Некоторые аспекты повышения долговечности кулачковых механизмов

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _______________________________________2010, том 53, №11____________________________________

ТЕХНИКА

УДК 539.538: 539.3 - 621.81.004.1

А.Н.Шоев

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КУЛАЧКОВЫХ МЕХАНИЗМОВ

Технологический университет Таджикистана

Рассмотрены различные подходы исследования кинетики изнашивания и повышения долговечности кулачковых механизмов. Проведено сравнение результатов долговечности кулачкового механизма, рассчитанное по различным методам.

Ключевые слова: изнашивание - кулачок - кулачковый механизм - долговечность.

Одним из основных видов, широко применяемых в современных машинах-автоматах, являются кулачковые механизмы, относящиеся к классу цикловых в соответствии с обеспечением периодического движения рабочих органов машины.

Вопросу трибоконтактного взаимодействия в кулачковых механизмах посвящены многочисленные научные исследования как у нас в стране, так и за рубежом [1-5]. Вместе с тем расширение эксплуатационных возможностей кулачковых механизмов требует дальнейшего совершенствования методов трибоконтактного взаимодействия, учета динамических особенностей и составления уточненного описания свойств, которые ранее оставались либо незамеченными, либо их учет был связан с определенными математическими трудностями.

Последнее во многом касается динамики кулачковых механизмов как нелинейных механических систем, содержащих нестационарные связи. Решение задач, направленных на изучение возникающих при этом эффектов в кулачковых механизмах, нацелено на повышение их работоспособности и долговечности и представляется актуальным. Возможности проведения подобных исследований обусловлены появлением нового эффективного математического обеспечения в виде пакетов прикладных программ, позволяющих с малыми затратами труда и времени составлять решения дифференциальных нелинейных уравнений и учитывать особенности эффектов, обусловленных нестационарностью связей. То же относится и к совершенствованию экспериментальных методов исследования, наделяемых в настоящее время повышенной точностью измерения физических параметров и обработкой получаемых результатов с широким применением средств вычислительной техники.

Одним из таких факторов, менее изученным по сравнению с другими свойствами кулачковых механизмов, является учет трибоконтактного взаимодействия элементов высшей кинематической пары, изучения его влияния на законы движения толкателя механизма и нагружение именно этого соединения, наличие которого в кулачковых механизмах часто ограничивает область их применения.

Адрес для корреспонденции: Шоев Алмосшо Наботович. 734060, Республики Таджикистан, г.Куляб, ул.И.Сомони, 27/1, Кулябский филиал Технологического университета Таджикистана. E-mail: shoev_a@mail.ru

С позиций механики деформирования глубина упрочнения определяется границей очага деформации. Таким образом, для точного прогнозирования глубины упрочнения имеет значение адекватность теоретической модели и связанная с ней конструкция поля напряжений (деформаций).

На рис. 1. показана упрощенная схема поля напряжений.

Рис. 1. Упрощенная схема поля напряжения.

Из геометрических соображений имеем:

И = 421ъ\(Н1 +12) -ие.

При наиболее часто применяемых режимах обработки 1 >> ^.

Тогда

И « 0.7Ь .

Исследованиями установлено, что

Ь = 2.Ы05.

Подставляя (3) в (2), получим

И = \.5\fd .

Расчет приближенного значения накопленной деформации поверхностного слоя:

В • d

Г =

я

где: Г - значение накопленной деформации поверхностного слоя,

В - коэффициент, равный 4.5 * 5.4,

Япр - профильный радиус,

d - параметр, получаемый при вдавливании, связан с размером площади контакта и силой Ру. Определение подачи Б'

^ = AdB; А = 0.39 при 0 < й < 4 мм,

А = 0.34 при 0 < й < 0.6 мм, В = 0.9 при 0 < й < 4 мм В = 1 при 0 < й < 0.6 мм Определение силы обкатывания

Р = 1.05^ ё 121тдхЯрЯд

К + К

1 + 0.35

Кр + Кд

І к

где:

где: Rp - радиус ролика; Rд - радиус детали.

Ь„Х =7Я~-(‘*-Б)--Щ^ или 1^ = Б,d/я сгп - напряжение на площадке контакта, Мна.

а, = 5.2с, /-Л,

С - степень деформации,

£ = Г/^3

Г - накопленная деформация поверхностного слоя.

Развитие конструкции машин происходит при постоянном стремлении к увеличению их производительности, что почти всегда сопровождается повышением механической и тепловой нагрузок подвижных сопряжений деталей. В связи с этим перед конструктором стоит задача создания новых, более современных узлов трения.

Для оценки совместимости трущихся поверхностей был прежде всего разработан критерий заедания (задира), более объективный, чем визуальные наблюдения, и учитывающий специфические условия работы тяжелонагруженных трибосопряжений, а также методика оценки совместимости материалов с учетом температуры.

Исследования проблем оптимального проектирования конструкций различного назначения активно стимулируются потребностями в снижении материалоемкости, габаритов, стоимости и других характеристик инженерных объектов [2]. В рамках принятой концепции при проектировании, как правило, существует бесчисленное множество вариантов конструкции, удовлетворяющих заданным эксплуатационным и технологическим требованиям. Этот факт является основой для постановки задач оптимизации.

В соответствии с известными методиками синтеза кулачкового механизма расчет его геометрических размеров связан, прежде всего, с выбором теоретического закона движения толкателя, по которому строится профиль кулачка.

