свойства пластичных смазок
5. Исследовать влияние состава смазочных материалов на скорость и интенсивность изнашивания деталей шарнира опорного катка экскаватора при абразивной природе изнашивания поверхностей и разработать модель прогнозирования ресурса шарнира катка.
6. Проверить на адекватность результаты теоретических и лабораторных исследований в реальных условиях эксплуатации экскаваторов.
Объектом исследования является процесс технического обслуживания опорных катков гусеничного ходового устройства при переходе на пластичные смазки.
Предметом исследования являются закономерности влияния добавок различной природы на эксплуатационные свойства смазки шарнира опорного катка экскаватора при абразивной природе изнашивания поверхностей.
Методика исследований представляет собой комплекс теоретических и экспериментальных методов. Решение задач базируется на ранее полученных экспериментальных данных, известных теоретических положениях триботехники, методах статистической обработки экспериментальных данных.
Научная новизна определяется следующим:
1. Разработан ускоренный метод и прибор оценки свойств смазочных материалов в условиях граничного трения при скольжении. При изучении абразивного изнашивания показана более высокая чувствительность метода в сравнении с методами испытаний на ЧШМ.
2. Изучено влияние состава пластичных смазок на их противоизносные свойства в присутствии абразива в условиях граничного трения.
3. Определена зависимость износа от микрогеометрии поверхности деталей шарнира катка, от используемого в смазках загустителя и добавок различной физико-химической природы и агрегатного состояния.
4. Определена рецептура пластичных смазок с добавками, обладающая высокими противоизносными свойствами на основе синергетических эффектов. Уточнен механизм их действия применительно к шарниру опорного катка.
5. Разработана математическая модель прогнозирования ресурса узла трения опорного катка экскаватора ЭО-5126 при применении смазки литол-24 с модификаторами.
Достоверность полученных результатов подтверждена: адекватностью математических моделей и результатов экспериментальных исследований, техническим и экономическим показателям работы шарнира опорного катка экскаватора ЭО-5126, достаточным объемом экспериментов и сходимостью теоретических расчетов с экспериментальными данными.
Практическая ценность работы. Разработан метод и прибор оценки эксплуатационных свойств смазочных материалов в условиях абразивного изнашивания при граничном трении с ошибкой измерений не превышающей 5-6% (Патент № 2386945. Опубликован 20.04.2010. Бюл. № 11). Найдены добавки, эффективно улучшающие эксплуатационные свойства пластичных смазок на основе синергетических эффектов. Разработан метод расчёта предельных износов деталей шарнира катка в зависимости от состава пластичной смазки и наработки экскаватора.
Внедрение и реализация работы. Результаты исследования внедрены в Управления механизации дорожных работ Омской области.
Апробация. Основные положения работы докладывались и обсуждались на IV и V Всесоюзных конференциях по пластичным смазкам (1991 г., Бердянск), на Всесоюзной конференции Теория и практика рационального использования ГСМ (1989 г., Челябинск), на V Всесоюзной научно-технической конференции (1991 г., Нижний Новгород), на III Международной конференции (1996 г., Ташкент - Фергана), на Международной конференции (2003 г., Омск), на 2-й Межрегиональной конференции (2004 г., Омск), на IV Международном технологическом конгрессе (2007 г., Омск), на 59, 69 Международных научно-технических конференциях Ассоциации автомобильных инженеров (2007, 2010 г., Омск).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 22 печатных работы, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка, приложения. Общий объём работы 217 страниц, включая 45 таблиц и 51 рисунок. Библиографический список включает 161 наименование.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, ее практическая значимость и дана общая характеристика выполненной работы. Сформулировано направление исследований и приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе анализируются условия работы узлов трения ходового устройства гусеничных экскаваторов. Одним из элементов гусеничного движителя является опорный каток, на который действуют знакопеременные нагрузки при работе экскаватора. Накопление частиц абразива в смазочном материале оказывает значительное влияние на скорость изнашивания шарнира опорного катка, что ведет к дополнительным затратам на неплановые ремонты ходового устройства. Рассмотрены особенности работы узла трения опорного катка экскаватора 5-размерной группы (на примере ЭО-5126). Для смазки трущихся поверхностей шарнира опорного катка экскаватора используются моторные М-8Г2, М-10В2 ГОСТ 8581-78, и трансмиссионные ТМ3-18 (ТСп-15к) ГОСТ 23652-79 масла. В процессе эксплуатации из-за абразивного изнашивания трущихся поверхностей уплотнительных колец происходит утечка масел, которая дополнительно вызывает увеличение скорости изнашивания шарнира опорного катка, что ведет к увеличению числа отказов.
Анализ литературных источников позволил выявить эксплуатационные, конструкторские и технологические факторы, оказывающие наиболее существенное влияние на ресурс узлов трения ходовых устройств гусеничных экскаваторов. Существенное влияние на характер и интенсивность изнашивания элементов машин в условиях эксплуатации оказывает вид и свойства смазочных материалов, запыленность среды, характеризуемая концентрацией абразивных частиц, периодичность и качество проведения операций технического обслуживания.
