Повышение долговечности узлов сельскохозяйственных машин с коническими подшипниками
На правах рукописи
КАЛИНИН АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ УЗЛОВ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН С КОНИЧЕСКИМИ
ПОДШИПНИКАМИ
Специальность 05.20.03 – Технологии и средства технического обслуживания
в сельском хозяйстве (по техническим наук
ам)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Зерноград – 2010 3
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Азово-Черноморская государствен ная агроинженерная академия».
Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Сергин Александр Анатольевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Щербина Виталий Иванович кандидат технических наук Белый Иван Федорович Ведущее предприятие: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» (г. Москва)
Защита состоится « » 2010 года в час. на заседании дис сертационного совета ДМ 220.001.01 в ФГОУ ВПО «Азово-Черноморская го сударственная агроинженерная академия» (ФГОУ ВПО АЧГАА) по адресу:
347740, Ростовская область, г. Зерноград, ул. Ленина, 21 (ауд. 201, корпус 5).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО АЧГАА.
Автореферат разослан « » 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Шабанов Н.И.
Актуальность темы. В большинстве хозяйств нашей страны отремон тированная техника составляет около 80% от всего имеющегося парка сель скохозяйственных машин. На ремонт и обслуживание сельхозтехники еже годно тратятся большие средства. Значительные затраты на ремонтные рабо ты обусловлены высокой стоимостью самих работ, а также запасных частей, устанавливаемых вместо вышедших из строя. Среди деталей, лимитирующих работоспособность узлов и агрегатов отечественных сельскохозяйственных машин, особое место занимают подшипники качения. В настоящее время вы ход из строя узлов с подшипниками качения составляет 30% от числа общих неисправностей.
В этой связи разработка мероприятий, позволяющих повысить долго вечность подшипниковых узлов, является актуальной и имеет практическую и научную значимость.
Цель исследований – повышение долговечности узлов сельскохозяй ственных машин с коническими подшипниками.
Объект исследований – процесс взаимодействия деталей конического подшипника в условиях отсутствия осевого зазора.
Предмет исследования – узлы сельскохозяйственных машин с кони ческими подшипниками.
Научная новизна работы:
- получены аналитические зависимости, характеризующие работу кони ческого подшипника при отсутствии осевого зазора;
- разработана конструкция модернизированного конического подшипни ка с разгрузочной зоной;
- обоснованы параметры и форма разгрузочной зоны.
Практическую значимость представляет конструкция модернизиро ванного конического подшипника с разгрузочной зоной, обеспечивающая его работоспособность при отсутствии осевого зазора и увеличивающая срок службы подшипника.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. зависимости, описывающие механизм работы серийного конического подшипника в условиях отсутствия осевого зазора;
2. технологический способ модернизации конических подшипников с обоснованием основных параметров разгрузочной зоны;
3. результаты исследования работы подшипникового узла с модернизиро ванными коническими подшипниками при отсутствии осевого зазора.
Методы исследования включали основные положения теоретической механики, физики, методов математической статистики.
Достоверность основных положений и выводов по работоспособности конических подшипников с разгрузочной зоной подтверждена лабораторны ми и полевыми экспериментальными исследованиями.
Научная апробация работы – основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО АЧГАА и ФГОУ ВПО СтГАУ.
Публикации результатов исследований – основные положения и ре зультаты проведенных исследований отражены в 10 печатных работах, в числе которых три патента РФ и одна работа в издании рекомендованном ВАК.
Структура и объём работы. Диссертационная работа содержит введе ние, пять глав, общие выводы, библиографический список из 102 наименова ния и приложения. Работа изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 64 рисунка, 9 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель, объект и предмет исследования, научная новизна. Представлены основные положения выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» рассмот рены основные виды и причины преждевременных отказов узлов, с кониче скими подшипниками. Проведен анализ современных исследований по дол говечности узлов с коническими подшипниками.
Вопросами повышения долговечности подшипниковых узлов занима лись С.Г. Докшанин, Е.П. Жильников, Р.И. Ли, А.Е. Митяев, А.В. Орлов, А.И. Спришевский, Н.А. Спицын, Б.П. Свешников, А.А. Серегин, В.В. Усов, В.И. Ширяев и другие.
