Лабораторное оборудование для определения метрологических характеристик подшипников скольжения

Методика. Лабораторное оборудование

DOI: 10.12737/17433 УДК 621

ЛАБОРАТОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ

кандидат технических наук, доцент А. И. Серебрянский ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, Российская Федерация

В настоящее время недостаточно хорошо изучен процесс трения и изнашивания при реверсивном движении взаимодействующих деталей. С этой целью в работе была определена область применения лабораторного оборудования для определения метрологических характеристик процесса трения и изнашивания тяжелонагруженных шарнирных соединений. Обозначены требования к режимам испытаний подшипников скольжения на трение и износ. Представлена конструкция лабораторного стенда. На этом стенде возможно создавать как постоянную, так и переменную по величине нагрузку на исследуемый подшипник скольжения; одновременно создавать статическую и динамическую нагрузки; изменять частоту пульсации переменной нагрузки; изменять величину нагрузки без остановки машины; изменять скорость вращения исследуемого подшипника скольжения; получать как установившееся одностороннее вращение исследуемых подшипников скольжения, так и прерывистое их вращение; измерять величину постоянной и переменной нагрузки без остановки машины; измерять момент трения исследуемого подшипника скольжения. Конструктивно стенд состоит из следующих основных частей: испытательной машины для исследования работы подшипников скольжения; устройства для создания постоянной и переменной нагрузки; устройства для измерения величины постоянной и переменной нагрузки; устройства для измерения величины момента трения; устройства для определения температуры трения; измерительной и усилительной аппаратуры. Предложенная конструкция механизма главного движения позволяет с большой точностью моделировать кинематические схемы взаимного перемещения деталей шарнирных соединений манипуляторов, которые в реальных машинах, в большинстве случаев, так же имеют гидропривод. Разработанный стенд рекомендуется для проведения лабораторных исследований на трение и износ подшипников скольжения в сравнимых условиях реверсивного и одностороннего трения, в широком диапазоне нагрузок и скоростей скольжения, при различных видах нагружения.

Ключевые слова: трение, изнашивание, шарнир, метрологические характеристики, лабораторное оборудование, коэффициент трения, момент трения, реверс.

Лесотехнический журнал 4/2015

293

Методика. Лабораторное оборудование

LABORATORY EQUIPMENT FOR DETERMINING METROLOGICAL CHARACTERISTICS SLIDE BEARINGS

PhD in Engineering, Associate Professor A. I. Serebryansky Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation

Abstract

At present the process of friction and wear with reciprocating motion of interacting parts is not studied well. For this purpose the scope of the laboratory equipment to determine the metrological characteristics of friction and wear of heavy-duty hinge joints was defined. The requirements for test mode on plain bearings friction and wear are designated. The design of the laboratory stand is presented. On this stand it is possible to create both permanent and variable-largest load on the bearing-sliding studied; to produce static and dynamic loads at the same time; to change the frequency of pulsations of variable load; to change the size of the load without stopping the machine; to turn the rotation speed of slide bearing under investigation; to get both the steady-rotating investigated plain bearings and their intermittent rotation; to measure the constant and variable load without stopping the machine; to determine the friction torque of the test bearing slide. Structurally the stand consists of the following main parts: a test machine for research work of plain bearings; devices for generating a constant and a variable load; devices for measuring the variable and constant load; mechanisms for measuring the friction torque; devices for determining the temperature of friction; measuring and amplifying equipment. The proposed mechanism design of main motion allows with high accuracy to simulate kinematics of mutual moving parts of hinged joints manipulators which are in practicable machines in most cases also have a hydraulic drive. Designed stand is recommended for laboratory research on friction and wear of plain bearings under comparable conditions and reverse one-way friction in a wide range of loads and sliding speeds and with different types of loading.

Keywords: friction, wear, hinge, the metrological characteristics, laboratory equipment, the coefficient of friction, the friction torque, reverse.

В лесной промышленности широко используется манипуляторное технологическое оборудование. Однако одной из основных причин выхода из строя манипулятора является поломка его шарнирных соединений [6, 10].

Короткий срок службы шарниров лесных манипуляторов объясняется, в первую очередь, неправильным подбором конструкционных и смазочных материалов. Для увеличения рабочего ресурса этих узлов трения необходимо провести экспериментальные исследования перспективных материалов,

при использовании которых устранятся недостатки, проявляющиеся при применении, металлических антифрикционных материалов и пластичных смазок [3, 4, 5].