Вопросы теории и практики технического обслуживания экскаваторов рассмотрены в работах А.С. Проникова, А.К. Рейша, А.В. Каракулева,
А.М. Шейнина, В.А. Зорина, С.В. Корнеева.
Рассмотрен механизм смазочного действия в условиях граничного трения, характерного для условий работы шарниров опорных катков. Рассмотрены особенности абразивного изнашивания поверхностей трения, при использовании масел и пластичных смазок. Выполнен анализ эксплуатационных характеристик пластичных смазок и влияния добавок на их эксплуатационные свойства.
Возможность улучшения эксплуатационных свойств пластичных смазок, способных снижать износ поверхностей трения в условиях абразивного изнашивания, рассматривалась в работах Г.В. Виноградова, В.В. Ваванова, И.К. Умарова, М.Д. Безбородько, В.М. Михлина и других ученых. Отмечены особенности методов оценки и исследования свойств смазочных материалов, обоснования возможности улучшения их эксплуатационных характеристик.
На основании проведенного обзора и анализа сформирована цель исследования, исходя из которой поставлены задачи научных исследований.
Во второй главе рассмотрена общая методика исследований и теоретические предпосылки совершенствования ТО опорного катка экскаватора за счет улучшения эксплуатационных свойств смазочных материалов. Долговечность элементов шарнира катка как основных - ось, втулка, так и вспомогательных - уплотнительные кольца, определяется характером процесса изнашивания и его интенсивностью. Для основных элементов шарнира катка, отказ которых происходит в результате изнашивания, основным критерием работоспособности является достижение величины предельного износа Ипр. Ресурсы деталей зависят как от величины Ипр, так и от средней скорости изнашивания. Основным направлением увеличения ресурсов является снижение скорости изнашивания как своевременным проведением технического обслуживания (обеспечивающим восстановление среды протекания процесса), так и увеличением его периодичности за счёт повышения ресурса смазочного материала.
При отсутствии технического обслуживания закономерность изнашивания элемента сопряжения описывается известной степенной зависимостью
И(t) = а + bt , (1)
где a и b - коэффициенты, отражающие условия работы сопряжения.
Для упрощения модели примем, что начальный износ, характеризуемый коэффициентом a отсутствует (а=0), тогда выражение И(t) принимает вид
И(t) = bt. (2)
Скорость изнашивания является производной от износа и определяется соотношением
(t) = bt-1. (3)
Своевременное проведение технического обслуживания позволяет восстановить среду, создать благоприятные условия взаимодействия поверхностей сопряжения и снизить скорость изнашивания . При периодичности ТО tто=const износ поверхности элемента сопряжения при любой наработке t < tpi определяется выражением
И = btто-1t,
а при наработке равной ресурсу t = tp
Ипр = btто-1tр. (4)
При проведении технического обслуживания с i-й периодичностью и заданном значении Ипр величина ресурса элемента
, (5)
так как И = btтоi.
С позиций скорости изменения условий протекания процесса изнашивания значение показателя степени для условий трения скольжения в шарнире опорного катка должно быть больше единицы ( > 1), что характеризует необходимость восстановления среды.
Зависимость (5) устанавливает взаимосвязь между ресурсом элемента сопряжения и периодичностью технического обслуживания при заданном значении предельного износа. Поиск оптимальных значений любого из вышеназванных параметров наиболее целесообразен с использованием вероятностно-математических моделей оптимизации предложенных А.М. Шейниным. В основе критерия оптимизации лежит минимум суммарной средней удельной стоимости поддержания надёжности Спн.общ(t), стоимости устранения отказа Сотк при реализации ресурса tp и выполнения технического обслуживания стоимостью Сто с периодичностью tто
. (6)
С учётом зависимости (5) целевая функция примет вид
. (7)
Рис.1. Модель влияния периодичности ТО на изнашивание и ресурс сопряжения ось-втулка
Применительно к паре трения модель изнашивания имеет вид, представленный на рис.1. Принципиальное отличие графической модели сопряжения заключается в учёте величины начального зазора в сопряжении Sн, критерия предельного состояния шарнира - предельного зазора Sпр, а также изменения размеров оси в результате износа в минус и размеров втулки в плюс. Кроме того, поскольку элементы пары трения изготовляются из разных материалов (ось - сталь, втулка - бронза), скорости их изнашивания будут различны.
Обозначим скорость изнашивания оси при i-й периодичности технического обслуживания tтоi
, (8)
и соответственно скорость изнашивания втулки
. (9)
Значение среднего ресурса сопряжения при i-й периодичности технического обслуживания определится по соотношению
, (10)
где S - фактическая предельная величина износа сопряжения, S = SПР-SН.
При i-й периодичности технического обслуживания целевая функция (6) примет вид
С учётом соотношения (10) получим выражение
(11)
Очевидно, что при существенно различных значенях угловых коэффициентов b1 и b2, а также показателей степени 1 и 2 , поиск аналитического решения оптимальной периодичности технического обслуживания сопряжения представляет определённые трудности. При допущении, что материальные и трудовые затраты при техническом обслуживании условно постоянны и на стоимость технического обслуживания Сто не влияет периодичность tтоi, стоимость устранения отказа Сотк не зависит от значения предельного зазора S , а параметры b1, 1 и b2, 2 зависят от эксплуатационных свойств смазочных материалов и условий трения, то функция (11) позволяет определить значение tто соответствующие минимальным эксплуатационным затратам на поддержание надёжности шарнира опорного катка.
