Методические основы оценки работоспособности рабочих органов строительных и дорожных машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методические основы оценки работоспособности рабочих органов строительных и дорожных машин

Е.А. Памфилов, С.С. Грядунов, Г.А. Пилюшина

Аннотация

Рассмотрены вопросы оценки работоспособности деталей рабочих органов строительных и дорожных машин в условиях абразивного изнашивания и действия низких температур. Приведены методология и конструкции испытательной техники для исследования абразивного изнашивания в различных условиях нагружения и температурного воздействия.

Ключевые слова: работоспособность, строительные машины, дорожные машины, изнашивание, трение, абразивная поверхность, стендовые испытания.

Повышение работоспособности строительных и дорожных машин связано с необходимостью достижения более высоких значений их технических характеристик и долговечности. Такие задачи могут быть решены путем совершенствования конструкций машин, а также применением более износостойких материалов и технологических методов получения из них заготовок и деталей. Эффективность этих мероприятий можно определить, как правило, только в результате проведения соответствующих испытаний.

Особенно актуально повышение работоспособности деталей рабочих органов для машин, эксплуатируемых в Сибири, северных и северо-восточных районах страны, где в течение длительного периода они контактируют в процессе работы с мерзлыми грунтами. В этих условиях эксплуатации изнашивание таких деталей, как ножи, зубья, наконечники рыхлителей, башмаки гусениц и многие другие, в основном определяет производительность и технико-экономическую эффективность работы строительных и дорожных машин. Интенсивность изнашивания ножей бульдозера, катков и звеньев его ходовой части, клыков роторных экскаваторов и других аналогичных деталей при разработке песчаных и глинистых грунтов в условиях действия низких температур ( -20…25єС) превышает значения, фиксируемые при положительных температурах, в 2-3 раза.

Выбор путей повышения износостойкости деталей строительных и дорожных машин должен основываться на результатах анализа механизма и закономерностей его изнашивания, а также на экспериментальных данных, полученных при испытаниях в условиях, приближенных к реальным (на натурных образцах машин или на стендах и установках трения, достаточно полно воспроизводящих эксплуатационные факторы).

Производственные испытания позволяют получать наиболее полные сведения о работоспособности рабочих органов, что может являться надежной основой для совершенствования их конструкций и применения новых материалов и технологий.

Однако в настоящее время в связи с ограниченностью финансовых возможностей для подготовки производства новой техники, сокращением времени выпуска и освоения новых моделей методы определения износостойкости рабочих органов при помощи производственных испытаний становятся чрезмерно затратными.

В связи с этим более рациональным оказывается использование стендовых испытаний, позволяющих сократить время и затраты на проведение испытаний деталей. При этом ресурс их работы в целом может прогнозироваться по результатам наработки испытуемыми изделиями части ресурса на номинальных режимах работы. Как правило, такие испытания носят исследовательский характер и проводятся в лабораторных условиях.

При проведении стендовых испытаний следует использовать методы моделирования процесса, обеспечивающие воспроизведение или соблюдение реализуемых при эксплуатации условий контактирования, нагружения, температурного режима, а также геометрической формы и размеров деталей. Поэтому стендовым испытаниям должны предшествовать исследования условий работы рассматриваемых деталей и сопряжений применительно к реальным машинам. Проведение стендовых испытаний, помимо обеспечения возможности их выполнения в условиях, близких к реальным, позволяет эти условия поддерживать стабильными во всех сериях экспериментов и получать сопоставимые данные по износостойкости.

Используемые в настоящее время конструкции стендов, предназначенных для испытания образцов деталей рабочих органов, предусматривают либо линейное перемещение испытуемого объекта в объеме грунта, либо вращательное перемещение образцов рабочих органов в бункерах (барабанах) с изнашивающим грунтом. При этом должна быть обеспечена возможность варьирования режимов и условий испытаний, которые необходимо фиксировать соответствующей тензометрической и иной измерительной аппаратурой.