В настоящее время нет универсального лабораторного оборудования для определения метрологических характеристик процесса трения и изнашивания тяжелонагруженных шарнирных соединений [11, 12].

Лабораторное оборудование должно обеспечивать выполнение следующих требований и режимов испытаний: обеспечивать

294

Лесотехнический журнал 4/2015

Методика. Лабораторное оборудование

проведение исследовании в сравнимых условиях реверсивного и одностороннего вращательного процессов трения; обеспечивать проведение лабораторных исследований в широком диапазоне скоростеи скольжения; обеспечивать проведение лабораторных исследований в широком диапазоне нагрузочных режимов; обеспечивать возможность срединного нагружения исследуемого узла трения; обеспечивать возможность консольного нагружения исследуемого узла трения; создавать статическое нагружение и динамическое нагружение; изменять величину нагрузки без остановки лабораторного стенда; обеспечивать возможность контроля и фиксации основных характеристик процесса трения и изнашивания.

Для выполнения поставленных задач, с учетом прототипов [1, 2], был сконструирован лабораторный стенд [10], который позволяет: создавать как постоянную, так и переменную по величине нагрузку на исследуемый подшипник скольжения; одновременно создавать статическую и динамическую нагрузки; изменять частоту пульсации переменной нагрузки; изменять величину нагрузки без остановки машины; изменять скорость вращения исследуемого подшипника скольжения; получать как установившееся одностороннее вращение исследуемых подшипников скольжения, так и прерывистое их вращение; измерять величину постоянной и переменной нагрузки без остановки машины; измерять момент трения исследуемого подшипника скольжения.

Стенд состоит из следующих основных частей: испытательной машины для исследования работы подшипников скольжения; устройства для создания постоянной и пере-

Лесотехнический журнал 4/2015

менной нагрузки; устройства для измерения величины постоянной и переменной нагрузки; устройства для измерения величины момента трения; устройства для определения температуры трения; измерительной и усилительной аппаратуры.

Схема лабораторного стенда для исследования подшипников скольжения на трение и износ представлена на рис. 1.

Стенд сосгоит_из сварной станины 1, четырех гидроцилиндров нагружения 2, одного приводного гидроцилиндра 3, четырех боковых стоек 4, четырех обойм нагружающих подшипников качения 5, двух боковых шестерен 6, четырех нагружающих подшипников качения 7, четырех обойм подшипников скольжения 8, четырех исследуемых втулок 9 (рис. 2 и 3), четырех цапф 10, двух центральных стоек 11, центральной шестерни 12, направляющей 13, рейки 14, двух вторичных валов 15, четырех подшипников качения боковых стоек 16, двух подшипников центральных стоек 17, первичного вала 18, ведущей шестерни 19.

Стенд работает следующим образом. От гидростанции через шланги рабочая жидкость подается в поршневые полости гидроцилиндров 2, которые через обоймы 5 и подшипники качения 7 создают нагрузку на исследуемый подшипник скольжения. После этого рабочая жидкость поочередно подается в поршневую и штоковую полости гидроцилиндра 3, тем самым сообщая штоку и соединенной с ним рейке 14 возвратно - поступательное движение, которая через зубчатую передачу, в которую входят шестерни 6, 12 и 19 сообщают валам 15 и через них исследуемым подшипникам скольжения возвратно -вращательное движение.

295

Методика. Лабораторное оборудование

Рис. 1. Схема стенда для исследования подшипников скольжения на трение и износ: 1 - станина, 2 - гидроцилиндр нагружения, 3 - приводной гидроцилиндр,

4 - боковые стойки, 5 - обоймы нагружающих подшипников скольжения,

6 - боковые шестерни, 7 - нагружающие подшипники качения, 8 - обоймы подшипников скольжения (рис. 3), 9 - исследуемые втулки, 10 - цапфы, 11 - центральные стойки, 12 - центральная шестерня, 13 - направляющая рейки, 14 - рейка,

15 - вторичные валы, 16 - подшипники качения боковых стоек, 17 - подшипники качения центральных стоек, 18 - первичный вал, 19 - ведущая шестерня

Рис. 2. Исследуемая втулка

Рис. 3. Втулка в обойме

Система нагружения состоит из четырех гидроцилиндров 2, обойм подшипников качения 5 и самих подшипников качения 7. Рабочая жидкость подается в гидроцилиндры 2 через шланги высокого давления и гидрораспределитель от одной или двух гидростанций (рис. 4).