В результате анализа исследований по работоспособности узлов сель скохозяйственных машин с коническими подшипниками, установлено, что:
- Основной вид преждевременных отказов составляет 68-78% и связан с увеличением в подшипниках радиального зазора и осевой игры;
- Существующие методы ремонта подшипниковых узлов не в полной мере способствуют снижению затрат на ремонт. Практический интерес представляет разработка более дешевых и менее энергоемких способов восстановления подшипниковых узлов с коническими подшипниками, позволяющих увеличивать их долговечность.
На основании анализа состояния вопроса сформулирована научная ги потеза – повышения долговечности подшипника, работающего в условиях от сутствия осевого зазора, можно достигнуть за счет создания условий движе ния тел качения без скольжения.
Рабочая гипотеза повышение долговечности подшипника, работаю щего в условиях отсутствия осевого зазора, можно достигнуть путем созда ния разгрузочной зоны на упорном борту внутреннего кольца.
Для проверки научной гипотезы определены задачи исследования:
1. Проанализировать работу конических подшипников главного редук тора пресс-подборщика ПРП-1,6 при отсутствии осевого зазора.
2. Разработать технологический способ модернизации конических подшипников, обеспечивающий повышение долговечности узлов с ко ническими подшипниками и обосновать параметры предлагаемого технического решения.
3. Провести лабораторную проверку и производственные испытания модер низированных конических подшипников для определения показателя надеж ности.
4. Выполнить технико-экономическое обоснование эффективности пред лагаемых технических (конструктивных) решений.
Во второй главе «Анализ процесса работы узлов с коническими под шипниками» изложены результаты анализа работы конических подшипников на примере редуктора главной передачи пресс-подборщика ПРП-1,6, выявлен характер распределения нагрузок на подшипники в зависимости от крутяще го момента, передаваемого ВОМ трактора, а также механизм работы кониче ских подшипников при отсутствии осевого зазора. На основе анализа разра ботан способ повышения долговечности подшипниковых узлов с конически ми подшипниками и обоснованы основные параметры.
При выполнении анализа механизма работы конического подшипника были сделаны допущения:
1. Частота вращения колец подшипника сравнительно невелика, что по зволяет влияние центробежных сил и гироскопических моментов на динами ку и кинематику подшипника не учитывать.
2. Силой веса ролика можно пренебречь по сравнению с другими дейст вующими на подшипник нагрузками.
В коническом редукторе пресс-подборщика ПРП-1,6 установлены на ведущем валу два конических подшипника №7609. В ненагруженном состоя нии зубчатой пары конструкция узла позволяет регулировать и контролиро вать боковой зазор в зацеплении и осевой зазор в конических подшипниках.
Однако, при работе узла эта регулировка нарушается.
При передаче крутящего момента Тш силу нормального давления раз ложим на составляющие: окружную Ft, радиальную FRш ( к ) и осевую Fаш ( к ) силы:
2Tш ( к ) Ft ;
(1) d mш ( к ) FRш Ft tg Cos ;
(2) п 1( 2) Fаш Ft tg п Sin 1( 2). (3) Выразив эти силы в долях крутящего момента, получим:
Ft с Т ш (4) 0,33с Т ш FRш Faк (5) 0,15с Т ш, Fаш FRк (6) Рисунок 1 – Схема сил, действую где п - угол профиля ис щих на ведущий вал-шестерню ко нического редуктора ходного контура;
- угол 1( 2 ) делительного конуса шестерни (ко 2 леса);
с м - расчетный коэффициент, зависящий от 15, d mш ( к ) 0, диаметра шестерни.
Радиальную нагрузку FR в будут воспринимать оба подшипника №7609, установленные на ведущем валу.
FR в (l1 l2 ) М в 1,25 с Т ш FR В (7) в 0,2с Тш FR А FR B FR в (8) М в - момент от действия осевой силы относительно оси вала где шестерни, Нм;
FR и FR А - суммарные радиальные нагрузки на конические В подшипники, Н;
l1 и l2 – соответственно расстояния от точки приложения силы FR в до точек приложения сил FR и FR А, м. В Наклон контактных линий в конических подшипниках приводит к то му, что радиальные нагрузки FR сопровождаются внутренними осевыми си лами SА и SВ, которые стремятся раздвинуть кольца подшипника в осевом на правлении. Этому препятствуют упорные буртики вала и корпуса с соответ ствующими реакциями Fа и Fа. А В 0,3с Т ш FаВ SB (9) 0,15с Т ш Fa A SB Faв (10) F, Н FR B FаВ 2000 FаА FR A Тш, Нм 50 100 150 200 Рисунок 2 – Радиальные и осевые нагрузки, действующие на подшипники №7609.
