Endurance testing of tractor friction clutches

Full Text

Известно, что фрикционные накладки лимитируют долговечность фрикционных сцеплений (ФС) тракторов. В настоящее время долговечность ФС наиболее часто оценивают по результатам их стендовых испытаний. В инженерной практике широкое распространение получили ускоренные стендовые испытания, требующие меньших временных и материальных затрат. Они обычно проводятся на режимах форсированных нагрузок, не зависящих от конструктивных особенностей испытуемых ФС и лишь частично соответствующих эксплуатационным. Например, при испытаниях по отраслевой методике [1, 2] задается постоянная величина удельной работы буксования (147…167 Дж/см2 для двухдисковых и 196…245 Дж/см2 для однодисковых ФС) и постоянное значение установившейся объемной температуры ведущего диска (120оС для среднего диска двухдискового ФС и нажимного диска однодискового). Однако известно [2-10], что в реальных условиях нагруженность ФС, например, на сельскохозяйственном тракторе и его промышленной модификации существенно различается. Более того, разной окажется нагруженность ФС при их установке на один и тот же трактор, если различны конструктивные параметры этих муфт [4-8]. Иными словами, тепловая и силовая нагруженность ФС определяется условиями эксплуатации (весьма разнообразными для тракторов одного класса), а также их конструктивными параметрами и особенностями. Поэтому при испытаниях ФС (ресурсных, сравнительных или любых других) необходимо по возможности в наибольшей степени имитировать реальные условия нагружения данного ФС конкретного трактора и корректировать эти условия при изменении параметров ФС или назначении тракторного агрегата. Испытания различных ФС на одинаковых условных режимах не позволяют объективно оценить их ресурс. Например, испытания при одинаковой объемной температуре двух разных ФС могут показать преимущество по ресурсу у одной из муфт, но в реальных условиях благодаря более удачным параметрам у другой муфты нагрев и износ накладок окажутся меньше [2, 3]. Поэтому даже при сравнительных ускоренных испытаниях двух разных ФС, предназначенных для одной и той же машины, режимы стендовых испытаний по величинам работы буксования и температуры нагрева пар трения должны быть различны. Следовательно, методика стендовых ресурсных испытаний тракторных ФС должна базироваться на обобщенном режиме нагружения ФС тракторов данного класса и назначения с учетом конструктивных особенностей фрикционного узла. Под режимами ресурсных стендовых испытаний ФС подразумевается совокупность основных факторов, обеспечивающих механизм изнашивания пар трения, идентичный эксплуатационному. К ним относятся величина передаваемого момента , частота включения в час и работа буксования при включении ФС. Режим ресурсных стендовых испытаний ФС должен быть приближен к типовому эксплуатационному и обеспечивать удобство проведения эксперимента за счет фиксации уровней нагрузки и минимального числа переналадок стенда. Методику построения типовых режимов стендовых испытаний рассмотрим на примере ФС трактора Т-4А. Определение нагрузочных характеристик начинаем с интервальной замены переменных нагрузочных режимов, методика построения которых рассмотрена в работе [3], постоянными ступенчатыми. Для этого обобщенную по всем видам работ плотность вероятности нагрузки представим в виде прерывистой ступенчатой функции (рисунок 1). При этом необходимо соблюдать условие нормировки [11] . Рисунок 1. Обобщенная плотность вероятности момента сопротивления на валу ФС трактора Т-4А Количество участков с постоянными характеристиками нагруженности выбираем из условий обеспечения достаточно высокой точности замены непрерывного загрузочного режима его дискретными значениями и удобства проведения эксперимента. По рекомендациям Д. Тейлора [11] при замене случайной функции, подчиненной нормальному закону распределения, дискретной, для получения приемлемых значений коэффициента согласия , показывающего степень их приближения, число