Одностороннее вращательное или прерывистое вращательное движение достигается за счет реечной передачи.

Необходимые угол поворота, частота реверсирования и скорость скольжения регулируются ходом штока гидроцилиндра 3 и

296

Лесотехнический журнал 4/2015

Методика. Лабораторное оборудование

Рис. 4. Гидростанция 18Г-48-22Н

давлением рабочей жидкости в гидроцилиндре 3. Корректировка этих характеристик возможна изменением передаточного отношения зубчатой передачи.

Предложенная конструкция механизма главного движения позволяет с большой точностью моделировать кинематические схемы взаимного перемещения деталей шарнирных соединений манипуляторов, которые в реальных машинах, в большинстве случаев, так же имеют гидропривод. Гидравлическая система нагружения позволяет создавать статическую нагрузку, регулируемую в широких пределах и динамическую нагрузку, регулируемую в широких пределах и действующую одновременно с статической нагрузкой. Такая система нагружения позволяет изменять частоту нагрузки и характер нагружения, причем величина нагрузки изменяется без остановки машины. Задание и регулировка нагрузки может осуществляться с помощью программного устройства. Гидравлическая система нагружения позволяет создавать на-

Лесотехнический журнал 4/2015

грузки на исследуемый подшипник скольжения срединного и консольного типа, как у реальных машин. Эта система нагружения может использоваться практически во всех случаях использования подшипников скольжения.

Устройство для создания статических и динамических нагрузок должно удовлетворять следующим требованиям: статическая нагрузка должна изменяться в широких пределах; динамическая нагрузка должна действовать как одновременно со статической, так и без нее и изменяться в широких пределах; возможность изменения частоты действия динамической составляющей в широких пределах; возможность изменения характера нагружения; величина, вид и характер нагружения должны изменяться без остановки машины и в течение нескольких секунд; должны обеспечиваться схемы нагружения, представленные на рис. 5.

Q

Р

Р *

Рис. 5. Схемы нагружения. а - статическое нагружение, б - динамическое нагружение при Р=0, в - динамическое нагружение при Р=2,64 МПа

297

Методика. Лабораторное оборудование

Всем перечисленным требованиям отвечает гидравлическая система нагружения.

Величина удельной статической и динамической нагрузки может изменяться от 0 до 40 МПа. Программное устройство должно позволять изменять частоту динамической нагрузки от 1 до 10 Гц и обеспечить схемы нагружения, представленные на рис. 5. Это устройство связано с электрогидравлическим клапаном механизма движения, с помощью которого регулируется движение рейки.

Передвижением силовых цилиндров нагружения можно создавать срединное и консольное нагружение узлов трения.

Величина статической нагрузки определяется по показаниям манометра. Тарировка данного устройства для определения величины нагрузки на подшипник, особенно величины переменной нагрузки, может производиться по показаниям манометра с ценой деления 0,05 МПа, включенного в гидросистему, при этом максимальная погрешность не должна превышать 6-7 %.

Для измерения величины переменной нагрузки в установке применяется электрический метод измерения. Мост из проволочных датчиков сопротивления собирается на перекладине устройства арочного типа. Питание моста осуществляется током несущей частоты от усилителя. Ток разбалланса, пропорциональный величине деформации горизонтальной перекладины, а, следовательно, величине внешней нагрузки, приложенной к подшипнику, подается на усилитель и после соответствующего усиления на вибратор осциллографа.

Устройство для измерения момента трения должно удовлетворять следующим требованиям: производить измерение момента тре-

298

ния как при постоянных, так и при переменных нагрузках; большая чувствительность измерений; по возможности малые искажения показаний и малые погрешности при работе устройства; простота и надежность.

Лучшие результаты дает устройство, основанное на применении проволочных датчиков сопротивления.

Балочка равного сопротивления жестко прикрепляется к неподвижной вертикальной стойке. Другая пластина жестко прикрепляется к нижней половине корпуса подшипника. При вращении вала на подшипнике возникает момент трения, под действием которого подшипник стремится повернуться, и тем самым нагружает балочку равного сопротивления.