На рисунке 2 представлены радиальные и осевые нагрузки, действую щие на подшипники №7609 конического редуктора, в зависимости от крутя щего момента, передаваемого ВОМ трактора МТЗ-80.
Смещение колец в подшипнике В приводит к устранению осевого за зора, и ролики оказываются в силовом контакте с кольцами. Вследствие это го ролики начинают двигаться со скольжением по упорному борту внутрен него кольца и дорожкам качения.
Рассмотрим вначале процесс взаимодей ствия ролика с упорным бортом внутреннего кольца подшипника.
Конструкция конического подшип ника такова, что при его нагружении на ро лики действует выталкивающая сила, стре мящаяся прижать ролики к упорному борту (рисунок 3).
Между торцами роликов и упорным бортом имеет место чистое трение сколь жения, сопровождаемое износом трущихся поверхностей. В этом случае на все ролики будет действовать контактная нагрузка, а следовательно все тела качения будут пере Рисунок 3 – Схема сил, дей катываться по дорожкам качения колец со ствующих на ролик со сторо скольжением по борту внутреннего кольца.
ны борта внутреннего кольца Из условия равновесия имеем:
РХ РБ Cos РВ Sin 0;
PН Sin 0 (11) PZ 0;
PB Cos PБ Sin PH Cos 0 (12) где PВ и PН - нормальная нагрузка в контакте ролика соответственно с внут ренним и наружным кольцами, Н;
PБ нормальная сила в контакте ролика с бортом внутреннего кольца, Н;
- угол конусности ролика, град;
- угол на клона упорного борта, град.
Процесс взаимодействия роликов с дорожками качения заключается в сле дующем. В отсутствии осевого зазора при движении роликов по дорожкам ка чения колец на них действуют нагрузки, показанные на рисунке 4.
В проекциях на оси координат сис Рисунок 4 – Силы, действую тема трех уравнений (11-12) равновесия щие на ролик при движении по превращается в систему шести алгебраи дорожкам качения ческих уравнений:
PБ Cos PВ Sin PН Sin 0;
0;
(13) PX FВ FН FБ 0 ;
0;
(14) PY PВ Cos PБ Sin PН Cos 0;
PZ 0;
(15) 1 1 MX 0;
FВ d R FН d R FБ dR h MВ MН 0;
(16) 2 2 0 ;
PВ Sin d R PН Sin d R lR MY 0 ;
(17) PБ Cos dR h PБ Sin 2 2 2 FБ lR М Р 0 ;
0;
(18) MZ где FВ и FН - сила трения в контакте ролика соответственно с внутренним и наружными кольцами, Н;
FБ - сила трения скольжения в контакте ролика с бортом внутреннего кольца, Н;
M В и M Н - момент трения качения в контакте ролика соответственно с внутренним и наружным кольцами, Нмм;
d R - сред ний диаметр ролика, мм;
l R - длина ролика, мм;
h - высота упорного борта внутреннего кольца, мм;
- угол конусности ролика, град.
Анализ уравнения (18) показывает, что сила трения скольжения в кон такте торца ролика с упорным бортом FБ приведет к возникновению момен та МР, который вызовет поворот ролика относительно оси OZ.
Поворот ролика будет про исходить до тех пор, пока боль шой и малый торцы ролика не станут упираться в противопо ложные стенки сепаратора, соз давая возрастающее давление на них.
Усилие со стороны ролика на сепаратор будет возрастать до тех пор, пока реакция сепаратора не превысит силу трения сколь жения тела качения с одним из колец (рисунок 5). Если усилие со стороны сепаратора превысит силу трения скольжения, то в дальнейшем движение ролика вокруг оси подшипника будет осуществляться с поворотом и Рисунок 5 –Силы, действующие на ро непрерывным или пульсирую лики при контакте с сепаратором щим скольжением по одному из колец или по обоим, под действием непрерывно воздействующего на него усилия со стороны сепаратора.
