ПІСТУНОВ ІГОР МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 621.89 : 621.974.4

МОДЕЛІ ТА МЕТОДИ ОПТИМІЗАЦІЇ ТРИБОТЕХНІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ ВУЗЛІВ ТЕРТЯ КОВАЛЬСЬКО-ШТАМПУВАЛЬНОГО ОБЛАДНАННЯ

Спеціальність 05.02.04 – “Тертя та зношування в машинах”..

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

КИЇВ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ.)

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор , Національна металургійна академія України, завідувач кафедри машин та агрегатів металургійного виробництва. (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кузьменко Анатолій Григорович, Технологічний університет Поділля, завідувач кафедри зносостійкості і надійності машин (м. Хмельницький).

доктор технічних наук, професор Щепетов Віталій Володимирович, Національний авіаційний університет, кафедра технології аеропортів (м. Київ)

доктор технічних наук, професор Рей Роман Іванович, Національний університет ім.. Володимира Даля, завідувач кафедри процесів та машин обробки тиском (м. Луганськ)

Провідна установа: Національний технологічний університет (м. Запоріжжя).

Захист відбудеться “ 20 ” квітня 2006 р. о годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26 062.04 Національного авіаційного університету за адресою: 03058, м. Київ, пр. космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного авіаційного університету м. Київ, пр. космонавта Комарова 1.

Автореферат розісланий “__13__”_березня______2006 р.

Вчений секретар Спеціалізованої

вченої ради Д 26 062.04

кандидат технічних наук, доцент О.Л. Матвеєва

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Ковальсько-штампувальне обладнання є основним в сучасному масовому виробництві. Практично 60-70% всієї світової продукції масового споживання виготовляється саме на ньому. Вузли тертя ковальсько-штампувального обладнання, яке використовується, в основному, на підприємствах, ще й досі проектуються і експлуатуються тільки з застосуванням рідкого чи консистентного мастила. Такі заходи вимагають створення і підтримання в робочому стані системи змащування, вихід з ладу яких може спричинити до заклинювання цих вузлів тертя, а отже знижує надійність роботи устаткування в цілому. Зменшення кількості вузлів в агрегатах ковальсько-штампувального обладнання можна вести за рахунок системи змащування, шляхом заміни змащування рідким чи консистентними мастилами на застосування антифрикційних самозмазувальних матеріалів.

Актуальність теми. Експлуатаційна працездатність трибосистем вузлів тертя ковальсько-штампувального обладнання обумовлена тертям сталевих загартованих поверхонь.

Технологічні методи зменшення тертя, що застосовуються, обмежені використанням рідких або консистентних мастил. Ресурс таких вузлів в багатьох випадках не відповідає сучасним вимогам і залишається низьким ще і в наслідок частого виходу з ладу систем змащування. У той же час, застосування існуючих антифрикційних полімерних матеріалів спроможне вирішити цю проблему. Перешкодою в цьому напрямку є складність вибору такого матеріалу, який би відповідав особливостям роботи конкретного вузла тертя.

В роботах І.В. Крагельського, Б.І. Костецького, А.В. Чичинадзе, Ю.Н. Дроздова, Г.Ф. Трояновської та М.Н. Зеленської розроблено методики для розрахунку триботехнічних параметрів при умові, що відомі фізико-технічні параметри матеріалів, визначення яких є складною науковою задачею. Окрім того, застосування цих методик вимагало б повного розрахунку для всіх існуючих матеріалів за режимами роботи конкретного вузла тертя.

Таким чином, вирішення загальної проблеми підвищення працездатності вузлів тертя ковальсько-штампувального обладнання потребує подолання існуючого протиріччя між потребою в значній кількості розрахунків та визначення фізико-технічних параметрів для всіх типів антифрикційних матеріалів (АФ) з нагальною потребою точного визначення конкретної марки АФ, яка б відповідала режимам роботи вузла тертя. Це протиріччя являє собою суть проблемної ситуації, відображенням якої є актуальна наукова проблема розробки теоретичних основ оптимізації показників технічного стану вузлів тертя з визначенням таких фізико механічних характеристик, мінімальний набір яких вичерпно характеризує фізико-технічні параметри АФ.

Отже, необхідність теоретичного та експериментального дослідження основ є актуальною, оскільки диктується завданнями теорії та вимогами практики.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. При підготовці дисертації були використані матеріали з виконання науково-дослідних робіт з такими номерами державної реєстрації:

џ №08832715, №08832175, №08873715 за загальним науковим напрямком створення спеціальних машин і агрегатів та вузлів тертя для них;

џ № 0100U001822 (ГП-252) “Теоретичне обґрунтування критеріїв якості та методів оптимізації дискретних механічних систем з в’язкопружними внутрішніми та неголономними зовнішніми зв’язками”;

џ №Г306F10009 Міністерства освіти і науки України за загальним науковим напрямком підвищення надійності машин і агрегатів та вузлів тертя для них.

Мета і завдання дослідження. Метою цієї роботи є покращання триботехнічних і конструкційних показників вузлів тертя ковальсько-штампувального обладнання шляхом оптимізації їх технічного стану.

Для досягнення означеної мети в роботі вирішувалися такі завдання:

1. Удосконалення теоретичних основ оптимізації технічного стану вузлів тертя ковальсько-штампувального обладнання шляхом створення математичних моделей втрат на тертя у сферичному та циліндричному шарнірах, а також у кульковому передавальному механізмі, які містять антифрикційні матеріали.