Измерение температуры вблизи поверхности трения, в процессе экспериментов, проводилась с помощью девяти медно - конста-тановых термопар. Термопары размещались следующим образом: шесть под углом 450 по обе стороны от вертикальной оси подшипника и три смещены в сторону предполагаемого максимального давления, а следовательно, и больших ожидаемых температур.

Скорость вращения вала испытуемого подшипника во время начала съема момента трения измерялась тахометром, а предварительный расчет производился в зависимости от передаточного отношения.

В качестве характеристики возможной величины погрешности использована величина предельной погрешности 5=3о, где о -среднеквадратичная погрешность. Общая погрешность измерений не превышает 6,5 %.

Разработанный стенд рекомендуется для проведения лабораторных исследований на трение и износ подшипников скольжения

Лесотехнический журнал 4/2015

Методика. Лабораторное оборудование

в сравнимых условиях реверсивного и одностороннего трения, в широком диапазоне нагрузок и скоростей скольжения, при различных видах нагружения.

На стенде можно проводить исследова-

ния влияния шероховатости и микрорельефа поверхностей на изнашивание [7], изучать эффект технологической наследственности

[8], а так же триботехнические свойства различных материалов [9, 13].

Библиографический список

1. А. с. 347617 СССР, G01m13/04, G01n3/56 Устройство для испытания подшипников скольжения [Текст] / В. С. Астфельд, Н. Г. Демин, Ю. Э. Савинский. - 3 с. ил.

2. А. с. 517826 СССР G01M13/04, F16C17/00 Стенд для испытания подшипников скольжения [Текст] / Н. С. Смогунов, Н. В. Поляков, В. А. Гостищев, А. И. Гайдаш - 2 с. ил.

3. Артамонов, Ю.Г. Проектирование технологического оборудования манипуляторных лесных машин [Текст] / Ю. Г. Артамонов. - Ленинград. 1985. - 86 с.

4. Дроздов, Ю.Н. Расчетно-экспериментальный анализ контактных напряжений в шарнирных соединениях [Текст] / Ю.Н. Дроздов, С.Л. Соколов, Б.Н. Ушаков // Вестник машиностроения. - 2013. - № 4. - С. 32-38 .

5. Гаркунов, Д.Н. Повышение износостойкости деталей конструкций самолетов [Текст] / Д. Н. Гаркунов, А.А. Поляков. - М.: «Машиностроение», 1974. - 200 с.

6. Гидроманипуляторы и лесное технологическое оборудование [Текст] / Под ред. И.М. Бартенева. - М.: ФЛИНТА: Наука, 2011. - 408 с.

7. Зюзин, А.А. Влияние шероховатости и микрорельефа поверхностей трения в подшипнике скольжения на изнашивание [Текст] / А.А. Зюзин, Б.Н. Казьмин, М.Д. Юров ; ред. Ю.Н. Дроздов // Вестник машиностроения. - 2012. - № 7. - С. 45-49.

8. Меделяев И.А. Технологическая наследственность в узлах трения транспортной техники [Текст] / И.А. Меделяев // Вестник машиностроения. - 2012. - № 12. - С. 43-46 .

9. Садыхов, А.И. Триботехнические свойства поверхности модифицированного чугуна при смазывании [Текст] / А.И. Садыхов, Ф.М. Ширзадов, Р. Веше // Вестник машиностроения. - 2014. - № 4. - С. 5254.

10. Серебрянский, А.И. Повышение износостойкости шарниров лесных манипуляторов на основе замены реверсивного трения вращательным [Текст] : дис. ... канд. техн. наук: 05.21.01: защищена 21.11.2003 / А.И. Серебрянский. - Воронеж, 2003 . - 166 с.

11. Трение изнашивание и смазка. [Текст] : справочник / Под ред. И.В. Крагельского и В.В. Алисина. - М.: «Машиностроение», 1978. - Т. 1. - 400 с.

12. Шевченко, В.П. Восстановление шарнирных соединений лесосечных машин электродуговой металлизацией [Текст] : автореф. ... канд. техн. наук / В.П. Шевченко. - Химки, 1986. - 20 с.

13. Serebryanskii, Aleksei. Except the negative reverse effect and automatically compensate for wear in the hinge manipulators [Text] / A. Serebryanskii // DOAJ - Lund University: Koncept : Scientific and Methodological e-magazine. - Lund, (Collected works, Best Article). - 2014. - no. 4 Available at: http://www.doaj.net/2534/

Лесотехнический журнал 4/2015

299

Методика. Лабораторное оборудование

References

1. Astfeld V.S., Demin N.G., Savinskiy E.Yu. A.p. 347617 Ustrojstvo dlja ispytanija pod-shipnikov skol'zhenija [Apparatus for testing the of plain bearings]. 3 p. (In Russian).

