автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение ресурса гидроподжимных муфт коробок передач с гидроуправлением улучшением режима трения фрикционных дисков

На пргвах рукописи

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 5 СЕН т

Пенза - 2013

005532754

005532754

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образоьательном учреждении высшего профессиолального образования «Самарская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА)

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Володько Олег Станиславович

Официальные оппоненты:

У ханов Денис Александрович д-р техн. наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», профессор кафедры «Тракторы, автомобили и теплоэнергетика»

Ведущая организация

Хохлов Алексей Леонидович канд. техн. наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия имени П.А. Столыпина», доцент кафедры «Эксплуатация мобильных машин и технологического оборудования»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «СамГТУ»)

Защита состоится 20 сентября 2013 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220.053.02 на базе ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» по адресу: 440014, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30, ауд. 1246.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА».

Автореферат разослан 20 августа 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета ^ * Кухарев О.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основным ресурсоопределяющим узлом механической 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 интенсивному изнашиванию. Это является причинной снижения фактического ресурса фрикционных дисков на 60% от регламентированного.

Ресурс ГПМ и технико-экономические показатели работы энергонасыщенной автотракторной техники, оснащенной механическими коробками передач с гидравлическим управлением, во многом зависят от параметров режима трения фрикционных дисков. Ухудшение режима трения приводит к интенсивному наводороживанию и увеличению износа дисков и, как следствие, к ухудшению динамических характеристик трактора и повышенному расходу топлива. Рациональный режим трения фрикционных дисков определяется эффективным сочетанием смазочной среды, материала и качества сопрягаемых поверхностей трения.

Поэтому актуальными являются исследования, направленные на улучшение режимов трения фрикционных дисков ГПМ путем модификации и повышения уровня насыщения контакта поверхностей трения, а также трибологических свойств смазочного матириала.

Степень разработанности темы. Гидроподжимные муфты механической коробки передач с гидравлическим управлением тракторов типа «Кировец» работают в сложных эксплуатационных условиях. Исследованиями установлено, что фрикционные диски ГПМ испытывают большие тепловые и динамические 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 фрикционных дисков или их восстановлением. Важным показателем эффективности работы ГПМ является повышение передаваемого крутящего момента увеличением площади фактического контакта фрикционных дисков.

В числе перспективных направлений исследования процесса трения широко анализируются методы модификации поверхностей трения, снижения водородного изнашивания, альтернативного использования минерально-растительных смазочных композиций (МРСК) в качестве гидравлических рабочих жидкостей и трансмиссионных масел.

Применительно к ГПМ тракторных коробок передач вышеуказанные научные направления характеризуются рациональным составом МРСК, модификацией поверхностей трения и уровнем насыщения их контакта. Поэтому данные 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 материалов и методов улучшения трибологических параметров сельскохозяйственной техники» (ГР №01.200511089) и на 2011...2015 г.г. по теме «Обоснование рациональных методов

формирования и нанотехнологического насыщения поверхностей трения деталей сельскохозяйствен!, )й техники в условиях минеральной и альтернативной смазочной среды» (ГР №01.201062609).

Цель исследований. Повышение ресурса гидроподжимных муфт коробок 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 снижение 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 рациональный режим трения фрикционных дисков гидроподжимных муфт.

4. Разработать технологические рекомендации и оценить экономическую эффективность рационального режима трения в аспекте повышения ресурса фрикционных дисков.

Объект исследований. Процесс трения модифицированных рабочих поверхностей фрикционных дисков ГПМ при использовании МРСК.

Предмет исследований. Показатели 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 применением МРСК;

- рациональный состав МРСК, используемый в качестве смазочного материала коробок передач с гидроуправлением тракторов «Кировец».

Теоретическая и практическая значимость работы. Модификация поверхностей трения фрикционных дисков посредством фрикционно-механического латунирования в сочетании с МРСК (50% М-10Г2+ 50%РМ), пригодной для использования в механических коробках передач с гидравлическим управлением тракторных трансмиссий, позволяет без значительных конструктивных изменений установить рациональный режим трения фрикционных дисков, характеризующийся сочетанием значений коэффициента трения, работы буксования и скорости изнашивания рабочих поверхностей, обеспечивающих регламентированный технический 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 трения и операции технологического процесса ее формирования, типы трансмиссий и узлы, в которых используется технология модификации.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований по рациональному режиму трения, снижению износа и повышению ресурса ГПМ посредством модификации поверхностей трения фрикционных дисков и применения МРСК приня-

ты к внедрению в производстве на ремонтном предприятии ОАО «Болыиеглушиц-кремте :сервис» и ООО «Волгаагромаш» Самарской облает: .