2. Розробка методики оптимального вибору антифрикційного матеріалу.

3. Створення оптимальних конструкцій антифрикційних вкладишів.

4. Розробка нових методик планування триботехнічних експериментів, які дозволили б будувати плани типу “склад–властивість” з меншою кількістю точок плану, але без втрати його інформативності.

5. Обґрунтування принципів оптимальної побудови модельних експериментів.

6. Визначення можливих похибок при вимірюванні коефіцієнта тертя.

7. Розробка методики апроксимації коефіцієнта тертя для випадків якісного переходу від одного виду тертя до іншого.

Об'єкт дослідження: процеси тертя і зношування у вузлах машин та агрегатів ковальсько-штампувального обладнання, які містять антифрикційні матеріали.

Предмет дослідження: параметри залежності й закономірності втрат на тертя та зношування у сферичних і циліндричних шарнірах і кулькових передавальних механізмах, що містять антифрикційні матеріали і працюють у вузлах тертя машин та агрегатів ковальсько-штампувального обладнання.

Методи дослідження: у роботі використовувались методи: розрахунково-аналітичні, теоретичні, експериментальні; системного аналізу і математичного моделювання процесу тертя у сферичному шарнірі й прогнозування зносостійкості вузлів тертя; фізичного моделювання процесів тертя. Використовувались також власні методи дослідження: оптимізації розрахунку масштабних коефіцієнтів переходу модель-зразок; планування експериментів на базі чисел Соболя: визначення інерційних похибок при вимірюванні сил (моментів) тертя; вимірювання крайових кутів змочування; випробування антифрикційних матеріалів на спеціальних стендах; апроксимації результатів триботехнічних експериментів; оцінки антифрикційних властивостей полімерних матеріалів.

Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено основні наукові положення, які відображають експериментальні й аналітичні закономірності тертя та зношування антифрикційних матеріалів, що стали теоретичною базою для обґрунтування основ оптимального їх застосування у вузлах тертя ковальсько-штампувального обладнання.

1. Уперше сформульовано оптимальну задачу вибору антифрикційних матеріалів для вузлів тертя ковальсько-штампувального обладнання за критеріями мінімуму відхилення втрат на тертя або довговічності вузла тертя від наперед заданого значення, яка відрізняється від існуючих використанням крайового кута змочування і твердості полімеру за Брінеллем як змінних параметрів оптимізації.

2. Створено математичну модель тертя у сферичному шарнірі з антифрикційними вкладишами з урахуванням можливої динаміки зміни режимів роботи і коефіцієнта тертя, у якій враховано товщину антифрикційного вкладиша, що не перевищує 1,5 % від діаметра шарніра.

3. Уперше встановлено залежності оптимальної форми антифрикційних вкладишів для повновимірного сферичного шарніра, для сферичного шарніра зі зрізаним полюсом, а також для циліндричного шарніра, які працюють в обертальному та зворотно-поступальному рухах вузлів тертя ковальсько-штампувального обладнання. Від існуючих оптимальна форма відрізняється забезпеченням рівномірного питомого тиску по всій поверхні вкладиша, що дає подовження терміну її експлуатації.

4. Допрацьовано математичні залежності втрат на тертя в кульковому передавальному механізмі з урахуванням усіх типів ділянок трубопроводу, які забезпечують більшу точність розрахунків втрат на тертя, і вперше знайдено залежності для S-подібної ділянки, а також для втрат на тертя при переході з однієї ділянки на іншу. Уперше сформульовано можливість створення оптимальної форми трубопроводу. Визначено, що втрати на тертя на прямих ділянках трубопроводу зменшуються разом зі зменшенням відношення діаметрів трубопроводу та кульки та мають сідлоподібний характер для криволінійної ділянки з мінімумом на 85% цього відношення.

5. Уперше визначено, що графік зміни сили (моменту) тертя у часі у вузлах ковальсько-штампувального обладнання є також графіком інерційних похибок вимірювання цієї сили (моменту), які прямо пропорційні масі вимірювальної системи, куту нахилу цього графіка відносно осі часу і кінематичній схемі системи вимірювання. Цей ефект діє на всіх значеннях режимів роботи вузлів тертя.

6. Доведено зворотний зв’язок адгезійної складової сили тертя з логарифмом синуса крайового кута змочування водою для метало-полімерних пар тертя, якщо твердість полімеру за Брінеллем не перевищує 120 МПа.

7. Доведено можливість використання математичного методу кластерного аналізу для апроксимації експериментальних даних, який дозволяє створити адекватну узагальнюючу модель метало-полімерної пари тертя, яка відрізняється від існуючих підвищеною точністю і дозволяє проводити апроксимацію у випадку якісних змін у процесі тертя цих пар.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі розроблених оригінальних методик розраховано оптимальні типи антифрикційних матеріалів для підшипника ковзання вала піднімального стола стана 550, сферичного шарніра преса КА2330, циліндричного шарніра в обертальному та зворотно-поступальному рухах для преса КА2330, довговимірної напрямної для кліщової подачі КП-8, оптимальні форми вкладишів з цих антифрикційних матеріалів для деталей шатуна і повзуна преса КА2330, ексцентрикової втулки шатуна, шарнірної опори шатуна і повзуна; оптимальну форму трубопроводу при заміні пневмомагістралі автоматики КГШП кулькопроводами.

