МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ПОДІЛЛЯ

(м. Хмельницький)

МАНЗЮК ЕДУАРД АНДРІЙОВИЧ

УДК 621.822

ПІДВИЩЕННЯ ПРАЦЕЗДАТНОСТІ ЦИЛІНДРИЧНИХ КІНЕМАТИЧНИХ ПАР З РОЗРИВАМИ ПОВЕРХОНЬ
У РОТАЦІЙНИХ СИСТЕМАХ

Спеціальність: 05. 02. 02 – Машинознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Хмельницький – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Технологічному університеті Поділля (м. Хмельниць-кий) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук,

професор Костогриз Сергій Григорович,

Технологічний університет Поділля,

проректор з навчальної роботи.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук,

професор Ройзман Вілен Петрович,

Технологічний університет Поділля,

завідувач кафедри прикладної механіки;

кандидат технічних наук,

доцент Дубинець Олександр Іванович

Національний технічний університет

“Київський політехнічний інститут”,

завідувач кафедри технічної механіки.

Провідна установа: Національний університет „Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, м. Львів.

Захист відбудеться “12” грудня 2003 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 70.052.02 при Технологічному університеті Поділля за адресою: 29016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й учбовий корпус.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Технологічного університету Поділля за адресою: м. Хмельницький, вул. Кам’янецька 110/1.

Автореферат розісланий “10” листопада 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор Калда Г.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Експлуатація циліндричних кінематичних пар з розривами поверхонь у ротаційних системах виявляє незначну довговічність їх роботи у порівнянні з іншими конструктивними елементами. Такі кінема-тичні пари знайшли використання у меха-нізмах загального призначення, об’ємних насосах та гідравлічних двигунах, роторних систе-мах, спряженнях ряду машин та обладнання і зокрема в швейних машинах. Аналіз експлуа-та-ційної надійності значної кількості кінематичних пар виявив, що у більшості випадків від-мови обумовлені втратою їх працездатності за критеріями віброу-дарної стійкості та зносо-стійкості. З огляду на це, а також враховуючи те, що сфера практичного використання цилін-дричних кінематичних пар з розривами поверхонь досить широка, питання забезпечення працездатності кінематичних пар з розривами поверхонь за критеріями віброударної стійко-сті та зносостій-кості є актуальною проблемою. Застосування відомих методів підвищення працездатності таких кінематичних пар не завжди ефективне. Незважаючи на те, що цій про-блемі приділяли увагу ряд дослідників, вона в повній мірі ще не вирішена.

У зв’язку з цим постає питання з забезпечення працездатності кіне-матичних пар з розривами поверхонь шляхом направленого впливу на меха-ніку взаємодії їх елементів і ме-ханіку трибопроцесів при швидкісних режимах роботи та динамічних навантаженнях. Актуа-льність роботи в цьому напрямку визначається тим, що проблема забезпечення працездатно-сті кінематичних пар з розривами поверхонь досліджена недостатньо і потребує нових підхо-дів для її вирішення. За об’єкт дослідження необхідно вибрати типового предста-вника кіне-матичних пар з розривами поверхонь їх елементів, що працюють при швидкісних режимах та динамічних навантаженнях. Результати дослі-джень повинні бути використані до усього за-галу такого класу кінематичних пар.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась згідно із затвердженою науковою програмою ді-яльності Технологічного університету Поділля (м. Хмельницький) “Розробка навчально-методичного комплексу для активізації навчально-пізнавальної діяльності студентів з курсу теорії машин та механізмів”, № 0197U016019, 1997р., а також відповідає пріоритетному напрямку “Ресурсозберігаючі та енергоефективні технології машинобудування” вказаним в Постанові Кабі-нету Міністрів України № 1716 від 24.12.2001р. “Про затвердження переліку державних наукових і науково-технічних програм з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки на 2002-2006 роки”.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягає у розро-бці методів підвищення працездатності циліндричних кінематичних пар з роз-ривами поверхонь у ротаційних системах за критеріями віброударної стійкості та зносостійкості шляхом направленого впливу на меха-ніку взаємодії їх еле-ментів і обґрунтування таких конструкційних та триботехнічних параме-трів, які дозволяють зменшити віброударну активність та зношування елементів пар тертя.

Цій меті підпорядковані такі завдання:

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Предметом досліджень є працездатність циліндричних кінематичних пар з розри-вами поверхонь у ротаційних системах за критеріями віброударної стійкості та зносостійкості.

Об’єктом дослідження є кінематична пара - швейний гачок-шпулет-римач ротаційного човникового комплекту швейної машини з горизонтальною віссю обертання.

