Приказчиков, Максим Сергеевич. Повышение ресурса гидроподжимных муфт коробок передач с гидроуправлением улучшением режима трения фрикционных дисков

brief description

Приказчиков, Максим Сергеевич. Повышение ресурса гидроподжимных муфт коробок передач с гидроуправлением улучшением режима трения фрикционных дисков : диссертация ... кандидата технических наук : 05.20.03 / Приказчиков Максим Сергеевич; [Место защиты: Пенз. гос. с.-х. акад.].- Пенза, 2013.- 197 с.: ил. РГБ ОД, 61 13-5/2260

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Самарская государственная сельскохозяйственная академия»
04201361170
Приказчиков Максим Сергеевич
ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ГИДРОПОДЖИМНЫХ МУФТ КОРОБОК
ПЕРЕДАЧ С ГИДРОУПРАВЛЕНИЕМ УЛУЧШЕНИЕМ РЕЖИМА
ТРЕНИЯ ФРИКЦИОННЫХ ДИСКОВ
Специальность 05.20.03 - технологии и средства технического
обслуживания в сельском хозяйстве
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель:
кандидат технических наук,
доцент Володько О.С.
Пенза-2013
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ 5
ВВЕДЕНИЕ 7
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 12
1.1 АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ КОРОБОК ПЕРЕДАЧ С
ГИДРАВЛИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ 12
1.2 ОБЗОР ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА
ФРИКЦИОННЫХ ДИСКОВ 21
1.2.1 Методы повышения ресурса поверхностей трения 22
1.2.2 Применение альтернативных смазочных материалов 28
1.3 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 33
2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ УЛУЧШЕНИЯ РЕЖИМА
ТРЕНИЯ ФРИКЦИОННЫХ ДИСКОВ 35
2.1 ВЛИЯНИЕ СМАЗОЧНОЙ КОМПОЗИЦИИ И
МОДИФИЦИРОВАНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ НА ИЗНОС ФРИКЦИОННЫХ ДИСКОВ ГИДРОПОДЖИМНЫХ МУФТ 35
2.2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ ГРАДИЕНТОМ ТВЕРДОСТИ 38
2.3 АНАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРНОЙ НАПРЯЖЕННОСТИ
ФРИКЦИОННЫХ ДИСКОВ ПРИ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ 51
2.4 ПРОЦЕСС НАВОДОРОЖИВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ
ФРИКЦИОННЫХ ДИСКОВ И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА КРИТЕРИАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ УЛУЧШЕНИЯ РЕЖИМА ТРЕНИЯ. 60 ВЫВОДЫ 67
3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 68
3.1 ПРОГРАММА ИССЛЕДОВАНИЙ 68
3.2 МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 71
з
3.2.1 Методика исследований образцов на роликовой машине трения... 71
3.2.2 Методика исследований образцов на трение и изнашивание на
трибометре 75
3.3 МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ НАВОДОРОЖИВАНИЯ
ПОВЕРХНОСТНЕЙ ТРЕНИЯ 79
3.3.1 Определение степени наводороживания поверхностей трения
методом фотоэлектрического спектрального анализа 79
3.3.2 Определение степени наводороживания поверхностей трения
расчетно-аналитическим методом 82
3.4 МЕТОДИКА НАНЕСЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПОКРЫТИЯ
НА ПОВЕРХНОСТИ ТРЕНИЯ 83
3.5 МЕТОДИКА СТЕНДОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФРИКЦИННЫХ
ДИСКОВ 87
3.6 МЕТОДИКА ОЦЕНКИ СОДЕРЖАНИЯ ЖЕЛЕЗА В
СМАЗОЧНОЙ СРЕДЕ 90
3.7 МЕТОДИКА УСКОРЕННЫХ РЕСУРСНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ... 91
ВЫВОДЫ 94
4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 95
4.1 ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО СОСТАВА МИНЕРАЛЬНО-РАСТИТЕЛЬНОЙ СМАЗОЧНОЙ КОМПОЗИЦИИ 95
4.2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ИЗНАШИВАНИЯ И
ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНОГО РЕЖИМА ТРЕНИЯ ФРИКЦИОННЫХ ДИСКОВ 104
4.3 РЕЗУЛЬТАТЫ СТЕНДОВЫХ СРАВНИТЕЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ФРИКЦИОННЫХ ДИСКОВ 129
4.4 РЕЗУЛЬТАТЫ УСКОРЕННЫХ РЕСУРСНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ГИДРОПОДЖИМНЫХ МУФТ 132
ВЫВОДЫ 137
5 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 140
5.1 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОБСЛУЖИВАНИЮ КОРОБОК ПРЕДАЧ
ТРАКТОРА «КИРОВЕЦ» 140
5.2 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ
ИССЛЕДОВАНИЯ 142
ВЫВОДЫ 145
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 146
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 148
ПРИЛОЖЕНИЕ 164
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ
МРСК - минерально-растительная смазочная композиция;
РМ - рапсовое масло;
ФП - функциональное покрытие;
с.-х. - сельскохозяйственный (ая; ое; ые);
Аддитивный показатель - критерий оценки результатов исследований, сводящий многомерные характеристики к одномерным показателям, особым образом сформированным и отражающим многомерную информацию.
Гидроподжимная муфта (ГПМ) - фрикционная муфта сцепления, ис-пользующая в качестве нажимного устройства гидравлический цилиндр, на¬шедшая широкое применение в гидравлически управляемых коробках передач тракторов и служат для включения передач за счет сжатия дисков давлением масла. В данной диссертационной работе исследовались гидроподжимные муфты трактора «Кировец»
Насыщенный контакт - контакт двух шероховатых поверхностей, ко¬гда число контактирующих неровностей равно числу неровностей, располо¬женных на контурной площади контакта
Режим трения — условная градация механизмов трения поверхностей и твердых тел, связанных с изменением параметров трения, наличием или от¬сутствием смазочного материала, характером физико-механического и физи¬ко-химического взаимодействия контактирующих поверхностей.
Режим ускоренных исследований - режим, предусмотренный приме¬няемым принципом и методом ускоренных исследований и обеспечивающий сокращение продолжительности исследований.
Ресурс - суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.
Ускоренные исследования - исследования, дающие информацию о па¬раметрах и показателях качества в более короткие сроки, чем в условиях экс-
плуатации. Частным случаем являются форсированные исследования, получе¬ние результатов которых ускоряется путем увеличения нагрузок, температур, скоростей и других факторов.
Смазочный материал - материал вводимый на поверхность трения для уменьшения износа, повреждений поверхности и (или) силы трения.
Трибометр - лабораторная измерительная установка для исследования и измерения величин, характеризующих трения материалов.
Тепловая напряженность (фрикционных дисков) - параметр, характе-ризующий условия работы трущихся фрикционных дисков, а также уровень температуры, определяющий допускаемую термическую нагрузку на материал пары трения.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Основным ресурсоопределяющим узлом механи¬ческой коробки передач с гидравлическим управлением, например, тракторов «Кировец» производства ЗАО «Петербургский тракторный завод», является гидроподжимная муфта (ГПМ), обеспечивающая переключение передач без разрыва потока мощности. При реализации переключения передач вследствие буксования поверхностей трения ведущие и ведомые диски ГПМ испытывают большие термодинамические нагрузки, приводящие к их короблению и интен¬сивному изнашиванию. Это является причинной снижения фактического ре¬сурса фрикционных дисков на 60% от регламентированного.