бинов (ступеней) дискретной функции должно удовлетворять условию . Поэтому в нашем случае с целью сокращения переналадок стенда примем . Для удобства проведения расчетов годовую наработку трактора в эксплуатации принимаем условно равной ч. При этом на графиках типового режима нагружения по (рисунок 2) получаем продолжительность режима в часах. Если время эксплуатации трактора в течение года отлично от условно выбранного (для сельскохозяйственных тракторов ч. [3, 5, 6]), продолжительность действия нагрузки на каждой ступени блока определяется по зависимости: Здесь: При этом интервальная площадь для ступенчатой функции распределения определяется площадью соответствующих прямоугольников, на которые расчленялась соответствующая часть площади опытной плотности распределения . Интервалы значений момента сопротивления выбираются из удобства выполнения расчетов и в зависимости от характера изменения интегральной функции. Частота включения в выбранном нагрузочном интервале действия момента сопротивления определяется осреднением типового графика (рисунок 3). Рисунок 2. Типовой режим нагружения трактора Т-4А по моменту сопротивления на валу ФС: 1 – в эксплуатации; 2 – ступенчатый Рисунок 3. Частота включения ФС трактора Т-4А в зависимости от передаваемого момента: 1 – в эксплуатации; 2 – ступенчатый Аналогично моменту сопротивления на валу ФС производится замена графика типового режима работы буксования ступенчатым блоком нагружения (рисунок 4). При этом время испытаний на каждой ступени соответствует времени нагружения по моменту сопротивления. В таблице к рисунку 4 приняты следующие обозначения: и – граничные значения момента сопротивления на валу ФС выбранного нагрузочного режима с постоянными параметрами испытаний; и – постоянные значения момента сопротивления и работы буксования для нагрузочного режима; – число включений в час, соответствующее режиму; – продолжительность испытаний на режиме с постоянными значениями , и при часов; – общее число включений ФС, соответствующее 1000 часам работы трактора в эксплуатации; – число включений ФС на режиме, соответствующее 1000 часам работы трактора в эксплуатации. Рисунок 4. Типовой режим нагружения ФС трактора Т-4А по работе буксования: 1 – в эксплуатации; 2 – ступенчатый Аналогично были получены режимы ресурсных стендовых испытаний для ФС тракторов различного класса и назначения. Методика расчета типового режима нагружения ФС детально изложена в работе [3]. Данные режимы стендовых испытаний ФС тракторов различных классов и назначения, как и их типовые режимы нагружения, существенно различаются. При использовании на тракторе ФС с другим коэффициентом запаса или двигателя с отличающейся внешней скоростной характеристикой нагрузочный режим ресурсных стендовых испытаний требует корректировки, которая производится в следующей последовательности. Сначала по известному номинальному моменту двигателя с использованием рисунка 2 уточняется коэффициент загрузки для каждой ступени блока нагружения. Затем из выражений для расчета работы буксования ФС трактора [5, 6, 8-10] по ранее заданным величинам и методом итераций на ЭВМ находят для каждой ступени блока нагружения момент инерции тракторного агрегата, приведенный к валу двигателя. В результате блок нагружения трактора имеет вид, представленный на рисунке 5. При этом параметры блока нагружения, рассчитанные по предлагаемой методике, для тракторов с дизелями Алтайского моторного завода приведены в таблице 1. Рисунок 5. Блок нагружения трактора Таблица 1 Параметры блока нагружения трактора Марка трактора Ступень блока Параметры нагружения Т-4А I 0,93 2,15 13 47 II 0,56 1,50 16 497 III 0,28 0,81 18 240 IV 0,12 0,65 22 220 ТТ-4 I 1,02 0,88 95 69 II 0,61 0,82 100 734 III 0,31 0,72 112 139 IV 0,18 0,62 122 58 ДТ-75М I 1,03 2,72 20 50 II 0,91 2,19 19 110 III 0,64 1,31 17 680 IV 0,25 0,93 22 160 Таким образом, построенный по данной методике блок нагружения трактора (рисунок 5) является общим для всех ФС данного класса и