ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО РЕЖИМА СМАЗЫВАНИЯ ОПОРНЫХ КАТКОВ ГУСЕНИЧНОГО ТРАКТОРА

Полный текст

Надежность и работоспособность опорных катков в значительной мере определяются ресурсом подшипников качения, который зависит от уровня совершенства трибологической системы, включающей поверхности трения, смазочный материал и окружающую среду данной сборочной единицы. Смазочный материал является неотъемлемым элементом любой трибологической системы, от свойств которого во многом зависят процессы трения и изнашивания сопряжений узла. В связи с этим важную роль в повышении надежности подшипников качения сельскохозяйственных, строительных и других технологических машин играет совершенствование смазочных систем, разработка новых видов смазочных материалов и способа их подвода в зону трения. Практический интерес представляют смазочные материалы, содержащие в своем составе поверхностно-активные вещества, которые повышают уровень насыщения контакта поверхностей трения и обладают высокими противоизносными и антифрикционными свойствами [4, 8]. В связи с этим актуальными являются исследования, направленные на повышение ресурса подшипников опорных катков гусеничных тракторов совершенствованием смазочной системы за счет применения рапсово-минеральной смазочной композиции и улучшения режима смазывания. В настоящее время известны результаты исследований по совершенствованию режимов смазывания подшипников качения, модификации смазочных материалов, снижению абразивного изнашивания поверхностей трения [5, 6]. Однако недостаточно исследованным для условий работы подшипников опорных катков гусеничных тракторов является влияние на ресурс подшипников таких факторов, как режим смазывания и использование пластичной смазочной композиции на основе растительного масла с целью повышения герметичности катков и снижения скорости абразивного изнашивания. Поэтому возникает необходимость дальнейшего теоретического и конструкторского обоснования рационального состава пластичной рапсово-минеральной смазочной композиции и режима смазывания с циркуляционной подачей смазки в зону трения подшипников. Рациональный режим смазывания подразумевает повышение уровня насыщения контакта поверхностей трения, обеспечивающего снижение контактных напряжений и увеличение фактической площади контакта. Цель исследований - повышение ресурса подшипников опорных катков гусеничных тракторов совершенствованием смазочной системы за счет применения рапсово-минеральной смазочной композиции и улучшения режима смазывания. Рабочая гипотеза исследований основана на снижении скорости изнашивания поверхностей трения подшипников опорных катков путем улучшения режима смазывания выбором рационального состава пластичной рапсово-минеральной смазочной композиции (ПРМСК) и подачей ее в зоны трения шнеково-винтовым устройством. Задачи исследований: - обоснование рационального состава пластичной рапсово-минеральной смазочной композиции и экспериментальная оценка ее влияния на трибологические параметры подшипникового узла опорного катка; - конструкторская разработка и оценка эффективности шнеково-винтового устройства для циркуляционного перемещения пластичной смазочной композиции в зоны трения подшипников опорных катков. Материалы и методы исследований. Теоретические исследования параметров рационального режима смазывания ресурсоопределяющих элементов опорных катков и обоснование конструктивных параметров устройства для циркуляционной подачи смазки к подшипникам выполнены с применением основных положений, законов и методов трибологии, математического анализа и моделирования. Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных и разработанных частных методик исследований. За метод исследований принят метод сравнительных исследований опорных катков гусеничных тракторов в стандартном исполнении и с усовершенствованной смазочной системой подшипников опорных катков. Обработка экспериментальных данных выполнялась на ЭВМ с применением прикладных программ Statistica 10.0, Mathcad 14, Microsoft Excel и др. Результаты исследований. В результате анализа трибологической системы [1] установлено, что оптимизацию выходных параметров с целью повышения ресурса подшипников опорных катков гусеничных тракторов рационально вести по следующим направлениям: - подбор оптимального состава смазочной композиции; - улучшение качества смазочной композиции; - повышение герметичности узла; - оптимизация режима смазывания. Изменение скорости изнашивания деталей за счет применения альтернативной пластичной рапсово-минеральной смазочной композиции можно охарактеризовать относительным показателем