авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Повышение долговечности шлицевых соединений карданных валов приводов вагонных генераторов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

БулавинА Евгения Александровна

повышение долговечности шлицевых соединений карданных валов приводов вагонных генераторов

Специальность: 05.02.04 – Трение и износ в машинах

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ростов-на-Дону – 2006

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (РГУПС)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Челохьян Александр Вартанович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Майба Игорь Альбертович;

кандидат технических наук

Воронин Николай Семенович.

Ведущая организация Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Петербургский государственный

университет путей сообщения» (ПГУПС).

Защита состоится «____» ____________ 2006 г. в ___ час. на заседании диссертационного совета Д 218.010.02 при Ростовском государственном университете путей сообщения по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУПС.

Автореферат разослан «___» _____________ 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 218.010.02,

доктор технических наук, профессор И.М. Елманов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В соответствии с «Транспортной стратегией Российской Федерации на период до 2020 г.» одним из важных направлений развития железнодорожной отрасли является внедрение надежной техники и новых технологий, обеспечивающих сокращение потребляемых ресурсов. В связи с тем, что доля отказов узлов трения подвижного состава составляет около 85 %, проблема повышения их надежности имеет первостепенное значение.

Основное условие комфортной и безопасной перевозки пассажиров – надежная работа индивидуальной системы энергоснабжения с приводом генератора от оси колесной пары.

Одна из наиболее часто встречающихся причин выхода системы энергоснабжения из строя – повышенный износ шлицевого соединения карданного вала привода. Средний срок службы карданных валов не превышает 1,5-2 лет, что не соответствует нормативам межремонтных сроков пробега вагонов.

Учитывая высокую стоимость изготовления и ремонта, вопрос повышения срока службы шлицевых соединений карданных валов приводов вагонных генераторов является актуальным.

Результаты исследований по теме диссертационной работы были использованы в программе фундаментальных и поисковых научно-исследовательских работ, выполненных РГУПС для ОАО «Российские железные дороги» в 2003–2005 гг.

Цели и задачи исследования. Целью работы является повышение срока службы шлицевого соединения карданной передачи привода вагонного генератора путем снижения динамических нагрузок и улучшения условий смазывания.





С учетом поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1. Выявить основные причины изнашивания шлицевых соединений приводов вагонных генераторов с учетом условий их работы и оценить эффективность применяемых смазочных материалов.

  1. Разработать математическую модель работы шлицевого соединения карданного вала с учетом его перемещений в пространстве и особенностей работы привода генератора.
  2. Предложить теоретико-экспериментальную методику оценки эффективности и создания смазочных материалов на основе квантово-химических расчетов.

4. Предложить присадку к пластичным смазочным материалам (ПСМ), применяемым в шлицевых соединениях, повышающую их долговечность.

  1. Провести экспериментальные исследования триботехнических, реологических и физико-химических свойств полученного пластичного смазочного материала.

Методы исследования и достоверность полученных результатов. Методологической основой работы являются методы математического моделирования, математического планирования эксперимента, теории размерностей, материаловедения, теории физического подобия и инженерного эксперимента, квантовой химии и физико-химических исследований.

Составление математической модели проводилось на основе уравнений Лагранжа II рода, а также методик автоматического синтеза уравнений движения с использованием теории графов.

Достоверность полученных результатов подтверждается применением апробированных методов исследований и достаточной сходимостью расчетных и экспериментальных данных.