назначения. Однако нагруженность конкретного ФС определяется не только указанным блоком нагружения, но и конструктивными параметрами фрикционного узла (геометрическими размерами, величиной коэффициента запаса и момента инерции вала двигателя, условиями теплоотвода, числом пар трения, неравномерностью их нагружения и др.). Поэтому при оценке долговечности пар трения ФС типовой блок нагружения по рисунку 5 перестраивается в блок нагружения конкретного ФС (рисунок 6). Каждая ступень этого блока нагружения характеризует величину суммарной работы буксования ФС в эксплуатации и соответствующую максимальную температуру на поверхности трения лимитирующей фрикционной накладки. Таким образом, каждому ФС одного назначения при общем блоке эксплуатационных нагрузок трактора (параметры , , , по рисунку 5) будет соответствовать индивидуальный блок нагружения (параметры ,, , по рисунку 6), определяющий его долговечность. Параметры блока нагружения, подсчитанные для ФС Алтайского моторного завода, приведены в таблице 2. Рисунок 6. Блок нагружения ФС Таблица 2 Параметры блока нагружения ФС Алтайского моторного завода Марка ФС Марка трактора Ступень блока Параметры нагружения 01М Т-4А I 135 105 13 47 64 II 105 50 16 493 394 III 85 22 18 240 95 IV 75 12 22 220 58 01М ТТ-4 I 195 52 95 69 341 II 145 21 100 734 1541 III 95 6 112 139 93 IV 75 3 122 58 21 41 ДТ-75М I 170 95 20 50 95 II 160 75 19 110 157 III 152 45 17 680 520 IV 130 20 22 160 70 При стендовых испытаниях пар трения ФС обычно с целью ускорения испытаний их проводят в форсированном режиме. Наиболее часто это обеспечивается за счет форсирования величины работы буксования или температуры поверхности трения или того и другого параметра одновременно. В результате таких ускоренных стендовых испытаний могут быть получены результаты, существенно отличающиеся от эксплуатационных [3, 7]. Для получения достоверных результатов по износостойкости и эксплуатационному ресурсу пар трения условия нагружения ФС на стенде и в эксплуатации должны быть одинаковыми. Однако если типовой режим нагружения для стендовых ресурсных испытаний по работе буксования и числу включения в час ФС эквивалентен эксплуатационному, то температура контактирующих пар трения будет меньше чем в эксплуатации. Это объясняется отсутствием подвода теплоты от тракторного двигателя к ФС при испытании на стенде с электроприводом [2, 3]. В данной работе предлагается новая методика ускоренных ресурсных стендовых испытаний пар трения ФС тракторов. Суть данной методики заключается в следующем. Для обеспечения эксплуатационного теплового режима работы пар трения сначала определяется объемная температура насыщения одного из ведущих дисков ФС на стенде для всех ступеней блока нагружения. Для этого нагрузка (работа буксования ФС на стенде на -ом режиме нагружения) повторяется с цикличностью до получения установившейся объемной температуры . При этом время включения ФС выбирается так, чтобы обеспечить на стенде близкий к эксплуатационному закон нарастания момента трения. Затем расчетом определяется эксплуатационный тепловой режим ФС для всех ступеней блока нагружения. В результате установившаяся объемная температура одного из ведущих дисков ФС, где установлена термопара для контроля температуры, . Здесь - перепад температур во внутренней полости картера ФС тракторного двигателя и окружающей среды в испытательном боксе. Для каждого значения опытным путем подбирается частота включений ФС на стенде , при которой достигается объемная температура ведущего диска . Так как существенно больше , то на стенде будет существенно больше в эксплуатации. Этим и обеспечивается ускорение испытаний при сохранении реального теплового и силового режима нагружения ФС. Далее для каждого этапа нагружения при заданных и производится набор на стенде необходимого числа циклов нагружения ФС до появления ощутимого суммарного износа. В зависимости от нагруженности и износостойкости пар трения количество циклов нагружения для получения указанного износа