Метрологическое обеспечение и некоторые результаты исследований цилиндрических пар трения

DOI: 12737/21696 УДК 621

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПАР ТРЕНИЯ

кандидат технических наук, доцент А. И. Серебрянский1 кандидат технических наук, доцент Ж. И. Богатырева2 1 - ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»,

г. Воронеж, Российская Федерация 2 - Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж, Российская Федерация

Особенностью конструкции современных гидроманипуляторов является наличие шарнирных соединений, работающих в режиме реверсивного трения. Шарнирные соединения манипуляторов, как правило, состоят из двух подшипников скольжения, представляющих собой цилиндрические пары трения - скольжения. Важным моментом в вопросе повышения износостойкости таких пар трения является метрологическое обеспечение исследований, соответствующее современному состоянию развития науки и техники. Основой исследований на трение и износ является лабораторное оборудование, позволяющее имитировать реальные условия работы, и контрольная и регистрирующая аппаратура и контрольно-измерительные приборы, позволяющие регистрировать метрологические характеристики проводимых исследований. Важнейшим фактором цилиндрической пары трения, характеризующим ее работоспособность, является износ. Предложенное метрологическое обеспечение исследований цилиндрических пар на трение и износ позволяет получать достоверные данные о реальных процессах изнашивания. Анализ видов изнашивания и представленные результаты исследований линейного износа конкретных пар трения с самосмазывающимися антифрикционными пластиками позволили сделать вывод, что при увеличении скорости скольжения и нагрузки линейный износ уменьшается. Проведенный анализ влияния статических нагрузок на коэффициент трения показывает, что при увеличении нагрузки и скорости скольжения коэффициент трения понижается во всех трех случаях. Наряду с линейными эффектами значимыми оказались и эффекты взаимодействия. Наибольшее влияние на понижение величины коэффициента трения оказывает взаимодействие скорости скольжения и нагрузки. Как видно из рис. 3, 4 и 5, наименьший коэффициент трения у ВИЛАНА-9, а наибольший у АМАНА-13. Но применение того или иного пластика в конкретном узле трения должно обусловливаться их прочностными характеристиками.

Ключевые слова: гидроманипулятор, шарнирное соединение, цилиндрическая пара, трение скольжения, метрологическое обеспечение, виды изнашивания, коэффициент трения.

METROLOGICAL SUPPORT AND SOME RESULTS OF PAIRS OF CYLINDRICAL FRICTION STUDIES

PhD in Engineering, Associate Professor A. I. Serebryansky1

PhD in Engineering, Associate Professor Zh. I. Bogatyreva2 1 - Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation 2 - Military educational scientific center of Air force «Air Force Academy named after Professor N.E .Zhukovsky and

Yu. A.Gagarin», Voronezh, Russian Federation

Abstract

The article deals with the results about pairs of cylindrical friction studies. The special feature of a modern hydraulic manipulator is the design feature of ball-joints working in reverse friction mode. Swivels manipulators usually consist of two sliding bearings, which are pairs of cylindrical friction - slip. An important aspect to achieve the wear resistance of friction pairs is the metrological support of research corresponding to the newest science and technology. The basis of research on friction and wear is laboratory equipment to organize real working conditions as well as the control and recording equipment, and measuring in-

struments to register the metrological characteristics of the research too. The most important factor of the cylindrical friction pair characterizing its efficiency is wear. Proposed metrological support of the research of cylindrical pairs on friction and wear allows obtaining reliable data about real wear processes. Analysis of the types of wear and presented studies results of specific linear wear of friction pairs with self-lubricating anti-friction plastics showed that an increase in the sliding speed and load - linear wear is reduced. The analysis on the influence of the static forces of friction coefficient shows that with load and sliding velocity increasing friction coefficient decreases in all the three cases. Along with linear effects the interaction effects are found to be significant. The greatest influence on the decrease in the value of the friction coefficient has the interaction of sliding speed and load. Besides, Figures 3, 4 and 5 show that VILAN - 9 has the lowest friction coefficient and AMAN - 13 has the highest friction coefficient. However, the use of a plastic material in a particular friction node should be based upon its strength characteristics.