2. Smogunov N.S., Polyakov N.V., Gostishchev V.A., Gaydash A.I. A. p. 517826 Stend dlja ispytanija podshipnikov skol'zhenija [Stand for testing sliding bearings]. 2 p. (In Russian).

3. Artamonov Yu.G. Proektirovanie tehnologicheskogo oborudovanija manipuljatornyh les-nyh mashin [Engineering of process equipment of manipulator forest machines]. Leningrad, 1985, 86 p. (In Russian).

4. Drozdov N., Sokolov S.L., Ushakov B. Raschetno-jeksperimental'nyj analiz kontaktnyh naprjazhenij v sharnirnyh soedinenijah [Settlement and experimental analysis of contact stresses in the joints]. Vestnik mashinostroenija [Russian Engineering Research]. 2013, no. 4, pp 32-38. (In Russian).

5. Garkunov D.N., Polyakov A.A. Povyshenie iznosostojkosti detalej konstrukcij samoletov [The Increase of the wear resistance of aircraft structures details]. Moscow, 1974, 200 p. (In Russian).

6. Bartenev I.M. Gidromanipuljatory i lesnoe tehnologicheskoe oborudovanie [Hydro and forestry technological equipment]. Moscow, 2011, 408 p. (In Russian).

7. Zyuzin A., Kazmin B.N., Yurov M.D., Drozdov N. Vlijanie sherohovatosti i mikrorel'efa poverhnostej trenija vpod-shipnike skol'zhenija na iznashivanie [Influence of roughness and microrelief surfaces friction on sliding bearing for for wear]. Vestnik mashinostroenija [Russian Engineering Research]. 2012, no. 7, pp. 45-49. (In Russian).

8. Medelyaev I.A. Tehnologicheskaja nasledstvennost' v uzlah trenija transportnoj tehniki [Technological heredity in friction-term transport equipment]. Vestnik mashinostroenija [Russian Engineering Research]. 2012, no. 12, pp. 43-46. (In Russian).

9. Sadikhov A.I., Shirzad F.M., Veshe R. Tribotehnicheskie svojstva poverhnosti modificirovan-nogo chuguna pri smazyvanii [Tribological properties of the surface of modified iron for lubrication]. Vestnikmashinostroenija [Russian Engineering Research]. 2014, no. 4, pp. 52-54. (In Russian).

10. Serebryansky A.I. Povyshenie iznosostojkosti sharnirov lesnyh manipuljatorov na osnove za-meny reversivnogo trenija vrashhatel'nym dis. kand. tehn. nauk [Increased durability of hinges forestry by replacing reverse rotational friction PhD in Engineering Dis]. Voronezh, 2003, 166 p. (In Russian).

11. Kragelsky I.V., Alisin V.V. Trenie iznashivanie i smazka [The friction wear and lubrication. Reference Book Directory]. Moscow, 1978, Vol. 1, 400 p. (In Russian).

12. Shevchenko V.P. Vosstanovlenie sharnirnyh soedinenij lesosechnyh mashin jelek-trodugovoj metallizaciej: avtoref. kand. tehn. nauk [Restoring articulations of harvesting machines by arc metallization: Author. PhD in Engineering Dis]. Khimki, 1986, 20 p. (In Russian).

13. Serebryanskii Aleksei. Except the negative reverse effect and automatically compensate for wear in the hinge manipulators. DOAJ - Lund University: Koncept : Scientific and Methodological e-magazine. Lund, (Collected works, Best Article), 2014, no. 4, Available at: http://www.doaj.net/2534/

300 Лесотехнический журнал 4/2015

Методика. Лабораторное оборудование

Сведения об авторе

Серебрянский Алексей Иванович - доцент кафедры лесной промышленности, метрологии, стандартизации и сертификации ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», кандидат технических наук, доцент, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: aleksey@serebryanskiy.com

Information about author

Serebryansky Alexei Ivanovich - Associate Professor of the timber industry, metrology, standardization and certification, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», PhD in Engineering, Associate Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: aleksey@serebryanskiy.com

Лесотехнический журнал 4/2015

301