Стоимостные оценки устранения отказов Соткj и выполнения технического обслуживания Сто, необходимые для использования соотношения (12) не зависят от ресурса tpi и периодичности tтоi и определяются по соотношениям
,
, (12)
где Сз.ч1 и Сз.ч2 - стоимость соответственно запасных частей (ось, втулка);
Стр - заработная плата ремонтного персонала с начислениями и накладными расходами; См - стоимость смазочных материалов; Спр - потери от простоя экскаватора при устранении отказа или в техническом обслуживании.
Увеличение периодичности tто в функции (11) уменьшает удельные затраты на комплекс работ по техническому обслуживанию, но это приводит к увеличению числа отказов и удельных затрат на их устранение. Увеличение периодичности технического обслуживания и ресурса шарнира должны базироваться на уменьшении скоростей изнашивания пар трения за счет улучшения эксплуатационных свойств смазочных материалов и, в первую очередь, их эксплуатационных свойств.
В настоящее время нет достаточных полных теоретических предпосылок для обоснования критерия предельного состояния смазочного материала. Известен критерий стойкости смазочного материала и формула для расчета замены смазочного материала, предложенная на основе многочисленных исследований С.В.Корнеевым, в опорных катках экскаватора:
, (13)
где, Т Ц время работы смазочного материала, ч; - суммарная масса смазочного материала, способного попасть в зону трения, г; k - критерий предельного состояния смазочного материала по содержанию механических примесей; - скорость изнашивания стальной детали сопряжения, г/ч.
Данная модель расчета ресурса смазки не учитывает влияние модификаторов на эксплуатационные свойства смазки, а так же объемы смазочного материала, которые участвуют в работе шарниров и уплотнительных устройств катка экскаватора. При расчете периодичности необходимо учитывать объем смазки, который расходуется на поддержку работоспособности уплотнительных устройств. Предлагается ввести коэффициенты, учитывающие влияние перечисленных факторов
, (14)
- коэффициент, учитывающий противоизносные свойства пластичной смазки с модификаторами; - коэффициент, учитывающий количество смазочного материа, участвующего в работе шарнира; - коэффициент, учитывающий количество смазки для поддержания работоспособности уплотнительных устройств.
На этапе теоретических исследований изучались предпосылки разработки эффективного метода исследования эксплуатационных свойств смазочных материалов в условиях абразивного изнашивания при скольжении. Применяемые в настоящее время методики исследования и оценки свойств смазочных материалов в основном основаны на применении четырехшариковых машин трения (ЧШМ) по ГОСТ 9490-75. Конструкция узла трения ЧШМ определяет работу смазки в объеме, отсутствуют условия для проведения испытаний в условиях граничного режима трения характерного для пластичных смазок при абразивном изнашивании, мала чувствительность к противоизносному действию добавок, высока погрешность измерения величин износа, большая продолжительность испытаний во времени.
Учитывая отмеченные недостатки становится очевидной необходимость разработки экспресс-метода на основе прибора, имитирующего необходимые условия. Предлагается создать трёхшариковую машину с оригинальным узлом трения (рис.2.), рабочими элементами которого являются: плоское стальное кольцо 1, три шара 2, шлифованные прокладки 5. Шары фиксируются сепаратором 3 на подвижной опоре 4. Рабочее кольцо изготовлено из стали твёрдостью 59-60 HRCэ с шероховатостью поверхности Rа=0,5-0,6 мкм, опора и сепаратор из стали твёрдостью 50 HRCэ. Используются шары диаметром 12,7 мм по ГОСТ 3722-81. Крышка 3 центрируется на оправке 4 штифтом 6, а крепление её с шарами к оправке обеспечивает болтовое соединение 7.
Кольцо1фиксируется на поворотном столе 8 стопорным винтом 9. Шар 10 позволяет производить самоустановку оправки с шарами относительно плоской поверхности кольца. Муфта 11 с пальцами при помощи винтов жестко крепится к приводному валу 2 и служит для передачи крутящего момента вала электродвигателя оправке с шарами.
Методика оценки эксплуатационных свойств смазочных материалов основана на измерении диаметра пятна износа. В процессе испытания происходит увеличение исходного диаметра пятна износа и уменьшение расстояния от центра шаров до поверхности кольца.За конечный результат испытания принимают среднюю величину вертикального перемещения подвижной (мкм) опоры узла трения относительно кольца определяемого разницей перемещений исходного радиуса пятна контакта r1 и радиуса рабочего пятна контакта r2 при радиусе шара R :
(15)
В третьей главе производилась отработка метода испытания смазочных материалов на трёхшариковой машине трения (рис.3), предварительная оценка влияния отдельных факторов на эксплуатационные свойства смазочных материалов с целью выявления наиболее значимых для дальнейшего исследования.
Для определения чувствительности предлагаемого метода к смазочным материалам разной природы была проведена серия испытаний масел и смазок разного состава и назначения. Разработанный метод оценки эксплуатационых свойств оказался весьма чувствителен к изменению состава и реологии смазочных материалов.