Методология и методы исследования. Теоретические исследования параметров рационального режима трения фрикционных дисков ГПМ выполнены с применением основных положений, законов и методов трибологии, математического анализа и математического моделирования. Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных и разработанных частных методик исследований. Обработка экспериментальных данных выполнялась с применением современных технических средств измерения и методов ПЭВМ на основе прикладных программ Statistica v.7.0, POWERGRAPH v.3.1, MathCAD 2001, Microsoft Excel и др..

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 гидроподжимных муфт, основанный па комплексном применении фрикционно-механического латунирования поверхностей трения дисков и использования минерально-растительной смазочной композиции в качестве смазочной среды;

-рациональный состав минерально-растительной смазочной композиции, обеспечивающий снижение сорбции водорода в поверхности трения фрикционных дисков гидроподжимных муфт;

- аддитивный критерий, характеризующий комплексное влияние качества поверхностей трения и смазочной среды на ресурс фрикционных дисков гидроподжимных муфт.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов подтверждается сравнительными натурными стендовыми и ускоренными ресурсными исследованиями фрикционных дисков ГПМ коробок передач трактора типа «Кировец».

Результаты исследований доложены и одобрены на межвузовских, региональных 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 е., состоит из пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 171 наименования и приложения на 34 е., содержит 16 табл. и 41 рис.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, поставлены цель и задачи исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса, цель и задачи исследований» рассмотрены условия работы механических коробок передач с гидравлическим управлением тракторов «Кировец» и выявлена основная причина их отказов, заключающаяся в низком ресурсе фрикционных дисков гидроподжимных муфт.

Произведен обзор основных направлений повышения ресурса фрикционных дисков по двум основным направлениям: повышение качества поверхностей трения и применение альтернативных смазочных материалов.

Обзор и анализ научной литературы показывают, что перспективным методом повышения ресурса фрикционных дисков гидроподжимных муфт следует считать улучшение режима их трения модификацией поверхностного слоя, реализуя положительный градиент твердости, в сочетании с альтернативной смазочной средой, способных минимизировать наводороживание поверхностей контактирующих деталей.

Вопросам улучшения режима трения, реализации положительного градиента твердости, применения растительных масел и смазочных композиций на их основе посвящены труды В.И. Балабанова, И.И. Берковича, В.И. Бутенко, Д.Н. Гаркунова, Д.Г. Громаковского, В.П. Гниломедова, Н.Б. Демкина, В.А. Едукова, В.В. Ефимова, Б.И. Костецкого, А.Ж. Кужарова, А.Д. Кулинского, Г.А. Ленивцева, В.В. Сафонова, А.Г. Суслова, А.П. Уханова, Д.А. Уханова, И.Г. Фукс, А.Л. Хохлова и других авторов.

По результатам анализа источников научной информации сформулированы цель и задачи исследований.

Во втором разделе «Теоретические предпосылки улучшения режима трения фрикционных дисков» рассмотрено влияние смазочной среды и модифицированных поверхностей трения на износ фрикционных дисков гидроподжимных муфт, обоснованно применение фрикционных дисков с положительным градиентом твердости, приведен анализ температурной напряженности фрикционных дисков при модификации поверхностей трения, рассмотрен процесс наводороживания поверхностей трения и обоснован метод критериальной оценки улучшения режима трения фрикционных дисков.

Влияние смазочной композиции и модифицированных поверхностей трения на износ фрикционных дисков гидроподжимных муфт

Влияние смазочной среды выражается в возможности снижения тепловой напряженности на фрикционные диски при применении МРСК, содержащей рапсовое масло (РМ), и степени наводороживания поверхностей трения. РМ по своему составу и свойствам (ГОСТ Р 53457-2009) менее склонно к деструкции (температура вспышки 282°С), чем минеральное масло М-10Г2 (температура вспышки 205°С, ГОСТ 1233784), а следовательно, и к образованию свободного водорода и его последующей сорбции в поверхностный слой фрикционного диска.