PБ Cos PВ Sin PН Sin 0;
PX 0 ;
(19) FВ FН FБ 2 FС Sin 0;
0;
(20) PY С PZ 0;
PВ Cos PН Cos PБ Sin 2PС Sin 0;
(21) С 1 1 FБ d R h M В M Н FС Sin2 С d max MX 0;
FВ d R FН d R 2 2 2 (22) 2 2 FС Cos С d max FС Cos С d min FС Sin С d min 0;
l 1 1 PБ Cos d R h PБ Sin R M Y 0;
PВ Sin d R PН Sin d R 2 2 2 (23) 1 FС Cos С l R FС Cos С l R 0;
2 1 1 1 M Z 0;
FБ lR PС Cos С l R FС Sin С l R PС Cos С l R 2 2 2 ;
(24) FС Sin С l R где PС - нормальная нагрузка в контакте ролика с сепаратором;
FС - сила трения в контакте ролика с сепаратором;
С - угол, который образует вектор силы PС с осью ОY;
dmax - диаметр большего торца ролика;
d min - диаметр меньшего торца ролика;
d С - средний диаметр сепаратора.
Из уравнения 24 получено выражение, описывающее условие движе ния роликов по беговым дорожкам колец и упорному борту внутреннего кольца со скольжением:
РБ РС (25) 2 1 Cos Sin C C Момент МР, создаваемый FБ будет разворачивать ролик относительно своей оси в сторону сепаратора.
Со стороны сепаратора возникает реакция PС. Реакция PС будет воз растать до полного заклинивания.
Сила трения скольжения в контакте ролика с сепаратором FС будет препятствовать проворачиванию ролика относительно своей оси ОХ. Такое движение роликов по беговым дорожкам изменяет характер работы подшип ника. Если до заклинивания роликов преобладало трение качения и процесс изнашивания поверхностей и тел качения протекает нормально, то при за клинивании тел качения трение качения полностью отсутствует. Это способ ствует более интенсивному износу беговых дорожек и тел качения.
Для того чтобы ролики в подшипниках не заклинивали, необходимо устранить силы взаимодействия, которые приводят к повороту ролика отно сительно оси подшипника, в нашем случае это силы взаимодействия торцов роликов с упорным бортом внутреннего кольца. Для этого целесообразно создать в подшипнике искусственную разгрузочную зону (рисунок 6), кото рая гарантировала бы освобождение роликов от контактных нагрузок s s Рисунок 6 – Внутренне кольцо конического подшипника с разгрузочной зоной 1 – внутреннее кольцо;
2 – упорный борт внутреннего кольца;
3 – разгрузоч ная зона;
4 – уравнение кривой.
При этом конструкция конического подшипника должна обеспечи вать работу без ощутимых вибраций, ударов и значительных колебаний на груженности тел качения. Кроме того, она должна иметь максимальную гру зоподъемность, достаточно высокую быстроходность, а также обеспечивать разгрузку тел качения от рабочей нагрузки и сил трения скольжения. Это возможно, если параметры разгрузочной зоны будут отвечать следующим тре бованиям:
1. Глубина разгрузочной зоны минимальна, но достаточна для раз грузки тел качения от рабочей нагрузки и сил трения скольжения;
Длина разгрузочной зоны по длине окружности дорожки качения 2.
минимальна, но обеспечивает максимальную грузоподъемность подшипника и высокую стабильность упругих деформаций;
Поверхность разгрузочной зоны плавно переходит в поверхность 3.
упорного борта внутреннего кольца.
Необходимую и достаточную глубину разгрузочной зоны можно опре делить по формуле:
s 0,01 dR tg (26) где d R - средний диаметр ролика.
Выполняя разгрузочную зону, мы в первую очередь, преследуем цель, чтобы каждое тело качения и, притом лишь одно, получало возможность полностью освободиться от контактной нагрузки. Вход каждого тела качения в зону разгрузки естественно подразумевается постепенным, т.е. тело каче ния на каком-то участке разгрузочной зоны разгружается, а затем, на другом участке оно становится свободным.
Длину разгрузочной зоны можно принять следующей:
(27) z где - длина разгрузочной зоны;
z - число тел качения.
Наиболее целесообразной с практической и теоретической точки зрения является такая форма разгрузочной Разгрузочная зона зоны, которая удовлетворяла бы всем вышеперечисленным требованиям и была бы легко выполнима технологи чески. Разгрузочную зону тел качения от рабочей нагрузки следует выпол нять в виде поверхности, сечением которой является кривая, описывае Рисунок 7 – Конический подшипник с мая уравнением:
разгрузочной зоной y (a2 b2 x2 )3 2 (28) a - свободный член, а где s ;
b - коэффициент, зависящий от параметров sz подшипника b s - максимальная глубина разгрузочной зоны.