а)
Рис. 3. а) общий вид трёхшарикового трибометра | б) опорно-поворотная часть узла трения с рабочим кольцом |
Были изучены возможности метода при изменении нагрузки, скорости скольжения и пути трения. В ходе трехчасовых испытаний, при постоянных нагрузке и скорости вращения оправки с шарами на машине трения, изучена кинетика изменения величины износа при смазке ЦИАТИМ-201 с присадкой трикрезилфосфата и без нее. Результаты испытаний смазки представлены на рис. 4. С увеличением нагрузки износ шаров увеличивается пропорционально. При максимальной нагрузке величина износа составляет 20 мкм. Введение присадки в смазку способствует снижению величины износа; при максимальной нагрузке величина износа составляет всего 2,5 мкм, что позволяет уменьшить величину износа в 8 раз. При максимальной скорости скольжения величина износа для смазки без присадки составляет 15 мкм, а для смазки с присадкой 3,8 мкм.
Для оценки влияния абразива было исследовано влияние дисперсности и концентрации кварцевой пыли ГОСТ 8002-74 и ее фракций на износ поверхностей. Были проведены испытания смазок Литол-24, Зимол, автомобильная смазка (кривые 1, 2 ,3 рис.5).
Рис. 4. Зависимости износа шаров: а) - от нагрузки при n=const; б) - от частоты вращения подвижной опоры с шарами при P = const; в) - от пути трения:1 - ЦИАТИМ-20I; 2- ЦИАТИМ-20I + 3% трикрезилфосфата
Присутствие кварца дисперсностью 20-25 мкм в смазке вызывает наибольший износ и его использование предпочтительно с точки зрения сокращения продолжительности испытания. Увеличение концентрации кварца свыше 5% приводит лишь к несущественному росту износа, поэтому данную концентрацию можно считать наиболее оптимальной.
Исследовалось влияние добавок разной природы для предварительной оценки их противоизносного действия. Из органических соединений использовали присадки содержащие активные элементы Cl, P, S, O соответственно хлорэф-40, трикрезилфосфат, ЛЗ-318, ДФ-11, кремнийорганическое соединение МК. Порошки слоистой структуры: M0S2 ДМ- 1, графит С-1. Порошки меди и свинца.
Рис.5. Влияние концентрации абразива (кварц 20-25мкм) на противоизносные свойства при скольжении
Типичные противоизносные и противозадирные присадки, как средство снижения абразивного износа оказались менее эффективными. Исключением является трикрезилфосфат. Кремнийорганические добавки способны снижать абразивный износ не хуже, чем органические соединения. Особенно эффективен продукт МК, который в концентрации 1,5 % значительно снижает износ.
Оценивалось влияние порошков слоистой структуры. В качестве базовой выбрана смазка Литол-24. В нее вводили графит, M0S2 и их смеси. Установлено, что порошки M0S2 снижают абразивный износ и уменьшают трение более эффективно, чем графит; увеличение концентрации добавок с 5 до 15% приводит к заметному улучшению эксплуатационных свойств смазок. Можно считать, что совместное применение графита и MoS2 в качестве добавок к смазке обеспечивает синергетический эффект снижения абразивного износа при соотношении (1:1) и концентрации 15% массы.
Полученные данные использовались для проведения факторного анализа для выявления факторов, оказывающие наибольшее влияние на эксплуатационные свойства смазок в условиях абразивного изнашивания.
В качестве независимых переменных были выбраны: содержания смеси порошков MoS2 и графита в соотношении 1:1 (), абразив - кварц в концентрации 5% мас. различной дисперсности (), присадки с активными элементами S, Cl, O, Zn, P различной концентрации (), сочетания смеси порошков MoS2 и графита с присадками, а также MoS2 с присадками (). Все указанные добавки вводились в смазку Литол - 24 в разных концентрациях. Зависимой переменной является износ шаров в мкм, возникающий при трении о металлическую поверхность при скольжении - y. Каждый фактор варьировался на двух уровнях для условий полного факторного эксперимента .
Рис. 6. Относительная сила влияния факторов и их взаимодействий
на абразивное изнашивание поверхностей
Общий вид функции отклика факторного эксперимента
y=b0+bixi+biixii+biiixixixi+b1234 x1x2x3x4 . (16)
После реализации полного факторного эксперимента получено уравнение регрессии y= 21.967+ 1.023x1+ 2.432x3+ 5.565x4+ 0.623x1x3+ 0.22x2x3+ 0.472x3x4+ 0.447x2x3x4 - 0.437x1x2x3x4 . Данное уравнение позволило определить наиболее значимые факторы (Рис.6).
Наличие в смазке добавок порошков MoS2 и графита в виде их смесей, а так же их сочетания с присадками в присутствии абразива заметно повышает эксплуатационные свойства пластичной смазки. Все остальные сочетания факторов показали весьма слабые эффекты и не использовались в дальнейших исследованиях.
В четвертой главе приведены результаты исследования эксплуатационных свойств пластичных смазок, и в частности смазки Литол-24, при модифицировании их присадками МоS2 и графита в присутствии абразива, с учетом металлографического и рентгеноструктурного анализа рабочих поверхностей пары трения сталь-бронза, а также моделирования условий работы шарнира катка с целью оценки скорости и интенсивности изнашивания деталей шарнира опорного катка экскаватора.