Описана возможность изменения фактической площади контакта (А,) сопрягаемых поверхностей в сторону ее увеличения, предполагающее снижение общей объемной температуры деталей гидроподжимной муфты из-за увеличения количества контактирующих пиков, образующих в месте своего контакта высокое температурное напряжение, а также сокращение времени буксования фрикционных дисков и снижение наводороживания поверхностей трения. Увеличение фактической площади контакта предлагается достигать модификацией поверхностей трения фрикционных дис-

Изнашивание фрикционныхдиснов

г

Наводорохмвание поверхностей трения

ИэттптиичкМЕтрсесмиочной седы

Смазочная среда

—с

и

Качество поверхности

ЕМЩ МОМСТРИПавНЫХПАГЛМЕТРОв

Температура в зоне нонтзкта

Материал диска

Фактическая плошддь контакта

Концентрация Давление Модификация

РМ в зоне поверхносж

контакта

Шероховатость поверхности (Г^-->ггпп)

Лэтуни-рооание

Градиент твердое™

Рациональный режимтренмя

Рисунок I — Основные направления снижения

изнашивания фрикционных дисков Аа.

Ас

ков путем нанесения функционально-п, покрытия (ФП) способом фрикци-онно-механического латунирования.

Реализация рассмотренных конструктивных мероприятий по модификации поверхностей трения в сочетании с обоснованным составом МРСК, улучшающего режим трения фрикционных дисков без каких либо дополнительных изменений механической коробки передач с гидравлическим управлением, позволит существенно повысить ресурс ГПМ (рис. 1).

Теоретическое обоснование применения деталей с положительным градиентом твердости

Исходя из выражения (1) фактический контакт сопряженных фрикционных дисков (рис. 2), определяющий нагрузочную способность сопряжения (Р\) с учетом твердости материала (НВ), осуществляется по выступам микронеровностей:

^ " , нв

Рисунок 2 — Контакт поверхностей фрикционных дисков:

А,- фактическая площадью контакта, мм'; Лс - контурная тощадь контакта, мм2; А а - номинальная площадь контакта, мм2, Аа = я(я22 - Я,2).

где ДА; - фактическая площадь единичного контакта мм2; Р, - нагрузка по Герцу, МПа (Н/мм2); Аг - фактическая площади контакта мм2; НВ - твердость материала диска по Бринеллю; п - число контактирующих микро-выступов.

Сила трения при контакте (/■*), согласно молекулярно-мсханической теории трения, складывается из суммы адгезионной и когезионной составляющих. Поскольку взаимодействие данных составляющих осуществляется на фактической площади контакта (А,), то удельную силу трения (г) можно представить в виде формулы:

А

= т

(2)

где Г- сила трения при кот-акте, Н; га и г, - адгезионная и когезионная составляющие, МПа. При этом адгезионная (га) составляющая характеризуется зависимостями:

= то + А • аг.

-- Р/А,

(3)

где т0 — касательные напряжения, не зависящие от нормальных (определяется экспериментально), МПа; 02 - молекулярная константа трения (определяется экспериментально); оп - расчетная прочность материала, МПа.

Основываясь на этом, адгезионную составляющую коэффициента трения (/"а) в пластическом контакте, можно записать в виде выражения

f = + Д, = const . (4)

J. нв Иг

Анализ взаимосвязи различных параметров, в аспекте создания рационального режима трения, возможно применение фрикционных дисков с положительным градиентом твердости (ГУ), который можно представить в виде неравенства:

Гт = (dH/dh)>0, (5)

где dH— распределение микротвердости, Hv; dh — глубина измерения твердости материала, мм.

Снижении твердости поверхностного слоя в условиях пластического контакта приведёт к увеличению коэффициента трения (/тр), облегчая формирование поверхности трения фрикционных дисков с большей фактической площадью контакта и меньшей удельной силой трения, что повысит ее несущую способность, позволяя увеличить ресурс ГПМ. Однако, снижение удельных нагрузок может привести к увеличению толщины смазочного слоя, снижению коэффициента трения, момента трения ГПМ, выражаемого зависимостью (7) и нарушению режима ее работы:

Mr=p-Mn=F;rf]T-Rr„-Z/! , (6)

где Mv- момент трения полностью включенной муфты, Н-м; ft - коэффициент запаса, 1,7...2; - номинальный крутящий момент, Н-м; RTр— радиус трения, число

пар трения, шт; /д — суммарное осевое усилие дисков, Н.

Таким образом, с точки зрения оценки ресурса ГПМ, необходимо рассматривать взаимосвязь коэффициента трения и градиента твердости рабочей поверхности фрикционного диска.

Общий трибологический закон, представленный в виде выражения (8), применительно к работе ГПМ, показывает целесообразность увеличения адгезионной (Fa) составляющей и уменьшение когезионной (Fk ) составляющей силы трения:

F,=Fa+Ft, (7)

где F, - сопротивление трению, Н; Fa - адгезионное сопротивление, Н; Fk - когезион-ное сопротивление, Н.

