Обґрунтування параметрів багаторядних стрічково-колодкових гальм піднімально-транспортних машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

УДК 62.592.113

Обґрунтування параметрів багаторядних стрічково-колодкових гальм піднімально-транспортних машин

Спеціальність 05.05.05 - піднімально-транспортні машини

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Журавльов Дмитро Юрійович

Тернопіль 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться 08 лютого 2008 р. о “14” год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 58.052.03 Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

Автореферат розіслано 08 січня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Данильченко Л.М.

АНОТАЦІЯ

Журавльов Д.Ю. Обгрунтування параметрів багаторядних стрічково-колодкових гальм піднімально-транспортних машин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.05 - піднімально-транспортні машини. - Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя. - Тернопіль, 2007.

Теоретично обґрунтовано динамічну й теплову навантаженість нових багаторядних вузлів тертя гальма при повторно-короткотривалому режимі роботи, встановлено закономірності зміни експлуатаційних параметрів їхніх зовнішніх і внутрішніх вузлів.

На модельному стрічково-колодковому гальмі в лабораторних умовах випробувано різні конструкції багаторядних вузлів тертя гальма й відмічено особливості їхньої роботи. Досліджено динамічні процеси в багаторядних вузлах тертя та оцінено їхні основні експлуатаційні параметри.

Розглянуто багатокритеріальну задачу оптимального визначення конструктивних параметрів різних типів фрикційних вузлів стрічково-колодкового гальма бурової лебідки, які забезпечують його раціональні експлуатаційні параметри.

Запропоновано метод керування динамічною навантаженістю в багаторядних вузлах тертя стрічково-колодкових гальм бурових лебідок.

Ключові слова: багаторядний вузол тертя, фрикційний елемент, динамічна і теплова навантаженість, оптимальні конструктивні та раціональні експлуатаційні параметри.

АННОТАЦИЯ

Журавлев Д.Ю. Обоснование параметров многорядных узлов трения ленточно-колодочных тормозов подъемно-транспортных машин. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.05 - подъемно-транспортные машины. - Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя. - Тернополь, 2007.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, списка использованных источников и приложений.

В первом разделе рассмотрены различные типы фрикционных узлов ленточно-колодочных тормозов, особенности конструкции и режимы работы. Выделены многопарные фрикционные узлы тормоза и приведены их преимущества и недостатки. Проанализированы методы исследования динамической и тепловой нагружености фрикционных узлов тормозных устройств. Изучены методы оптимального проектирования фрикционных узлов и их элементов в различных видах тормозных устройств с их преимуществами и недостатками. Уделено внимание выбору материалов для фрикционных узлов тормозных устройств. На основе критического анализа известных теоретических и экспериментальных разработок в области тормозных устройств сформулированы задачи исследований.

Второй раздел посвящен: аналитической оценке динамической нагруженности многопарных узлов трения тормозов, деформаций и податливости ленты в различных типах фрикционных узлов тормозов; конструкции и работе многорядных узлов трения тормоза и определению периодов их торможения, а также расчету их оптимальных конструктивных параметров при расположении фрикционных накладок на тормозной ленте и шкиве.

В третьем разделе работы освещены результаты экспериментальных исследований динамической и тепловой нагруженности многорядных узлов трения модельного ленточно-колодочного тормоза. Приведены задачи и методика экспериментальных исследований, а также влияние особенности конструкции многорядных узлов трения на закономерности формирования контурных площадей их взаимодействия. Приведено описание датчиков и измерительной аппаратуры для измерения и определения в многорядных узлах трения тормоза динамических (растяжения тормозной ленты, удельных нагрузок, коэффициента трения и его стабильности, тормозного момента, величин износа рабочих поверхностей фрикционного элемента) и тепловых (поверхностных температур, коэффициентов теплопередачи) параметров. Произведен анализ полученных экспериментальных данных по динамической и тепловой нагруженности многорядных узлов трения модельного ленточно-колодочного тормоза. Произведено сравнение расчетных и экспериментальных данных.

В четвертом разделе уделено внимание оптимальному определению конструктивных параметров различных типов фрикционных узлов ленточно-колодочных тормозов. При этом определены эксплуатационные параметры многорядных узлов трения тормоза (распределение усилий в тормозной ленте, удельных нагрузок в парах трения и тормозных моментов, которые они развивают). Определены рациональные конструктивные параметры различных типов фрикционных узлов (ширины тормозной ленты; ширины и толщины накладки; угла обхвата лентой тормозного шкива) ленточно-колодочных тормозов. Рассмотрено решение задачи оптимального определения конструктивных параметров различных типов фрикционных узлов ленточно-колодочного тормоза. Предложен метод управления динамической нагруженностью многорядных узлов трения ленточно-колодочных тормозов.

Ключевые слова: многорядный узел трения, фрикционный элемент, динамическая и тепловая нагруженность, оптимальные конструктивные и рациональные эксплуатационные параметры.

SUMMARY

Zhuravlyov D.Yu. Substantiation of multiple-row band shoe brakes features of lifting-and-shifting machines. - Typescript.

Thesis for obtaining of Candidate of technical sciences scientific grade of the specialty: 05/05/05-lifting-and-shifting machines. - Ternopil State Technical University named after Ivan Pulyuy. - Ternopil, 2007.

Dynamic and thermal loading of new multiple-row friction assemblies of brake during the second- short term action is theoretically substantiated. This allowed establishing changes regularities of working operation factors of their external nodes and interior nodes.

Multiple-row friction assemblies of brakes of different constructions were tested and sampled on the model of band shoe brake in the laboratory conditions; the specifications of their work were designated. Dynamic processes in multiple-row friction assemblies were researched; their main performances were estimated.

Multicriterion problem of optimal determination of design parameters of different types of friction assemblies of band shoe brake of draw works of second short term action, with the help of which rational operational characteristics of their pairs' friction are provided, was considered.

Method of control of dynamic loading in multiple- row friction assemblies of band shoe brakes of draw works was proposed.