Ресурс ГПМ и технико-экономические показатели работы энергонасы¬щенной автотракторной техники, оснащенной механическими коробками пе¬редач с гидравлическим управлением, во многом зависят от параметров режи¬ма трения фрикционных дисков. Ухудшение режима трения приводит к ин¬тенсивному наводороживанию и увеличению износа дисков и, как следствие, к ухудшению динамических характеристик трактора и повышенному расходу топлива. Рациональный режим трения фрикционных дисков определяется эф¬фективным сочетанием смазочной среды, материала и качества сопрягаемых поверхностей трения.
Поэтому актуальными являются исследования, направленные на улуч¬шение режимов трения фрикционных дисков ГПМ путем модификации и по¬вышения уровня насыщения контакта поверхностей трения, а также триболо¬гических свойств смазочного материала.
Степень разработанности темы. Гидроподжимные муфты механиче¬ской коробки передач с гидравлическим управлением тракторов типа «Киро¬вец» работают в сложных эксплуатационных условиях. Исследованиями уста¬новлено, что фрикционные диски ГПМ испытывают большие тепловые и ди-
намические нагрузки, вызывающие ухудшение режима трения и снижение нормативных показателей работы дисков.
Разработки отечественных и зарубежных ученых в области повышения ресурса ГПМ связаны в основном с упрочнением поверхностей трения фрик¬ционных дисков или их восстановлением. Важным показателем эффективно¬сти работы ГПМ является повышение передаваемого крутящего момента уве¬личением площади фактического контакта фрикционных дисков.
В числе перспективных направлений исследования процесса трения ши¬роко анализируются методы модификации поверхностей трения, снижения водородного изнашивания, альтернативного использования минерально¬растительных смазочных композиций (МРСК) в качестве гидравлических ра¬бочих жидкостей и трансмиссионных масел.
Применительно к ГПМ тракторных коробок передач вышеуказанные на¬учные направления характеризуются рациональным составом МРСК, модифи¬кацией поверхностей трения и уровнем насыщения их контакта. Поэтому дан¬ные вопросы требуют дальнейших теоретических обоснований и разработки новых технических решений.
Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА на
2006.. .2010 г.г. по теме «Разработка и внедрение технологии рационального использования минеральных и альтернативных топливо-смазочных материа¬лов и методов улучшения трибологических параметров сельскохозяйственной техники» (ГР №01.200511089) и на 2011...2015 г.г. по теме «Обоснование ра¬циональных методов формирования и нанотехнологического насыщения по¬верхностей трения деталей сельскохозяйственной техники в условиях мине¬ральной и альтернативной смазочной среды» (ГР №01.201062609).
Цель исследований. Повышение ресурса гидроподжимных муфт коро¬бок передач с гидравлическим управлением улучшением режима трения фрикционных дисков сочетанием модификации поверхностей трения дисков и трибологических свойств МРСК.
Задачи исследований:
1. Обосновать рациональный состав минерально-растительной смазочной композиции для гидроподжимных муфт коробок передач, обеспечивающий сни¬жение сорбции водорода в поверхностные слои фрикционных дисков.
2. Теоретически обосновать и оценить возможность повышения технического ресурса гидроподжимных муфт коробок передач с гидроуправлением применением фрикционных дисков с положительным градиентом твердости поверхностей трения.
3. Экспериментально оценить влияние насыщения контакта поверхностей трения фрикционных дисков на ресурс гидроподжимных муфт и критериально установить ра¬циональный режим трения фрикционных дисков гидроподжимных муфт.
4. Разработать технологические рекомендации и оценить экономическую эф-фективность рационального режима трения в аспекте повышения ресурса фрик-ционных дисков.
Объект исследований. Процесс трения модифицированных рабочих по-верхностей фрикционных дисков ГПМ при использовании МРСК.
Предмет исследований. Параметры режима трения фрикционных дисков ГПМ.
