Влияние нарушения кинематики движения тел качения на сопротивление движению

2. Цугленок Н.В., Манасян С.К. Моделирование процессов сушки зерна. - Красноярск, 2003. - 16 с.

3. Цугленок Н.В., Манасян С.К. Интенсификация процесса сушки зерна. - Красноярск, 2004. - 19 с.

4. Манасян С.К. Принципы сушки зерна. - Красноярск, 2007. - 9 с.

5. Колесов Л.В., Андрианов Н.М., Манасян С.К. Исследование процесса сушки зерна в шахтной зерносушилке. - Л.; Пушкин, 1985. - 125 с.

6. Манасян С.К. Повышение эффективности процессов сушки зерна в зерносушилках сельскохозяйственного назначения. - Красноярск, 2009. - 191 с.

7. Манасян С.К., Демский Н.В. Шахтная зерносушилка. - Красноярск, 2009. - 6 с.

УДК 621.22:62-763 В.А. Меновщиков, И.В. Ермаков

ВЛИЯНИЕ НАРУШЕНИЯ КИНЕМАТИКИ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛ КАЧЕНИЯ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЮ

В статье исследуются результаты аналитических и экспериментальных исследований влияния нарушения кинематики движения тел качения на сопротивление передвижению. Приведены конкретные выводы авторов по данной тематике.

Ключевые слова: кинематика, тела качения, шарнир, игольчатый подшипник, сопротивление, перекос.

V.A. Menovshchikov, I.V. Ermakov INFLUENCE OF THE MOVEMENT KINEMATICS ABNORMALITY OF THE REVOLUTION SOLIDS ON RESISTANCE TO MOVEMENT

The results of the analytical and experimental research of influence of the movement kinematics abnormality of the revolution solids on resistance to movement are researched in the article.

Key words: kinematics, revolution solids, joint, needle bearing, resistance, skew.

Механизм разрушения подшипников качения с телами в виде иголок, когда отношение I/d > 3, имеет специфический характер, т.е. бринелирование. Данное явление и причины появления лунок, деформированного и оттесненного материала изучались многими исследователями [1]—[4], [11], однако вопрос остается не до конца изученным.

Цель исследований. Установление влияния нарушения кинематики на рост сопротивления, изучение природы возникновения различных видов сопротивлений и наметить пути их преодоления.

Задачи исследований. Определить теоретически и экспериментально влияния нарушения кинематики в зоне силового контакта на изменения общего сопротивления движению тел качения в игольчатом подшипнике.

В карданных передачах, транспортных и тяговых машин, согласно [5], первопричиной считается перекос шарнира на величину радиального зазора при передаче вращающего момента (рис. 1).

В результате нагрузка, приходящаяся на наиболее нагруженную иглу по Штрибеку определится зави-4,6 ^

симостью гтах =---------, где F - нагрузка на подшипник; п - число тел качения в подшипнике. При наличии

п

радиального зазора Аг крестовина шарнира перекашивается на угол р, в этом случае нагрузка по длине иглы распределяется неравномерно, т. е. на торце действует сила Fд равная следующей величине:

2Т 31 Р13

к =—+—+—г-^~.

А Н1р 2 А \20EJA

Ближе к оси вращения шипа крестовины действует сила FБ, равная величине

К —

2Т Р Ір К!3

г р

Н! 2 А 30ША

где T - вращающий момент; H - расстояние между торцами крестовины; А - коэффициент модуля упругости; Fr - нагрузка на наиболее нагруженное тело качения; Е - модуль упругости; J - момент инерции сечения шипа; Г - рабочая длина тела качения (иглы).

В результате этого в начальный момент времени можно принять, что нагрузка ложится на зону кон-

77 - 9,2Т

такта по точке и равна К тах —---------. При данных условиях максимальный перекос тела качения в зоне

пН

2

контакта в пределах радиального зазора возможен на величину Біпа — —дI еГ + 2ег (Яш + ги),

!р

где

ег — (кш + ги)±\44(кш + ги)2 + *іп1 ^2; ^-

радиус шипа крестовины; Ги - радиус иглы

подшипника; ег - радиальный зазор в подшипнике.