Key words: multiple-row friction assembly, friction element, dynamic and thermal loading, dynamic processes, design parameters and performances, multicriterion problem of optimal determination of design parameters.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із шляхів підвищення ефективності стрічково-колодкових гальм піднімально-транспортних машин, зокрема бурових лебідок, при незмінних конструктивних параметрах їхніх фрикційних вузлів є перехід до схеми з багаторядними вузлами тертя. Останні на робочу поверхню шківа або насаджують із натягом за допомогою пружних елементів між накладками, або вони перебувають на ньому у вільному стані. Для привода вказаних накладок використовують дві та більше гальмівні стрічки з різними поперечними жорсткостями. Таке конструктивне рішення дозволяє використовувати в накладці дві поверхні тертя, які почергово взаємодіють зі стрічкою та шківом, утворюючи при цьому зворотні та прямі пари тертя з різними знософрикційними властивостями, що сприяє стабілізації навантаженості багаторядних вузлів тертя стрічково-колодкового гальма. Актуальним є обґрунтування конструктивних та експлуатаційних параметрів нового типу фрикційного вузла стрічково-колодкового гальма.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика роботи є частиною планових державних науково-дослідних робіт із розвитку нафтопромислового комплексу України й базується на результатах держбюджетної науково-дослідної роботи Д-7-01-П “Наукове обгрунтування створення мобільних установок і інструменту для буріння та ремонту свердловин вантажністю

1470 кН”, номер державної реєстрації №0204U003203 Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу. Виконання цієї роботи передбачене координаційним планом Міністерства освіти і науки в галузі “Наукові основи розробки нових технологій видобутку нафти і газу, газопромислового обладнання, поглибленої переробки нафти і газу з метою одержання високоякісних моторних палив, мастильних матеріалів, допоміжних продуктів і необхідної сировини”.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи - обґрунтування динамічних процесів у багаторядних вузлах тертя стрічково-колодкового гальма з рухомими фрикційними накладками та оптимізація їхніх конструктивних і експлуатаційних параметрів лебідок піднімально-транспортних машин. Для досягнення мети поставлено такі завдання:

- оцінити й порівняти деформацію та піддатливість гальмівної стрічки в різних типах фрикційних вузлів гальма;

- установити на модельному стрічково-колодковому гальмі в стендових умовах режими роботи та закономірності зміни основних експлуатаційних параметрів залежно від рядності багатопарних вузлів тертя;

- оцінити вплив режимів гальмування на працездатність багаторядних фрикційних вузлів гальма;

- розробити теплову модель багаторядного вузла тертя стрічково-колодкового гальма, з умови її теплопередавальної здатності;

- оптимізувати конструктивні та експлуатаційні параметри різних типів фрикційних вузлів гальма за допомогою багатокритеріального методу;

- запропонувати конструкції багаторядних вузлів тертя гальма з елементами керування їхньою динамічною навантаженістю за рахунок зміни величини коефіцієнта взаємного перекриття пар тертя.

Об'єкт дослідження - багаторядний вузол тертя стрічково-колодкового гальма з рухомими фрикційними накладками, особливості конструкції та режими роботи.

Предмет дослідження - динамічні процеси в багаторядних вузлах тертя стрічково-колодкового гальма з рухомими фрикційними накладками та взаємозв'язок між їхніми конструктивними та експлуатаційними параметрами.

Методи дослідження. Дослідження проведено з використанням динамічних методів, методів математичної статистики та регресивного аналізу, а також оригінальних методик експериментальних досліджень. Зокрема, використовувались методи розрахунку параметрів: тертя гнучких елементів, що охоплюють гальмівний шків та його багаторядні фрикційні накладки; кінетостатики при оцінюванні динамічної навантаженості багаторядних вузлів тертя гальма; елементів керування динамічною навантаженістю багаторядних вузлів тертя гальма. При конструюванні останнього використано елементи теорії прийняття оптимальних рішень. При оптимізації конструктивних та експлуатаційних параметрів різних типів стрічково-колодкових гальм застосовано багатокритеріальний метод оптимізації.

Наукова новизна отриманих результатів. Автором уперше:

- установлено закономірності зміни деформацій та податливостей гальмівної стрічки в різних типах фрикційних вузлів і проведено їхній порівняльний аналіз;

- запропоновано новий тип фрикційного вузла - багаторядний вузол тертя гальма з теоретичним обґрунтуванням його динамічних процесів та закономірностей зношування робочих поверхонь накладок;

- установлено закономірності зміни основних експлуатаційних параметрів багаторядних вузлів тертя на модельному стрічково-колодковому гальмі в стендових умовах;

- розроблено теплову модель багаторядного вузла тертя стрічково-колодкового гальма, з умови її теплопередавальної здатності;

- наведено метод оптимізації конструктивних та експлуатаційних параметрів різних типів фрикційних вузлів стрічково-колодкового гальма.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновано конструкції багаторядних вузлів тертя стрічково-колодкових гальм із рухомими фрикційними накладками з елементами керування їхньою динамічною навантаженістю за рахунок цілеспрямованої зміни величини коефіцієнта взаємного перекриття пар тертя. Рекомендації, викладені в роботі, доцільно використовувати в конструкторських бюро заводів підйомно-транспортного обладнання при проектуванні нових та вдосконаленні існуючих фрикційних вузлів гальм. Результати теоретичних та експериментальних досліджень багаторядних вузлів тертя з рухомими фрикційними накладками використано на Стрийському заводі “Металіст” (м. Стрий, Львівська обл.) у цеху капремонту свердловин НГВУ “Львівгазвидобування” (с. Пукеничі, Стрийський район, Львівська обл.), у навчальному процесі кафедри механіки машин Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу при читанні лекцій із дисципліни “Основи теорії і розрахунку підйомно-транспортних машин та робототехніки”.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримано здобувачем самостійно. У спільних публікаціях автору належать: теоретичне обгрунтування параметрів контактної взаємодії в багаторядних вузлах тертя (БВТ) гальма [10]; оцінка деформацій та піддатливості гальмівної стрічки (ГС) у різних типах фрикційних вузлів (ФВ) гальма [2, 6, 8, 9]; розробка нового типу багаторядного вузла тертя стрічково-колодкового гальма (СКГ) з рівномірною динамічною навантаженістю [13, 15]; установлення закономірностей зміни основних експлуатаційних параметрів БВТ гальма [12]; розробка методу оптимізації конструктивних та експлуатаційних параметрів різних типів ФВ СКГ [5]; теоретичне обґрунтування оцінки інтенсивності зношування поверхонь фрикційних накладок (ФН) у рядах вузлів тертя та його експериментальне підтвердження [3].