;
dmax В модернизированном подшипнике, при попадании роликов в разгру зочную зону происходит выталкивание ролика в зону за счет сил взаимодейст вия тел качения с внутренним и наружным кольцами. Создается искусствен ный радиальный зазор, позволяющий роликам освобождаться от действую щих на них усилий и самоустанавливаться.
В третьей главе «Общая программа и методика экспериментальных исследований» приведены цель и задачи, в соответствии с которыми была разработана программа проведения исследований.
Экспериментальные исследования проводились как в лабораторных, так и в производственных условиях.
В результате теоретических исследований было установлено, что раз грузочную зону следует выполнять на борту внутреннего кольца подшипни ка. По номеру подшипника определяются его геометрические характеристи ки и число роликов. Затем определяются параметры разгрузочной зоны.
Выполнение углубления производили на вертикально-фрезерном стан ке (рисунок 8) Разгрузочная зона а) б) а) б) Рисунок 8 – Выполнение разгру- Рисунок 9 – Модернизированные зочной зоны: 1 – УДГ-Д-250А;
2 – внутренние кольца конических оправка;
3 - фреза с алмазным напыле- подшипников: а – подшипник нием №7307;
б – подшипник №7208А.
Исследования поворота роликов конического подшипника в условиях отсутствия осевого зазора производились на специально спроектированной и изготовленной лабораторной установке, общий вид которой представлен на рисунке 10.
Рисунок 10 – Общий вид установки для Рисунок 11 – Измерение угла по определения угла поворота роликов: 1 – ворота роликов блок управления;
2 – рама;
3 – электродвига тель;
4 – узел нагружения.
Исследования момента трения и температуры нагрева наружных колец серийных и модернизированных подшипников проводились на лабораторной установке для определения момента трения в подшипниках качения ДМ-28М (рисунок 12). На рисунке 13 показана испытательная головка с подшипнико вым узлом, параметры которого контролировались при испытаниях.
Рисунок 12 – Общий вид лабора Рисунок 13 – Испытательная го торной установки ДМ-28М с ком ловка с подшипниковым узлом пьютерным комплексом:
1 – корпус;
2 – обойма;
3 – крышка;
1 – корпус;
2 – маятник;
3 – скоба дина 4 – регулировочные гайки;
5 – вал;
6 – мометрическая;
4 – индикаторная голов конические подшипники;
7 – шпильки.
ка;
5 – подшипниковый узел;
6 – изме ритель температуры;
7 – компьютер.
При производственных испытаниях определялась монтажная высота подшипников №7609 конического редуктора главной передачи пресс подборщика ПРП-1,6 в зависимости от наработки, для установления ресурса работы опоры. Чтобы установить увеличение срока службы конических подшипников испытания проводились на базе двух хозяйств.
С целью определения состояния поверхностей торцов роликов под шипников после испытаний проводились металлографические исследования.
Анализ выполняли в соответствии с ГОСТ 5639-82 на металлографическом микроскопе МИМ-8. Микротвердость измеряли согласно ГОСТ 2999-75 на приборе ПМТ-3. Значение измеренной микротвердости позволяло определять величину накопленной упругой внутренней энергии (УВЭ) по известной за висимости, с целью подтверждения увеличения долговечности узла.
U ei 85 10 5 H i (29) где U e - накопленная упругая внутренняя энергия дефектов в материале подшипника, Дж/мм3;
H i - текущее значение твердости, определенное на твердомере ПМТ-3, МПа.
Полученные экспериментальные данные обрабатывали в программе EXCEL, в соответствии с методами математической статистики.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований уз лов конических подшипников» в результате измерения угла поворота роликов серийных и модернизированных конических подшипников было установлено, что угол поворота роликов увеличивается с ростом осевой нагрузки.