В сопряжении фрикционных дисков этого можно достичь либо увеличением фактической площади контакта, либо повышением нагрузки, сжимающей диски, тем самым уменьшая толщину масляной пленки в зоне контакта.

Наиболее предпочтителен из них - это увеличение фактической площади контакта, что подтверждается молекулярно-механической теорией трения, согласно которой коэффициент трения описывается И.В. Крагельским в виде выражения:

а, ■ А

+ («)

где Р— нормальная нагрузка при контакте, Н; а2 и /А - константы исследуемой пары трения.

Рациональным путем достижения этого является модифицирование поверхности трения фрикционных дисков ГПМ методом нанесения функционального покрытия способом фрикционно-механического латунирования на стадии их изготовления.

Исходя из анализа трибологической системы фрикционных дисков с положительным градиентом твердости и взаимосвязи параметров процесса трения, можно

представить момент трения фрикционных дисков в качестве критерия оценки одного из параметров режима трения, выраженш. й в виде функциональной зависимости:

Км =/(Гт, /,,') =У1Лг, НВ, ДС, СП, МсЛ " ' (9)

гдеДС- диффузия мягких металлов; СП - наличие сервовитной пленка; Мс - толщина смазочного слоя.

Анализ температурной напряженности фрикционных дисков при модификации поверхностей трения

Наиболее оказывающих фрикционных развиваемая на распределение

работающих в паре трения. Определение температуры на поверхностях трения ГПМ и распределения температуры по глубине фрикционных дисков (6) сводится к решению задачи теплопроводности (рис. 3):

Ас.

Ф)

¡щ

в

ь

существенным из факторов, влияние на износостойкость узлов, являются температура, поверхностях трения (г), и ее по толщине отдельных элементов,

с10 ¿к

= а

ск

а = Л) су,

(10)

где 0

о,

Рисунок 3 - Расчетная схема для решения задачи тепловой напряженности фрикционных дисков

температура поверхности фрикционного диска, С; а - коэффициент распределения теплового потока; г - время, с; А. — коэффициент теплопроводности, Вт/м-°С; с - удельная теплоемкость, Дж/кг-°С; у - плотность материала данного диска, кг/м3.

Учитывая, что на поверхности трения (г = 0) имеется источник тепла, возникающий в результате трения с интенсивностью д(1), а на другой поверхности (г = Ь) отсутствует на-

грев, получаем следующие граничные условия, представленные зависимостями:

„ ¿0 / ч М

при г-0, -= -<з(0> ПРИ 2~Ь, -= —

с1г сЬ

Задача решается при условии, что в начальный момент времени

/ = 0, при 0 <2<Ь; в=0. (12)

Согласно модифицированному А. Вейником закону Фурье, выражение интенсивности теплового потока {(¡(0), действующего на одну из поверхностей трения, имеет вид

¿0 . . аЛЧО

(13)

- = -9(0 = аг

^К.П.кАа^-

где ЛГ(0 - мощность трения, развиваемая на поверхностях трения, кВт; ¿кп к - коэффициент, определяющий контурную площадь контакта; Аа-номинальная площадь контакта, м";

Для решения поставленной задачи воспользуемся модификацией приближенного решения, полученной исходя из следующих допущений:

а) температура в любой точке тела на оси г пропорциональна времени проскальзывания

поверхностей трения и прирост температуры в любой точке тела равен приросту средней объемной температуры,

б) количество тепла, накопленное в рассматриваемом теле, пропорционально работе буксования.

Тогда из решения уравнения (11), в любой момент времени температура поверхности дисков при условии I = 0, определяется следующей зависимостью

<9(2,0 =

' аЫ{0

^ А

К .П .К. а

Щ1) + ЬЩг) усЬ ЗА

1 Лт)

тг2АА

е-,

1 п

где IV (0 - работа буксования, Дж; п - число контактирующих микровыступов. . С учетом влияния температуры в единичном контакте

(9(2,0 = 1,225 -

N(0 с1г.

ЛД4Л1Л/«7+ А, 7^,0(0)

(14)

(15)

где - диаметр пятна касания, м; Х\ и Я2 - коэффициенты теплопроводности материалов пар трения, Вт/м-°С;аг02 - коэффициент температуропроводности материала;^') - относительная скорость проскальзывания, м/с.