На рівні винаходу розроблено схему розташування антифрикційних вкладишів у шарнірі зі зрізаним полюсом і з повним приляганням сферичної п’яти до основи; конструкцію силових елементів трубопроводу для кулькового передавального механізму; конструкцію циліндричних опор ковзання в обертальному русі; конструкції установок для експериментальних випробувань матеріалів на тертя та знос по схемі “за свіжим слідом”, у сферичних шарнірах при підвищених температурах, в умовах зворотно-поступального руху, в кульковому передавальному механізмі й оригінальну форму елементів цього механізму; методику порівняльного аналізу антифрикційних властивостей полімерних матеріалів; пристрій для вимірювання крайових кутів змочування полімерних матеріалів при підвищених та знижених температурах; прилад для визначення типу зносу.

Запропоновану форму антифрикційних вкладишів використано для пресів листоштампувальних , і , пресів для гарячого штампування П2038Б, ПБ2638 і ПБ2640, ковальського устаткування П1035, АКП500/2,5 і П1837 на ВАТ „Завод Дніпропрес” та для сферичної опори на дочірньому підприємстві „Вільногірський державний гірничо-металургійний комбінат”. В Орджонікідзевському ГЗК та Костянтинівському розрізі ДХК “Олександріявугілля” методика розрахунку оптимальної форми вкладишів прийнята для запровадження, що дозволило знизити необхідну потужність приводів та їх вагу, підвищити експлуатаційні характеристики всього механізму і машини загалом, зробити не потрібним гартування поверхні сферичної п’яти, а заміну антифрикційного вкладиша робити у польових умовах. Запровадження дозволило отримати сумарний економічний ефект у розмірі 150,7 тис. грн.

Розроблена методика вибору антифрикційних матеріалів застосовується при проектуванні вузлів тертя машин обробки тиском (прокатних станах) в “Укрдіпромез”, м. Дніпропетровськ.

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень отримано автором самостійно. У результатах досліджень, опублікованих у співавторстві, автором виконано розробку математичних моделей, алгоритмів і програм розрахунку числових характеристик констант в апроксимуючих залежностях, розрахунку системи інтегральних рівнянь для моделі сферичного шарніра, залежності коефіцієнтів на тертя втрат від зазору в кульковому передавальному механізмі, величини інерційних похибок при вимірюванні сили чи моменту тертя, розрахунку плану експерименту, що базується на числах Соболя. Автор брав участь у проведенні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів методами математичної статистики, впровадженні результатів роботи в промисловість.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації пройшли апробацію на наукових семінарах: кафедри машин та агрегатів металургійного виробництва Національної металургійної академії України, кафедри гірничих машин Національного гірничого університету, відділу конструювання гірничорудного та ковальсько-пресового устаткування Інституту геотехнічної механіки АН України, відділу динаміки складних систем Інституту проблем механіки ім. С.П.Тимошенка, кафедри колісного і гусеничного транспорту Харківського політехнічного інституту, науковому семінарі кафедри гідравліки Національного технічного університету „Київська Політехніка”, відділу конструювання гірничорудного та ковальсько-пресового устаткування Новокраматорського машинобудівного заводу. Матеріали, представлені в дисертації розглядалися на таких наукових конференціях: 6-му Міжнародному Конгресі з трибології “EUROTRIB–93” (м. Будапешт, Угорщина, 30 серпня-–2 вересня 1993 р.); Всеукраїнській науково-практичній конференції “Україна наукова–2000” (м. Дніпропетровськ, 10-24 травня 2002 р.), технічній конференції “Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу” (м. Дніпропетровськ, 28–31 травня 2002 р.) та на IV міжнародній науково-практичній конференції „Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу” (м. Дніпропетровськ, 25-28 травня 2004 р.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 43 наукових роботах. Серед них: 24 статті у фахових журналах та збірниках наукових праць, 5 тез доповідей, 14 авторських свідоцтв.

Структура і обсяг роботи. Робота складається зі вступу, шести розділів, висновків за розділами, загальних висновків та рекомендацій (викладено на 340 сторінках), переліку використаної літератури (310 найменувань на 35 сторінках) і додатків (на 46 сторінках). Загальний обсяг дисертації становить 420 сторінок, в тому числі 111 рисунків і 42 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі показано актуальність розглянутої проблеми, сформульовано мету і завдання дисертаційної роботи, її наукову новизну і практичну цінність.