Научная новизна состоит в следующем:

  • разработана математическая модель работы шлицевого соединения в карданной передаче привода вагонного генератора, учитывающая пространственные колебания элементов карданного вала, зазоры в шлицевом соединении, кинематическую погрешность универсальных шарниров, скольжение в ременной передаче, тормозной электромагнитный момент со стороны генератора;
  • установлен механизм изнашивания шлицевых соединений карданных валов приводов вагонных генераторов и выявлено, что основным видом их изнашивания является изнашивание при фреттинге;

- предложена методика оценки эффективности и создания смазочных материалов, позволяющая прогнозировать их триботехнические характеристики на основе результатов квантово-химических расчетов;

- определены атомные свойства, пространственная конфигурация и полная энергия молекулы присадки, улучшающей реологические, физико-химические и триботехнические свойства пластичных смазочных материалов;

- установлена зависимость между энергией связи адсорбционного комплекса «поверхность металла – разработанная присадка» и коэффициентом трения.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Предложена методика определения динамических нагрузок на шлицевое соединение карданной передачи привода вагонного генератора с учетом условий эксплуатации, позволяющая на этапе проектирования оценить влияние конструкционных и технологических факторов на долговечность узла трения.

Установлены рациональные значения зазоров между зубьями шлицевых соединений, обеспечивающие снижение динамических нагрузок более чем в 1,2 раза, и повышение их долговечности.

Предложена присадка, улучшающая триботехнические свойства современных ПСМ – Буксола и ЖРО-М – применяемых на железнодорожном транспорте, что подтверждается результатами эксплуатационных испытаний в Новороссийском вагоноремонтном депо.

Результаты исследований используются в учебном процессе РГУПС при подготовке специалистов по дисциплине «Механика вагонов».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на научно-теоретических конференциях «Транспорт» (г. Ростов-на-Дону, 2001-2003, 2005 и 2006 гг.), на III Международном семинаре по контактному взаимодействию и сухому трению (МГТУ им. Н.Э.Баумана, Москва, 2005 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 148 наименований и приложений, содержит 78 иллюстраций и 16 таблиц. Общий объем диссертации составляет 175 стр.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность повышения долговечности шлицевых соединений карданных валов приводов вагонных генераторов, дана краткая характеристика структуры исследования и методики выполнения работы, сформулирована цель и задачи работы.

В первой главе диссертационной работы проведен аналитический обзор состояния вопроса по исследованиям в области трибологии и конструкций приводов подвагонных генераторов. Отмечена значимость роли российских ученых и конструкторов, таких как: Алябьев А.Я., Браун Э.Д., Виноградов В.Н., Войнов К.Н., Гайденко В.Я., Гаркунов Д.Н., Глухарев Е.Г., Голего Н.П., Евдокимов Ю.А., Елманов И.М., Зубарев Н.И., Колесников В.И., Костровский Г.И., Крагельский И.В., Логинов В.Т., Майба И.А., Никитин В.Н., Самошкин С.Л., Скундин Г.И., Терешкин Л.В., Челохьян А.В., Чичинадзе А.В., Шаповалов В.В., Шевеля В.В. и др.

Рассмотрены конструкционные и технологические методы повышения долговечности шлицевых соединений. Выявлен ряд вопросов, связанных с трением и изнашиванием шлицевых соединений карданных валов приводов вагонных генераторов, которые до настоящего времени в достаточной мере не исследовались, что позволило сформулировать задачи исследования.

Во второй главе разработана математическая модель работы шлицевого соединения в карданной передаче привода вагонного генератора, позволяющая определить динамические нагрузки с учетом пространственных колебаний элементов карданного вала, зазоров в шлицевом соединении, кинематической погрешности универсальных шарниров, скольжения в ременной передаче, тормозного электромагнитного момента со стороны генератора. Модель первого приближения построена на основе уравнений Лагранжа II рода. Расчетная схема фрагмента шлицевого соединения карданного вала текстропно-карданного привода ТК-2 представлена на рис. 1. Схема учитывает зазоры между зубьями, что делает возможным исследование ударных воздействий.

Рис. 1. Расчетная схема фрагмента шлицевого соединения карданного вала:

cij – боковая (j=1) и радиальная (j=2) жесткость зубьев вала (i=1)

и втулки (i=2); mi – приведенная масса вала (i=1) и втулки (i=2);

li – ширина зуба вала (i=1) и втулки (i=2); (n) – боковой зазор между зубьями вала и втулки как функция от номера зуба; 0(n) – радиальный зазор между зубьями вала и втулки как функция от номера зуба

Полная математическая модель составлена, исходя из представления элементов конструкции привода в виде системы твердых тел, с наложенными на них упруго-диссипативными связями. Уравнения движения получены с использованием теории графов в программном комплексе Simulink. На рис. 2 показана пространственная модель привода, где твердые тела представлены эллипсоидами инерции. Рис. 3 иллюстрирует локальные координаты зубьев шлицевого соединения, вдоль которых происходят контактные взаимодействия.