Апробація результатів. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на: науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу (м. Івано-Франківськ, 2002); міжнародному конгресі “Механіка і трибологія транспортних систем - 2003” [м. Ростов-на-Дону (Росія), 2003]; III міжнародній науково-практичній конференції “Динаміка наукових досліджень - 2004” (м. Дніпропетровськ, 2004); 7-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 2005); IV міжнародній науково-технічній конференції “Модульні технології та конструкції при виробництві машин” [м. Жешув (Польща), 2006]; 11-й науковій конференції Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя (м. Тернопіль, 2007); розширеному науковому семінарі кафедри механіки машин Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу (м. Івано-Франківськ, 2007); розширеному науково-технічному семінарі кафедри технології машинобудування Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя (м. Тернопіль, 2007).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 15 наукових праць, з них 6 статей у фахових виданнях України, 8 - матеріали і тези конференцій, 1 патент на винахід Росії.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох

розділів, висновків та рекомендацій, списку використаних літературних джерел, який містить 133 найменування, і 7 додатків. Основна частина дисертаційної роботи викладена на 143 сторінках комп'ютерного набору й містить 28 рисунків і 7 таблиць, які займають 31 сторінку. Загальний обсяг дисертації - 175 сторінок.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано необхідність оцінки динамічної навантаженості БВТ СКГ. Наведено: мету роботи, завдання та методи дослідження, наукову новизну, практичне значення отриманих результатів, а також перелік місць їх апробації.

У першому розділі розглянуто: особливості конструкцій та роботу різних типів ФВ СКГ; методи дослідження динамічної та теплової навантаженості ФВ гальм; оптимального проектування ФВ та їхніх елементів у різних видах гальм, а також вибір матеріалів для вузлів тертя. З відомих ФВ гальм виділено багатопарні СКГ, проаналізовано їхні переваги та недоліки.

Питанням динамічного та теплового розрахунку гальмівних і передавальних пристроїв присвячено роботи: М.П. Александрова, В.І. Білоброва, Л.Я. Будікова, О.І. Вольченка, Б.Б. Генбома, Г.С. Гудза, Ф.К. Германчука, Р.Б. Гевка, В.А. Дем'янюка, В.Г. Іноземцева, І.В. Крагельського, Б.І. Костецького, Л.М. Пижевича, М.Д. Палюха, В.І. Самусі, В.М. Федосеєва, А.В. Чичинадзе, H. Dorner, T. Newcomb, G. Faze-kas та інших учених. Проте в їхніх роботах відсутня інформація про БВТ СКГ.

У другому розділі теоретично досліджено динамічні процеси в БВТ СКГ. Розглянуто основні поняття та терміни, використані для динамічного аналізу БВТ СКГ, які являють собою сукупність двох і більше рядів ФН, посаджених із натягом за допомогою пружного елемента або без нього на робочу поверхню ГШ. При цьому внутрішня (робоча) поверхня ГС та робоча поверхня ГШ почергово взаємодіють із поверхнями накладок (рис. 1 а).

Динамічна модель БВТ являє собою аналітичний опис, який відображає їхні динамічні властивості й зв'язки за допомогою сукупності символів, умовних позначень та аналітичних залежностей. При цьому збережено зв'язок між динамічною дією на модель і змінами динамічних параметрів, що відбуваються при навантажуванні реального гальма.

Розглянуто деформацію ГС (рис. 1). Під дією сил натягу набігаючої (SН) та збігаючої (SЗ) гілок стрічка видовжується на величину, що складається з видовження її ділянок на дузі охоплення гальмівного шківа (ДL1) та кінців збігаючої (ДL2) та на набігаючої (ДL3) гілок, тобто (1). За законом Гука визначили пружне видовження зазначених ділянок ГС. При дослідженні деформації специфічної ділянки стрічки (ДL1) вузли тертя поділено на n фрикційних ділянок з урахуванням ділянок стрічки між накладкам

Установлено зв'язок між зусиллям ділянки стрічки на краях і-ї зовнішньої накладки та розглянуто сумісну деформацію стрічки й зовнішньої накладки. Отримано аналітичні залежності для визначення видовження (2) та піддатливості (3) ГС:

; (2)

, (3)

де е - основа натурального логарифму; мі - коефіцієнт зчеплення і-ї внутрішньої накладки з робочою поверхнею ГШ та і-ю фрикційною ділянкою внутрішньої накладки й ділянки стрічки над зовнішньою накладкою; ЕС, ЕН, АС, АН - модулі пружності матеріалів та площі поперечного перерізу ГС та фрикційного елемента (ФЕ).

Результати розрахунків по залежностях (2) та (3) представлено у вигляді графіків, за якими зроблено низку узагальнень стосовно деформацій та піддатливості ГС у різних видах ФВ СКГ (наведено у висновках та рекомендаціях).

З метою визначення часу гальмування БВТ СКГ розглянуто динамічну розрахункову схему і-го ФЕ, що міститься на робочій поверхні ГШ (рис. 1 б).