Подставляя в формулу (15) известные расчетные выражения ее элементов, и выполняя расчет системы уравнений тепловой динамики, предложенной Н.Б. Демкиным, определим, что при определенном шаге времени буксования А1, мощность буксования поверхностей трения пары фрикционных дисков в момент времени Г/, можно записать в следующем виде:

<Р]ЛО-<Р].г(0

(16) Н-м;

где М/1) — момент трения, развиваемый _/'-й парой в момент времени /„ <р /I» С,, ~ угловые скорости вращения фрикционных дисков, с Момент трения фрикционных дисков

М (О = /,,„„ - Рпр +РЦБ)= мС,С2 , (17)

где Удин - динамический коэффициент трения фрикционной пары; ЛСр - средний радиус фрикционных дисков, м; 2ТР - число пар трения в ГПМ; р - давление масла в бустере фрикциона, МПа; 5б - площадь бустера, м2; Рпр - сила упругости пружин, Н; Ри5 — сила центробежного давления масла на нажимной диск в осевом направлении, Н.

Представим динамический коэффициент трения фрикционной пары (f динв виде функции двух основных параметров:

/„„, =/(Л;Р), или /Д1Ш = Ц/АгР, (18)

где I//— коэффициент пропорциональности.

Введя коэффициент пропорциональности, учитывающий давление в контакте поверхностей фрикционных дисков (х), получим

/дин = хАг ■ (19)

Выражение (19) показывает, что увеличение А, приведет к росту ///»я ■ и в соответствии с формулой (17) к повышению момента трения фрикционных дисков. В результате этого будет возрастать работа буксования ГПМ в г-й момент времени:

<Р]ЛЬ)-<Р1.2(',) ■ (20)

7=1 I- -1

Тогда суммарная работа буксования, затрачиваемая ¡-й парой трения в момент времени Г|, будет равна

К = £N,(04 ■ (21)

Таким образом, можно констатировать, что фактическая площадь контакта сопрягаемых поверхностей является основным параг. етром, определяющим температурный режим и параметры буксования ГПМ при переключении передач, что согласуется с работами Н.Г. Бардзимашвили, A.B. Бойкова, Н.Б. Дёмкина, Е.А. Шувалова, С.Г. Яшвили и др., а превалирующее влияние температуры на работу буксования (W„i) можно использовать в качестве критериальной оценки тепловой напряженности фрикционных дисков:

Кт=ЛЛпР(Ц),Сд=№)- (22)

Процесс наводороживания поверхностей трения фрикционных дисков и обоснование метода критериальной оценки улучшения режима трения

Механизм наводороживания можно представить как проникновение свободного водорода, выделенного вследствие деструкции смазочного материала, и образовавшейся в ходе эксплуатации (цикл «нагрев-охлаждение») воды. Водород, накапливаясь в металле по границе зерен, включениям, микродефектам и т.д., вызывает обезуглероживание стали, переводя ее в доэвтектоидное состояние, отмечается образование метана и его взрыв при динамических нагрузках, образование соединений водорода с фтором и т.д. При этом скорость диффузии определяется градиентами температур и напряжений. Водород, проникая в кристаллическую решетку металла, может образовывать новую фазу в виде гидрата. Кроме того, взаимодействуя с карбидом железа, он превращается в газообразный метан в результате химической реакции:

Fe3C + 4Н-> СНА + 3Fe . (23)

Источником водорода могут являться все органические и неорганические соединения, содержащие водород, и даже сам материал детали:

• от химической реакции кислоты с железом в результате реакции адсорбированных молекул воды со свежими поверхностями износа металла

Fe + 2НС1 FeCI2 + tf2 ; (24)

• до электрохимического разложения воды при повышении влажности вследствие цикла «нагрев-охлаждение» (конденсат)

НгО Н* + ОН'; H+ + e'->H2. (25)

Все это обуславливает снижение фактической площади контакта приводит к прогрессирующему изнашиванию, что дает возможность представить критерий оценки изнашивания (Л"и) фрикционных дисков ГПМ в виде зависимости скорости изнашивания (U') от насыщенности контакта (Аг) и величины сорбции водорода в поверхности трения фрикционных дисков (Н):

Ku=fiU)=AA„H). (26)

Обоснование метода критериальной оценки улучшения режима трения.

Наиболее доступным показателем многомерной статистической величины, обеспечивающим равновесность всех одномерных факторов, является аддитивный критерий, позволяющий получить наименованную величину, а отсутствие сложных математических операций позволяет сохранить первую степень показателя.