С целью оценки влияния композиций добавок к пластичным смазкам (Литол-24, солидол-С, Лита, смазка 1-13) на противоизносные свойства были проведены испытания данных смазок на различной основе. В качестве добавок использовались порошки MoS2, графита, а также присадка трикрезилфосфат. В смазку вводили кварцевую пыль дисперсного 20-25 мкм в количестве 5% массы смазки. Установлена более высокая эффективность композиции на основе добавок MoS2, графита и присадки хлорэф-40. Введение в смазку различных концентраций присадки хлорэф-40 в сочетании со смесями порошкообразных добавок позволило установить границы синергетического эффекта.
Рентгеноструктурный анализ поверхностей трения на дифрактометре ДРОН-3М позволил сделать вывод о том, что присутствие порошков графита, МоS2, их сочетаний с присадками в пластичной смазке способствуют благоприятной ориентации кристаллических структур в поверхностном слое металла.
Учитывая то, что в опорном катке экскаватора ЭО - 5126 пара трения ось - втулка изготовлена из материалов сталь - бронза, была произведена проверка результатов. Износ бронзы оценивали по глубине дорожки скольжения стальных шаров с помощью двойного микроскопа Линника МИС-11. Износ стали оценивали по изменению величины диаметра исходного пятна износа на шарах на горизонтальном компараторе ИЗА-2 в мкм. Микротвердость поверхностей трения измерялась на приборе ПМТ-3.
Исходный состав композиций (Литол-24; Литол-24 + 5% абр.; Литол-24 + 5% абр. + 15% (MoS2 + граф); (Литол-24 + 5% абр. + 15% MoS2 + 3% ТКФ) и результаты исследования позволили установить, что присутствие добавок в смазке способствует снижению абразивного износа стали от 20% до 24%, а бронзы от 24% до 40%. Наилучшие показатели в снижении абразивного изнашивания даёт добавка 15% MoS2 +3% ТКФ(табл.1). Наличие порошкообразных добавок блокирует контакт абразива с рабочими поверхностями, поэтому его действие на контактирующие поверхности значительно ослабляется.
Для оценки скорости изнашивания материалов пары трения шарнира опорного катка экскаватора при имитации условий работы шарнира (температура, удельные нагрузки) проводились длительные испытания образцов сталь 40Х (ось) и бронза БрАЖ9-4 (втулка) на машине трения МИ-1М . Нагрузка на пару трения устанавливалась 500Н при частоте вращения приводного вала с роликом 450 мин-1, что соответствует скорости скольжения равной 1,7м/с.
Таблица 1.
Результаты исследования пар трения
Состав композиций | Пара трения | ||||
Сталь-сталь, износ мкм | Сталь-бронза | ||||
Сталь, износ, мкм | Бронза | ||||
Износ, мкм | Твердость, HV, МПА | ||||
Базовая поверхность | Рабочая поверхность | ||||
1 | 3,37 | 3,18 | 3,7 | 1560-1650 | 1450-1780 |
2 | 27,93 | 20,04 | 6,8 | 1710-1850 | 1780-1890 |
3 | 14,0 | 16,6 | 5,2 | 1560-1850 | 1890-2050 |
4 | 13,61 | 15,3 | 3,7 | 1650-1780 | 1890-1930 |
итол-24 с модификаторами при испытаниях на машине трения МИЦ1М показал значительно лучшие эксплуатационые свойства по сравнению с маслом МЦ8Г2 и товарной смазкой ЛитоЦ24 без модифицирования.
Для прогнозирования периодичности технического обслуживания шарнира необходимо было расширить продолжительность стендовых испытаний до наработок 150 - 250 часов. Это позволило получить временные характеристики износа и после аппроксимации степенной функцией получить зависимости изменения износа от наработки Ио= 0,043t1,29 для оси и Ив = 0,077t1,36 для вала.
Таблица 2.
Уравнения регрессии износа от состава смазки
Уравнения для расчета величины износа при скольжении | ||
Сталь | Бронза | Добавки |
y=24,125-0,361x1 | y=9,255-0,105x1 | MoS2 |
y=17,640-0,430x2 | y=5,420-0,460x2 | MoS2+ТКФ |
y=20,850-0,2508x3 | y=8,760-0,210x3 | MoS2+Граф (1:1) |
y=16,589-0,272x4 | y=7,530-0,720x4 | MoS2 +Граф хлорэф-40 |
Используя зависимость (3), представляющую производную от износа, получены параметры изменения скорости изнашивания в функции наработки. Для втулки зависимость (3) примет вид в = 1,360,077t0,36 , для оси о= 1,290,043t0,29 (рис. 7).
Регрессионный анализ результатов испытаний пары ось - втулка позволил получить ряд уравнений, позволяющих прогнозировать износ поверхностей в условиях абразивного изнашивания в зависимости от состава смазки. Уравнения для расчета износа представлены в табл.2.