Обычно в состав таких стендов входит грунтовой канал, оборудованный системой перемещения модели рабочего органа, устройство для вертикальной подачи образца, а также система управления и аппаратура для замера основных параметров взаимодействия исследуемых образцов с грунтовой массой.

В качестве примера может быть представлен испытательный комплекс (рис. 1), состоящий из лотка-контейнера 1, несущей рамы 2 с горизонтальными направляющими, привода 3, пульта управления, тяговых цепей 4, датчика перемещения 5 и тензометрической тележки 6 с ориентирующим образец устройством 7, поперечной балкой 8, приводом заглубления 9, многокомпонентным силоизмерителем 10 и исследуемым образцом 11.

Лоток-контейнер может заполняться либо моделирующим грунт материалом, либо замороженной грунтовой смесью. Смесь замораживается парами жидкого азота, подаваемого дозированно с помощью охлаждающей системы 12. Для поддержания необходимой температуры используется специальная система. Возможно также использование для этих целей способа создания изнашивающих поверхностей методом намораживания почвенных частиц [1].

При охлаждении изнашивающих грунтов для обеспечения теплоизоляции устанавливают крышки, а полости стенок заполняют термоизолирующим материалом. Перемещающая образец тензометрическая тележка имеет сварную раму с двумя вертикальными стойками, к которым шарнирно присоединяются верхние и нижние тяги ориентирующего устройства, образующие два параллелограммных механизма.

абразивный изнашивание деталь нагружение

Рис.1. Стенд для испытаний образцов оборудования и рабочих органов строительных и дорожных машин

Данные о нагрузках, действующих в процессе испытаний на исследуемые образцы, получают методом тензометрирования. Одновременно фиксируются координаты исследуемых образцов.

В качестве модельного грунта возможно также использование композиции песка (наполнитель, 95…97%) с парафином (связующее, 5…3%). Указанную композицию нагревают до 100…120°С, перемешивают, уплотняют, после чего охлаждают до температуры окружающего воздуха. Такой материал по своим изнашивающим свойствам может быть приравнен к мерзлому суглинку влажностью 16…20% при температуре от - 5 до -10° С [ 2].

Однако следует иметь в виду, что проведение стендовых испытаний не лишено существенных ограничений, требует наличия специальных помещений, квалифицированного персонала и достаточно продолжительно.

Лабораторные испытания образцов рабочих органов или материалов на машинах и установках трения более эффективны, чем стендовые, поскольку обеспечивают достаточно точное определение износостойкости. В то же время такие испытания не требуют длительного времени для проведения и наличия сложных специальных устройств. Они позволяют эффективно отобрать для последующих стендовых и натурных испытаний наиболее перспективные материалы. Лабораторные испытания также позволяют выявлять при заданных режимах, определенных исходя из условий работы натурных деталей, факторы, оказывающие наиболее сильное влияние на износостойкость.

Лабораторные испытания позволяют получать достаточно объективные и легко сопоставимые друг с другом характеристики сопротивления материалов изнашиванию при обеспечении наиболее важных выбираемых заранее базовых условий. При подготовке испытаний следует иметь в виду, что образцы необходимо изготовлять непосредственно из изнашиваемой детали или по одинаковой с ней технологии, чтобы исследуемая поверхность образца была идентична по своим физико-механическим и структурным свойствам поверхности изнашиваемой детали.

Контрольные и исследуемые образцы должны изнашиваться в условиях, соответствующих эксплуатационным. Сопоставимость условий испытаний с эксплуатационными должна обеспечиваться по следующим основным параметрам: силовые и скоростные факторы нагружения, температурный режим эксплуатации и свойства абразива.

Соблюдение указанных требований позволяет получать близкие значения интенсивности изнашивания как при лабораторных, так и при натурных испытаниях, благодаря чему достигается возможность достаточно надежного прогнозирования срока службы исследуемых рабочих органов дорожных и строительных машин.