У першому розділі проведено літературний огляд, який показав, що машини ковальсько-штампувального виробництва розрізняються між собою не тільки по конструкції і розмірам, але і по самому принципі дії на п'ять основних груп: 1) молоти; 2) гідравлічні преси; 3) механічні преси; 4) кривошипні горизонтальні машини; 5) ротаційні машини. Вони, а значить і їхні вузли тертя ковзання, працюють у важких режимах: питомий тиск в зоні тертя до 100 МПа, швидкість відносного ковзання сягає 30 м/с, температура нагріву – до 673 К. В той же час, вузли тертя ковальсько-штампувального обладнання проектуються й експлуатуються з розрахунку тільки на рідке чи консистентне мастило, хоча за останній час було розроблено значну кількість полімерних матеріалів, застосування яких робить змащування вузлів тертя або непотрібним, або дає можливість замінити системи рідкого змащування закладкою консистентного мастила. Такі матеріали мають широке застосування в авіаційній, верстатобудівельній, автомобілебудівній промисловості, але практично не використовуються в ковальсько-штампувальному обладнанні. Запровадженню полімерних матеріалів заважає відсутність єдиної методики підбору оптимального матеріалу для конкретного вузла тертя машин ковальсько-штампувального обладнання з урахуванням його режимів роботи та фізико-механічних властивостей матеріалів пари тертя. Існуючі методики фізичного моделювання тертя, незважаючи на декларативну універсальність, насправді є реалізацією конкретної схеми тертя, яка непридатна для випробування в інших випадках і, отже, потрібне створення власних фізичних моделей. Існуючі методики розрахунку триботехнічних параметрів вимагають визначення значної кількості фізико-механічних властивостей матеріалів пари тертя, сам процес якого такий само громіздкий як і триботехнічні випробування. До того ж, всі ці параметри в процесі тертя змінюють свої значення, отже розрахунки за існуючими теоріями тертя й зносу для полімерних матеріалів придатні тільки для початкового моменту тертя. Крайовий кут змочування матеріалів може вважатися інтегральним параметром, що характеризує адгезійні властивості полімерних матеріалів у процесі тертя, але для нових матеріалів його значення невідоме, отже потрібна установка для його визначення при зміні температури, але такої конструкції немає. Процес тертя часто супроводжується якісними змінами в його перебігу, отже існуючі методики апроксимації експериментальних даних не дозволяють їх врахувати, оскільки вся методика апроксимації базується на теорії гладких кривих. А для можливих розривних функцій такої методики немає. Моделювання процесу тертя потребує можливості перерахунку результатів випробування моделі на натуру. При застосуванні тих же матеріалів, що і в реальній парі тертя, вимагає, при розрахунку масштабних коефіцієнтів переходу, значної зміни режимів випробувань, але й самі експериментальні установки не завжди можуть відтворити режими роботи реального вузла тертя. Така проблема потреби підбору необхідних значень масштабних коефіцієнтів переходу, але методики такого підбору не існує. Плани експерименту, які розроблені натепер, вимагають або значної кількості експериментів, або і водночас, дотримання фіксованих значень чинників, що не завжди можливо дотримати або просто дорого, для використання. Для планів же типу “властивість - якість” кількість експериментів росте в степеневій залежності, що робить їх просто непридатними для планування експериментів по підбору потрібних матеріалів для конкретної пари тертя. І оскільки графіки зміни триботехнічних параметрів є багатокритеріальними, необхідне використання алгоритму глобального пошуку екстремуму. Існуючі алгоритми не гарантують знаходження глобального екстремуму, що може призвести до помилок у підборі матеріалів для вузлів тертя машин ковальсько-штампувального обладнання. Застосування полімерних вкладишів у сферичних та циліндричних шарнірах потребує методики розрахунку моменту тертя та усадки вкладиша під робочим навантаженням, але такої методики немає. Немає і методики розрахунку форми таких вкладишів, а також впливу хвилястості поверхні кульової п’яти на процес тертя по полімерному матеріалу. Відсутня точна методика розрахунку та проектування параметрів кулькового передавального механізму, який є перспективним для застосування замість гідро- або пневмопередач, працюючих у схемах автоматики ковальсько-штампувального обладнання. Відзначено, що методика розрахунку теплової динаміки тертя дозволяє визначити величину фрікційного нагрівання, що дозволяє точніше врахувати вплив температури експлуатації вузла тертя на його триботехнічні параметри.

У другому розділі  було проаналізовано основні типи ковальсько-штампувального обладнання і конструкції вузлів тертя ковзання і було зроблено висновки, що для ковальсько-штампувального обладнання характерні такі типи вузлів тертя ковзання як: 1) „вал-втулка” в обертальному та зворотно-поступальному русі; 2) „сферична опора” - у коливальному русі; 3) „торець-торець” – у обертальному русі; 4) „пласка опора - довговимірна направляюча” – в поступальному та зворотно-поступальному русі. Визначено граничні значення режимів роботи вузлів тертя ковзання в ковальсько-штампувальному обладнанні

На підставі цих досліджень було вибрано напрямок дослідження в такому порядку: розробка математичної моделі втрат на тертя в сферичних шарнірах; розробка методики розрахунку впливу хвилястості поверхні сферичної п’яти на процес її тертя по полімерному матеріалу; розробка математичної моделі кулькових передавальних механізмів; розробка розрахунку оптимальної форми антифрикційних вкладишів у сферичному та циліндричному шарнірах; розробка фізичних моделей тертя за такими схемами: торцева схема тертя, зворотно-поступальне ковзання, рух по довговимірній напрямній, розробка пристрою для визначення крайових кутів змочування при зміні температур; визначення можливих інерційних похибок при вимірюванні сил (моментів) тертя; розробка нової методики планування експерименту; розробка нелінійних апроксимаційних залежностей; розробка методики пошуку глобального екстремуму для таких залежностей; розробка розрахунку оптимальних коефіцієнтів масштабного переходу від моделі на натуру, які б забезпечили моделювання процесу тертя з тими ж матеріалами пари тертя, що і в реальному вузлі, але на режимах, які дозволяють виконати модельні установки; створення на підставі всього вищезгаданого єдиної методики оптимального підбору антифрикційних самозмазувальних матеріалів для вузлів тертя ковальсько-штампувального обладнання.