На схемі позначено: Nt1, Nt2 - нормальні сили, що діють на зовнішню та внутрішню накладки з боку шківа та стрічки; Fti, Фі - дотична та відцентрова складові сили інерції ФЕ; FіТ1 і FіТ2 - сили тертя, що діють на внутрішню та зовнішню накладки з боку шківа та стрічки; R, R0 - радіуси внутрішньої та зовнішньої поверхонь ФЕ; R1 - відстань від центра шківа до центра мас ФЕ; бi - центральний кут ФЕ; щ, е - кутові швидкість та сповільнення шківа; Sі та Si+1 - сили натягу збігаючої та набігаючої гілки стрічки над і-м ФЕ.

Визначено сили тертя, які виникають у парах “стрічка-зовнішня накладка” та “внутрішня накладка-шків”, та сформульовано умову реалізації першого етапу гальмування (де , - гальмівні моменти під час першого та другого періодів гальмування). Прийнявши лінійну закономірність зміни кутової швидкості ГШ, отримано залежність для визначення тривалості першого періоду режиму гальмування:

, (4)

де tк - загальний час гальмування; f1, f2 - динамічні коефіцієнти тертя в зовнішніх та внутрішніх парах тертя; щ0 - початкова кутова швидкість шківа; m - маса одного фрикційного елемента.

Час другого періоду гальмування для різних його режимів визначається залежністю вигляду:

. (5)

Задача визначення оптимальних конструктивних параметрів пар тертя СКГ при повторно-короткотривалому режимі його роботи є багатокритеріальною. Критеріями процесу тертя виступають: сила (FТ) і робота (L) тертя, питомі навантаження (p); динамічний коефіцієнт тертя (f); поверхнева температура (tП); час гальмування (фГ); величина лінійного зношування робочої поверхні ФН (о); відношення мас ГС із накладками до шківа (mС/mШ), а також площ охолоджуваної поверхні до нагрівальної ГШ (А0/ АН).

Однією з умов надійної роботи ФВ гальма є обмеження: робочих поверхневих температур, середніх питомих навантажень та часу гальмування.

У таблиці 1 подано основні аналітичні залежності багатокритеріального методу оптимізації конструктивних параметрів ФВ СКГ.

Опираючись на основні конструктивні параметри ФВ (рис. 2) з урахуванням його знософрикційних властивостей при повторно-короткотривалому режимі роботи гальма, сукупності (7), взаємозв'язку між особливостями конструкції пари тертя й коефіцієнтів теплопередачі, досвіду конструювання і компоновки ФВ, а також методів оцінки міцності його елементів, розглянуто границі обмеження кожного з параметрів оптимізації. Кожній комбінації зазначених параметрів відповідає одна точка Ti (d, B, д1, с, д2, lН, kвз, k), () восьмивимірного простору.

Параметричні обмеження (7) у просторі параметрів утворюють паралелепіпед р (рис. 3). Після їх введення в умову задачі з нього виділено підмножину у (рис. 3), точки якої задовольняють як функціональні (6), так і параметричні (7) обмеження.

них значень яких гарантує покращені умови роботи ФВ гальма. При цьому з підмножини у виділено множину D (рис. 3), точки якої задовольняють обмеження (6), (7) та (9). Серед допустимих точок множини D існує одна оптимальна точка, яка відповідає розв'язку задачі.

Раціональні експлуатаційні параметри пари тертя СКГ повторно-короткотривалого режиму роботи характеризуються екстремальними критеріями оптимізації (8).

Алгоритм оптимального визначення конструктивних параметрів фрикційної пари СКГ повторно-короткотривалого режиму його роботи містить такий порядок операцій: послідовний вибір пробних точок рівномірно розподілених у просторі параметрів р; розрахунки з оцінки динамічних і теплових параметрів з одночасною перевіркою функціональних обмежень (6) у всіх точках (без урахування точок, які не задовольняють ці обмеження); визначення всіх критеріїв у решті точок множини р; заповнення таблиць випробувань, в яких критерії розташовано в порядку зростання або зменшення їхніх величин залежно від умов (7); обґрунтування критеріальних обмежень (8); перевірка відсутності пустот у множині D допустимих точок; вибір допустимих точок; визначення оптимальної точки Топт.

За результатами аналізу всіх можливих умов використання ФВ гальма отримано 12 варіантів розрахунку (рис. 4, ТВ-тривалість вмикання), для кожного з яких за вищенаведеним алгоритмом визначено номер та кількість допустимих точок N. З усіх точок оптимальною є точка Топт, в якій визначальний критерій - величина лінійного зношування ФН оН - досягає свого максимуму.

Третій розділ присвячено програмі та методиці дослідження динамічної навантаженості БВТ МСКГ (рис.5). Наведено докладний опис випробувального обладнання й комплексу вимірювальної апаратури. Викладено послідовність монтування й тарування давачів для вимірювання поверхневих температур і величини зношування робочих поверхонь накладки.

Під час випробувань вирішено задачу встановлення взаємозв'язку між коефіцієнтом взаємного перекриття пар тертя (kвз), питомими навантаженнями (р), динамічними середніми коефіцієнтами тертя (fср) та їхньою стабільністю (бст), питомою роботою тертя (Wп.р.), потужністю гальмування (РГ), коефіцієнтом теплопередачі через елементи внутрішніх (k1) та зовнішніх (k2) пар тертя, лінійним зношуванням внутрішніх (До1) та зовнішніх (До2) поверхонь ФЕ.

За отриманими експериментальними даними після їх статистичної обробки при довірливій імовірності 0,95 побудовано графічні залежності.

Досліджено закономірності зміни питомих експлуатаційних параметрів гальма залежно від величини (kвз) внутрішніх поверхонь накладок (матеріал ФК-24А) БВТ СКГ при сталих величинах тисків (р), потужності гальмування (РГ) і питомої роботи тертя (Wп.р.) (рис. 6). Установлено, що при зміні kвз від 0,9 до 0,17 відбувається збільшення р, РГ і Wп.р. у зоні контакту внутрішніх пар тертя (ВПТ) БВТ. Пояснюється це суттєвим зменшенням площі взаємодії контактуючих поверхонь тертя гальма.