Keywords: hydraulic crane, swivel, cylindrical pair, sliding friction, metrological support, types of wear, friction coefficient.

В настоящее время в конструкциях транспортных и транспортно-технологических машин, используемых в сельском хозяйстве, лесозаготовительном производстве, строительстве широко применяется ма-нипуляторное технологическое оборудование [1]. Манипуляторы обеспечивают высокую мобильность технологического оборудования при наведении его на предмет труда, характеризуются высокой производительностью.

Особенностью конструкции современных гидроманипуляторов является наличие шарнирных соединений, работающих в режиме реверсивного трения [1, 9]: соединение стрелы с поворотной частью базовой машины, крепление рукояти к стреле, крепление технологического оборудования к рукояти или стреле, крепления гидроцилиндров привода. Как показывает многолетний опыт эксплуатации манипуляторов, указанные шарнирные соединения являются наименее износостойкими узлами [1, 9], что существенно сокращает рабочий ресурс манипулятора по сравнению с рабочим ресурсом базовой машины.

Шарнирные соединения манипуляторов, как правило, состоят из двух подшипников скольжения, представляющих собой цилиндрические пары трения -скольжения. Важным моментом в вопросе повышения износостойкости таких пар трения является метрологическое обеспечение исследований, соответствующее современному состоянию развития науки и техники.

Основой исследований на трение и износ является лабораторное оборудование, позволяющее имитировать реальные условия работы, и контрольная и регистрирующая аппаратура и контрольно-измерительные приборы, позволяющие регистрировать метрологические характеристики проводимых исследований.

Конструкция, принцип работы и характеристики лабораторного оборудования достаточно подробно изложены в работе [9]. В предложенном оборудовании гидравлический механизм главного движения позволяет с большой точностью моделировать кинематические схемы взаимного перемещения деталей шарнирных соединений манипуляторов, которые в реальных машинах в большинстве случаев также имеют гидропривод. Он позволяет создавать статическую нагрузку, регулируемую в широких пределах, и динамическую нагрузку, регулируемую в широких пределах и действующую одновременно со 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.

Величина статической нагрузки контролируется манометром. Для измерения величины переменной нагрузки в установке применяется электрический метод измерения. Устройство для измерения момента основано на применении проволочных датчиков сопротивления. Контроль температуры вблизи поверхности трения в процессе экспериментов проводится с помощью медно-констатановых термопар. Скорость вращения вала испытуемого подшипника измеряется тахометром, а предварительный расчет производится в зависимости от передаточного отношения.

Такая методика экспериментальных исследований цилиндрических пар трения манипуляторов позволяет максимально приблизить эксперимент к реальным условиям работы рассматриваемых цилиндрических узлов трения.

Важнейшим фактором цилиндрической пары

трения, характеризующим ее работоспособность, является износ [6].

В зависимости от механического состояния подшипников условно различают: первоначальный износ (износ во время приработки), нормальный износ (установившийся износ в хорошем механическом состоянии), конечный износ (ускоренный износ, характеризующийся предельным состоянием) [6; 7].

Схематическое условное обозначение износа в зависимости от времени иллюстрируется рис. 1.

Рис. 1. Схематическое условное обозначение износа в зависимости от времени

Под износом понимается нежелательная и прогрессирующая потеря материала с трущихся твердых поверхностей.

Количественная оценка износа в принципе затруднительна. Однако для периода нормального износа можно принять линейный закон изменения радиального зазора (с) в зависимости от времени, выраженный зависимостью

с£ = 0,025^+с0,

где с0 - радиальный зазор в начале эксплуатации; с - радиальный зазор в момент 1; 1 - время с начала эксплуатации до момента определения износа;

т - максимальное время эксплуатации, представляющее условный износ в 100 %.

Одним из методов определения состояния износа трущихся деталей является оценка степени износа в зависимости от изменений его рабочих характеристик. Наиболее часто используется измерение размеров деталей сразу после приработки и спустя определенный период работы.