У третьому розділі на підставі адгезійно-деформаційної теорії було знайдено узагальнююче рівняння для коефіцієнта тертя від фізико–механічних властивостей матеріалів пари тертя, режимів роботи та характеристик поверхонь. Аналізуючи отриманий у цьому розділі результат, зроблено висновок про практичну неможливість застосування тільки аналітичних формул для аналізу зміни коефіцієнта тертя для пари “метал-антифрикційний матеріал”. Далі були розроблені метод оцінки величини адгезійної складової коефіцієнта тертя параметром sin(lna), де a - крайовий кут змочування поверхні матеріалу в градусах, та установка для його вимірювання при зміні температур зовнішнього середовища (рис. 1).

Показана можливість і наведені кінематичні схеми для фізичного моделювання процесів тертя різних типів із застосуванням серійних машин не про водиться при тертя, де випробування обертальному русі тертя торців циліндричних зразкові (рис. 2). Всі пристрої забезпечують можливість

Рис. 1. Схема пристрою для вимірювання крайових кутів змочування:

робувань при підвищених (шляхом нагріву спіралями) та низьких (за рахунок подачі охолодженого повітря в зону тертя).температурах. В роботі наведені конструкції фізичних моделей тертя при зворотно-поступальному русі (рис. 3), тертя у сферичному шарнірі (рис. 5), коливальний рух у кульковому приводі (рис. 7). Для фізичної моделі руху по спіралі Архімеда “за свіжим слідом” (рис. 4) було визначено, що задаючи потрібний профіль барабану,

можна забезпечити необхідний закон зміни абсолютної швидкості

(1)

У четвертому розділі  розроблено. закон зміни ширини одного фрагмента антифрикційного вкладиша у сферичному шарнірі від центрального кута ц (рис. 6). Розташування цих фрагментів приймається симетричним:

(2)

Для шарніру зі зрізаним “полюсом” ця формула має вигляд: ,

(3)

Рис. 2. Кінематична схема установки для випробування при обертальному русі: 1 – привод; 2 – передавальний механізм; 3 – рухомий зразок; 4 –нерухомий зразок; 5 – вал; 6 – прапорець; 7 – система плоских і радіальних підшипників; 8 – упорний підшипник; 9 – пружний елемент |

Рис. 3. Кінематична схема установки для випробування при зворотно–поступальному русі: 1 — зразок типу “палець”; 2- зразок типу “довгомірна напрямна”; 3 — утримувача зразка; 4 — ролики; 5 – основа утримувача зразка; 6, 7 — пружні елементи датчиків сили тертя, розташовані на основі утримувача зразка і на основі установки |

Рис. 4. Установка для випробування при русі по спіралі Архімеда: 1 – привод; 2 – диск; 3 – привод каретки утримувача зразка; 4 –напрямні; 5 – гвинт; 6 – каретка утримувача зразка; 7 – зразок типу “палець”; 8 – нерухомий вал; 9 – прапорець; 10 – датчик сили тертя |

Рис. 5. Кінематична схема установка для випробування при коливальному русі: 1 – сферичний або циліндричний елемент; 2, 3 – нижня й верхня основа; 4 – тяга; 5 – коромисло; 6, 7 – кривошипно-шатунний механізм; 8 – датчики сили тертя; 11 – вимірювальний вкладиш; 12, 13 – пружини; 14 – шток

Визначено момент втрат на тертя, якщо поверхня сферичної п’яти має хвилястість

(4)

Для усадки сферичної п’яти маємо

(5)

(6)

Визначивши вектор взаємного зміщення п'яти і основи сферичного шарніра і, використовуючи закон Амонтона, знайдено розподіл дотичних зусиль. Для цього вектор відносної швидкості взаємного ковзання визначимо з аналізу кінематики відносного рушення основи і п'яти сферичного шарніра. Якщо відомий вектор, то вектор відносної швидкості в точці, радіус-вектор якої дорівнює, визначається як), або в координатній формі

(7)

Момент тертя в сферичному шарнірі у векторній формі знайдено як:

(8)

та в координатній формі

(9)

(10)

Далі, було розраховано оптимальну форму антифрикційних вкладишів для циліндричного гарніру – в режимі обертального руху (11)–

в режимі зворотно-поступального руху, (12)

де – технологічно допустимий зазор, l – довжина плунжера, N – робоче навантаження, ц1 – максимальний кут обхвату поверхні опори одним циліндричним елементом вкладиша, R – радіус циліндричної частини опори, – оптимальне питоме навантаження антифрикційного матеріалу.

Далі було проведено аналіз і визначено типові ділянки трубопроводу для кулькового передавального механізму (КПМ).

Було виведено формули для розрахунку коефіцієнтів втрат на тертя на цих ділянках . Була також визначена кількість кульок на прямолінійній ділянці трубопроводу довжиною , а на криволінійній ділянці кількість визначається через с – кут сектора, на якому ця ділянка закругляється,

Методика розрахунку кулькового передавального механізму для трубопроводу довільної форми із забезпеченням зменшення втрат, була побудована на підставі чисельних експериментів по визначенню залежності коефіцієнтів втрат на тертя від співвідношення діаметрів кульки та трубопроводу (рис. 6). Ця методика полягає в наступному: визначається довжина, на яку потрібно передати зусилля і його допустимі втрати, тобто. Вибираються матеріали, із яких зроблено трубопровід і кульки, і для них вибирається мастило, яке забезпечує f>min, шляхом проведення експериментів по зворотно-поступальному ковзанню. Співвідношення діаметрів кульки та трубопроводу вибирається якнайближчим до 1. При прокладенні маршруту кулькового передавального механізму, перевага надається криволінійним ділянкам, оскільки втрати на них мінімальні. Якщо трубопровід закінчується згином, зусилля з нього треба передавити назовні без переходу на пряму ділянку. Якщо треба змінити напрямок трубопроводу, краще використовувати S-подібні згини, а не перехід на прямолінійну ділянку. Якщо отриманий результат перевищує заданий, проектування слід повторити.