Рис.7 Зависимости изменения скорости изнашивания втулки и оси от наработки
В пятой главе приводятся результаты эксплуатационных испытаний смазки Литол-24 с добавкой 15% MoS+ 3% ТКФ на экскаваторах ЭО-5126 в Управлении механизации дорожных работ Омской области.
Катки разбирались для проведения измерений диаметров осей и втулок до испытаний. Катки левой гусеничной тележки смазывались смазкой Литол-24, а катки правой гусеничной тележки смазывались смазкой Литол-24 с указанной добавкой. Испытания планировались в соответствии с РД 50-204-87. В ходе ремонта экскаваторов при наработке 2900 - 3000 машино-ч проводилась разборка катков с обмером рабочих поверхностей осей и втулок
Средний износ осей и втулок, работавших на масле М-8Г2, превышает износ при работе на Литоле-24 без добавок на 17% и 23% соответственно. Присутствие добавки в смазке Литол-24 способствует снижению износа как оси, так и втулки соответственно на 20% и 35%.
Расчёты придельного износа деталей и прогнозирование ресурса сопряжения выполнялись с использованием линейной зависимости среднего износа деталей от наработки, что позволяет использовать результаты лабораторных исследований на машине трения МИ-1М с имитацией условий работы деталей шарнира катка. Полученные в результате 36-часовых испытаний средние значения износов ролика и контр-тела при линейном и весовом измерениях приведены в табл. 3.
Таблица 3.
Результаты испытаний смазочных материалов на машине МИ-1М
Наименование детали | Смазочный материал | Средняя скорость изнашивания | |
мкм/ч | г/ч | ||
| Ролик (ось) | Масло М-8Г2 | 0,14 | - |
итол-24 | 0,11 | 0,0011 | |
итол-24 с модиф. | 0,07 | - | |
| Контртело (втулка) | Масло М-8Г2 | 1,02 | - |
итол-24 | 0,90 | - | |
итол-24 с модиф. | 0,62 | - | |
Величина суммарного предельного износа деталей шарнира Ипр=Sпр-Sн составляет 2,35 мм. Среднее значение ресурса сопряжения Т=Ипр./ср, при суммарной скорости изнашивания деталей шарнира ср.=вт.+ ось.
Используя соотношения скоростей износа, определим предельные износы деталей шарнира Ипр вт = Ипр .вт/ср; Ипр ось = Ипр. ось /ср..
Значения предельных износов позволяют определить предельные контрольные размеры деталей шарнира опорного катка для их выбраковки в процессе ремонта.
При прогнозировании ресурса шарнира опорного катка в зависимости от смазочного материала экспериментально подтверждены следующие значения: ресурс шарнира при работе на пластичной смазке Литол-24 составляет 2320ч, на смазке литол-24 с модификаторами 3400ч. Ресурс шарнира при работе на масле М-8Г2 около 2000 ч.
На основании результатов выполненных исследований, критерий оптимизации периодичности ТО по замене смазочного материала с учётом полученных экспериментально зависимостей изменения износа и скорости изнашивания оси и втулки шарнира опорного катка от наработки примет вид:
Обработка документов эксплуатационного предприятия позволила определить средние значения эксплуатационных затрат устранения отказа шарнира опорного катка экскаватора Сотк и стоимости выполнения технического обслуживания Сто. При средней стоимости ремонтного комплекта ось-втулка С1 +С2 = 3350 рублей и соотношении затрат на оплату труда, материалы, компенсацию простоев к затратам на запасные части равном 1,42 средняя стоимость устранения отказа шарнира катка составила
С учётом потерь от простоя экскаватора в техническом обслуживании, средняя величина затрат на ТО по данным эксплуатационного предприятия составила 460 руб. Результаты расчёта составляющих целевой функции при значении фактического предельного зазора в сопряжении S = Sпр- Sн = 2,35 мм приведены на рис. 8.
Рис.8 Зависимость удельных затрат на устранение отказов и
поддержание надёжности от периодичности технического обслуживания.
Оптимальная периодичность технического обслуживания шарнира соответствует минимальным затратам на поддержание надёжности Спн.общ(tто=500)=3,52 руб/ч. Однако воспользоваться оптимальной периодичностью технического обслуживания по критерию минимальных затрат не всегда представляется возможным в связи с объединением операций ТО в виды и комплексы обслуживания сборочных единиц экскаватора, частого изменения стоимостных параметров, организационным и другим причинам. Поэтому окончательное решение необходимо принимать с учётом критерия предельного состояния смазочного материала: степени его загрязнённости продуктами износа, проникновением абразивных частиц, противоизносными свойствами модифицирующих присадок и добавок.
Для определения периодичности замены модифицированной смазки Литол-24 в опорных катках использована уточнённая формула, в которой уточняющие коэффициенты имеют следующие значения: K= 0,02; K1= 1,35; K2= 0,7; K3= 1,1.
Суммарная масса смазки, участвующая в работе, =28,0 г. Износ стального ролика в паре трения сталь-бронза на пластичной смазке Литол-24 составляет о = 0,0011 г/ч.
