Обеспечение износостойкости пар трения сталкивателя

В процессе эксплуатации машин в узлах трения развиваются процессы изнашивания. Основным фактором, определяющим срок службы узла трения, является интенсивность изнашивания. Одним из важнейших внешних факторов является контурное давление на контакте и скорость смещения трущихся поверхностей.

Муфты, предназначенные для передачи крутящего момента от одного вала к другому, имеют благоприятные условия работы только при соосном расположении валов. Даже муфты, допускающие некоторую несоосность валов, с увеличением несоосности подвержены более быстрому износу. Поэтому в процессе эксплуатации механического оборудования, и тем более при ремонтах, необходимо следить за расположением валов. Износ муфт и методы восстановления их зависят от конструкции муфт и условий эксплуатации.

Интенсивность изнашивания зависит от удельной нагрузки на контакте, скорости скольжения, смазочного материала, конструктивного исполнения узла трения и окружающей среды. Поэтому для оценки величины износа и выбора применяемых мер необходимо рассчитать величину удельной нагрузки, определить ее тип и скорость скольжения на контакте. Зная эти параметры и выявленные условия, в которых работают узлы трения, делается заключение о возможном виде изнашивания, выбирают материал пар трения и, если необходимо, соответствующую упрочняющую обработку.

Пара трения «внутреннее кольцо подшипника – вал». На цапфу вала посажен подшипник качения радиально-упорный конический № 7214. Подшипник изготавливается из стали ШХ15, вал из стали 40Х.

Рассчитаем величину контурного давления p_c для данной пары трения:

(31)

где Δ _н – максимальная величина натяга, м.

Для посадки Ø 70k6

Ø 70 (-25; +5) – предельное отклонение внутреннего кольца подшипника класса точности 0 – отверстие

ES = 5 мкм

EI = -25 мкм

Ø 70k6 (+21; +2) – вал

es = 21 мкм

ei = 2 мкм

Наибольший натяг

N_max = es – EI = 21 – (-25) = 46 мкм

Наименьший натяг

S_max = ES – ei = 5 – 2 = 3 мкм

Δ _н = 46 мкм = 46·10^-6 м

d = 70 мм – диаметр цапфы;

(32)

(33)

D = 125 мм – внешний диаметр кольца подшипника;

Е = 2, 1·10⁵ МПа – модуль упругости для стали;

Согласно расчетам:

= 1, 79

Па^-1

Сравним полученное значение контактного напряжения с предельно допустимым менее твердой стали, т.е. 40Х, для которой [ σ ]=900 МПа.

p_с < [ σ ], следовательно, применение в качестве материалов пары трения для подшипника качения (сталь ШХ15) и для вала (стали 40Х) целесообразно.

Установим вид контакта, к которому относится полученное значение контурного давления:

Ненасыщенный упругий контакт (ННУК):

< 5, 4 ·Δ ^-2·HB ⁵ ·θ ⁴ (34)

Упругопластический контакт (УПК):

5, 4 · Δ ^-2 · НВ ⁵ · θ ⁴ < p_c < 14, 5 · Δ ^-2 · НВ ⁵ · θ ⁴ (35)

Ненасыщенный пластический контакт (ННПК):

14, 5 · Δ ^-2 · НВ ⁵ · θ ⁴ < p_c < 0, 06 · НВ (36)

Насыщенный пластический контакт (НПК):

0, 06 · НВ < p_c < 0, 32 · НВ (37)

где Δ – комплексная характеристика шероховатости для более твердого из контактирующих поверхностей, определяем по таблице 4.2 /4, стр.174/ и принимаем равной 2, 8·10^-2.

θ = - упругая постоянная, МПа^-1; (38)

µ= 0, 3 - коэффициент Пуассона;

θ = = 0, 433 · 10^-5 МПа^-1

Е = 2, 1·10⁵ МПа – модуль упругости менее твердого тела;

НВ – твердость менее твердого тела, МПа;

Принимаем для стали 40Х – НВ = 3400 МПа.