Рис. 3. К определению законов движения толкателя, несимметричная тахограмма, синусоидальный закон; косинусоидальный закон; закон постоянного ускорения.

Предложенные методы позволяют эффективно и достаточно просто, особенно первый из них, провести расчет долговечности (износа) элементов кулачкового механизма. Полученные данные долговечности механизма свидетельствуют, что упрощенный метод дает оценку, весьма близкую к оценке долговечности, установленной согласно уточненного решения данной трибоконтактной задачи. Составлены дифференциальные уравнения движения толкателя кулачкового механизма в различных приближениях применительно к описанию контактного взаимодействия элементов высшей пары кулачок - толкатель. Показано, что последовательность приближения к описанию реальных свойств механизма может содержать три основных этапа.

Первый этап связан с линейной моделью упруго-вязкого взаимодействия элементов высшей пары, в соответствии с которой усилие контактного взаимодействия прямопропорционально величине упругого сближения элементов пары. Второе приближение базируется на представлении, что приведенный коэффициент жесткости с - величина переменная и определяется как отношение усилия, нагружающего соединение, к величине его деформации - упругому сближению элементов высшей пары. В этом представлении дифференциальное уравнение движения толкателя остается линейным, но с переменным коэффициентом. Такое описание движения толкателя предполагает возможность появления неустойчивых режимов работы кулачкового механизма в зависимости от подбора законов движения толкателя и параметров механизма или, по крайней мере, возникновения параметрического возбуждения сопровождающих колебаний, что в свою очередь должно существенно влиять на инерционное нагружение толкателя.

Третье приближение основывается на модели, в соответствии с которой трибоконтактное взаимодействие элементов высшей пары формируется как нелинейная зависимость этого усилия от величи-

ны упругого сближения, а коэффициент диссипации определяется для конкретного механизма по результатам натурного испытания.

Самым эффективным способом увеличения долговечности является уменьшение контактных давлений в зоне трения, которое достигается выбором оптимальных геометрических размеров и обеспечением равномерности распределения контактных давлений. Долговечность сухого трения в значительной мере определяется трибологическими характеристиками используемых самосмазы-вающихся антифрикционных композитов. Интенсивность изнашивания используемых материалов при этом определяют экспериментально. Она зависит от режимов эксплуатации узла, материалов пары трения и др. Рассмотренные вопросы исследования работоспособности элементов в кулачковых механизмах позволяют ставить вопрос об оптимальном проектировании таких узлов. Нами установлены химические составы и агрегатные состояния твердых покрытий, при которых повышается температура порога и снижается схватывание трущихся поверхностей. К этому, в частности, приводит присутствие в покрытиях в связанном состоянии атомов неактивного азота и наименьшая интенсивность изнашивания технологического инструмента.

Выводы

Для тяжелонагруженных трибосопряжений (в том числе и для рабочей зоны металлообработки) объективным критерием совместимости трущихся поверхностей является отношение, позволяющее численно оценить способность пары трения приспосабливаться друг к другу. Это существенно повышает точность оценки и производительность. Разработанная модель дает возможность эффективно провести оценку линейного износа при заданном ресурсе точек контура кулачка или его долговечности при заданном линейном износе. Упрощенные и уточненные способы решения этой трибоконтактной задачи дают весьма близкие результаты (расхождение не превышает 1%). Проведенные исследования свидетельствуют, что для эффективного и точного решения трибоконтактной задачи по кинетике изнашивания кулачковых механизмов возможно использовать первый из представленных упрощенных подходов.

Поступило 26.04.2010 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Андрейкив А^., Чернец M. В. Оценка контактного взаимодействия трущихся деталей машин. - Киев: Наукова думка, 1991.

2. Воскресенский М.И. - Сб. «Теория механизмов и машин». - Харьков: Изд-во ХГУ, 1972, Вып. 13.

3. Вульфсон И.И. - Сб. «Теория механизмов и машин». - Изд-во АН СССР, 1963, с. 94-95.

4. Сеник Д.Н. - Тез. Докл. Всесоюзного совещания по методам расчета механизмов машин-автоматов. - Львов: Изд-во УПИ, 1979, с.91-92.

5. Чернець M., Пашечко M., Невчас A. Методи прогнозування і підвищення зносостійкості три-ботехнічних систем ковзання. Т. I. - Дрогобич: Коло, 2001.

Л.Н.Шоев

БЛЪЗЕ ^ЛНБЛЪ^ОИ ЗИЁД НЛМУДЛНИ ДЛРОЗУМРИИ МЕХЛНИЗМИ МУШТЛК

Донишго^и технологии Тоцикистон

Дар макола усулх,ои гуногуни таткики кинетикаи хyрдашавй ва баланд бардоштани да-РОЗумрии механизми муштак баррасй шудааст. Та^лили мукоисавии натичах,ои дарозумрии механизми муштак, ки бо усулх,ои гуногун х,исоб карда шудааст, нишон дода шудааст. Калима^ои калиди: куунашавандагй - кулачок - кулачковый механизм - мустаукамй.

A.N.Shoev

SOME ASPECTS OF INCREASE OF DURABILITY FIST OF MECHANISMS

Technological University of Tajikistan

Various approaches of research kinetic wear processes and durability increases a cams mechanisms are considered. Comparison of results of durability a cam the mechanism, calculated on various methods is spent.

Key words: wear process - a cam - camp of the mechanism - durability.