снижения скорости изнашивания KU: (1) где UБ и UО - скорости изнашивания сопряжений на минеральном масле и на альтернативной смазочной композиции, соответственно, г/мото-ч. Расчетный ресурс опорного катка (рис. 1) с усовершенствованной смазочной системой при учете результатов трибологических сравнительных исследований подшипниковых узлов может быть определен по уравнению: (2) где ТЭБ и ТЭО - ресурс опорного катка при работе на минеральном масле и на альтернативной смазочной композиции, мото-ч; ТПБ и ТПО - время приработки в базовом и опытном варианте, мото-ч; IприрБ и IприрО - износ после приработки в базовом и опытном варианте, г. Рис. 1. Влияние скорости изнашивания деталей на ресурс опорных катков: 1 - при смазывании минеральным маслом; 2 - при смазывании альтернативной смазочной композицией Одним из направлений повышения ресурса опорных катков является создание циркуляционного режима смазывания ресурсоопределяющих деталей. Для решения данной задачи разработано и запатентовано шнеково-винтовое устройство (рис. 2) для циркуляционной подачи смазки в зону трения подшипников качения. Применение устройства способствует: - обновлению смазки в зоне трения подшипников и торцевых уплотнений; - равномерному распределению продуктов износа по всему объему смазки; - повышению периодичности технического обслуживания опорных катков за счет активного использования дополнительного объема смазочного материала [2, 3]. Циркуляционная подача смазки осуществляется в осевом направлении и при этом протекает в двух потоках: I - прямой поток, возникающий в результате непосредственного воздействия винтовой поверхности на смазку; II - обратный поток смазки от подшипников и уплотнений к центру резервуара, возникающий за счет перепада давления. Уравнение производительности прямой подачи Q1, (м3/с) учитывает геометрические параметры винта шнека и скорость трактора [3]: (3) где kv - коэффициент скорости шнека; t - шаг винтовой поверхности, м; υтр - скорость движения трактора, м/с; h - высота витка шнека, м; Dв - наружный диаметр винтовой поверхности, м; r - радиус обода катка, м. Рис. 2. Шнеково-винтовое устройство для обеспечения циркуляционного режима смазывания: 1 - обод опорного катка; 2 - ось катка; 3 - подшипник; 4 - осевой канал; 5 - радиальный канал; 6, 7 - левый и правый винты шнека; 8 - торцевое уплотнение; 9 - резервуар для пластичной смазки Производительность обратного потока зависит от геометрических размеров винта и зазора, физических свойств смазки и давления смазки в зоне подшипника: (4) где δ - зазор между наружной поверхностью винта и корпусом, м; μ - динамическая вязкость смазки, Па∙с; L - длина винтовой поверхности, м; τ - предел прочности смазки, Па; ΔP - давление, создаваемое винтовой поверхностью, Па. С учетом неразрывности гидравлического потока условием для определения оптимальных размеров винтовой поверхности является равенство производительности прямой подачи Q1 и пропускной способности зазора, вмещающего обратный поток Q2, т.е. Q1=Q2. На основе расчета с учетом технологической возможности изготовления и установки шнеково-винтового устройства на ось опорного катка трактора ДТ-75М были приняты следующие параметры: наружный диаметр шнека Dв=0,093 м, шаг винта t=0,013 м. Программа и методики исследований включали: - лабораторные исследования трибологических свойств рапсового масла на машинах трения с целью подбора рационального состава смазочной композиции; - ускоренные стендовые исследования опорных катков для сравнительной оценки скорости изнашивания подшипниковых узлов при использовании минерального масла и разработанной пластичной смазочной композиции; - эксплуатационные износные исследования опорных катков для практической оценки эффективности разработанной пластичной смазочной композиции и способа ее подачи в зону трения подшипников. Лабораторные исследования трибологических свойств разрабатываемой смазочной композиции на рапсово-минеральной основе проводились на четырехшариковой машине трения типа МАСТ-1 и на роликовой машине трения 2070 СМТ-1 по схеме «ролик-ролик». Сравнительные стендовые исследования опорных катков проводились на специально сконструированном стенде. Нагрузка и частота вращения для проведения исследований выбирались исходя из анализа реакций, возникающих в опорных катках при различных режимах эксплуатации. Для организации активного режима смазывания подшипников на ось опытного катка было установлено разработанное шнеково-винтовое устройство для подачи смазки (рис. 3, а). В базовом варианте, для равномерного распределения абразива в масляной ванне, на ось катка были установлены две лопасти, постоянно