Досліджено вплив kвз на питому роботу тертя (Wп.р.) при різних величинах середньої питомої потужності гальмування (РГ) у внутрішніх парах тертя багаторядних вузлів модельного гальма [рис. 7 а (матеріал ФК-24А), б (матеріал 1-42-60А)].

При цьому для двох фрикційних матеріалів накладок графічні залежності 2, 2ґ; 3, 3ґ та 4, 4ґ отримано при РГ=300; 250 та 150 кВт/м2. На рис. 7 а, б штриховими лініями обмежено зону зміни досліджуваних експлуатаційних параметрів. Інтервал зміни (kвз) становив 0,65-0,95. Питома робота тертя в графічній залежності Wп.р=f(kвз) має лінійний характер (прямі 2 та 2ґ), і зі зменшенням kвз зростає. Криві 3, 3ґ та 4, 4ґ носять експоненціальний характер і є майже однаковими, оскільки розглядалися малі величини середньої питомої потужності гальмування (РГ), які в 12,0-23,0 рази є меншими, ніж у серійному СКГ ([РГ]=3500 МВт/м2).

Таким чином, з вищенаведеного випливає, що збільшення kвз зумовлює зниження енергонавантаженості одиниці контактної площі БВТ гальма.

З аналізу кривих, наведених на рис. 8 а, випливає, що найбільших значень середні динамічні коефіцієнти тертя досягають при: kвз=0,4 (fср=0,385); kвз=0,6 (fср=0,415); kвз=0,8 (fср=0,4). При цьому коефіцієнт стабільності динамічного коефіцієнта тертя змінювався таким чином: при kвз=0,4 бст=0,815; kвз=0,6 бст=0,8; kвз=0,8 бст=0,77. Отже, у даній зоні спостерігається квазістабілізація величин fср та бст в інтервалі зміни kвз внутрішніх пар тертя від 0,4 до 0,7.

При вивченні закону зміни середніх динамічних коефіцієнтів тертя (fср) залежно від нормального навантаження (N) у парі тертя (рис. 7 б) установлено відсутність квазістабілізаційної зони. Пояснюється це тим, що з одночасним зростанням коефіцієнта взаємного перекриття (kвз) від 0,7 до 0,9 і нормального навантаження (N) від 0,8 до 1,7 кН спостерігається спадання динамічного коефіцієнта тертя від 0,415 до 0,27.

Величини середніх динамічних коефіцієнтів тертя (fср) зменшилися від 0,415 до 0,3 при зростанні kвз від 0,65 до 0,9 і нормального навантаження (N) у зоні взаємодії внутрішніх пар гальма від 0,8 до 2,0 кН, коефіцієнт стабільності (бст) зменшився від 0,785 до 0,765 (рис. 8). При цьому крива (1) закономірності зміни бст носить характер експоненти. На рис. 8 а та 9 штриховими лініями на сімействі кривих показано можливі закономірності їхньої зміни.

Із закономірностей зміни середніх величин динамічних коефіцієнтів тертя (fср) у ВПТ багаторядних вузлів МСКГ залежно від їхніх коефіцієнтів взаємного перекриття (kвз) видно, що при збільшенні останнього знижується енергонавантаженість одиниці контактної площі вузла тертя і, як наслідок, має місце зменшення fср у результаті погіршення якості поверхні тертя (наволокування, схоплення тощо). Величина kвз впливає на мікрогеометрію контактування та умови теплопередачі. При невеликих kвз значна частина теплоти, що генерується при гальмуванні, від приповерхневого шару внутрішньої поверхні ФН через товщину ободу ГШ передається повітрю, що його омиває, а також розсіюється радіаційним теплообміном від відкритих ділянок робочої (полірованої) поверхні ГШ у навколишнє середовище. У випадку, коли значення kвз є близьким до одиниці, радіаційний теплообмін фактично відсутній, у зв'язку з чим створюється жорсткий температурний режим внутрішніх пар тертя гальма. Це призводить до значного спадання динамічного коефіцієнта тертя в зоні їхнього контакту.

Визначення коефіцієнтів теплопередачі в БВТ МСКГ проводилося на основі розроблених теплової моделі та методу розрахунку.

Результати дослідження впливу коефіцієнта взаємного перекриття (kвз) внутрішніми поверхнями фрикційних накладок робочої поверхні ГШ на зношування (До) внутрішньої поверхні накладки (крива 4) БВТ МСКГ при сталих величинах питомих навантажень (р) (крива 1), питомої потужності гальмування (РГ) (крива 2), питомої роботи тертя (Wп.р.) (крива 3) наведено на рис. 6. Штрихові лінії на кривій 4 обмежують зону існування даної закономірності.

Квазисталі величини р, РГ і Wп.р. у БВТ МСКГ при конкретних величинах kвз досягалися за рахунок підтримування сталих значень швидкостей ковзання і натягів збігаючої гілки ГС.

Установлено, що зношування (До) внутрішніх поверхонь накладок (матеріал ФК-24А) зі збільшенням коефіцієнта взаємного перекриття (kвз) внутрішніх пар тертя зменшується. Пояснюється це тим, що збільшується поверхня взаємодії ВПТ. Загалом крива 4 має вигляд експоненти. Проте її ділянки в інтервалах зміни kвз 0,3-0,5, 0,5-0,7 і 0,7-0,9 легко апроксимуються прямими лініями, тобто функцію До=f(kвз) можна розглядати як лінійну. Результати дослідження впливу kвз на інтенсивність зношування (іn?10-8) при різних величинах середньої питомої потужності гальмування (РГ), які розвивають внутрішні пари тертя багаторядних вузлів МСКГ, наведено на рис. 7. Штриховими лініями на кривих 1 та 1ґ обмежено зони існування даних закономірностей. Криві 1 та 1ґ є ідентичними, хоча досліджувані фрикційні матеріали (ФК-24А і 1-43-60А) мають різну твердість. Це вказує на те, що інтенсивність зношування при невисоких робочих температурах і незначних величинах питомої потужності гальмування залежить тільки від роботи гальмування (пройденого поверхнями тертя шляху). Криві 1 та 1ґ в інтервалі зміни kвз від 0,5 до 0,9 легко апроксимуються прямими лініями.