р, град Так, угол поворота роликов в се рийном подшипнике при выклю y = -0,0015x2+0,026х-0, 0, ченном двигателе и нагрузке R =0, Fа=1,5 кН на 38% больше чем в 0, подшипниках с разгрузочной зоной 0, (рисунок 14). При вращении вала двигателя с частотой n 980 об/мин 0,1 y = -0,0013x2+0,0143х-0, в течение 1 минуты – на 60%. При R2=0, продолжительной работе подшип 0,5 1,5 F, кН 0,75 1 1, ников (Рисунок 15) средний угол Рисунок 14 – Зависимость угла поворота ро- поворота роликов серийного под ликов от осевой нагрузки: шипника при установившемся ре 1 – серийный подшипник;
2 – модернизированный жиме работы почти в 10 раз боль подшипник.
ше, чем у модернизированного.
Сравнитель р, град ные лабораторные ис- пытания по темпера- 0, 0, туре нагрева наруж Fa=1000 Н ных колец и моменту 0, трения серийных и 0, модернизированных 0, конических подшип- 5 15 25 t, мин ников проводились на режимах приближен Рисунок 15 – Зависимость угла поворота роликов ным к условиям экс от осевой нагрузки при частоте вращения плуатации.
n=980 об/мин:
1 – серийный подшипник;
2 – модернизированный под шипник.
На рисунке 16 представлены графики, иллюстрирующие зависимость тем пературы нагрева наружных колец конических подшипников от времени работы при жидкой смазке. Продифференцировав уравнения, описывающие нараста ние температуры нагрева наружных колец серийных и модернизированных конических подшипников, получаем уравнения аппроксимации процесса из менения интенсивности нарастания температуры в зависимости от времени.
Температура нагрева серийных подшипников при работе в условиях отсутствия осевого зазора выше температуры нагрева модернизированных подшипников в среднем на 18С. Интенсивность нарастания температуры на грева наружных колец серийных подшипников в среднем выше в четыре раза по сравнению с модернизированными. Характер кривых нарастания темпера туры нагрева колец подшипников свидетельствует о постоянном возрастании температуры серийных подшипников и стабилизации ее в модернизирован ных подшипниках. dT d T, С T = 7E-13 6 -3E-10 5-4E-08 4-4E-05 3-0,0078 4+0,8708 +19, Ксер=0, V1, R2=0,999 Т Кмод=0, 70 1,6 65 1 1, 60 1, 55 Fr=5 кН 50 1 Fa=800 H 0, n=980 об/мин 0, Т = 3E-12 6-2Е-09 5+6Е-07 4-5Е-05 3-0,002 2+0, 30 +17,7070, R2=0, 0, 15 0 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110, мин, мин Рисунок 16 – Зависимость температуры нагрева наружных колец подшипни ков от времени работы при жидкой смазке:
1 – серийный подшипник;
2 – модернизированный подшипник На рисунке17, по обработанным результатам испытаний, с определени ем среднего значения параметра, коэффициента вариации, относительной ошибки, представлены кривые, характеризующие изменение момента трения в подшипниковых узлах с серийными и модернизированными коническими подшипниками. Принятый уровень надежности при испытаниях 95%, коли чество повторностей m=15, относительная ошибка не превышает 20%.
М, Нм М, Нм 1,4 2, Fr=5 кН Fr=5 кН 2, 1,2 Fa=800 H Fa=800 H 1 n=980 об/мин n=1880 об/мин 1, 1, 0,8 1, 1, 0, 2 0, 0, 0, 0,2 0, 0, 0 1 2 3 4 5 10 20 30 50 60 75 90 115 120 1 2 3 4 5 10 20 30 50 60 75 90 115, мин, мин Рисунок 17 – Зависимость моментов трения от времени работы:
1 – серийный подшипник;
2 – модернизированный подшипник При установившемся режиме работы (частота вращения внутреннего кольца 980 об/мин и радиальная нагрузка 2,5 кН) моменты трения у модернизированных подшипников на 25% меньше, чем у серийных. При частоте вращения внутреннего кольца 1880 об/мин различие достигает 45%.
Увеличение радиальной нагрузки в 2 раза, приводит к увеличению различия в моментах трения до 33% при частоте вращения 980 об/мин и до 50% - при частоте вращения 1880 об/мин.
С целью определения состояния поверхностей торцов роликов под шипников после испытаний были проведены металлографические исследо вания состояния поверхностей торцов роликов после испытаний. На рисунке 18 представлены фотографии торцов роликов серийных и модернизирован ных подшипников после испытаний (увеличение 30х).