К2 К3 К4 К5

Рис. 6. Залежність комплексів втрат на тертя (ордината) від 2r/d (абсциса)

Якщо форму трубопроводу і його діаметр, а також діаметри кульок змінити неможливо, то порядок розрахунку буде наступним: на трубопроводі виділяються типові ділянки і визначається кількість кульок на них. Для кожної ділянки розраховується свій коефіцієнт втрат. Потім всі коефіцієнти перемножуються й множаться на вхідне зусилля. В результаті буде розраховане зусилля на виході трубопроводу.

У разі, коли є можливість вибрати матеріали з різним коефіцієнтом тертя f, після визначеного значення , розраховуються комплекси втрат в загальному вигляді, звідкіля шляхом чисельних експериментів визначаються, при яких f ми отримуємо задане значення . Потім підбираємо такі матеріали і мастило, щоб вони забезпечили розраховане значення f.

Така методика дозволила поставити і вирішити задачу розрахунку оптимальних параметрів кулькового передавального механізму для заміни пневмомагістралі автоматики КГШП. Вона була вирішена методом лінійного програмування у вигляді

(28)

Тут – коефіцієнти втрат на тертя на відповідних ділянках трубопроводу, f – коефіцієнт тертя кульки по стінці трубопроводу; – задане значення, в нашому випадку 0,75.

Для вирішення вищезгаданих проблем було вирішено ряд допоміжних задач, а саме:

Обчислено інерційні та кінематичні похибки при вимірюванні сил (моментів) тертя у вигляді . (13)

Далі ця загальна формула була розповсюджена для всіх типів розроблених установок. Для обертального та коливального руху (рис. 2)

(14)

Для поступального та зворотно-поступального руху (рис 3)

для елемента 6; (15)

для елемента 7 (16)

Для руху по спіралі Архімеда. (17)

Для коливального руху в шарнірі (рис. 5). (18)

Для коливального руху в кульковому передавальному механізмі (рис. 7).

. (19)

Рис. 7. Кінематична схема установки для випробування кулькового передавального механізму при коливальному русі: 1, 2 — кривошипно-шатунний механізм; 3 — коромисло; 4 — упори: 5 — кульки; 6 — кулькопровід; 7 — основа; 5, 10 — датчики сили тертя; 11 — рухомий фрагмент

Сформульовано оптимальну задачу вибору антифрикційних матеріалів для вузлів тертя, виходячи з міркувань такого підбору значень фізико-механічних властивостей антифрикційних матеріалів, щоб було досягнуто мінімум значень коефіцієнта тертя або максимум довговічності при умові дотримання режимів роботи в межах, де ці матеріали зберігають свою працездатність. Наведено алгоритм розрахунку.

На підставі чисел Соболя було розроблено алгоритм для побудови плану для N якісних чинників, розташованих на М рівнях гіперпростору J. Увівши функцію округлення до цілого Rnd і

застосовуючи сила Соболя, отримано значення i-ї точки плану для j-і змінної:

(20)

Визначимо через N число якісних чинників, для кожного з яких існує Мj значень рівня (1 ? j ? N) і, крім того, задані мінімальні і максимальні значення кількісних змінних чинників. Тоді план експерименту визначається з вираження

21)

Ті ж числа Соболя дозволили розробити алгоритм глобального пошуку екстремуму функції, яка має поверхня відгуку вигляд для якої задані межі існування незалежних змінних. Задаючи множину M значень незалежних параметрів, отримаємо множину значень функції відгуку y. Розіб'ємо області існування

на дві частини межею. (22)

Введемо правила звуження області пошуку

. (23)

Після чого знов проводиться набір точок yi в зменшеній області пошуку і так доти, поки не буде досягнута задана точність пошуку

На підставі регресійного та кластерного аналізу було розроблено алгоритм побудови нелінійних статистичних моделей за результатами триботехнічних експериментів. Критерієм зупинки процесу кластеризації є наступне правило. Для елементів кожного кластера утворюється своя матриця Хij по якій розраховуються коефіцієнти лінійної регресії

(24)

процес кластеризації припиняється за умови .