Перейдемо до оцінки довговічності зовнішніх і внутрішніх поверхонь ФЕ МСКГ при циклічних навантаженнях (рис. 10).

Експериментальні дані з лінійного зношування зовнішніх і внутрішніх поверхонь ФЕ отримано при сталих величинах kвз в інтервалах його зміни 0,65-0,7 та 0,85-0,9. Дані стосовно зношування робочих поверхонь одного ФЕ бралися як середня величина лінійного зношування по п'ятому, шостому та сьомому ФЕ бандажа.

Максимальне лінійне зношування зовнішніх і внутрішніх поверхонь ФЕ бандажа гальма складає, відповідно, 0,45 та 0,7 мм.

Відношення вказаних величин становить 1,55. Це свідчить про те, що в процесі гальмування зовнішня та внутрішня поверхні ФЕ можуть досягати однакового лінійного зношування за умови різної кількості циклів (nц) їхнього навантажування. Для зовнішньої поверхні nц становить 75, 125 та 150, для внутрішньої - 50, 75 та 13 циклічних гальмувань. З рис. 10 а, б випливає, що внутрішні поверхні накладок є більш навантаженими, крім того, час гальмування внутрішніми поверхнями ФЕ в 3,0-4,0 рази є більшим, ніж їхніми зовнішніми поверхнями. Особливістю роботи бандажа є те, що під час замикання гальма будь-який ФЕ може попадати під різні ділянки набігаючої та збігаючої гілки ГС. Найбільша різниця лінійного зношування внутрішньої та зовнішньої поверхонь ФЕ бандажа є між сьомим і дванадцятим елементами (рис. 10 в, г) і складає, відповідно, (0,7-0,43=0,27 мм) та (0,45-0,15=0,30 мм). Важливо відмітити той факт, що спостерігається вирівнювання лінійного зношування як внутрішніх, так і зовнішніх поверхонь п'ятого, шостого, сьомого й восьмого ФЕ бандажа БВТ МСКГ, що вказує на можливість саморегуляції величини зношування його накладок.

Четвертий розділ роботи присвячено визначенню оптимальних конструктивних параметрів різних типів ФВ СКГ.

На першому етапі визначено ширину й товщину ФН, а також ширину ГС. Отримані результати розрахунків є початковими. У подальшому визначено основні конструктивні й експлуатаційні параметри БВТ МСКГ [див. табл. 2, залежності (9-17)].

Проаналізовано закономірності впливу величини деформацій (Дl) ділянки ГС на кут охоплення (б) нею зовнішньої поверхні накладки та величину її зношування (о) у зовнішніх парах БВТ СКГ (рис. 11), побудовано графічні залежності функції Дl=f(б, о) для пари тертя “стрічка-зовнішня поверхня накладки”.

Установлено, що зі збільшенням кута охоплення ділянкою ГС зовнішньої поверхні однієї накладки (від 2,292? до 8,168?) спостерігається зростання її деформацій. У той же час зростає інтенсивність зношування зовнішньої поверхні ФН. При цьому товщину досліджуваної ділянки ГС визначають за залежністю (10), після чого її переріз перевіряють на міцність. На рис. 12 наведено закономірність впливу відносних деформацій (е) ділянки ГС на величину динамічного коефіцієнта тертя (f) в парі “стрічка-зовнішня поверхня накладки” при різних кутах (б) їхньої взаємодії. Розглянуто графічні залежності функції е=м(f, б). Динамічний коефіцієнт тертя змінювався від 0,2 до 0,4.

Установлено, що зі збільшенням динамічного коефіцієнта тертя в парі тертя “стрічка-накладка”, а також кута їхньої взаємодії спостерігається незначне зростання відносної деформації ділянки ГС.

Одним з основних експлуатаційних параметрів БВТ гальма є питомі навантаження, від величини яких у значній мірі залежить зношування поверхонь ФЕ.

Результати розрахунків величини питомих навантажень за залежностями (14) і (15), які виникають у зовнішніх (а) і внутрішніх (б) парах тертя МСКГ при взаємодії однієї накладки з металевими ФЕ, наведено в таблиці 3.

Для зовнішніх пар тертя (ЗПТ) гальма інтервал зміни питомих навантажень вибрано в межах 4,9-5,2 кПа, а для ВПТ - від 6,9 до 7,4 кПа. Кут охоплення зовнішньої та внутрішньої поверхні накладки змінювався від 0,1 рад (5,73?) до 0,3 рад (17,19?). З табл. 2 видно, що зі збільшенням кута охоплення спостерігається незначне зростання питомих навантажень.

У ВПТ гальма питомі навантаження в 1,415 раза були більшими, ніж у ЗПТ, що пояснюється збільшенням різниці натягів гілок ГС на другій стадії гальмування.

Результати розрахунків гальмівних моментів у зовнішніх (а) і внутрішніх (б) парах тертя СКГ із БВТ за залежностями (16) і (17) наведено на рис. 13 а, б. З аналізу графічних залежностей функцій МГ=f(h, H) та МГ=f(H, h) для пар тертя “стрічка-накладка” та “шків-накладка” випливає, що гальмівний момент від товщини накладки (Н) є нелінійною функцією, значення якої збільшується зі зменшенням Н. Тобто при експлуатації гальма в процесі зношування накладок на певну величину гальмівний момент інтенсивно зростає, після чого інтенсивність зростання зменшується. Але враховуючи, що від товщини накладки залежить її міцність, параметр Н, визначений за залежністю (10), не слід вибирати меншим 22,0 мм. Залежність гальмівного моменту від товщини стрічки (рис. 13 а, б) є майже лінійною. Установлено, що гальмівний момент несуттєво збільшується зі збільшенням товщини стрічки (h). Проте зі зростанням h піддатливість ГС зменшується, що зумовлює зменшення динамічного коефіцієнта взаємного перекриття зовнішніх пар тертя гальма. Але з умови міцності ГС h слід обмежити величиною 6,0 - 10,0 мм.