перемешивающие масло (рис. 3, б). На основании лабораторных исследований [7] определен следующий состав дисперсионной фазы для приготовления смазочной композиции: рапсовое масло (84,2%); пакет присадок Т-43 (4,5%); многофункциональная присадка А-22 (3,3%); смазка «Литол-24» (8%). Вязкость полученной дисперсионной фазы составила 15,5∙10-6 м2/с при 100˚С и 86,7∙10-6 м2/с при 40˚С. Индекс вязкости данной смазочной композиции равен 190, что на 110 пунктов выше, чем у товарного минерального трансмиссионного масла ТЭп-15 (ТМ-2-18). а) б) Рис. 3. Ось опорных катков: а) с устройством для циркуляционной подачи смазки; б) с лопастями для перемешивания масла Подготовленная дисперсионная фаза загущалась стеаратом лития (10%). Полученная пластичная рапсово-минеральная композиция характеризуется следующими параметрами: пенетрация - 278 мм-1, температура каплепадения - 136˚С, плотность - 909 кг/м3, диаметр пятна износа на четырехшариковой машине трения - 0,21 мм. В результате сравнительных стендовых исследований опорных катков за счет применения разработанной пластичной смазочной композиции и создания циркуляционного режима смазывания предлагаемым шнеково-винтовым устройством удалось снизить: - содержание железа в смазочном материале на 14,3%; - износ наружных колец подшипника на 23,3%; - величину осевого зазора на 16%; - массовый износ торцевых уплотнений опорного катка на 36%. Результаты эксплуатационных исследований показывают (рис. 4), что за счет применения альтернативной пластичной смазочной композиции и ее циркуляционной подачи в зону трения подшипников количество продуктов износа в смазочном материале снизилось на 28,1%. Относительный показатель снижения скорости изнашивания KU для эксплуатационных условий составил 1,33, что выше, чем показатель, полученный при износных стендовых исследованиях опорных катков. Это можно объяснить тем, что при проведении стендовых исследований в опорные катки добавлялось одинаковое количество абразива, а в условиях эксплуатации применение разработанной рапсово-минеральной композиции способствовало лучшей герметизации узла. Катки, работающие по базовой схеме, обладали неудовлетворительной герметичностью, о чем свидетельствовало наличие утечек смазочного материала. Средняя скорость утечек за период наблюдения составила 0,4 г/мото-ч. Рис. 4. Изменение содержания железа в минеральном масле (кривая 1) и в разработанной смазочной композиции (кривая 2) в период эксплуатационных исследований Заключение. Аналитически обоснован метод улучшения процесса смазывания опорных катков гусеничных тракторов в условиях граничного трения путем использования рапсово-минеральной смазочной композиции с компонентами поверхностно-активных веществ и циркуляционной подачей ее в зону трения подшипников. Применение пластичной рапсово-минеральной смазочной композиции в условиях абразивного загрязнения при стендовых исследованиях обеспечивает снижение содержания железа в смазочном материале опорных катков на 14,3% по сравнению с минеральным трансмиссионным маслом (относительный показатель снижения скорости изнашивания составляет 1,11). В условиях рядовой эксплуатации сравнительными исследованиями установлено снижение содержания железа в смазочном материале на 28,1% (относительный показатель снижения скорости изнашивания равен 1,33), что позволяет прогнозировать повышение ресурса подшипников опорных катков в опытном варианте на 45% в сравнении с серийным вариантом. Динамика изменения осевого зазора в подшипниках и оценка их ресурса позволяют проводить замену смазочного материала и регулировку подшипников при наработке трактора 3000 мото-ч. Годовой экономический эффект при использовании предлагаемого метода совершенствования смазочной системы и разработанной смазочной композиции составляет 1656 руб. на один трактор.

Об авторах

Артем Сергеевич Бухвалов

ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА

Email: fleischwolf@list.ru
инженер научно-исследовательской лаборатории кафедры «Тракторы и автомобили» 446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Учебная, 2

Олег Станиславович Володько

ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА

Email: volodko-75@mail.ru
канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Тракторы и автомобили» 446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Учебная, 2

Александр Геннадьевич Ленивцев

ФГБОУ ВПО Самарский ГАСУ

Email: lenivtsev-aleksandr@yandex.ru
канд. техн. наук, доцент кафедры «Механизация, автоматизация и электроснабжение строительства» 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 194

Список литературы

Дополнительные файлы