для разных конструкций ФС будет различным. Как показали наши испытания, при нагружении реальными эксплуатационными нагрузками отечественных и фирмы VALEO тракторных ФС необходимое суммарное число циклов включения за время стендовых испытаний обычно не превышает 5…10 тысяч. Фактический ресурс накладок ФС в моточасах работы трактора определяется долговечностью лимитирующей накладки по зависимости [3, 5, 6] где: - допустимый износ фрикционной накладки ведомого диска; - наработка трактора в моточасах за год; - число режимов нагружения ФС на стенде; - износ лимитирующей накладки за одно включение на -ом режиме нагружения; - число циклов включения ФС в год на -ом режиме нагружения. Таким образом, предложенный метод ускоренных стендовых испытаний ФС базируется на принципе воспроизведения на стенде режима нагружения эквивалентного эксплуатационному. При этом за счет повышения цикличности включения ФС на стенде в сравнении с эксплуатационной достигается ускорение испытаний. Для проверки достоверности предложенной методики было проведено сопоставление результатов стендовых испытаний натурных образцов и эксплуатационного ресурса ФС тракторов ДТ-75М и ТТ-4. Анализ износостойкости пар трения ФС 32 тракторов ДТ-75М выпуска 1975…1986 г.г. по результатам испытаний МИС Госагропрома позволил оценить ресурс их фрикционных накладок в 3940 моточасов [2]. Ресурс фрикционных накладок ФС ТТ-4 по результатам испытаний 16 тракторов выпуска 1980…1986 г.г., проведенных в леспромхозах ЦНИИМЭ, оценен в 3400 моточаса [2]. Конструктивные особенности указанных ФС, а также результаты стендовых и эксплуатационных испытаний представлены в таблице 3. Хорошая сходимость (погрешность не более 11%) результатов стендовых и эксплуатационных испытаний позволяет рекомендовать предложенный метод для оценки ресурса тракторных ФС. Таблица 3 Результаты ресурсных стендовых испытаний ФС Марка трактора ФС и его размерность Конструктивные особенности Ресурс, ч Погрешность в % Кол-во ведомых дисков Давление р, МПа Шифр накладок Осевая податливость у ведомого диска Стендовый Эксплуатационный ДТ-75М 41-21с1, D=350 мм 2 0,124 56 нет 3550 3940 11 А52.20.000 D=350 мм 2 0,122 56 нет 3240 - - Опытная однодисковая, D=350 мм 1 0,228 56 нет 1860 - - 1 0,228 F-202 есть 6700 - - VALEO, D=350 мм 1 0,236 F-202 есть 6200 - - Опытная однодисковая с автоматом стабилизации нажимного усилия, D=350 мм 1 0,228 F-202 есть 15860 - - ТТ-4 01М-21с1, D=400 мм 2 0,11 56 нет 3700 3400 9 Опытная однодисковая, D=400 мм 1 0,228 F-202 есть 10310 - - 1 0,228 56 нет 1650 - - VALEO, D=380 мм 1 0,205 F-202 есть 6800 - - 1 0,405 BENDJX нет 2200 - - 1 0,205 2124F есть 1580 - - По предложенной методике был определен эксплуатационный ресурс ФС, разработанных на основе рекомендаций работы [2] применительно к материалу фрикционных накладок шифра , ресурс этих же ФС с накладками шифра 56 и ФС фирмы VALEO размерностью мм и мм с фрикционными накладками шифров 56, , и . Испытания выявили значительную неравномерность (в 2…3 раза) износа накладок по парам трения в двухдисковых ФС вследствие их различной силовой и тепловой нагруженности. В однодисковых ФС, разработанных согласно рекомендаций работы [2], и ФС фирмы VALEO, параметры которых соответствуют этим рекомендациям, данный дефект отсутствует. При этом указанные однодисковые ФС отвечают современным требованиям по ресурсу. Ускорение при стендовых испытаниях ФС по предложенной методике по сравнению с эксплуатационными достигает 6…10 раз в зависимости от конструкции, шифра материалов пар трения и условий нагружения ФС в эксплуатации.

About the authors

V. A Mikhaylov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: eco@mami.ru
Dr.Eng., Prof.; +7 (495) 223-05-23 (1313)

N. N Sharipova

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: eco@mami.ru
Ph.D.; +7 (495) 223-05-23 (1313)

M. Y Esenovsky-Lozhkov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: eco@mami.ru
Ph.D.; +7 (495) 223-05-23 (1313)

References

Supplementary files