Як приклад розглянуто задачу оптимального проектування серійної фрикційної пари СКГ бурової лебідки У2-5-5 з однією парою поверхонь тертя. Остання утворена біговою доріжкою шківа зі сталі 35ХНЛ та ФН шифру ФК-24А.

За параметричними та функціональними критеріальними обмеженнями отримано такі параметри оптимізації: kвз=0,702; B=247,0 мм; д1=19,0 мм; д2=25,6 мм; l2=120,0 мм; dз=1377,5 мм; с=0,902; k=12,52 Вт/(м2?К), де B д1 д2 l2 dз с k.

У розрахунках послідовно задавали число пробних точок Nґ=32, 64, 128. Результати розрахунків показали: число пробних точок Nґ=32 в достатній мірі задовольняє отримані параметри оптимізації. Аналогічним чином отримано параметри оптимізації для БВТ МСКГ.

Керування рівнем динамічної навантаженості БВТ СКГ можна здійснювати шляхом перерозподілу навантаження між рухомими ФЕ по довжині ГС. При цьому ФЕ виконано у вигляді центральної та бокових секцій. Центральна секція спирається на намагнічену хвилеподібну пружину. Ефект самогальмування двосторонніх клинових сухарів полягає в тому, що вони утримуються від поздовжнього переміщення виключно тертям, збудженим на їхніх опорних поверхнях при взаємодії зі спряженими поверхнями центральної та бокових секцій ФЕ. При цьому повинна виконуватись умова , де б1, б2 та с1, с2 - кути скосів двостороннього клинового сухаря і тертя.

Кінематичний зв'язок двосторонніх клинових сухарів із центральною і боковими секціями здійснюється хвилеподібними пружинами різної жорсткості. Для запобігання випадання бокових секцій із заглиблення шківа під дією на них гравітаційних і відцентрових сил у зоні, неохопленій ГС, на суміжних конічних поверхнях реборд і бокових секцій виконано поздовжні пази, в які встановлено кульки. Центральну секцію утримує від випадання із заглиблення шківа сила магнітної взаємодії, що виникає з одного боку між зовнішньою поверхнею хвилеподібної пружини та її основою, а з другого - між її внутрішньою поверхнею та робочою поверхнею ГШ.

ВИСНОВКИ

У результаті виконаних теоретичних та експериментальних досліджень нових БВТ модельного й серійного СКГ при циклічних навантаженнях зовнішніх і внутрішніх пар тертя запропоновано метод багатокритеріального визначення їхніх конструктивних параметрів, які забезпечують гальмування з раціональними експлуатаційними параметрами. При цьому:

Уперше введено поняття “динамічна модель багаторядних вузлів тертя” стосовно СКГ і наведено загальну оцінку їх динамічного навантаження.

Уперше запропоновано методику розрахунку:

- розподілення зусиль у ГС з урахуванням жорсткості її характерних ділянок для визначення в подальшому сил тертя у фрикційних вузлах гальма;

- питомих навантажень у парах тертя, встановлення закономірностей зміни яких дозволило спрогнозувати їхні знософрикційні властивості;

- гальмівних моментів, які розвивають зовнішні та внутрішні пари тертя залежно від їхніх конструктивних параметрів.

3. Уперше запропоновано теплову модель БВТ СКГ, яку представлено у вигляді багатошарового об'єкта з теплопередачею через ФЕ з урахуванням теплового стану їхніх приповерхневих шарів.

4. Виконано математичний опис динамічних процесів у БВТ СКГ і отримано аналітичні залежності для визначення:

- деформацій та податливості ГС із накладками та без них при різних умовах динамічного навантаження ФВ;

- ширини ГС (80-120 мм) з умови її поперечної міцності;

- ширини (120-240 мм) та товщини (20-30 мм) накладки з урахуванням конструктивних параметрів ГШ та рівня динамічної навантаженості барабана лебідки;

- кута охоплення (135-270є) стрічкою ФЕ ГШ із дотриманням умови недосягнення допустимих питомих навантажень на робочих поверхнях пар тертя;

- періодів взаємодії пар тертя для лінійного, косинусоїдального та параболічного режимів гальмування ФВ з урахуванням тривалостей першої (до 2,5 с) і другої (2,5-10 с) стадій гальмування.

5. Визначено коефіцієнти теплопередачі через металеві (6,67-41,67 Вт/м2??С) та неметалеві (3,329-32,78 Вт/м2??С ) елементи внутрішніх і зовнішніх пар тертя з урахуванням термодинамічних параметрів їхнього контактного середовища, зокрема при температурах 100-400 єС.

6. У результаті проведених експериментальних лабораторних досліджень БВТ, виконаних у вигляді двох бандажів, кожний з яких складено з 12-ти серійних накладок, з'єднаних між собою гумотросовим кільцем, установлено закономірності впливу коефіцієнта взаємного перекриття (І: kвз=0,4-0,7; ІІ: kвз=0,7-0,9) у зовнішніх і внутрішніх фрикційних вузлах модельного гальма на величини питомих навантажень (р), динамічних коефіцієнтів тертя (fср) та їхню стабільність (ст), роботу тертя, потужність гальмування, а також зношення робочих поверхонь ФЕ. При І варіанті kвз виявлено зону квазістабільних значень fср і ст, а при ІІ варіанті kвз мало місце спадання fср від 0,415 до 0,27. Максимальне лінійне зношування зовнішніх (kвз=0,65-0,7) і внутрішніх (kвз=0,85-0,9) поверхонь ФЕ склало 0,45 і 0,7 мм. Уперше виявлено в середній частині кожного з бандажів зону вирівнювання зношування зовнішніх і внутрішніх поверхонь ФЕ.