Рис. 2. Модель привода Рис. 3. Схема локальных координат

шлицевого соединения

Для идентификации параметров математической модели, в частности жесткости зубьев, проведены расчеты напряженно-деформированного состояния сегментов карданного вала методом конечных элементов. Деформации шлицевых втулки и вала при действии нагрузки на боковую грань зуба показаны на рис. 4.

а) б)

Рис. 4. Деформации шлицевых втулки (а) и вала (б)

Определены деформации, жесткости и масс-инерционные параметры элементов привода, необходимые для математического моделирования.

Результаты расчетов показали, что пиковые динамические крутящие моменты на карданном валу могут достигать 2,5 кН•м, что превосходит номинальные в 20 и более раз. При этом значительное влияние на величину динамических нагрузок оказывают зазоры в шлицевом соединении и разность углов излома карданной передачи. В этих условиях типовые ПСМ, применяемые в шлицевых соединениях, не достаточно эффективны.

Для выявления механизма изнашивания и оценки триботехнических свойств применяемых в настоящее время ПСМ проведены лабораторные исследования образцов смазок после эксплуатации.

В результате исследований выявлено значительное ухудшение свойств типовых ПСМ и наличие в них частиц износа различной формы, причем в ЖРО-М частиц на 30 % больше и они в 1,5–2 раза крупнее, чем в Буксоле.

С учетом условий смазывания и на основе анализа состояния поверхностей трения установлен механизм изнашивания шлицевых соединений карданных валов приводов вагонных генераторов. Так, в условиях смазочного голодания радиальные и осевые смещения вала и втулки с малой амплитудой и при высоких нагрузках приводят к развитию изнашивания при фреттинге и связанных с ним усталостных явлений. Накопление в зоне контакта частиц износа ведет к их абразивному воздействию на материал зубьев. При этом знакопеременные нагрузки в шлицевом соединении способствуют более интенсивному разрушению поверхностей трения.

В третьей главе разработана теоретико-экспериментальная методика оценки эффективности и создания смазочных материалов на основе квантово-химических расчетов. На первом этапе для химических соединений, входящих в состав исследуемых систем, определяются полные энергии и оптимальные геометрии молекул, и выбирается рациональный размер кластера для моделирования поверхности трения.

На втором этапе определяются энергии адсорбционных комплексов «поверхность металла–дисперсная фаза смазки» и «поверхность металла–присадка» в различных пространственных конфигурациях, строятся потенциальные кривые и рассчитываются энергии связи соединений.

На третьем этапе, на основании энергий связи соединений прогнозируются их триботехнические свойства и выбираются молекулы с требуемыми параметрами.

На четвертом этапе проводятся экспериментальные исследования триботехнических свойств предлагаемых смазочных материалов на машинах трения по стандартным методикам.

В работе приведен пример использования предложенной методики для исследования присадки к пластичным смазочным материалам. В качестве присадки выбрано соединение фосфоромолибдата натрия.

Полная энергия предлагаемой присадки к типовым ПСМ, рассчитанная в базисе STO-6G* составляет Еполн=–4839,51 а.е. Определены атомные свойства присадки (рис. 5).

а) б)

Рис. 5. Молекула фосфоромолибдата натрия:

длины (а) и углы (б) связей

Молекула является полярной, что способствует ее адсорбции и образованию адгезионных комплексов с поверхностью металла.

Наличие минимума на потенциальной кривой системы «поверхность металла – присадка» позволяет сделать вывод о стабильном состоянии данного адсорбционного комплекса (рис. 6). Проведено сравнение систем «поверхность металла–дисперсная фаза смазки» и «поверхность металла–присадка» по величине их энергии связи (рис. 7).