Методи дослідження. Основними методами дослідження, які викори-стовувались в роботі, є аналітичні методи, які ґрунтуються на класичних положеннях теоретичної механіки, машинознавства, теорії синхронізації ди-намічних систем, трибології, прикладної і обчислю-вальної математики, мате-матичної статистики; експериментальні методи із застосуванням оригіналь-ного устаткування.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що

-

-

-

-

-

-

-

Практичне значення одержаних результатів.

Виявлені закономірності взаємодії циліндричних кінематичних пар з розривами по-верхонь у ротаційних системах показали можливість направле-ного впливу на механіку їх взаємодії для підвищення працездатності. Встано-влено, що застосування способу дибалансної синхронізації взаємодії елементів кінематичних пар дозволяє уникнути особливо небажаного перекриття поверхонь тертя.

Здійснення направленого впливу на основні геометричні критерії та параметри, і, насамперед такі, як центральні кути розриву поверхонь та спів-відношення між ними, вели-чини конструкційних зазорів, радіуси поверхонь контакту, вплив на які, поряд із дибалансною синхронізацією елементів кіне-матичних пар, дозволяє забезпечити безударну взаємодію еле-ментів спря-ження і на цій основі забезпечити умови, при яких зношування поверхонь пар тертя суттєво зменшується. Використання способу дисбалансної синхронізації дозволяє (на прикладі човникового комплекту) зменшити віброударну актив-ність у 57 разів.

Розроблені рекомендації як для етапу проектування так і експлуатації щодо забезпе-чення безударної взаємодії елементів циліндричних кінематич-них пар з розривами поверхонь, впровадження яких не вимагає значних ви-трат.

Розроблена методика розрахунку ресурсу елементів кінематичних пар. Отримані за-лежності та співвідношення взаємодії елементів спряження дозволяють прогнозувати їх зно-шування при різних швидкісних режимах ро-боти човникового комплекту. Направлений вплив на ресурс роботи спряження та величину лінійного зношування здійснюється шляхом встано-влення таких параметрів, як радіальний зазор у спряженні, величина кутів розриву повер-хонь, радіуси поверхонь контакту, триботехнічні характеристики матеріалів елементів кінематичної пари. Практичне використання розробленої методики дозволяє підвищити очікуваний ресурс роботи спряження у 2ч3 рази.

Розроблений комплекс прикладних програм для розрахунку ресурсу роботи спря-ження, який ґрунтується на модульному принципі програмування. Структура програмного забезпечення дозволяє практично використовувати програмний комплекс як в цілому, так і окремі модулі та модульні групи. Це дозволяє визначити ресурс роботи спряження; кут контакту, максимальний зна-чення контактного тиску та його розподіл в межах кута контакту у будь-який момент часу; інтенсивність зношування кожного з елементів спряження; вплив деформаційних властивос-тей поверхневих шарів та умов початкового контактування на розподіл контактного тиску та інше.

Розроблена нова конструкція ротаційного човникового комплекту (патент України № 40108 А, бюл. № 6 від 16.07.2001 р.) з підвищеною праце-здатністю, яка досягається шля-хом розташування шпулетримача на пружних елементах.

Розроблена нова конструкція ротаційного човникового комплекту (одержано позитивне рішення) з підвищеною працездатністю, у якій реалізо-ваний спосіб дибалансної син-хронізації елементів кінематичної пари - швей-ний гачок-шпулетримач.

Особистий внесок здобувача полягає в обґрунтовані мети роботи та у вирішенні основних завдань роботи.

Автору належать основні ідеї в розробці методики досліджень, мате-матичних моде-лей, встановлення залежностей та співвідношень, які характе-ризують процес та параметри зношування, а також механічної взаємодії еле-ментів циліндричної кінематичної пари з розри-вами поверхонь; обґрунтування та розробка методики, оригінального устаткування для експериментальних досліджень; узагальнення та формулювання основних висновків по темі ро-боти.

В роботах, виконаних із співавторами, особистий внесок здобувача полягає у вико-нанні теоретичних та експериментальних досліджень, обробці результатів досліджень, науко-вому обґрунтуванні отриманих результатів і формулюванні висновків.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та резуль-тати роботи були представлені і отримали позитивну оцінку на:

-

-

-

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 робіт, з них 6 наукових статей у фахо-вих журналах, одержано 1 деклараційний патент України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, ви-сновків, списку використаних джерел та додатків. Основна частина дисертації викладена на 141 сторінці машинописного тексту, містить 81 рису-нок, 2 таблиці, список використаних джерел з 156 найменувань та 7 додатків. Повний обсяг дисертації становить 179 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета та основні задачі дослі-дження, показані наукова новизна і практичне значення роботи.