7. Запропоновано методи:

- багатокритеріального оптимального проектування ФВ СКГ із різними варіантами розташування накладок (на ГС і ГШ) для визначення їхніх конструктивних та експлуатаційних параметрів у переважних умовах експлуатації гальма при функціональних і параметричних обмеженнях, що дозволило зменшити металомісткість металевих фрикційних елементів на 10,2% та покращити знософрикційні властивості пар тертя на 6,7%;

- керування рівнем динамічної навантаженості БВТ СКГ за рахунок його перерозподілу між рухомими ФЕ по периметру ГС.

8. Метод багатокритеріальної задачі оптимізації конструктивних та експлуатаційних параметрів може використовуватися і в інших видах гальмівних пристроїв піднімально-транспортних машин.

гальмо фрикційний вузел тертя

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Вольченко О.І., Журавльов О.Ю., Журавльов Д.Ю., Пургал П.Ю. Методика розрахунку стрічково-колодкових гальм з рухомими фрикційними накладками // Проектування, виробництво та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів: Зб. наук. пр. - Львів: Асоціація “Автобус”, 2001. - Вип.5. - С. 36 - 40.

2. Петрик А.А., Вольченко Н.А., Сторож Я.Б., Журавлев Д.Ю. Определение деформаций тормозной ленты с различными креплениями накладок в ленточно-колодочном тормозе // Вісник Східноукраїнського націон. ун-ту ім. В.Даля. - Луганськ, 2003. - №12(70). - С. 85-91.

3. Вольченко Д.О., Криштопа Л.І., Журавльов Д.Ю. Динаміка взаємодії багатопарних фрикційних вузлів стрічково-колодкового гальма (частина 1) // Науковий вісник. - Івано-Франківськ, 2005. - №10 (10). - С. 53-57.

4. Вольченко Д.О., Журавльов О.Ю., Журавльов Д.Ю. Періоди режимів динамічного навантаження багатопарних фрикційних вузлів стрічково-колодкових гальм // Вісник Східноукраїнського націон. ун-ту ім. В.Даля. - Луганськ, 2007. - №6 (112). - С. 100-106.

5. Вольченко Д.О., Вольченко М.О., Журавльов Д.Ю. Оптимальне проектування фрикційних вузлів стрічково-колодкових гальм бурових лебідок // Нафтогазова енергетика. - Івано-Франківськ, 2007. - №3 (4). - С. 84-89.

6. Крижанівський Є.І., Сторож Б.Д., Сторож Я.Б., Журавльов Д.Ю. Деформація і піддатливість гальмівної стрічки різних типів фрикційних вузлів стрічково-колод-кових гальм. // Вісник Східноукраїнського націон. ун-ту ім. В.Даля. - Луганськ, 2007. - №9 (115). - С. 102-108.

7. Патент 2295068С1 России, МПК F16D 49/08, 65/04. Равнонагруженный ленточно-колодочный тормоз / А.И.Вольченко, Е.И.Крыжановский, Н.А.Вольченко, Д.А.Вольченко, Д.Ю.Журавлёв. - №2005100745/11. Заявл. 13.01.2005; опубл. 20.06.2006. Бюл. №7. - 7 с.

8. Вольченко А.И., Вольченко Н.А., Дячук В.В., Журавлёв Д.Ю. Аналитический метод определения деформаций тормозной ленты в различных типах фрикционных узлов ленточно-колодочных тормозов // Сб. докладов междунар. конгресса “Механика и трибология транспортных систем - 2003”. - Ростов-на-Дону, 2003. - Т.1. - С. 215-218.

9. Вольченко О.І., Журавльов О.Ю., Журавльов Д.Ю. Аналітичне визначення деформації гальмівної стрічки стрічково-колодкового гальма // Матеріали ІІІ міжнародної науково-практичної конференції “Динаміка наукових досліджень 2004”, Дніпропетровськ, 2004. - Т.61. - С.14-15.

10. Вольченко А., Вольченко Д., Бекиш И., Журавлёв Д. О контактном взаимодействии многопарных фрикционных узлов ленточно-колодочных тормозов // Труды IV-й междунар. науч.-техн. конф. “Модульные технологии и конструкции при производстве машин”. - Механика. - Т.67. - №230. - Жешув, 2006. - С. 256-260.

11. Петрик А.А., Вольченко Н.А., Журавлёв Д.Ю. Динамические процессы в многопарных фрикционных узлах ленточно-колодочных тормозов // Сб. докл. междунар. конф. по теории механизмов и механике машин. - Краснодар, 2006. - С. 158-159.

12. Вольченко О.І., Журавльов Ю.В., Журавльов Д.Ю. Стрічково-колодкове гальмо з елементом керування його динамічною навантаженістю // Тези наук.-техн. конф. проф.-виклад. складу Івано-Франківськ. національн. техн. ун-ту нафти і газу. - Івано-Франківськ, 2002. - С. 66.

13. Петрик А., Вольченко М., Журавльов Д. Методика розрахунку динамічної навантаженості багатопарних фрикційних вузлів стрічково-колодкових гальм бурових лебідок // 7-й міжнар. симпоз. укр. інженерів-механіків у Львові: Тези доповідей. - Львів, 2005. - С. 139-140.

14. Вольченко Д., Журавльов Д. Дослідження навантаження в бурових установках // Матеріали 11-ї наук. конф. Тернопільськ. державн. техн. ун-ту ім. Івана Пулюя. - Тернопіль, 2007 - С. 26.

15. Журавльов О., Журавльов Д. Вплив динамічності навантаження на тривалість гальмування у стрічково-колодкових гальмах з багатопарними фрикційними вузлами // Матеріали 11-ї наук. конф. Тернопільськ. державн. техн. ун-ту ім. Івана Пулюя. - Тернопіль, 2007. - С. 34.

Размещено на Allbest.ru