Для наблюдения за протеканием процесса при-

работки используется метод съемки профильных кривых с одного и того же микросектора поверхности в различные моменты испытаний. Таким образом, находится состояние износа в результате изменения микронеровностей трущихся поверхностей.

Во избежание разборки деталей используется метод оценки общего состояния износа определением возрастания содержания железа в смазке. Кроме того, используются методы «меченых атомов», по потере веса, метод отпечатков, метод выемок. Все эти методы дают в целом удовлетворительные результаты.

В качестве примера автор в одной из своих работ [10] определял линейный износ подшипников скольжения с антифрикционными втулками из самосмазывающихся пластиков ЭСТЕРАНа-29, ВИЛАНа-9 и АМАНа-13. Износ определялся при вращательном и реверсивном движении. Пластики исследовались при скоростях скольжения У=0,07, 0,09 0,11 и 0,13 м/с и удельных давлениях Р=1, 3, 5, и 7 МПа в течение 150 часов. Рассматривались пары трения пластик -сталь 40Х. Основываясь на более ранних исследованиях и априорной информации, величина зазора при исследованиях принималась Д=0,35 мм как оптимальная для шарнирных соединений лесных манипуляторов.

Результаты исследований зависимости линейного износа от скорости скольжения представлены на рис. 2, а от удельного давления - на рис. 3.

Сплошными линиями выполнены зависимости при статическом нагружении, пунктирными - при динамическом. Величина динамической нагрузки

ДО. мм.

0,0(55 0,075 0,085 0,095 0,105 0,115 0,125 0,135

, А АМАН 11,

• —ЭСТЕРАН-2

-»-, ВИДАНО

Рис. 2. Линейный износ пластиковых втулок в зависимости от скорости скольжения при Р=7 МПа, «-» - статическое нагружение,

«-----» - динамическое нагружение

-АМАН-1 -ЭСТЕРА -ВИЛАН-Е

Рис. 3. Линейный износ пластиковых втулок в зависимости от удельного давления при V=0,11 м/с, «-» - статическое нагружение,

» - динамическое нагружение

принималась 1,7 от величины статической нагрузки.

Частота действия динамической нагрузки составляла 10 Гц [10].

Из расположения графиков на рисунках видно, что при увеличении скорости скольжения и нагрузки линейный износ уменьшается, причем при динамических нагрузках величина линейного износа больше, чем при статических. Это происходит вследствие того, что при более экстремальных режимах работы узла трения связующее антифрикционного материала размягчается, что дает возможность участвовать в процессе трения большему количеству частиц антифрикционного материала, в результате чего уменьшается коэффициент трения, и, как следствие, линейный износ.

Основной характеристикой, характеризующей процесс трения и изнашивания, является коэффициент трения. Коэффициент трения - это отношение силы трения к нормальной составляющей внешних сил, действующих на поверхности тела [12], или непосредственно коэффициентом трения скольжения называется отношение тангенциальной силы, затрачиваемой на преодоление сопротивления относительному перемещению двух тел при их скольжении, к нагрузке, сжимающей тела касания. Поэтому при метрологическом обеспечении исследований цилиндрических пар трения (на примере подшипников с антифрикционными пластиками) необходимо определять коэффициент трения при определенных величинах нагрузочно-скоростных режимов [3; 8; 12].

Для того чтобы получить наиболее достоверные данные о результатах экспериментов и влиянии на процесс трения и изнашивания нагрузки, скорости скольжения и величины зазора, использовался принцип активного эксперимента. При активном эксперименте учитывается роль эксперимента и метода обработки экспериментальных данных (полученных результатов). Активный эксперимент несет больший объем информации по сравнению с пассивным - повышается точность коэффициентов модели, достигается минимизация числа опытов, упрощаются математические расчеты [2; 5]. В проведенных автором исследованиях определялась зависимость симплекса - коэффициента трения от удельного давления, скорости скольжения и величины зазора, что обеспечивает свойства воспроизводимости и управляемости.

Задача построения математической модели процесса трения и изнашивания с помощью метода планирования эксперимента [4] требует количественной формулировки цели исследований. Такой количественной характеристикой является параметр оптимизации (функция отклика), который представляет реакцию от воздействия изучаемых факторов на исследуемый процесс.