В першому розділі подано загальну характеристику роботи циліндрич-них ротаційних кінематичних пар з розривами поверхонь як складної техніч-ної системи, аналіз результатів відомих досліджень роботи та взаємодії її ос-новних конструкційних елементів, існуючих ме-тодів та технічних рішень, що спрямо-вані на підвищення працездатності елементів конструк-ції, мета та конкретні завдання роботи.

Показано, що ротаційні циліндричні кінематичні пари з розривами кон-тактних повер-хонь знайшли широке використання у різноманітних галузях машинобудування. Обґрунто-вано проведення подальших досліджень роботи кінематичних пар на елементи яких накладені слабкі в’язі. Це обумовлено уза-гальненістю використання проведених досліджень до усього класу кінематич-них пар з розривами поверхонь. Для подальших досліджень використовується човниковий комплект, на один з елементів якого (шпулетримач) накладені слабкі в’язі.

Встановлено основні фактори зниження працездатності циліндричних кінематичних пар. Показано, що незалежно від застосування конструкційних та тех-нологічних рішень пра-цездатність вузла визначається роботою кінема-тичної пари з розривами поверхонь.

На основі відомих аналітичних досліджень та експлуатаційних даних уза-гальнені су-часні уявлення про взаємодію елементів кінематичних пар та встановлено основні напрямки підвищення їх працездатності.

Це дозволило статистично обґрунтувати та виділити основний об’єкт, вихід з ладу якого у значній мірі визначає ймовірність відмови машини – ци-ліндричну кінематичну пару з розривами поверхонь. Показано, що надійність роботи машин та механізмів в значній мірі визначається працездатністю кіне-матичної пари з розривами за критеріями віброударної стій-кості та зносостій-кості.

Аналіз існуючих методів та технічних рішень по розробці методів під-вищення праце-здатності елементів конструкції показує, що незважаючи на значну кі-лькість запропонованих підходів працездатність спряження залиша-ється недо-статньою.

Все це обумовило необхідність подальшого пошуку резервів для підви-щення працезда-тності кінематичних пар за критеріями віброударної стійкості та зносостійкості її елементів, використання яких у загальному комплексі уже існуючих мето-дів та технічних рішень дозволило б зменшити віброударну активність та зношування і тим самим підвити їх працездатність. Ці резерви слід шукати у напрямку дослідження процесів взаємодії елементів кінематич-ної пари та їх зношування і визначення параметрів та критеріїв, які впливають на ці процеси з метою формування бажаних умов взаємодії та зношування. Показано необхідність системних досліджень взаємодії елементів спряжень, як нестандартних кінематичних пар.

На снові цього було обґрунтовано і сформульовані мета та основні за-вдання роботи.

В другому розділі виконані теоретичні дослідження механіки взаємодії елементів цилі-ндричної кінематичної пари з розривами контактних поверхонь. Ці дослідження базують-ся на розробленій моделі механічної взаємодії елемен-тів спряження, як динамічної системи із ви-користанням ідей та підходів, які ле-жать в основі теорії синхронізації. Також розроблена ма-тематична модель, яка дозволяє визначити основні співвідношення та критерії впливу геоме-трич-них параметрів спряження на взаємодію елементів кінематичної пари. На ос-нові розроб-лених моделей встановлено умови та па-раметри направленого впливу на механіку, що дозво-ляє забезпечити безударну взаємодію елементів кінематичної пари при наявності розривів поверхонь. Здійснення направле-ного впливу на механіку взаємодії дозволяє значно змен-шити діючі наванта-ження на кінематичну пару і, як наслідок, підвищити віброударну стійкість її елементів. Для обґрунтування моделі механічної взаємодії визначено грани-чну умо-ву (рис. 1), яка розділяє характерні режими взаємодії елементів спря-ження швейний гачок-шпулетримач.

Рис. 1. Графік граничної умови забезпечення кругової траєкторії руху
шпулетримача відносно швейного гачка

Рис. 2. Схема взаємодії елементів кінематичної пари з розривами поверхонь (швейний гачок – шпулетримач):

1 - швейний гачок; 2 - шпулетримач; 3 - ліва стінка паза шпулетримача;
4 - виступ установочного пальця; 5 - права стінка паза шпулетримача;
6 – носик швейного гачка; 7 - зуб обідка шпулетримача

Одним із основних критеріїв, забезпечення якого є необхідною умовою формування за-значеної моделі механічної взаємодії, є встановлення середньо-го значення відхилення кутової швидкості швейного гачка рівним нулю. Для визначення обґрунтованості цього припущення, на прикладі швейної машини, проведені теоретичні дослі-дження динаміки приводу човнико-вого комплекту з циліндричною кінематичної парою, яка має розриви поверхонь.