Було розроблено такий алгоритм оптимального вибору масштабних коефіцієнтів переходу від модельного експерименту на натурний вузол тертя. Спочатку сформуємо цільову функцію вигляду

(25)

складену з тих МКП, які повинні точно дорівнювати якому-небудь заданому числу. Потім за допомогою розробленої автором методики глобального пошуку, що засновується на— числах Соболя, визначимо черговий набір оптимальних сполучень по m базисних параметрів. Розрахуємо коефіцієнти aijl і побудуємо систему рівнянь, вигляду (22), в якій замість знаку рівності поставимо знак (?). Додамо до цієї системи нерівності, які встановлюють необхідний діапазон існування МКП, причому співвідношення вигляду потрібно перетворити до . Кількість таких нерівностей необмежена. Отримана система нерівностей сукупно з цільовою функцією (23) придатна для її. рішення методами лінійного програмування, які дозволяють знайти точне оптимальне рішення всієї системи при умові не негативності змінних. Тоді система рівнянь прийме вигляд (26)

Визначивши значення симплекс-методом, розрахуємо , яке використовується для визначення функції (23). Отримавши множину значень Ф для різних сполучень базисних параметрів, виключаємо ті з них, для яких виконується умова, де z – поточна точка на даному етапі вибору; Z – загальна кількість пробних точок. Серед виключених сполучень вибираємо параметри, які зустрічаються найчастіше, і надалі не включаємо їх в базисні, тобто розраховуємо для кожного параметра, скільки разів він зустрічався у виключених сполученнях, знаходимо середнє цих величин і виключаємо ті, у яких. Повторюємо весь розрахунок, доти, поки не отримаємо єдино можливе поєднання параметрів, для яких вже не можна вилучити жодного, яке і є оптимальним.

На підставі теоретичних досліджень було сформульовано загальну концепцію по запровадженню антифрикційних полімерних матеріалів у вузлах тертя ковальсько-штампувального обладнання

У п’ятому розділі  проведена експериментальна перевірка наукових положень, висунутих у попередніх розділах.

Експериментально підтверджено працездатність всіх запропонованих установок для моделювання процесів тертя у вузлах машин ковальсько-штампувального обладнання, які були визнаними винаходами.

Випробування по схемі торцевого тертя проводилися для наступних пар: 1– не іржавіюча сталь 12x18… алюмінієвий сплав Амг-6; 2 – алюмінієвий сплав Амг-6… графотектоліт; 3 – не іржавіюча сталь 12х18… фторопласт; 4 – алюмінієвий сплав Амг-6… фторопласт-4; 5 – не іржавіюча сталь 12х18… металофторопласт; 6 – алюмінієвий сплав Амг-6, покрита лаком ФБФ… не іржавіюча сталь 12х18; 7 – алюмінієвий сплав Амг-6, покритий лаком ФБФ… фторопласт-4; 8 – алюмінієвий сплав Амг-6, покритий лаком ФБФ… графотекстоліт. Як показали дослідження, коефіцієнт сухого торцевого тертя антифрикційних матеріалів по металу на порядок нижчий за сухе тертя метала по металу, коефіцієнт тертя антифрикційних матеріалів по металу, змащеному машинним мастилом або водою, нижче за тертя метала по металу, змащених так само; коефіцієнт тертя матеріалу типу металофторопласт по металу, змащеному водою, не вищий за коефіцієнт тертя метала по металу, змащених так машинним мастилом; коефіцієнт сухого тертя антифрикційних матеріалів по металу збільшується зі збільшенням швидкості відносного ковзання і зменшується зі збільшенням питомого тиску на пару тертя.

Випробування на моделі зворотно-поступального руху показали, що найбільш стабільні й найкращі характеристики серед досліджених матеріалів має пара тертя на основі просоченого епоксидним клеєм антифрикційної тканини типу “даклен”. Маючи високі протизносні характеристики ця пара тертя, на відміну від інших матеріалів, нарівні з низькими значеннями коефіцієнта тертя має більш високу їх стабільність у процесі роботи. Для цього матеріалу встановлено, що середнє значення коефіцієнта тертя практично для всіх питомих навантажень меншали до кінця експерименту, а не зростали як при випробуваннях вуглетканин. Тому даклен більш працездатний як матриця композиційних матеріалів з епоксидним зв'язуючим у порівнянні з вуглетканинами ТГН-2М і УТМ-8. На відміну від композитів на основі вуглетканих матеріалів при питомих навантаженнях більш за 5-8 МПа знос пари тертя на основі дакленів мало менш інтенсивним руйнуванням армуючих волокон композитів, що говорить про його кращі триботехнічні характеристики.

Випробування на моделі руху “за свіжим слідом” показали, що найкращими для використання при високих швидкостях ковзання (10-30 м/с) і питомому тиску (<10 МПа) є графітотканини типу ТНГ-2М чи УТЛ-3-5, які привулканізовані своєю неробочою частиною до гуми з високою твердістю. Розташування стовпчиків трикотажної в’язки графітотканин уздовж напрямку руху зменшує коефіцієнт тертя для тертя по схемі “за свіжим слідом”.

За результатами випробувань на гумі ИРП-2025, можна заздалегідь рекомендувати в якості перспективних вуглетканин УТЛ-3-5 і УТЛ-2/8.

Випробування на моделі сферичного шарніра дозволило визначити, що застосування консистентного мастила типу циатим-221 значно зменшує коефіцієнт тертя у сферичному шарнірі, для сферичних шарнірів найбільш придатним є матеріал НПИ-МС, при цьому сферична п’ята має бути покрита матеріалом типу ВНИИНП-512: чим ближче до “екватора” шарніра розташовані антифрикційні вкладиші, тим більший момент тертя в ньому і тим більше просідання сферичної п’яти відносно сферичної основи. Основні залежності коефіцієнта тертя в сферичному шарнірі для антифрикційних матеріалів від питомого тиску й швидкості такі ж, як і для торцевого тертя, отже результати апроксимації триботехнічних експериментів можна застосувати для використання в розрахунках математичних моделей вузлів тертя. Зміна площини наклейки антифрикційних вкладишів відносно площини коливання модельної установки для випробування сферичних шарнірів та відносно вертикальної осі шарніра, дозволяє моделювати будь-які напрямки дії результуючої сили навантаження на шарнір. Коли площина коливання сферичного шарніра співпадає з площиною наклейки антифрикційних вкладишів, це є найважчим режимом роботи шарніра. Температурні випробування сферичного шарніра показали, що пара тертя (лак ФБФ на сферичній п’яті +циатим-221+НПИ-МС на сферичній основі) є найбільш стабільною й працездатною до температур 473 К.