Основными эксплуатационными оценочными показателями работы ГПМ являются скорость изнашивания (U) фрикционных дисков, объемная температура (Г) рабочего узла и момент трения фрикционных дисков. Следовательно, любой из используемых для расчета аддитивного критерия показателей можно представить в виде функции

К, = /({/, Т, М) Кт, Км,), (27)

где Кц, Kj, Км - индексный показатель соответственно скорости изнашивания, изменения температуры и момента трения.

Для оценки уровня улучшения режима трения фрикционных дисков ГПМ при обоснованном сочетании твердости поверхностей трения и различного состава МРСК, рациональным можно считать аддитивный критерий с наименьшим суммарным значением, т.е. Яд т'п ■

Предлагаемый аддитивный критерий складываться из двух частных показателей, рассчитанных с учетом модификации поверхностей трения фрикционных дисков и изменения МРСК гидроподжимной муфты:

КА=КШ+КССМ, (29)

где Кмп - частный показатель оценки модификации поверхности трения фрикционных дисков; Яссм- частный показатель оценки состава смазочной среды.

Для расчета частных показателей воспользуемся следующими выражениями:

Кмп =КШ +КП+КШ ; Кссм =Киг + КГ1 +КМ2 , (30)

где Л\л, А'ть Кш - индексный показатель в зависимости от градиента твердости поверхностных слоев в сопряжении соответственно скорости изнашивания, изменения температуры и момента трения; Кт, КТЪ КМ2 - индексный показатель, учитывающий состав смазочной среды соответственно влияния скорости изнашивания, изменения

температуры и момента трения.

Для расчета индексных показателей воспользуемся методом подобия

и, г, Т. .. М.

Г, у Т ' Л*

иср Гср мсг.

(31)

где и-„ Т„ М, - численные (измеренные) значения соответственно скорости изнашива-

"" " Цг г

ния

1 СР>

температуры и момента трения в каждом конкретном опыте; МСг - средние значения соответственно скорости изнашивания, температуры и момента трения в каждом отдельном цикле опытов.

Расчет аддитивного критерия на основании результатов экспериментальной оценки изменения скорости изнашивания, температуры и момента трения в сопряжении, с учетом изменения режима трения гидроподжимной муфты и твердости поверхностных слоев фрикционных дисков (табл. 1), позволит построить графические зависимости и поверхности отклика, дающие возможность определить оптимальное сочетание средней твердости сопряжения и состава смазочной среды, и тем самым оценить влияние предложенных конструктивно-технологических изменений на ресурс механической коробки передач с гидравлическим управлением и трансмиссии трактора в целом.

.Кссм (%)* /4,п (Гт)** 3,935 (0) 2,208 (50) 2,858 (100) Средняя микротвердость поверхностей в сопряжении, Яц (Яу)

4,006(1) 7,941 6,214 6,864 423

3,419 (0,95) 7,354 5,627 6,277 400

3,708 (0,91) 7,643 5,916 6,566 389

3,284 (0,87) 7,219 5,492 6,142 367

- Гт - градиент твердости сопряжения

В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложены общая программа и метод. ,ки исследований режима трения фрикционных дисков ГПМ и степени наводороживания поверхностей трения дисков, методики стендовых и ускоренных ресурсных исследований ГПМ коробок передач с гидроуправлением трактора «Кировец».

Программа исследований включала: лабораторные исследования влияния МРСК на изнашивание и наводороживание поверхностного слоя образцов с целью выбора рационального состава МРСК, обеспечивающего снижение сорбции водорода в поверхностные слои фрикционных дисков, уменьшение их износа; лабораторные исследования рационального состава МРСК и образцов с различным градиентом твердости для определения рационального режима трения фрикционных дисков, обеспечивающего улучшение температурного режима работы, снижение наводороживания поверхностей трения и увеличение ресурса фрикционных дисков; стендовые исследования ГПМ коробки передач с гидроуправлением трактора «Кировец» по сравнительной оценке режима трения и изнашивания фрикционных дисков; ускоренные ресурсные исследования I ПМ для практической оценки эффективности разработанных рекомендаций по применению фрикционных дисков с модифицированными рабочими поверхностями и МРСК.

Лабораторные исследования влияния МРСК на изнашивание и наводороживание поверхностного слоя образцов включали исследования образов на изнашивание на машине трения 2070 СМТ-1, для контроля весового износа использовались весы ВЛТК-500 и ВЛР-200М. Определение степени наводороживания поверхностных слоев пары «ролик-колодка» производилось с использованием спектрографа ИСП-51 с фотоэлектрической приставкой ФЭП-1. Оценка степени наводороживания поверхностных слоев образцов проводилась по ГОСТ 18895-97 и ГОСТ 17745-90, измерения проводились на глубине: 0; 0,015; 0,1; 0,5 мм. Для перевода электрических сигналов ФЭП-1, характеризующих содержание водорода в металле, в массовые доли процента применялись стандартные

образцы СОП 10468-92 №2-81 и СОП 7826-87 №26-87 по отраслевому реестру УИМ, соответственно с содержанием водорода 0,00020±0,00002 и 0,00034±0,00005 м.д.%.