Згідно цих досліджень при частоті обертання головного вала 3000 об/хв з врахуванням пружних властивостей приводу човникового комплекту відхи-лення кутової швидкості швей-ного гачка складає 0,42%.

Обґрунтовуючи математичну модель дибалансної синхронізації еле-мен-тів кінематичної пари виходимо з таких припущень:

-

-

-

Механічна система, яка складається з неврівноваженого швейного гачка масою М1, шпулетримача масою m. Центр мас швейного гачка, який віддале-ний від точки кріплення на ве-личину (рис. 2) визначає величину диба-лансу системи.

Рух елементів кінематичної пари описується системою диференційних рівнянь

(1)

де L – зведені до вісі обертання обертові моменти, що спричинюють коли-вання;

R0 - зведені до вісі обертання моменти сил опору;

с - ексцентриситет;

g - прискорення вільного падіння;

І - момент інерції шпулетримача, зведений до його осі;

(2)

ІШ - момент інерції шпулетримача відносно центра ваги;

(3)

в0 і в - коефіцієнти в'язкого опору;

с - жорсткість вала на згин по відношенню до сили, яка прикладена в точці О1.

Задача дослідження зводиться до визначення фази век-тора-ексцентри-ситету розташу-вання шпулетримача відносно центра мас швейного гачка С2. Досліджується встано-влення необхідних і достатніх умов існу-вання і стійкості синхронного руху системи у вигляді

(4)

де - періодичні функції часу із періодом .

Розглянемо основний режим стаціонарного обертання, при якому сере-дня кутова швид-кість буде рівна за абсолютною величиною кутовій швидко-сті обертання вала щ.

Для вирішення системи рівнянь (1) використаємо метод малого параме-тра м. Виразимо праву частину першого рівняння системи (1) через малий па-раметр

Момент сил опору обумовлений силою тертя Fу між ви-сту-пом установо-чного пальця і стінкою паза шпулетримача визначається за виразом

, (5)

де - деяке плече сили , причому може залежати від кута повороту екс-центриситету е.

Сила тертя

, (6)

де - сила тиску стінки паза шпулетримача на виступ установочного па-льця;

- коефіцієнт тертя між стінкою паза шпулетримача і виступом уста-новчого па-льця.

Залежність сили тиску стінки паза шпулетримача на виступ установочно-го пальця від кута повороту швейного гачка виражається формулою

, (7)

де f - коефіцієнт тертя між поверхнями паза швейного гачка та обідком шпулетримача;

- кут контакту між швейним гачком та шпулетримачем.

Неявна форма рівняння (7) свідчить про автономний зв'язок сили тертя між виступом установочного пальця і стінкою паза шпулетримача та силою тертя між швейним гачком і шпулетримачем. Сила тертя ком-пенсується відповідним збільшенням сили тертя F.

Так як зв'язок між силами тертя автономний, різниця моментів рівна нулю, тому

(8)

Для визначення фази розташування вектор-ексцентриситета по від-но-шенню до то-чки удару визначимо усереднену функцію Ф за період , яку отримано з вихідної сис-теми при значені малого параметра .

Відповідно фазовий кут для стійкого синхронного руху системи

(9)

Для визначення умов стійкості рішень (4) визначено інтегральний крите-рій стійкості

(10)

При виконанні протилежної умови відповідні рішення нестійкі. Отже, для формування умов синхронної взаємодії елементів кінематичної пари ди-баланс (центр мас швейного гачка) у кінематичній парі слід розташовувати із забезпеченням фазового кута вектор-ексцентриси-тета по відно-шенню до точки співудару в залежності від співвідношень між вла-сною часто-тою віль-них коливань р вала, на якому розташована кінематична пара, та кутовою швидкі-стю вала щ. Так за умовами роботи спряження необхідно розта-шувати центр мас швейного гачка у відповідності до рис. 3, забезпечивши фа-зовий кут . За співвідно-шенням параметрів центр мас розташову-ється згідно рис. 4, при цьому зна-чення фазового кута становить . Під час оббігання шпулетримача по поверхні паза швейного гачка поміт-ні рухи шпулетримача проти напрямку обертання вала. Причиною та-ких рухів є наявність розривів поверхонь спряження. В той же час розриви є при-чиною ударів зуба обідка шпулетримача в поверхню паза швейного гачка (рис. 5). Під дією сили нормального тиску шпулетримач повертається навколо то-чки контакту шпулетримача та швей-ного гачка, що обумовлено наявністю розривів контуру контактних повер-хонь. При цьому точка Z' зуба шпулет-ри-мача ударяється в поверхню паза швейного гачка. Це негативне явище можна уникнути, якщо реакцію удару будуть сприймати не поверхні спря-ження, а виступ установочного пальця і стінка паза шпулетримача.