Научную новизну работы составляют:
-аддитивный критерий, характеризующий комплексное влияние качества поверхностей трения и смазочной среды на ресурс фрикционных дисков;
-показатели, оценивающие влияние положительного градиента твердости поверхности трения при использовании МРСК, на ресурс гидроподжимных муфт;
-комплексный способ снижения водородного изнашивания фрикционных дисков фрикционно-механическим латунированием поверхностей трения и при-менением МРСК;
-рациональный состав МРСК, используемый в качестве смазочного мате¬риала коробок передач с гидроуправлением тракторов «Кировец».
Теоретическая и практическая значимость работы. Модификация по-верхностей трения фрикционных дисков посредством фрикционно-механического латунирования в сочетании с МРСК (50% М-10Г2 + 50%РМ), пригодной для ис-пользования в механических коробках передач с гидравлическим управлением
тракторных трансмиссий, позволяет без значительных конструктивных изменений установить рациональный режим трения фрикционных дисков, характеризую¬щийся сочетанием значений коэффициента трения, работы буксования и скорости изнашивания рабочих поверхностей, обеспечивающих регламентированный тех-нический ресурс и устойчивый режим включения ГПМ. Определен аддитивный критерий (КА = 5,492...7,941), характеризующий рациональный режим трения фрикционных дисков ГПМ. Установлены способ модификации поверхности тре¬ния и операции технологического процесса ее формирования, типы трансмиссий и узлы, в которых используется технология модификации.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований по ра-циональному режиму трения, снижению износа и повышению ресурса ГПМ по-средством модификации поверхностей трения фрикционных дисков и применения МРСК приняты к внедрению в производстве на ремонтном предприятии ОАО «Болынеглушицкремтехсервис» и ООО «Волгаагромаш» Самарской области.
Методология и методы исследования. Теоретические исследования пара-метров рационального режима трения фрикционных дисков ГПМ выполнены с применением основных положений, законов и методов трибологии, математиче¬ского анализа и математического моделирования. Экспериментальные исследова¬ния выполнены с использованием стандартных и разработанных частных мето¬дик исследований. Обработка экспериментальных данных выполнялась с приме¬нением современных технических средств измерения и методов ПЭВМ на основе прикладных программ Statistica v.7.0, POWERGRAPH v.3.1, MathCAD 2001, Mi¬crosoft Excel и др. [10, 61, 76].
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
-количественные значения показателей, оценивающих влияние изменения качества поверхностей трения и применения минерально-растительной смазочной композиции на технический ресурс гидроподжимных муфт;
-способ снижения водородного изнашивания фрикционных дисков гидро-поджимных муфт, основанный на комплексном применении фрикционно-
механического латунирования поверхностей трения дисков и использования ми-нерально-растительной смазочной композиции в качестве смазочной среды;
-рациональный состав минерально-растительной смазочной композиции, обеспечивающий снижение сорбции водорода в поверхности трения фрикцион¬ных дисков гидроподжимных муфт;
-аддитивный критерий, характеризующий комплексное влияние качества поверхностей трения и смазочной среды на ресурс фрикционных дисков гидро-поджимных муфт.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность резуль¬татов подтверждается сравнительными натурными стендовыми и ускоренными ресурсными исследованиями фрикционных дисков ГПМ коробок передач тракто¬ра типа «Кировец».
Результаты исследований доложены и одобрены на межвузовских, регио-нальных и международных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» (2005 г.), ФГБОУ ВПО «СамГТУ» (2008, 2011 г.г.), ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА (2005, 2007, 2008, 2010... 13 г.г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 12 научных работах, в том числе 4 статьи в изданиях по «Перечню...ВАК при Минобрнауки РФ». Одна статья опубликована без соавторов. Общий объем публикаций 2,59 п. л., из них автору принадлежит 1,52 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 197 с., состоит из пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 171 на-именований и приложения на 34 с., содержит 16 таблиц и 41 рисунок.

bibliography

ВЫВОДЫ
1. Суммарные затраты при ремонте ведущего вала коробки передач тракто¬ра «Кировец» при заводском варианте составляют 39800 руб., а при опытном
42104,6 руб.