В качестве параметра оптимизации У принимался технико-технологический параметр - коэффициент трения £ Коэффициент трения является симплексом физических величин:

/ = * > N

где F - сила трения,

N - сила нормального давления.

Рассматривалось влияние на параметр оптимизации Y только количественных факторов Х1 [11].

При статическом нагружении исследуем влияние следующих факторов Х1 на параметр оптимизации Y: Х] - нагрузка (удельное давление); Х2 - величина зазора сопряжения; Х3 - скорость скольжения. После определения варьируемых факторов выбирались уровни их варьирования, и результаты сводились в табл. 1.

Для реализации регрессионного анализа применяем полный факторный эксперимент.

Некоторые результаты исследований пар трения сталь - антифрикционный пластик представлены на рис. 4, 5 и 6.

Таким образом, предложенное метрологиче-

Таблица 1

Значения выбранных уровней варьируемых факторов

Уровень варьируемых факторов Кодовое обозначение Р, МПа Д, мм V, м/с

Х1 Х2 Х3

Основной уровень 0 1,766 0,3 0,105

Интервал варьирования Д х 0,886 0,2 0,025

Верхний уровень +1 2,652 0,5 0,13

Нижний уровень -1 0,88 0,1 0,08

Рис. 4. Изменение коэффициента трения пары трения сталь 40Х - ЭСТЕРАН-29 в зависимости от скорости скольжения и удельной нагрузки при фиксированном значении величины зазора Д=0,35 мм

ское обеспечение исследований цилиндрических пар на трение и износ позволяет получать достоверные данные о реальных процессах изнашивания. Анализ видов изнашивания и представленные результаты исследований линейного износа конкретных пар трения с самосмазывающимися антифрикционными пластиками позволили сделать вывод, что при увеличении скорости скольжения и нагрузки линейный износ уменьшается.

Кроме того, как видно из проведенного анализа влияния статических нагрузок на коэффициент трения, можно сделать следующие выводы. При

Рис. 5. Изменение коэффициента трения пар трения сталь 40Х - ВИЛАН-9 в зависимости от скорости скольжения и удельной нагрузки при фиксированном значении величины зазора Д=0,35 мм

0.05 V, м/с

Рис. 6. Изменение коэффициента трения пар трения

сталь 40Х АМАН-13 в зависимости от скорости скольжения и удельной нагрузки при фиксированном значении величины зазора Д=0, 35 мм

увеличении нагрузки и скорости скольжения коэффициент трения понижается во всех трех случаях. Наряду с линейными эффектами значимыми оказа-

лись и эффекты взаимодействия.

Наибольшее влияние на понижение величины коэффициента трения оказывает взаимодействие скорости скольжения и нагрузки. Кроме того, как видно из рис. 3, 4 и 5, наименьший коэффици-

ент трения у ВИЛАНа-9, а наибольший у АМАНа-13. Но применение того или иного пластика в конкретном узле трения должно обуславливаться их прочностными характеристиками.

Библиографический список

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

2. Денисов, В. М. Математическое обеспечение системы ЭВМ - Экспериментатор [Текст] / В. М. Денисов. - М. : Наука, 1977. - 252 с.

3. 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 .

4. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа [Текст] / Ю. А. Евдокимов [и др.]. - М. : Наука, 1980. - 228 с.

5. Зединидзе, И. Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем [Текст] / И. Г. Зединидзе. - М. : Наука, 1976. - 390 с.

6. 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. Дроздова // Вестник машиностроения. - 2012. - № 7. - С. 45-49.

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

8. Перекрестов, А. П. Экспериментальные исследования и оптимизация физикомеханических свойств магнитных смазочных материалов [Текст] / А. П. Перекрестов, В. А. Чанчиков, В. Г. Боловин // Вестник машиностроения. - 2013. - № 6. - С. 43-45.

9. Серебрянский, А. И. Лабораторное оборудование для определения метрологических характеристик подшипников скольжения [Текст] / А. И. Серебрянский // Лесотехнический журнал. - 2015. - Т. 5. - № 4 (20). - С. 293-301.