Периодичность замены пластичной смазки в опорном катке экскаватора с учетом введенных поправленных коэффициентов составляет 514,8 ч. Полученное значение периодичности по критерию предельного состояния смазочного материала адекватно значению оптимальной периодичности технического обслуживания по критерию минимальных затрат на поддержание надёжности. На основании полученных результатов, периодичность замены смазки с модификаторами позволяет довести ее до 500 часов. При переходе на пластичную смазку шарниров опорных катков экскаватора получен экономический эффект за счет экономии смазочных материалов, увеличения выработки и сокращения затрат на ремонт. Общий эффект составляет 46 тысяч рублей в год на одну машину.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Разработана модель процесса изнашивания шарнира опорного катка экскаватора, которая позволяет прогнозировать ресурс пары ось-втулка при работе в условиях эксплуатации при заданном предельном зазоре.
2. Разработана вероятностно-математическая модель долговечности сопряжения ось-втулка, позволяющая найти оптимальную периодичность технического обслуживания шарнира катка экскаватора с учетом эксплуатационных свойств смазочного материала.
3. Разработан метод оценки эксплуатационных свойств смазочных материалов на трёхшариковой машине трения оригинальной конструкции в условиях абразивного изнашивания поверхностей при скольжении. Метод позволяет моделировать граничный режим трения, что характерно для условий работы шарнира опорного катка экскаватора. Оценка эксплуатационных свойств смазочных материалов производится ускоренным методом (в 3 - 4 раза быстрее, чем в известных методах).
4. Обоснован выбор критерия предельного состояния смазочного материала. Предложена уточненная формула для расчета замены смазки в опорном катке экскаватора с учетом влияния модификаторов на эксплуатационные свойства пластичной смазки.
5. С помощью разработанного метода обнаружено усиление (синергизм) совместного действия порошков MoS2 и графита при концентрации смеси 15% массы, в соотношении 1:1 в условиях абразивного изнашивания поверхностей трения шарнира опорного катка экскаватора, износ которых снижается по отношению к смазке без добавок порошков.
6. Установлена адекватность действия найденных синергетических композиций в паре трения сталь-бронза в присутствии абразива. В этом случае сочетание порошков 15% массы MoS2 и графита, 15% массы MoS2 с 3% массы присадки трикрезилфосфата показали эффективность противоизносного действия. Износ трущихся поверхностей снижается на 30-35%.
7. На основании теории планирования эксперимента и регрессионного анализа дана оценка степени влияния факторов на эксплуатационные свойства пластичных смазок и их влияние на ресурс деталей шарнира опорного катка экскаватора ЭО-5126.
8. Исследовано влияние добавок к смазочным материалам на скорость и интенсивность изнашивания деталей шарнира опорного катка экскаватора с имитацией условий работы шарнира. Установлено, что на скорость и интенсивность изнашивания пары ось-втулка существенное влияние оказывает вид смазки и присутствие в смазке модификаторов. При этом скорость изнашивания поверхностей снижается в 1,5 раза.
9. Разработана методика прогнозирования ресурса сопряжения ось-втулка шарнира опорного катка при использовании смазочных материалов различного состава. Как показал прогноз, ресурс шарнира опорного катка экскаватора ЭО-5126 на масле М-8Г2 составил 2000 часов, на смазке Литол-24 - 2320 часов, на смазке Литол-24 с модификаторами - 3400 часов.
10. На основании результатов длительных испытаний пары трения на машине трения МИ-1М получены закономерности изменения износа и интенсивности изнашивания в функции наработки для оси и втулки шарнира опорного катка экскаватора ЭО-5126.
11. Эксплуатационные испытания подтвердили эффективность применения пластичных смазок в замен масел в опорных катках экскаватора ЭО-5126. Установлено, что применение пластичной смазки с модификаторами позволяет довести периодичность её замены до 500 часов, без пополнения. Экономический эффект от применения модифицированной смазки Литол-24 за счёт снижения затрат на расход смазочных материалов, увеличение выработки, сокращение затрат на ремонт составляет 46 тысячи рублей в год на одну машину.
Основные положения диссертации изложены в следующих работах:
Научные статьи в изданиях из перечня ВАК России
- Голощапов Г.А. Прибор для оценки противоизносных свойств смазочных материалов/Г.А. Голощапов//Омский научный вестник. Выпуск 20, - 2002, - С. 112-113.
- Холмянский И.А. Исследование влияния добавок к смазке литол-24 на абразивное изнашивание стали при трении скольжении/И.А. Холмянский, Г.А. Голощапов//Трение и износ. - 2007. - Т. 28.№ 4, - С.403- 409.
- Мельник С.В. Исследование абразивного изнашивания пар трения сталь-сталь, сталь-бронза на смазке литол-24 с добавками/С.В. Мельник, Ю.К. Корзунин, Г.А. Голощапов, В.П. Расщупкин//Омский научный вестник, 2009. №2(80). - С.70-72.
В других изданиях
1. Вайншток В.В. Совместное влияние добавок разной природы в пластичных смазках в условиях абразивного изнашивания стальных поверхностей/ В.В. Вайншток, Г.А. Голощапов//Тез. докл. Всесоюзной конференции. Челябинск - 1985. - С. 144.