а)

Рис. 1. Схемы поворота шипа крестовины при передаче вращающего момента в пределах радиального зазора 5 на угол Y и нагружения элементов шарнира при передаче вращающего момента: а) со стороны

ведущей вилки; б) со стороны ведомой вилки

Перекос игл вызывает проскальзывание тел качения в контакте, что, как известно, повышает сопротивление движению. При приложении силы Fтах происходит движение микрообъема материала и часть материала вытесняется из зоны контакта (рис. 2), в результате реакция силы основания FR смещается в сторону движения. В этом случае условие равновесия определиться моментом от силы К, равном К{ги и моментом от силы К ", равном К "А . При выполнении условия:

1) К г > К "А в контакте наблюдается качение;

2) Кг < К "А в контакте наблюдается скольжение.

<

її

Рис. 2. Схема действия сил в контакте при наличии деформации

Для реализации данного условия и его решения необходимо определить размер площадки контакта с2 , расстояние k приложения нагрузки FR и угол действия а данной силы. Согласно решения контактной

задачи Галина [7], длина участка с2 можно определить по формуле (с учетом пластической деформации в контакте):

Ши 2Ъги

a

f

А

Угол действия силы гк в зоне контакта определяется из схемы рис. 2, тогда получаем: ctgф — —.

с2

Точка приложения нагрузки FR принимаем равным половине площадки контакта, т.е. хк — 0,5с2

В результате в контакте возникает момент сопротивления, который можно определить как [8]:

ащ

Мс — — | хк ^(хк У^хк. Решение данного интеграла приводит к следующему результату:

- . Ea4 £ М —------------о-

с !г

1

Ґ \3 х

. а

V о У

1

3

х

Для проверки полученного решения было проведено экспериментальное исследование. Общий вид установки и тензометрическая схема приведены на рис. 3-4.

Для проведения испытаний было выполнено следующее:

1) торец стакана был срезан заподлицо с шипом;

2) в центре десяти игл укреплен металлический штырек;

3) в торцевом отверстии шипа вставили вкладыш для крепления штырька с гибкой пластинкой;

4) на гибкую пластину наклеили датчик сопротивления с базой 1мм.

с

2

0

<

>

Рис. 3. Общий вид испытуемого узла

220 220

Рис. 4. Схема измерения общего момента сопротивления

Подготовленный таким образом шарнир собирался и устанавливался на стенде. Режимы, позволяющие получать различные углы перекоса игл, соответствовали выбранным из таблицы.

Таблица режимов для проведения эксперимента

Параметр Режим

I II III IV V VI VII

Ткр , Нм 210 350 - 350 350 350 350

Тдин ,Нм - - 350 140 140 - 180

Тсум , Нм 210 350 350 420 420 350 530

/, Гц - - 20 О ю 0 4 О 0 5 - 170

П б, мин-1 640 640 640 640 640 640 640

У, град 6° 6° 6° 6° 6° 14° 6°

Испытания проводились при частоте вращения стенда 200 и 640 мин-1. Помимо указанных в таблице режимов, на стенде моделировался режим с нагрузкой, равной 400 Нм, превышающей пиковую нагрузку.

Методикой предусматривался следующий порядок контроля и измерения. Контроль режимов нагружения осуществлялся с помощью измерительной аппаратуры, установленной на стенде. Общее сопротивление движению иглы измерялось с помощью датчика. Перед испытаниями производилась тарировка измерительной аппаратуры. Для того чтобы получить более достоверные результаты и исключить влияние первичных пластических деформаций в зоне контакта, испытания для одного режима проходили в течение двух часов, причем через каждые полчаса производились записи измерения. Таким образом, измерения повторялись три раза.

Результаты экспериментального определения сопротивления движению иглы в зависимости от величины перекоса приведены на рис. 5, б. Кривая 1 соответствует испытанию при пБ = 640мин~1, кривая 2

при пБ = 200мин~1.

Кроме того, даны кривые зависимости общего сопротивления движению от нагрузки (рис. 5,а) при пБ = 200мин~1, кривая 3 и при пБ = 640мин_1 кривая 4.