 Потенциальная кривая системы-0

Рис. 6. Потенциальная кривая системы «поверхность металла – присадка»

(группа с фосфором приближена к кластеру металла)

 Энергии связи адсорбционных-1

Рис. 7. Энергии связи адсорбционных комплексов:

1, 2 – «поверхность – присадка» при расположении присадки

группой –NaPO2 и –МоO2 к металлу соответственно;

3 – «поверхность – дисперсная фаза типовой смазки»

Более низкая энергия связи адсорбционного комплекса «поверхность–присадка» указывает на его высокую стабильность. Использование предлагаемой присадки обеспечит высокую степень адгезии ПСМ на металле, создаст прочный адсорбционный слой и снизит износ шлицевого соединения.

Для оценки эффективности использования присадки в типовых ПСМ: Буксоле и ЖРО-М, проведены экспериментальные исследования их триботехнических свойств на машинах трения по схемам «колодка–ролик» и «плоскость–плоскость» (рис. 8 и 9).

 а) б) Изменение момента-2  а) б) Изменение момента сил-3

а) б)

Рис. 8. Изменение момента сил трения ПСМ в процессе испытаний

по схеме «колодка–ролик»: а – Буксол; б –ЖРО-М;

1 – без присадок; 2 – с триоксидом молибдена;

3 – с фосфоромолибдатом натрия; 4 – с полифосфатом натрия


 Интенсивность изнашивания-4

Рис. 9. Интенсивность изнашивания поверхностей трения

по схеме «плоскость–плоскость»

Установлено, что использование присадки фосфоромолибдата натрия в типовых ПСМ (№№ 2 и 7 на рис. 9) снижает моменты сил трения в 1,5 - 2 раза, уменьшает интенсивность изнашивания в среднем на 15% по сравнению с ЖРО-М с той же присадкой и до 70% по сравнению с типовыми Буксолом и ЖРО-М.

Анализ результатов показал, что с течением времени моменты сил трения типовых ПСМ выравниваются, однако интенсивность изнашивания при смазывании ЖРО-М значительно выше, чем при использовании Буксола.

В результате теоретико-экспериментальных исследований отмечена взаимосвязь между величиной энергии связи адсорбционного комплекса и моментом сил трения ПСМ. Так, расчетная энергия связи системы «поверхность–присадка» при сближении группы с фосфором присадки и кластера металла на 67% ниже энергии связи «поверхность – дисперсная фаза типовой смазки». При этом момент сил трения созданной смазки с присадкой фосфоромолибдата натрия на 62% ниже момента сил трения типовой смазки Буксол. Таким образом, экспериментальные данные подтвердили гипотезу о возможности прогнозирования триботехнических свойств ПСМ на основе квантово-химических расчетов.

С помощью сканирующего зондового микроскопа марки Solver P47 Pro получены микротопографии поверхностей трения и параметры их морфологии (рис. 10).

а) б)

Рис. 10. Снимки сканирующим зондовым микроскопом (5050 мкм2)

поверхностей трения после экспериментов с ПСМ ЖРО-М (а) и Буксол (б):

1 – без присадок, 2 – с рекомендуемой присадкой

Установлено, что применение разработанного ПСМ способствует уменьшению шероховатостей. Согласно современным представлениям о влиянии качества поверхности, это должно привести к повышению сопротивлению усталости, износостойкости и коррозионной стойкости поверхностей трения, что и было установлено в результате экспериментального исследования.

В четвертой главе представлены результаты лабораторного исследования реологических, физико-химических и триботехнических свойств разработанного смазочного материала, а также типовых ПСМ с различными присадками. Установлено, что введение присадки фосфоромолибдата натрия улучшает характеристики типовых ПСМ, а требования, предъявляемые к ним техническими условиями, выполняются (таблица).

Характеристики пластичных смазочных материалов



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.