2. Голощапов Г.А., Испытания пластичных смазок на трёхшариковой машине трения/Г.А. Голощапов, В.В. Вайншток, Ю.Я. Подольский, В.Б. лагунов//Нефтепереработка и нефтехимия М.: ЦНИИТЭ нефтехим, - 1988, - №5 - С. 21-23.
3. Вайншток В.В. Влияние состава пластичных смазок на их смазочные характеристики/В.В. Вайншток, Г.А. Голощапов//Нефтепереработка и нефтехимия М.: ЦНИИТЭ нефтехим, - 1988. - №11 - С. 14-16.
4. Вайншток В.В. Влияние добавок на смазочные свойства пластичных смазок в присутствии абразива /В.В.Вайншток, Г.А.Голощапов // Нефтепереработка и нефтехимия. М.: ЦНИИТЭ нефтехим, - 1989. - №4 - С. 77-79.
5. Голощапов Г.А. Совместное влияние добавок разной природы на смазочные характеристики смазки литол-24 в присутствии абразива/Г.А. Голощапов, В.В. Вайншток //Нефтепереработка и нефтехимия М.: ЦНИИТЭ нефтехим, - 1989. - №7 - С. 18-21.
6. Вайншток В.В. Влияние добавок различной природы на противоизносные свойства пластичных смазок в присутствии абразивов/В.В. Вайншток, Г.А. Голощапов и др.//Тез. докл. Всесоюзной конференции. Нижний Новгород - 1991. - С. 152.
7. Голощапов Г.А. Трибометр для исследования смазочных свойств пластичных смазок/Г.А. Голощапов, В.В. Вайншток, Н.В. Калинин и др.// Тез. докл. Всесоюзной конференции Нижний Новгород - 1991. - С. 195.
8. Голощапов Г.А. Снижение абразивного износа при помощи смазок с добавками/Г.А. Голощапов, В.В. Вайншток, В.И. Малеков//Тез. докл. Всесоюзной конференции Бердянск - 1991. - С. 44.
9. Вайншток В.В. Пластичные смазки как средство снижения абразивного износа/В.В. Вайншток, Г.А. Голощапов, В.И. Малеков//Нефтепереработка и нефтехимия, ЦНИИТЭ нефтехим, - 1993. - №3 - С. 32-37.
10. Вайншток В.В. Смазочное действие пластичных смазок в присутствии абразива/в.В. Вайншток, Г.А. Голощапов//тез. докл. 2-й Международной конференции Ташкент-Фергана - 1996. - С. 168.
11. Голощапов Г.А. рентгеноструктурный анализ поверхностей трения скольжения при использовании пластичных смазок с добавками/Г.А. Голощапов, Н.В. Калинин и др.//Тез. докл. 2-й Международной конференции Омск : - 2004. - С. 134-136.
12. Голощапов Г.А. Исследование поверхностей трения скольжения из стали ШХ-15 после испытаний в присутствии пластичной смазки литол-24 с различными добавками/Г.А. Голощапов, Л.Ф. Калистратова, Ю.К. Корзунин, Н.В. Калинин//Тез. докл. IV Междунар. технол. конгресс. Омск: - 2007. часть 1. - С. 57-62.
13. Мельник С.В. Исследование противоизносных свойств смазочных материалов с помощью трехшарикового трибометра/С.В. Мельник, Г.А. Голощапов// Сборник докладов 59 Международной конференции ААИ Омск: - СибАДИ - 2007. - С. 184-188.
14. Мельник С.В. Обоснование выбора пластичных смазок шарниров катков ходовых устройств одноковшовых экскаваторов в условиях повышенной запыленности/ С.В. Мельник, Г.А. Голощапов//Материалы 63-й научно-технической конференции Омск, - СибАДИ. кн.1. 2009. - С.252-255.
15. Мельник С.В. Научные основы обеспечения надежности и долговечности ходовых систем гусеничных машин/С.В. Мельник, В.П. Расщупкин, А.Н. Громовик, Г.А. Голощапов//Монография. - Омск: - СибАДИ. 2009. - 91 с.
16. Голощапов Г.А. Особенности абразивного изнашивания пар трения различных материалов / Г.А. Голощапов, В.П. Расщупкин, Д.А. Цуркан, Д.Д. Ермаков// Материалы 63-й научно-технической конференции. - Омск: СибАДИ. 2009. кн.1 - С.381-384.
17. Пат. № 2386945 RU МПК Ст01№3/56. Трёхшариковая машина трения скольжения и способ оценки противоизносных свойств смазочных материалов на этой машине/Мельник С.В., Голощапов Г.А., Попов В.П., Калинин Н.В.: - №2008.139.178 /28 заявл. 01.10.2008. опубл. 20,04,2010. Бюл. №11. - 12 с.
18. Мельник С.В. Повышение ресурса подшипников скольжения опорных катков гусеничных экскаваторов путем улучшения качества смазочных материалов / С.В. Мельник, Г.А. Голощапов// Вестник Сибирского отделения академии военных наук. - 2010. - № 2. - С.52 - 57
19. Мельник С.В. Повышение ресурса узлов трения с подшипниками качения путем модифицирования смазочных материалов / С.В. Мельник, Г.А. Голощапов// Вестник Сибирского отделения академии военных наук. - 2011. - № 10. - С.254 Ц257.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разным специальностям