Подставляем известные значения и проверяем неравенства:

Ненасыщенный упругий контакт (ННУК) определим по формуле (34):

152, 8 МПа < 5, 4·46^-2 · 3400⁵ · (0, 433·10^-5)⁴ МПа

152, 8 МПа < 40, 8 МПа

Упругопластический контакт (УПК) определим по формуле (35):

5, 4 · 46^-2 · 2700⁵ · (0, 433·10^-5)⁴ < 152, 8 < 14, 5 · 46^-2 · 3400⁵ · (0, 433·10^-5)⁴

40, 8 < 152, 8 < 110, 2 МПа

Ненасыщенный пластический контакт (ННПК) определим по формуле (36):

110, 2 МПа < 152, 8 МПа < 0, 06 · 3400 МПа

110, 2 МПа < 152, 8 МПа < 204 МПа

Насыщенный пластический контакт (НПК) определим по формуле (37):

204 МПа < 152, 8 МПа < 0, 32 · 3400

204 МПа < 152, 8 МПа < 1088 МПа

Таким образом, можно сделать вывод, что контактное напряжение входит в пределы ненасыщенного пластического контакта. Так как в данной паре трения реализуется ННПК, то нагрузки будут относиться к высоким нагрузкам.

На основании анализа нагруженности и условий эксплуатации можно сделать вывод, что данной паре трения соответствует адгезионное изнашивание 1-го рода, так как скорость скольжения мала и высокие контактные нагрузки, а также для пары трения характерна фреттинг-коррозия, так как этот вид изнашивания наиболее характерен соединениям с натягом. Карта дефектации и ремонта пары трения «внутреннее кольцо подшипника – вал» приведена в таблице 2:

Таблица 2 – Карта дефектации и ремонта пары трения «внутреннее кольцо подшипника – вал»

Предотвратить или замедлить развитие процесса фреттинг-коррозии возможно путем смазывания контактирующих поверхностей маслами с противоизносными присадками, что наиболее эффективно и экономически обосновано в данных производственных условиях.

Пара трения «посадка полумуфты на тихоходный вал». Муфты, предназначенные для передачи крутящего момента от одного вала к другому, имеют благоприятные условия работы только при соосном расположении валов. Даже муфты, допускающие некоторую несоосность валов, с увеличением несоосности подвержены более быстрому износу. Поэтому в процессе эксплуатации механического оборудования и тем более, при ремонтах необходимо следить за расположением валов. Износ муфт и методы восстановления их зависят от конструкции муфт и условий эксплуатации.

Исходные данные:

- диаметр вала d = 65 мм;

- диаметр обоймы полумуфты D = 150 мм;

- длина посадочной поверхности L = 140 мм;

- крутящий момент М_кр = 2, 65 кН·м.

Допустимые отклонения для посадки Н7/s7:

Ø 65Н7 (+30; 0) – ступица

ES = 30 мкм

EI = 0 мкм

Ø 70s6 (+89; +59) – вал

es = 89 мкм

ei = 59 мкм

Наибольший натяг

N_max = es – EI = 89 – 0 = 89 мкм

Наименьший натяг

S_max = ES – ei = 30 – 59 = 29 мкм

Δ _н = 89 мкм = 89·10^-6 м

Е = 2, 1·10⁵ МПа – модуль упругости для стали;

Согласно расчетам:

= 2, 3

Па^-1

Δ _пр= 0, т.к. α =1 – (тепловая посадка).

Установим минимально допустимый натяг из зависимости 4.44, /4, стр.191/:

Δ _н= мкм

где f_m = 0, 12 – молекулярная составляющая коэффициента трения.

Определим контурное давление для посадки с натягом

МПа

Определим, какой контакт реализуется, т.е. выполнение условие равенства

14, 5 · Δ ^-2 · НВ ⁵ · θ ⁴ < p_c < 0, 06 · НВ (39)

θ = - упругая постоянная, МПа^-1;

µ= 0, 3 - коэффициент Пуассона;

θ = = 0, 433 · 10^-5 МПа^-1

Е = 2, 1·10⁵ МПа – модуль упругости менее твердого тела;

НВ – твердость менее твердого тела, МПа;

Принимаем для стали 40Х

НВ = 3, 4·10³ МПа

µ = 0, 3

Δ = 5·10^-3

Подставляем известные значения в формулу (36) и проверяем неравенство:

14, 5 · (5·10^-3)^-2 · (3, 4·10³)⁵ · (4, 3·10^-6)⁴ < p_c < 0, 06 · 3.4·10³

90, 1 < 62 < 204.

Следовательно, реализуется ненасыщенный пластический контакт, а значит высокие нагрузки.

В соединениях с гарантируемым натягом реализуется фреттинг-коррозия. На интенсивность процесса изнашивания существенное влияние оказывает количество циклов нагружения. Характерным признаком процесса фреттинг-коррозии является наличие темных полос по границам сопряжений. В соединении с натягом в местах контактов появляются окисления.

Для предотвращения развития процесса изнашивания, в посадке при данном разбеге контурного давления применяем смазывание с противоизносными присадками при сборке.