Чисельні експерименти у поєднанні з модельними довели, що розроблена методика побудови ортогональних і рототабельних планів для будь-якої кількості чинників і будь якої кількості значень цих чинників як для якісних та кількісних планів, так і для змішаних якісно-кількісних планів експериментів зі значним зменшенням кількості експериментів без утрати рівномірності розподілу точок на полі існування чинників є ефективною за інші існуючі. Розроблена методика глобального пошуку екстремуму функції має більшу ймовірність виходу на глобальний екстремум, аніж існуючі інші. Розроблена методика апроксимації експериментальних даних, що містять якісні переходи із застосуванням регресійного, дискримінантного та кластерного аналізу, дозволяє підвищити (на 10-40%) точність апроксимації таких даних, у порівнянні будь-якими іншими нелінійними апроксимаційними підходами. Розроблена методика розрахунку оптимальних значень коефіцієнтів масштабних переходів від моделі на натуру дозволяє точно визначати, за заданим критерієм, ці коефіцієнти для тих же матеріалів пар тертя, що і в натурних умовах, а також проводити точні порівняльні експерименти для різних матеріалів на типових машинах тертя, що дозволило довести перевагу металофторопласту над бабітом для підшипників ковзання, працюючих в умовах частих пусків і зупинок при гідродинамічному змащуванні. Розроблена методика врахування інерційних похибок при вимірах сил на машинах тертя, застосована для визначення помилок розрахунку тягового зусилля шахтного електровозу і може вважатися універсальною для будь-яких вимірювань зусиль, де має місце швидка зміна сил у часі.

Рис. 8. Ізометричне зображення сферичної основи з викладеними на ній антифрикційними вкладишами оптимальної форми: 1– сферична основа шарніра; 2 – верхня частина вкладишів; 3 – нижня частина вкладишів

Рис. 9. Розгортка розрахованої форми вкладишів (б) та вигляд вже готових вкладишів на сферичній основі в ізометричній проекції (а): 1 – сферична основа; 2 – антифрикційні вкладиші оптимальної форми

Експериментальна перевірка оцінки деформаційної складової сили тертя в сферичному шарнірі з антифрикційними вкладишами показала, що вимірювання сили тертя для двох різних станів поверхні сферичної п’яти дало наступні результати: для дослідів з хвилястою поверхнею зусилля на приводи становило 3,25 кН, а для дослідів з гладкою поверхнею – 2,96 кН. Їх різниця складає 290 Н, що відрізняється від розрахованого не більше, ніж на 30%.

Була проведена експериментальна перевірка узагальненої математичної моделі сферичного шарніра з антифрикційними вкладишами. Для цього залежність підставлялася у формули (8)–(10) для розрахунку при коливальному русі, відповідному руху в модельному шарнірі. При цьому у вираженнях проводилася наступна заміна

(27)

Була отримана наступна залежність

(28)

Розрахунок для оптимальної схеми розташування полімерних вкладишів, розробленої для шарнірів зі зрізаним “полюсом” перевірялися експериментально і показав відміну в значеннях моменту тертя 8–18% у порівнянні з експериментальними. Перевірявся також вплив напрямку вектора результуючих сил по відношенню до площини розташування антифрикційних вкладишів. Розрахунки за математичною моделлю підтвердили висновками, зробленими на підставі експериментальних досліджень не тільки для моменту тертя, але і для усадки сферичної п’яти по відношенню до основи з похибкою не більше 22%.

Результати дослідження математичної моделі кулькового передавального механізму проводилися через порівняльні досліди по визначенню втрат на тертя в ньому з розрахунками по розробленим формулам табл. 1, експериментально довели, що вони з середньою похибкою 8,4% відповідають реальним процесам у механізмі, що розглядається.

Були проведені розрахунки оптимальних антифрикційних матеріалів для вузлів тертя ковальсько-штампувального обладнання та оптимальної форми вкладишів з цими матеріалами (рис. 10).

Розроблено конструкції застосування антифрикційних листових матеріалів у формі гелікоїда (рис. 11), які дозволяють використовувати ці матеріали до повного зносу антифрикційного шару.

10. Шатун і повзун: преса КА2330, з вкладишами з антифрикційних матеріалів оптимальної форми (заштрихована частина малюнку)

Рис. 11. Регульований підшипник ковзання :

1 – корпус, 2 – клинова втулка, 3 – вкладиш, 4 і 6 – регулювальні гайки, 7 – штифти.

У шостому розділі проведено аналіз виконаної роботи, показано, що наукова обґрунтованість забезпечення стабілізації технічного стану ковальсько-штампувального обладнання була підвищення за рахунок теоретичних та практичних розробок автора. Порівняння дисертаційних розробок з відомими розв'язаннями показало, що точність визначення втрат на тертя у сферичному шарнірі становить 15-30%,