Лабораторные исследования рационального состава МРСК и образцов с различным градиентом твердости включали исследования образов на трение и изнашивание на трибометре (рис. 4), созданном на базе лаборатории наноструктурированных покрытий ФГБОУ ВПО «СамГТУ»; сбор данных производился посредством компьютерной программы Ро-№еЮгарЬ у.3.1. Образцы оценивались по состоянию поверхности при помощи окуляр-микрометра ПМТ-3, микротвердомера Викерса, профилографа-профилометра «Абрис-ПМ7» (ГОСТ 19300-86), по весовому износу с помощью весов ВЛТК-500 и ВЛР-200М. Для обеспечения положительного градиента твердости образцов фрикционных дисков при их модификации использовалась методика нанесения функционального покрытия способом фрикционно-механического латунирования рабочих поверхностей дисков. Материал функционального покрытии Л63.

Рисунок 4 -Трибометр

Оценка степени наводороживания поверхностей тренчя образцов производилась через коэффициент диффузии водорода, ¡ычисленный по методу Н.М. Чуйко. Определение рационального режима трения происходило через анализ полученных данных посредством аддитивного критерия.

В основу стендовых и ускоренных ресурсных исследований положен принцип сопоставления показателей, характеризующих ресурс ГПМ и износостойкость фрикционных дисков в условиях эксплуатации по двум вариантам: заводскому — с использованием стандартных фрикционных дисков и смазочной среды, и опытному — комплектование ведущих валов модифицированными фрикционными дисками с использованием МРСК.

Исследования фрикционных дисков ГПМ коробок передач трактора «Кировец» проводились на электротормозном стенде КИ-2118А-ГОСНИТИ (рис. 5) и включали

И два этапа: обкатка - производилась в течение 12 минут при одновременно включенных всех фрикционах, на скорости 500. ..600 мин"1, и давлении масла

сравнительные исследования на изнашивание — производились по 10 минут в первом режиме на 1-ой и 2-ой передаче при 1200±70 минво втором режиме на 3-ей и 4-ой передаче. Крутящий момент, при котором пробуксовывали диски ГПМ, был не менее 2,5 кН м.

Оценка износа фрикционных дисков по содержанию железа в смазочном материале производилась колориметрическим методом с помощью колориметра фотоэлектрического

концентрационного КФК-2МП с использованием поправки, учитывающей потери железа при периодическом отборе проб.

В процессе ускоренных ресурсных исследований сравнительную оценку изнашивания фрикционных дисков и увеличения ресурса осуществляли по содержанию железа в пробах смазочного материала. Исследования проводились по методике, описанной в государствен-ных стандартах (ГОСТ 23.205-79; ГОСТ 30858-2003; ГОСТ 30480-97), с периодическим отбором проб смазочного материала, по 5 коробкам передач трактора «Кировец», после проведения стендовых исследований устанавливаемых на передвижную тяговую лабораторию, созданную на базе энергонасыщенного трактора К-701 (рис. 6). Тяговая лаборатория оснащена гидротормозом Т)-4 производства ФРГ, установленным на раму трактора и механически связанным с коробкой передач трактора через муфту вала

Рисунок 5 - Электротормозной стенд КИ-2118А ГОСНИТИ: I - электробалансирная машина (АКБ-92-4); 2 - коробка передач с гидроуправлением.

Рисунок 6 - Комплекс для проведения ускоренных ресурсных исследований: 1 - гусеничный трактор 6 тягового класса 6СТ3/5 «Четра»; 2 - передвижная тяговая лаборатория на базе трактора К-701; 3 - гидротормоз 0-4

отбора мощности и использующимся в качестве нагрузочного устройства. Максимальное тяговое усилие на ведунам тракторе 6СТ 315 «Четра» 147,1 кН.

В четвертом разделе

«Результаты исследований

представлены исследований

экспериментальных и их анализ» результаты и их анализ в

о. 7 § 6 2 5 'А- 4 " 3 2 1 О

О 25 50' 75 100

Концентрация рапсового масла в МРСК, % Рисунок 7 — Зависимость суммарного износа сопряжения от концентрации РМ в МРСК

соответствии с поставленными задачами.