Умова безударної роботи має вигляд

(11)

де - центральний кут розриву поверхні ковзання обідка шпулетри-мача;

(див. рис. 5).

Рис. 3. Розміщення елементів кінема-тичної пари для випадку уникнення радіального перекриття поверхонь тертя при дорезонанс-них швидкостях роботи вала | Рис. 4. Розміщення елементів кінема-тичної пари для випадку уникнення радіального перекриття поверхонь тертя при зарезонансних швидко-стях роботи вала

Необхідну величину зазору Д (див. рис. ) для забезпечення безуда-рної взаємодії спряження виразимо через значення пара-метрів ак - гори-зонтальна відстань від точки контакту К виступу установочного пальця із сті-нкою паза шпулетримача і точкою контакту елементів спряження; bк - вертикальна відстань від точки конта-кту К виступу установочного пальця із стінкою паза шпулетримача і точ-кою контакту елементів спряження.

При цих умовах взаємодії , внаслідок чого повер-хні тертя сприймають ударні наванта-ження. Крім того відбувається радіальне зміщення шпулетримача відносно швейного гачка з перекрит-тям розривів поверхонь контакту. Як наслідок, відбувається удар зуба по-верхні розриву шпулетримача під час входження у паз швейного гачка.

. (12)

Для умов роботи човникового комплекту , м, м,м, м, зазор Д не більше 62 мкм.

Схеми взаємодії (рис. 6, 7) є небажаними.

Рис. 6. Схема механічної взаємодії елементів кінематичної пари при умові | Рис. 7. Схема механічної взаємодії еле-мен-тів кінематичної пари при умові

Тому необхідно забезпечити значення кута , що відповідає одній з умов

(13)

де - центральний кут розриву поверхні ковзання паза швейного га-чка;

- кут між лінією О1С1, і правою стороною поверхонь, які утворю-ють кут роз-риву паза швейного гачка;

- половинний кут контакту елементів спряження.

В третьому розділі розроблена модель та методика розрахунку зношу-вання та ресурсу роботи кінематич-ної пари, яка працює в умовах граничного тертя. Основою моделі є метод визначення кон-тактного тиску в парі тертя, як визначального фактора фрикційного руйнуван-ня на основі поетапного вирі-шення інтегро-диференційного рівняння з вра-хуванням зміни геометрії конта-ктних поверхонь та їх зношування в процесі експлуатації спряження. Метод ґрунтується на розробленій математичній моделі зношування у якій за базову часову параметричну змінну взято контактний тиск. При цьому спряження моделюється як змішана пара тертя, в якій вра-ховується кінетика зміни конта-ктних параметрів спряження в процесі його експлуатації і ево-люція форми робочих поверхонь в процесі їх зношування.

При досліджені зношування кінематичної пари виходили з того, що вона являє собою спряження областей з круговими гра-ницями на початку експлуа-тації їх контактування здійс-нюється по дузі контакту, в межах якої розподіля-ється контактний тиск. В процесі експлуата-ції внаслідок зношування зміню-ється як геометрія контак-туючих поверхонь, так і значення кута контакту. Зміна кута контакту призво-дить до зміни діючих контактних тисків, а отже і величини лінійної інтенсив-ності зношування.

Лінійне зношування спряження виражається залежністю

(14)

де - лінійна інтенсивність зношування кінематичної пари;

- шлях тертя кінематичної пари;

р - контактний тиск у спряжені.

При вирішені рівняння (14) чисельним методом використаємо пряму по-становку задачі, яка записується у вигляді

(15)

Тобто за попереднім значенням контактних тисків обраховують-ся шлях тертя і інтенси-вність зношування спряження. На основі чисельного моделю-вання визначається величина лінійного зношування, яка відповідає зміні мак-симального значення контактного тиску на фіксований крок Др. Величина інтенсивності зношування залежить від значення контактного тиску, який діє у розрахункові точці при переміщені поверхні обідка шпулетримача. З враху-ванням симетрії задачі поверхню контакту, обмежену кутом и0, розділено на кінцеву кількість N рівновіддалених точок (рис. 8) і визна-чено у цих точках значення контактного тиску.

Тоді величина лінійного зношування набуде наступного вигляду

(16)

де N - кількість вузлів інтерполяції;

- значення контактного тиску в цих вузлах.

Внаслідок місцевого зношування поверхні паза швейного гачка границя його області за межами контакту буде відміною від кругової (рис. 9).

Кут контакту в процесі зношування поверхонь з врахуванням кінетики контактних па-раметрів визначається на основі зміни геометрії контактних по-верхонь елементів спряження, яка є наслідком їх зношування (рис. 10).