2. Годовой экономический эффект от применения модифицированных фрикционных дисков с учетом перехода на МРСК составит 11296,4рубля на 1 трактор.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Анализом основных направлений снижения изнашивания фрикционных дисков, как ресурсоопределяющих элементов ГПМ механических коробок пере¬дач тракторов с гидроуправлением, установлена эффективность использования МРСК в связи с активным взаимодействием с поверхностями трения и снижением их водородного изнашивания. Оценка модели процесса наводороживания свиде-тельствует о снижении сорбции водорода в зоне трения ввиду защитных действий ПАВ смазочной композиции. По результатам оценки уровня наводороживания поверхностей трения и их изнашивания рациональной является МРСК в составе 50% минерального масла М-10Г2 и 50% РМ. Наводороживание поверхностей тре¬ния снизилось при увеличении концентрации РМ в МРСК с 0,163 (0% РМ) до 0,072 м.д. % -10'3 (50% РМ), при этом скорость изнашивания снизилась с 0,235 до 0,128-Ю'3 мг/с.
2. Теоретически обоснована возможность повышения ресурса фрикционных дисков путем технологического формирования поверхностей трения с положи-тельным градиентом твердости. При этом представляется возможным повысить уровень насыщения контакта, увеличить площадь фактического контакта фрик-ционных дисков, улучшить режим трения в направлении их фрикционного взаи-модействия при изменении адгезионной составляющей трения.
Экспериментально установлено, что увеличение фактической площади кон-такта (Ат) составило в среднем 11,5%. Так, при использовании заводских фрикци-онных дисков Аг = 0,0795...0,0823 мм2, а при использовании модифицированных фрикционных дисков Аг = 0,0889.. .0,0933мм2.
3. Экспериментально установлено влияние уровня насыщения контакта на ресурс ГПМ. Средняя концентрация железа в смазочной среде механической ко¬робки передач с гидроуправлением после их обкатки с заводскими фрикционны¬ми дисками составила 5,4Т0'3 %, а с модифицированными дисками 1,ЗТ0'3 %. Из¬менение режима трения при модификации фрикционных дисков способствует
улучшению температурного режима работы ГПМ посредством снижения темпе¬ратурного градиента работы коробки передач при буксовании фрикционных дис¬ков со 195 °С до 125°С, увеличению момента трения буксования с 2,5 до 2,8 кНм.
Обоснована аналитически зависимость аддитивного критерия от твердости поверхностных слоев и состава МРСК. Экспериментально установлено изменение аддитивного критерия КА = 5,492...7,941 и его рациональное значение (КА = 5,492), обосновывающее выбор режима трения фрикционных дисков на ос-нове рационального сочетания состава МРСК (50% М-10Г2 + 50% РМ), высту¬пающей в качестве смазочной среды, и градиента твердости поверхностей трения дисков (7т = 0,87), повышающего ресурс ГПМ.
Анализ проб масла при проведении ресурсных исследований показал сни¬жение концентрации железа в смазочной среде с Срс Баз = 21,3'10'3%, в заводском варианте, до Срсопыт= 14,2510'3%, в опытном варианте при соответствующем уве¬личении ресурса ГПМ в 1,7 раза.
Предложены рекомендации по обслуживанию коробок передач трактора «Кировец» при реализации установленного режима трения. Рациональным следу¬ет считать комплексное применение модифицированных фрикционных дисков с градиентом твердости сопряжения IПт = 0,87 (средняя микротвердость поверхно¬стей трения фрикционных дисков #ц= 367Ну) и МРСК, содержащей 50% мине¬рального масла М-10Г2 и 50% РМ. Годовой экономический эффект на один трак¬тор при использовании коробки передач с модифицированными фрикционными дисками и применении предлагаемой смазочной композиции составит 11,3 тыс. руб. при средней годовой наработке 620 мото-ч.