Из анализа полученных графиков следует, что перекос игл оказывает существенное влияние на сопротивление движению. Последнее растет до максимума, когда перекос игл достигает 2°50', после чего сопротивление остается примерно постоянным. Это вызвано тем, что при перекосе, большем 2°, кинематика иглы не меняется и проскальзывание не увеличивается.

а) б)

Рис 5. Гоафики результатов эксперимента: а - оценка зависимости сопротивления от нагрузки; б - оценка зависимости сопротивления от угла перекоса

На рис. 6, а, б показаны осциллограммы записи общего момента сопротивления движению иглы в рабочей зоне подшипника. На осциллограмме хорошо видно, что момент сопротивления на режиме с высокочастотным нагружением, обеспечивающим малый угол перекоса у = 1°, значительно меньше, чем при низкочастотном нагружении и у = 2°36 . По приведенным на рис. 5 кривым 3, 4 зависимости сопротивления от нагрузки видно, что увеличение нагрузки увеличивает сопротивление движению.

у = 2о30'

п = 640 мин

I----1 10 мм = 2-10~3 Нм

у = 1о п = 640 мин-1

Мкр = 350 Нм £ = (150-170) Гц

Мкр = 350 Нм £ = 20 Гц

а) б)

Рис. 6. Осциллограммы общего момента сопротивления движению иглы

Данный вид кривых соответствует ранее полученным другими исследователями [1], [6].

На основании проведенной работы можно отметить, что перекос игл довольно существенно влияет на сопротивление движению. С перекосом игл в рабочей зоне подшипника связаны многие процессы, происходящие внутри подшипника. Проведенное исследование показывает влияние перекоса на кинематику, сопротивление движению, на величину удельного давления в контакте. Поэтому пренебрегать в расчетах перекосом тел качения в игольчатых подшипниках карданного шарнира не следует.

Таким образом, в результате экспериментального исследования установлено:

1. Перекос игл появляется в первые циклы нагружения; величина перекосов зависит от режима нагружения - наибольшей величины она достигает при действии постоянного момента и наименьшей - при наличии вибрационных колебаний.

2. Из-за перекоса игл происходит изменение кинематики тел качения в зоне нагрузки. Как правило, действительные углы поворота игл вокруг своего центра и относительно центра цапфы меньше их теоретических значений. Следовательно, иглы перекатываются со скольжением.

3. Скольжение как в радиальном, так и в осевом направлении, возникающее из-за перекоса тел качения, вызывает рост сопротивления движению. Это приводит к износу контактирующих тел и быстрому выходу из строя шарнирного узла.

Литература

1. Пинегин С.В. Контактная прочность и сопротивление качению. - М.: Машиностроение, 1969. - 376 с.

2. Локшина Н.Г. Развитие конструкций игольчатых подшипников и их применение. - М., 1967. - 283 с.

3. Каталог-справочник. Автомобили СССР. Карданная передача. - М., 1969. - Т. 3. - 409 с.

4. Дьяков И.Я., Утемисов У.Б. Перспективные направления повышения ресурса работы

карданных шарниров // Вестн. машиностроения. - 1970. - № 12. - С. 19-27.

5. Громаковский Д.Г. Исследование трения и износа в роликовых направляющих металлорежущих станков. - М.,1972. - 156 с.

6. Опоры осей и валов машин и приборов / Н.А. Спицын, М.М. Машнев, Е.Я. Красковский [и др.]. - Л.:

Машиностроение, 1970. - 457 с.

7. ГалинЛ.А. Контактные задачи теории упругости и вязкоупругости. - М.: Наука, 1980. - 304 с.

8. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия: пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 510 с.

9. Бейзельман Р.Д., Цыпкин Б.В., Перель Л.Я. Подшипники качения: справ. - М.: Машиностроение, 1975.

- 572 с.

10. Гафанович А.А. Шарнирные передачи сельскохозяйственных машин // Сельхозмашина. - 1955. - № 4.

- С. 23-31.

11. Меновщиков В.А., Ереско С.П. Работоспособность карданных щарниров транспортно-технологических машин: моногр. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2005. - 236 с.