(17)

Рис. 8. Схема розпо-ділу контактного ти-ску в межах кута кон-такту | Рис. 9. Форма контак-тних поверхонь, яка утворилася внаслідок їх зношування | Рис. 10. Схема розподілення кута контакту поверхонь в процесі зношування спря-ження

Час експлуатації спряження, який відповідає величині лінійного зношу-вання при вирі-шені (16) обчислюється за виразом

(18)

Визначається величина часового проміжку за який зношування елементів кінематичної пари призведе до зміни кута контакту, і, як наслідок, до пере-розподілу контактного тиску, максимальне значення якого зміниться на фіксо-вану визначену нами величину.

Час росту кута контакту для фіксованого значення контактних тисків, які відповідають значенню лінійного зношування подано на рис. 11.

Рис. 11. Графік визначення часу експлуатації за який кут контакту досягне мак-сима-льного значення при фіксованому значені контактних тисків

Контактний тиск визначається на основі вирішення інтеро-диференцій-ного рівняння з врахуванням деформаційних властивостей поверхневих шарів контактуючих поверхонь.

(19)

де ;

(і = 1, 2 відповідно матеріал швейного гачка і шпулетри-мача);

- коефіцієнт Пуассона;

;

Р - діюче радіальне навантаження на спряження;

- ширина поверхні обідка шпулетримача;

- модуль Юнга.

Розв'язок рівняння (19) шукаємо методом колокації. Апроксимована фу-нкція контакт-ного тиску має вигляд

(20)

В четвертому розділі розглянуті питання техніки та методики експери-ментальних до-сліджень швидкісних процесів механічної взаємодії елементів спряження. Подано опис та характеристика спеціально розробленого устатку-вання для:

-

-

-

Проведені експериментальні дослідження підтверджують можливість практичного ви-користання способу дибалансної синхронізації для забезпе-чення безударної взаємодії елемен-тів кінематичної пари з розривами повер-хонь.

Аналіз експериментальних даних, на прикладі човникового комплекту показує, що ім-пуль-сні навантаження виникають при частоті обертання швей-ного гачка 2760 об/хв і досяга-ють значення 3,53 Н. Максимальне значення імпульсного наванта-ження складає 11,18 Н при частоті обертання швейного гачка 4500 об/хв. Збі-льшення імпульсних навантажень у кінема-тичній парі починається з частоти обертання швейного гачка, при якій шпулетримача об-бігає поверхню швейного гачка. З подальшим ростом частоти обертання, ве-личина імпульсних навантажень зростає. Величина пікових значень діючих навантажень, при загальному характерному збільшені, має певне розсіювання. Це можна пояснити різним положенням шпулетримача по відношенню до швейного гачка при радіальному перекритті поверхонь тертя. Подана мето-дика експериментальних досліджень та обробка їх результатів.

Проведені експериментальні дослідження, які дозволили визначити шви-дкісну характеристику коефіцієнта тертя у спряжені, та встановити її екст-ре-мум (рис. 12).

Подана методика проведення експериментальних досліджень та обробка одержаних результатів.

Рис. 12. Залежність коефіцієнта тертя від частоти обертання
кінематичної пари виготовленої їх сталей ШХ 15 - А12

В п'ятому розділі подані рекомендації та методика для практичного ви-користання результатів проведених досліджень. Даються приклади практич-ного здійснення направленого впливу на процес зношування кінематичної пари та механіку взаємодії елементів циліндричних кінематичних пар з розри-вами поверхонь.

Розроблені рекомендації щодо практичного застосування способу диба-лансної синхронізації при дорезонансних та зарезонансних режимах роботи ротаційної механічної системи для забезпечення безударної роботи.

За допомогою розробленої методики розрахунку ресурсу роботи кінема-тичних пар виявлено, що найбільш суттєвий вплив на процеси зношування та ресурс роботи визначають умови початкового контактування елементів кіне-матичної пари.

Подані практичні рекомендації використання розробленого програмного забезпечення розрахунку ресурсу роботи кінематичних пар з розривами пове-рхонь.

Запропонована методика дозволяє визначити такі основні параметри контактної взаємодії, як кут контакту, розподіл контактного тиску, інтенсив-ність зношування поверхні швейного гачка та зміну її значення у розраху-нко-вій точці обідка шпулетримача в межах кута контакту, величину лінійного зношу-вання кожного з елементів кінематичної пари у будь-який момент часу.

Основними факторами, які визначають кут контакту та контактний тиск на початкових умовах контактування, є величина радіального зазору у спряже-ні та фізико-механічні властивості матеріалів.

При інших рівних умовах зменшення радіального зазору з 50 мкм до 20 мкм збільшує ресурс роботи спряження з 208 до 369 годин тобто 43% за умови втрати працездатності спряження з радіальним зазором 0,11 мм.