Структура узоров большего 1-я зона диаметра ролика подшипника 9,42-8,95 Дж/мм с разгрузочной зоной №7307:
просматривается 2 зоны, распо 2-я зона ложенные на глубине от 0,03 до 8,55 Дж/мм 0,68 мм величина накопленной УВЭ 8,96…7,05 Дж/мм3 торце вой поверхности ролика и у глу 3-я зона 8,44 Дж/мм3 хого отверстия величина накоп ленной УВЭ 6,12…5,35 Дж/мм Структура узоров большего диаметра ролика серийного 1-я зона подшипника №7307:
8,96-7,05 Дж/мм просматривается 3 зоны, распо ложенные на глубине от 0,05 до 1,83 мм в области накопленной 2-я зона УВЭ 9,42…8,44 Дж/мм3 торце 6,12-5,35 Дж/мм вой поверхности ролика.
Рисунок 18 – Фотографии торцов роликов серийных и модернизиро ванных подшипников после испытаний.
Полученные результаты металлографических исследований серийных и модернизированных подшипников, работающих в условиях отсутствия осевого зазора, позволяют сделать следующие выводы:
1. Торцевые поверхности роликов серийных подшипников накаплива ют больше УВЭ, чем торцы модернизированных. На глубине 0,05 до 0,4 мм величина ее на 26% у серийных подшипников больше, а у глухого отверстия – на 38%.
2. Дефекты торцов роликов серийных подшипников представляют со бой семейства развитых трещин на глубине 0,05-0,6 мм. Дефекты подшипни ков с разгрузочной зоной – семейство трещин, область залегания которых та кая же, однако находятся они в зачаточном состоянии.
3. У подшипников с разгрузочной зоной скорость накопления УВЭ меньше чем у серийных, что позволяет прогнозировать увеличения ресурса подшипников, по механизму накопления УВЭ, на 30-38%.
Для определения эффективности выполнения в подшипниках разгру зочной зоны, в условиях реальной эксплуатации, были проведены производ ственные испытания конических редукторов пресс-подборщиков ПРП-1,6. на рисунке 19 представлены графические зависимости, характеризующие сте пень и интенсивность изнашивания подшипниковых опор в зависимости от времени наработки пресс-подборщиков. Проведенные производственные ис пытания показали, что интенсивность изнашивания серийных подшипников в полтора раза больше, чем у модернизированных, что позволяет увеличить расчетный срок службы модернизированных подшипников на 60% в сравне нии с серийными.
d T, мкм/ч Т, мм 0, d 0, 0, Т = 0,0061 3+1,147 2+2,048 0, 0, R2=0, 0, 0, 0,07 0,06 Т = -1234 3+1,5383 2+2, 0, R2=0. 0,05 1 0, 0, 0,03 0,4 2 0, 0, 0,01 50 100 150 200 250 300 350 50 100 150 200 250 300 350, час, час Рисунок19 – Изменение монтажной высоты подшипников №7609 в зависи мости от времени работы 1 – серийный подшипник;
2 – модернизированный подшипник.
В пятой главе «Технико-экономическая оценка подшипника с разгру зочной зоной» приведены расчеты экономической эффективности использо вания подшипников с разгрузочной зоной.
При расчете экономической эффективности в качестве базы сравнения принят способ ремонта подшипниковых узлов на ремонтных предприятиях, в основу которого положена замена изношенных подшипников узла новыми.
Показатели экономической эффективности ЧДД в расчете за 8 лет со ставил 23,42 тыс.руб., ИД – 5,05 и срок окупаемости составил 1,11 года.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ Результаты выполненных в данной работе исследований позволяют сделать следующие выводы и предложения:
1. Из анализа работы узлов с коническими подшипниками установлено, что основной причиной низкой работоспособности подшипников явля ется поворот роликов. Для устранения поворота роликов предложены конструктивные решения по патентам РФ №2303718, №66452 и №2365798, обеспечивающие выполнение в подшипнике разгрузочной зоны.
2. Аналитически установлено, что разгрузочная зона должна иметь глу бину, определяемую по формуле s 0,01 dR tg, достаточную для раз грузки тел качения от контактных нагрузок и сил трения скольжения, а длина разгрузочной зоны по длине окружности дорожки качения, оп ределяемая выражением, должна быть такой, чтобы в любой z момент времени работы подшипника из-под нагрузки было выключено только одно тело качения. Наилучшей формой поверхности разгрузоч ной зоны является поверхность, сечением которой является кривая, описываемая уравнением y (a2 b2 x2 )3 2 и обеспечивающая стабиль ность упругих деформаций в подшипнике.