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. Тихомиров, В. Б. Планирование и анализ эксперимента [Текст] / В. Б. Тихомиров. - М. : Легкая индустрия, 1974. - 264 с.

12. ГОСТ 16429 - 70. Трение и изнашивание в машинах. Основные термины и определения. [Текст] - М., 1970. - 11 с.

References

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

2. Denisov V.M. Matematicheskoe obespechenie sistemy JeVM - Jeksperimentator [Software of computer systems - experimenter] Moscow, 1977. - 252 p. (In Russian).

3. 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).

4. Evdokimov Yu.A. et. al. Planirovanie i analiz jeksperimentov pri reshenii zadach trenija i iznosa [Planning and analysis of experiments in solving friction and wear problems] Moscow, 1980, 228 p. (In Russian).

5. Zedinidze I.G. Planirovanie jeksperimenta dlja issledovanija mnogokomponentnyh sistem [Experimental Design for Research multicomponent-component systems] Moscow, 1976. - 390 p. (In Russian).

6. Zyuzin A., Kazmin B.N., Yurov M.D., Drozdov N. Vlijanie sherohovatosti i mikrorel'efapoverhnostej trenija

v pod-shipnike skol'zhenija na iznashivanie [Influence of roughness and microrelief surfaces friction on sliding bearing for for wear]. Vestnikmashinostroenija [Russian Engineering Research]. 2012, no. 7, pp. 45-49. (In Russian).

7. 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).

8. Perekrestov A.P., Chanchikov V.A., Bolovin V.G. Jeksperimental'nye issledovanija i optimizacija fizikomeha-nicheskih svojstv magnitnyh smazochnyh materialov [Experimental research and optimization of the physical and mechanical properties of magnetic lubricants]. Vestnik mashinostroenija [Russian Engineering Research]. 2013, no. 6, pp. 43-45.

9. Serebryansky, A.I. Laboratornoe oborudovanie dlja opredelenija metrologicheskih harakteristikpodshipnikov skol'zhenija [Laboratory equipment for the determination of metrologycal characteristics of plain bearings] Lesotekhni-cheskii zhurnal, 2015, Vol. 5, no. 4 (20), pp. 293-301.

10. Serebryansky A.I. Povyshenie iznosostojkosti sharnirov lesnyh manipuljatorov na osnove zameny 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. Tikhomirov V.B. Planirovanie i analiz jeksperimenta [Planning and analysis of the experiment] Moscow, 1974, 264 p. (In Russian).

12. Trenie i iznashivanie v mashinah. Osnovnye terminy i opredelenija [Friction and wear in machines. Basic terms and definitions]. State Standard 16429 - 70. Moscow, 1970, 11 p.

Сведения об авторах

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

Богатырева Жанна Игоревна - доцент 12 кафедры ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», кандидат технических наук, доцент, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: zh0259@mail.ru

Information about authors

Serebryansky Alexey 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

Bogatyreva Zhanna Igorevna. - Associate Professor of the 12 Department, Air Force Academy named after Professor N.E .Zhukovsky and Yu. A. Gagarin, PhD in Engineering, Associate Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: zh0259@mail.ru

DOI: 12737/21697 УДК 630.383

АНАЛИЗ ВОЗДЕЙСТВИЯ КОРРОЗИОННОГО ИЗНОСА НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ

ЛЕСНЫХ МАШИН

кандидат технических наук О. М. Тимохова1 доктор технических наук, профессор О. Н. Бурмистрова1 1 - ФГБОУ ВО «Ухтинский государственный технический университет», г. Ухта, Российская Федерация

В статье рассматривается коррозионный износ как один из наиболее опасных видов разрушения деталей лесных машин. Эксплуатация лесных машин происходит в условиях высокой влажности, запыленности, перепада температур окружающего воздуха. Как следствие, под воздействием различных климатических и других факторов происходят процессы разупрочнения и разрушения деталей, а также возникают неисправности, которые иногда невозможно обнаружить во время технического обслуживания и ремонта. Исходя из анализа условий работы лесных машин, были выявлены де-