На основі одержаної експериментальним шляхом (див. рис. 12) швидкіс-ної характеристики коефіцієнта тертя визначимо основні триботехнічні пара-метри кінематичної пари. Коефіцієнти тертя, які відповідають швидкостям роботи човнико-вого комплекту 4500, 5000, 5500 такі 0,067, 0,056, 0,047. Очі-куваний ресурс роботи спряження при різних значеннях коефіцієнтів тертя відпо-відно 0,067 - 95 годин, 0,056 - 208 годин, 0,047 - 550 годин. Розраховані основні характеристики спряження подані на рис. 13-14.

Рис. 13. Інтенсивність зношування поверхні шпулетримача у межах кута контакту при значеннях коефіцієнта тертя 1 - 0,047; 2 - 0,056; 3 - 0,067 | Рис. 14. Інтенсивність зношування поверхні паза швейного гачка в про-цесі експлуатації кінематичної пари при значеннях коефіцієнта тертя 1 - 0,047; 2 - 0,056; 3 - 0,067

ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що циліндричні кінематичні пари з розривами контакт-них поверхонь у значній мірі обумовлюють працездатність ротаційних систем різного призначення.

2. Розроблена математична модель синхронізації механічної взаємодії елементів кінематичних пар з розривами поверхонь, на основі якої встановлені можливості направленого впливу на механіку взаємодії елементів кінематич-них пар з метою зменшення динамічних навантажень на границях розривів. Визначено геометричні параметри кінематичної пари та встановлено граничні критерії для забезпечення безударної взаємодії її елементів.

3. Обґрунтована можливість дибалансної синхронізації роботи циліндричних кінематичних пари з розривами поверхонь, внаслідок якої лік-відуються імпульсні навантаження на границях розривів.

4. Розроблений комплекс устаткування для дослідження дибалансної синхронізації взаємодії елементів кінематичних пар з розривами поверхонь та швидкісної характеристики коефіцієнта тертя. В результаті експерименталь-них досліджень отриманий фактичний матеріал відносно дибалансної синхро-нізації елементів кінематичних пар та швидкісної характеристики коефіцієнта тертя, який підтверджує основні положення розроблених моделей. Застосу-вання дибалансної синхронізації дозволяє зменшити віброударну активність у 57 разів.

5. Розроблена методика оцінки ресурсу роботи елементів кінематичних пар, яка враховує основні триботехнічні параметри спряження та їх еволюцію в процесі зношування. Показано, що на процеси тертя та зношування кінема-тичної пари суттєво впливають умови початкового контактування тіл тертя. Обґрунтовано можливість та принципи направленого впливу на ресурс роботи човникового комплекту. Направлений вплив на ресурс роботи спряження та величину лінійного зношування здійснюється шляхом встановлення таких параметрів, як радіальний зазор у спряженні, величина кутів розриву повер-хонь, радіуси поверхонь контакту, триботехнічні характеристики матеріалів елементів кінематичної пари. Практичне використання розробленої методики дозволяє підвищити очікуваний ресурс роботи спряження у 2ч3 рази.

6. Розроблені алгоритми та комплекс програмного забезпечення розраху-нку ресурсу роботи кінематичних пар з розривами поверхонь.

7. Рекомендації та методики для практичного використання результатів теоретичних та експериментальних досліджень можуть бути застосовні для усього класу ротаційних циліндричних кінематичних пар з розривами елемен-тів.

8. Розроблені принципово нові конструкції човникового комплекту, які характеризується підвищеною працездатністю при високих швидкостях ро-боти за критеріями віброударної стійкості та зносостійкості.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧЕМ
ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Особистий внесок здобувача у друкованих працях написаних із співавторами.

У роботах [1, 2] здобувачеві належить встановлення залежностей та співвід-ношень проведених досліджень, обґрунтування та обробка результатів досліджень.

У роботі [3] – проведення статистичного обґрунтування розробки системати-зації і прогнозування відмов устаткування, проведення досліджень та обробка їх результатів.

У роботі [4] – наукове обґрунтування проведених досліджень, розробка мате-матичної моделі та формулюванні основних висновків.

У роботі [5] – виконання теоретичних досліджень, розробка математичних мо-делей, встановлені основних залежностей та співвідношень, які характеризують процес механічної взаємодії елементів кінематичної пари.

У роботі [6] – розробка математичних моделей, наукове обґрунтування отриманих результатів, формулювання висновків.

У роботі [7] – розробка основних ідей, які лягли в основу патенту, розробка патентного рішення, формулювання формули винаходу.

АНОТАЦІЯ

Манзюк Е. А. Підвищення працездатності циліндричних кінематич-них пар з розривами поверхонь у ротаційних системах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 - машинознавство, Технологічний уні-верситет Поділля, Хмельницький, 2003.