3. Выполнение в подшипнике разгрузочной зоны позволяет достигнуть следующее:
- значение угла поворота роликов в серийных подшипниках выше, чем у подшипников с разгрузочной зоной на 30-40%, температура нагрева наружных колец модернизированного подшипника в среднем ниже на 18С, значение момента трения в модернизированных подшипниках ниже на 40%;
- увеличивается ресурс подшипниковых узлов, по механизму накопле ния упругой внутренней энергии, на 26-38%.
4. Интенсивность изнашивания серийных подшипников в полтора раза больше, чем у модернизированных, что позволяет увеличить расчетный срок службы модернизированных подшипников на 60% в сравнении с серийными.
5. Экономический эффект от использования конических подшипников с разгрузочной зоной в подшипниковых узлах сельскохозяйственных машин составляет 23,42 тыс.руб. срок окупаемости дополнительных капиталовложений составляет 1,11 года.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:
1. Калинин, А.А. Особенности регулировки и сборки конических подшипников передних колес автомобилей с натягом [Текст] / А.А. Калинин, А.А. Се регин // Совершенствование процессов и технических средств в АПК. – Зерноград, 2005. – Вып. 6. – С. 134-138.
2. Калинин, А.А. Анализ работы конического подшипника при статическом нагружении [Текст] / А.А. Калинин, А.А. Серегин // Технологии и средст ва повышения надежности машин в АПК. – Зерноград, 2006. – Вып. 2. – С.
93-98.
3. Калинин, А.А. Сборка конических подшипников передних колес автомо билей с предварительным натягом [Текст] / А.А. Калинин, А.А. Серегин // Международный технико-экономический журнал. – Москва, 2008. – Вып.
3. – С. 74-75.
4. Пат. 2303718 Российская Федерация, МПК7 F16C 19/34, F16C 33/58 Под шипник качения [Текст] / Калинин А.А., Серегин А.А., Бутков Р.И.;
заяви тель и патентообладатель Азово-Черноморская государственная агроин женерная академия. – № 2005140540/11;
заявл. 23.12.2005;
опубл.
27.07.2007, Бюл. №21. – 3 с.: ил.
5. Пат. 66452 Российская Федерация, МПК7 F16C 19/00 Подшипник качения [Текст] / Калинин А.А., Серегин А.А., Серегина В.В.;
заявитель и патенто обладатель Азово-Черноморская государственная агроинженерная акаде мия. – № 2007110027/22;
заявл. 19.03.2007;
опубл. 10.09.2007, Бюл. №25. – 2 с.: ил 6. Пат. 2365798 Российская Федерация, МПК F16C 19/34, F16C 33/58 Под шипник качения [Текст] / Калинин А.А., Серегин А.А., Серегина В.В.;
зая витель и патентообладатель Азово-Черноморская государственная агро инженерная академия. – № 2008106707/11;
заявл. 20.02.2008;
опубл.
27.08.2009, Бюл. №24 – 5 с.: ил.
7. Калинин, А.А. Влияние предварительного натяга на угол поворота роли ков в коническом подшипнике [Текст] / А.А. Калинин, А.А. Серегин // Вестник аграрной науки Дона. – Зерноград, 2009. – Вып. 1.
8. Калинин, А.А. Влияние предварительного натяга на величину момента трения в конических подшипниках [Текст] / А.А. Калинин, А.А. Серегин // Технологии и средства повышения надежности машин в АПК. – Зерно град, 2009. – Вып. 5.
9. Калинин, А.А. Влияние предварительного натяга на температурный ре жим работы конических подшипников [Текст] / А.А. Калинин, А.А. Сере гин // Технологии и средства повышения надежности машин в АПК. – Зерноград, 2009. – Вып. 5.
10. Калинин, А.А. Результаты производственной проверки модернизирован ных подшипниковых узлов сельскохозяйственных машин [Текст] / А.А. Калинин, А.А. Серегин // Международный технико-экономический журнал. – Москва, 2010. – Вып. 4.
ЛР 65-13 от 15.02.99. Подписано в печать 10.11.2010 г.
Формат 60 84/16. Уч.-изд. л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ № Редакционно-издательский отдел ФГОУ ВПО АЧГАА 347740, г. Зерноград, ул. Советская,15.