Авторами был разработан способ ускоренных испытаний на изнашивание деталей строительных и дорожных машин, эксплуатируемых в условиях низких температур, с использованием лабораторных методов испытаний. В соответствии с предложенным методом оценки работоспособности предполагаемый срок службы детали может быть рассчитан по формуле

Т = е К

где Т - срок службы детали до предельного износа в процессе ее эксплуатации; е - установленный в процессе лабораторных испытаний износ контрольных образцов, изготовленных из деталей, подлежащих эксплуатационным испытаниям; К - экспериментально определяемый коэффициент, характеризующий соотношение износа контрольных и натурных образцов.

Для обеспечения корректности предложенного способа был установлен следующий порядок его реализации:

1. По условиям эксплуатации детали определяются параметры ее нагружения и температурный режим испытаний.

2. Моделируются свойства абразива и характер его взаимодействия с деталью.

3. Изготовляются контрольные образцы из исследуемой детали (в зоне ее наибольшего изнашивания) или по соответствующей производственной технологии, причем рабочая поверхность образца должна соответствовать рабочей поверхности детали.

4. Проводятся лабораторные испытания на изнашивание в условиях, воспроизводящих эксплуатационные.

5. Устанавливается величина износа или интенсивность изнашивания исследуемых материалов.

6. Проводятся эксплуатационные испытания детали до наступления предельного износа, при которых фиксируется связь износа и срока службы исследуемых и натурных рабочих органов. В отдельных случаях вместо производственных испытаний могут выполняться стендовые.

7. Устанавливается взаимосвязь интенсивности изнашивания при лабораторных испытаниях и срока службы детали при эксплуатации.

8. Устанавливается величина износа при испытании контрольных образцов (или определяется математическая зависимость этих величин, по которой вычисляется коэффициент К).

Авторами предложены методы лабораторных испытаний материалов деталей строительных и дорожных машин на изнашивание при ударе и трении в условиях низких температур и испытательные установки, реализующие эти методы.

Сущность этих методов состоит в том, что по охлажденному до заданной температуры образцу металлическим образцом через абразивную ленту наносят удары с заданными энергией, частотой и скоростью или осуществляют скольжение образца с заданными давлением и скоростью по абразивной поверхности и оценивают износ после окончания испытаний путем взвешивания образца или измерения его линейных размеров.

Рис. 2. Схема испытательной установки для исследования изнашивания при трении по абразивной поверхности

Схема испытательной установки для определения износа при трении по абразивной поверхности приведена на рис. 2. Испытательная установка содержит привод, механизм нагружения и систему охлаждения образца. Привод обеспечивает скольжение образца 3 по абразивной поверхности, закрепленной на пустотелом барабане 13, совершающем возвратно-винтовое движение со скоростью 0,01…0,2 м/с. Шаг винтового движения равен шагу ходового винта, по которому перемещается барабан, обеспечивая контактирование образца с возобновленной не менее чем на 50% изнашивающей поверхностью.

Механизм нагружения содержит шпиндель 7 и сменные грузы 8, которыми регулируется давление на образец в процессе проведения испытаний на изнашивание в пределах 0,05…0,5 МПа.

Система охлаждения образца включает закрепленную в шпинделе при помощи кольца 6 теплоизолированную камеру 4, во внутреннюю полость которой подают охлаждающую среду 5, обеспечивающую охлаждение испытуемого образца и поддержание его заданной температуры при испытаниях. Интенсивность и объем подачи охлаждающей среды регулируют блоком автоматического поддержания температуры, управляемым сигналом, поступающим от закрепленной в образце термопары 2. Система обеспечивает охлаждение образца от 173 до 293 К и поддержание при испытаниях заданной температуры в указанном диапазоне с погрешностью не более 5 К.

Конструктивно привод установки может быть выполнен следующим образом. От реверсивного электродвигателя 10 вращение через редуктор 9 передается с помощью клиноременной передачи 11 на вал 12. На валу на скользящей шпонке установлено зубчатое колесо 14, которое входит в зацепление с зубчатым колесом 16, жестко соединенным с барабаном 1. При вращении барабан одновременно движется вдоль неподвижно закрепленного ходового винта.