Дисертацією є рукопис, який містить теоретичні розробки та експеримен-тальні дослідження в області машинознавства циліндричних кінематичних пар, які мають розриви поверхонь з метою розробки методів підвищення їх працезда-тності. Розроблений та запропонований спосіб дибалансної синхроні-зації елементів кінематичних пар, для забезпечення їх безударної взаємодії. Роз-роблена методика розрахунку зношу-вання, яка дозволяє прогнозувати ресурс роботи спряження та враховує основні триботехнічні параметри спряження і їх еволюцію в процесі зношування. Показано, що на процеси тертя та зношування кінематичної пари суттєво впливають умови початкового контактування тіл тертя. Обґрунтовано можливість та принципи направленого впливу на механіку взаємодії елементів кінематичної пари з розривами поверхонь та їх зношуван-ням у напрямку підвищення її працездатності за критеріями віброударної стій-кості та зносостійкості.

Ключові слова: кінематична пара, розриви поверхонь, ротаційні системи, дибалансна синхронізація, механічна взаємодія.

SUMMARY

Manzyuk E. A. Increase of working capability of cinematic pairs with surruptures in rotary systems. – Manuscript.

Thesis for obtaining the technical sciences scientific degree in specialty 05.02.02 – machinery science, Technological university of Podillya, Khmelnytsky, 2003.

The thesis is a manuscript which contains theoretical elaboration and experiresearches in the machinery science field of cylindrical cinematic pairs that have surfaces ruptures aiming the elaboration of their working capability methods increase. The mode of dibalanced synchronization of the cinematic pairs elements for providing their bumpless interaction is elaborated and suggested. The methods of wear calculation, which allow to forecast the work junction resource and consider main tribotechnic junction parameters and their evolution in the wear process, are worked out. It is demonstrated that the conditions of starting contact of bodies friction have considerable impact on the friction processes and cinematic pairs wear. The possibility and principles of directed influence on the mechanics of cinematic pairs elements inwith surfaces ruptures and their wear in the direction of their working capa-bility under the criteria of vibroimpulsive resistance and wearability are substantiated.

Key words: cinematic pairs, surfaces ruptures, rotary systems, dibalanced syn-chronization, mechanic interaction.

АННОТАЦИЯ

Манзюк Э. А. Повышение работоспособности цилиндрических кинематиче-ских пар с разрывами поверхностей в ротационных системах. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специ-альностью 05.02.02 - машиноведение, Технологический университет Подолья, Хмель-ницкий, 2003.

Диссертацией есть рукопись, которая содержит теоретические разработки и экс-периментальные исследования в области машиноведения цилиндрических кинематиче-ских пар, которые имеют разрывы поверхностей с целью разработки методов повыше-ния их работоспособности.

Обоснована цель и основные задачи исследований в направлении повышения ра-ботоспособности цилиндрических кинематических пар с разрывами поверхностей в ротационных системах. Показано, что исследования следует проводить на кинематиче-ских парах на элементы которых наложенные слабые вязи. Это обусловлено возможно-стью применения проведенных исследований на весь класс кинематических пар с раз-рывами поверхностей.

На основе известных аналитических исследований и эксплуатационных данных обобщенны современные представления о взаимодействии элементов кинематических пар и установлены основные направления повышения их работоспособности. Для обос-нования актуальности поставленной проблемы проведены статистические исследова-ния, которые подтвердили основные положения поставленных задач.

Разработана математическая модель взаимодействия элементов кинематиче-ских пар с разрывами контактных поверхностей, на основе которой обоснованный но-вый способ направленного влияния на механику взаимодействия элементов цилиндри-ческих кинематических пар с разрывами поверхностей в ротационных системах на ос-нове дибалансной синхронизации работы элементов сопряжения при скоростных ре-жимах работы. Способ дибалансной синхронизации реализуется путем обеспечения фазы расположения радиуса-вектора центра масс вращающегося элемента по отноше-нию к точке удара элементов механической системы. Установлено, что безударное взаимодействие элементов сопряжения определяет распределение масс в механической системе, а также такие геометрические параметры кинематической пары как углы раз-рывов, радиусы поверхностей сопряжения и относительное расположение элементов пары.

Исследованы характерные режимы взаимодействия элементов кинематической пары, на элементы которой наложены слабые вязи. Элементы механической системы со слабыми связями в зависимости от частоты вращения ротационной системы находятся в режиме маятниковых колебаний или в режиме обкатки. Именно в режиме обкатки и необходимо использовать способ дибалансной синхронизации.

Проведены исследования использования способа дибалансної синхронизации в случае работы