Таким образом, путь трения образца по абразивной поверхности представляет собой винтовую линию. Передвижение зубчатого колеса вдоль вала по мере движения барабана осуществляется с помощью скользящих опор 15. По окончании испытаний одного образца или в случае использования всей абразивной поверхности привод установки автоматически отключается. После замены изношенной абразивной поверхности барабану задается обратное движение.

Еще более надежные результаты возможно получать, воспроизводя более точно условия работы функциональных органов дорожно-строительной техники в процессе испытаний, например, при ударно-абразивном воздействии. Схема предлагаемой установки для испытаний на ударно-абразивное изнашивание приведена на рис. 3. Эта установка содержит ударный механизм, привод, механизм перемещения абразивной ленты, систему охлаждения образца и механизм удаления продуктов изнашивания.

Рис. 3. Схема установки для испытаний на ударно-абразивное изнашивание

Ударный механизм включает шпиндель 3 с закрепленными в нем контробразцом 2 и сменными грузами 4, с помощью которых регулируют удельную энергию удара контробразца по образцу 1 в пределах 0,5?10⁴…8?10⁴ Дж/м² (частота ударов - 0,5…1,5 Гц; продолжительность контактирования образца и контробразца - не более 0,1 с). Подъем шпинделя осуществляется от привода кулачком 6 на высоту, задаваемую геометрией кулачка.

Система охлаждения обеспечивает охлаждение образца от 173 до 293 К и поддержание заданной температуры. Она содержит теплоизолированную камеру 5, во внутреннюю полость которой подают охлаждающую среду, например жидкий азот. Интенсивность подачи и объем подаваемой охлаждающей среды регулируют блоком автоматического поддержания температуры, управляемым сигналом.

Существенно приближает условия лабораторных исследований к натурным условиям использование намороженных абразивных поверхностей [1].

В настоящее время накоплен обширный экспериментальный материал на основе исследований отечественных и зарубежных ученых, позволяющий достигать определенных результатов в решении задачи повышения износостойкости путем оптимизации составов и структуры применяющихся конструкционных материалов. Для дальнейшего повышения износостойкости рабочих органов дорожно-строительной техники проводился анализ трибоматериаловедческой системы «износостойкий материал - условия изнашивания - изнашивающая среда». Он показал, что при реализации различных методов исследования вырабатываются рекомендации по химическому составу, физико-механическим свойствам, структурно-фазовому состоянию и т.д., существенно отличающиеся друг от друга.

Возникающие разногласия в оценке оптимальных параметров сплавов, видимо, связаны с тем, что целью исследований была разработка износостойких материалов для частных условий работы конкретных деталей.

В то же время процесс изнашивания охватывает совокупность сложных явлений, происходящих при различных взаимодействиях поверхностных слоев металла с изнашивающей средой в определенных условиях эксплуатации. Поэтому перспективным направлением в решении задачи повышения износостойкости деталей является создание новых износостойких материалов, свойства и структура которых могут корректироваться в зависимости от условий изнашивания.

Таким образом, для уверенного выбора рациональных способов повышения износостойкости рабочих органов строительных и дорожных машин целесообразно использовать перечисленные методы.

Список литературы

1. А. с. 746166 СССР, МКл² G 01 N 3/56. Способ получения абразивной поверхности для испытаний материалов на износ/ Е.А. Памфилов, Ю.Н.Дорофеев. - Заявл. 03.04.78; опубл. 07.07.80.

2. Памфилов, Е.А. Методы и средства ускоренных испытаний деталей строительных и дорожных машин, работающих при низких температурах / Е.А. Памфилов, С.С. Грядунов// Строительное, дорожное и коммунальное машиностроение Сер. 15, Технология, экономика и организация производства.- М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1986. - Вып. 2. - 35 с.

Размещено на Allbest.ru