В результате исследования процесса изнашивания образцов в зависимости от состава МРСК было выявлено (рис. 7), что максимальный износ сопряжения «ролик-колодка» наблюдается при отсутствии РМ. С увеличением концентрации РМ в составе МРСК износ уменьшается по обратно пропорциональной зависимости, что можно объяснить меньшей склонностью к деструкции РМ, т.е. меньшей склонность к образованию свободного водорода и эффектом возникновения на поверхностях фрикционных дис-

оЗЯ)--......:■---.-------------ков пленки поверхностно-активных

2 веществ (ПАВ) органического про-

исхождения, содержащихся в РМ.

При исследовании образцов, работавших в различной смазочной среде, на наводороживание было выявлено что образцы, работавшие в МРСК с большим процентным содержанием РМ, менее предрасположены к наводороживанию поверхностных слоев (рис. 8). Это свидетельствует о снижении влияния деструкции смазочной среды на наводороживание фрикционных дисков при применении МРСК с большей концентрацией РМ. Также было выявлено, что превышение концентрации РМ в МРСК более 50% приводит к обезводороживанию внутренних слоев материала образцов за счет перемещения водорода из внутренних слоев ближе к поверхности трения. Установлено, что сорбция водорода в процессе трения и его наибольшее накопление происходит непосредственно у поверхности

трения, на глубине не более 0,005 мм.

Анализ полученных результатов исследований позволил установить, что при увеличении степени наводороживания износ образцов увеличивается, РМ ввиду сво-

■4 0.150 г

О 0.1 0.2 0.5 0.4 0.5

Глубина измерения, мм Рисунок 8 - Средняя величина сорбции водорода в сопряжении «ролик-колодка» при различном составе МРСК: В, С, Д Е, Р - составы МРСК соответственно с концентраг/ией РМО, 25, 50, 75 и 100% по объему

их поверхностно-активных свойств препятствует сорбции водорода, а увеличение его конц нтрации в МРСК более 50 % менее эффективно (рис .9, 10).

Рациональным составом МРСК

20 is 16 14 12 10

F 0, 97 2

__ /А * в

-

✓ Г ✓

D /I/

Е 1

-- /j V

4 F

0 5 10 15 20

Н", "/о

Рисунок 9 - Зависимости суммарного износа сопряжения от степени изменения суммарного наводороживания поверхностей трения исследуемых образцов: В, С, Д Е, Г — составы МРСК соответственно с концентрацией РМ 0, 25, 50, 75 и 100% по объему

0,320

0.310

г> 0,300

О X 0,290

СП X 0,280

0,270

0,260

0,250.

0.100

0,090

0,070

0,060

0,050

0,040

0,030

0,020

0,010

0.000

следует считать состав D, т.е. 50% М-ЮГ, + 50%РМ.

Анализ результатов исследований на изнашивание фрикционных дисков при нанесении функционального покрытия на рабочие поверхности фрикционных дисков показывает, что износ сопряжения «кольцо — кольцо» значительно снижается с уменьшением градиента твердости (рис.10, кривая 1). Применение экспериментально обоснованной МРСК, содержащей 50% М-10Г2 и 50% РМ, также способствовало снижению износа (рис.10, кривая 2). Как видно из представленной зависимости при градиенте твердости Гт = 0,91...0,87 (рис.10, кривая 2) наблюдается наименьший износ. Это свидетельствует о положительном комплексном воздействии латунирования фрикционных дисков и смазочной среды, в качестве которой выступает МРСК, содержащей 50% М-10Г2 и 50% РМ, на их изнашивание.

Анализ температурного режима при проведении исследований на трение и изнашивание показал, что предпочтительнее использовать модифицированные фрикционные диски с градиентом твердости сопряжения 0,87 при применении в качестве смазочного материала МРСК с 50% содержанием РМ ввиду наименьшей тепловой напряженности фрикционных дисков (снижение тепловой напряженности с 250 до 200°С).

Анализ показателей режима трения при проведении износных исследований наглядно подтверждает данный Зависимость износа сопряжения вьшод Так при заявленных параметрах

CM.a30™°LfP/AbL "Ли3иЧСУ.КШ, наблюдается достаточно высокое значение момента трения, низкие скорость изнашивания и температурный режим работы (табл. 2).

/

/

/

......../.......

-г""

1

/

<

1

■ —г.....

0,86 0,88 0,9 0,92 0,94 0,96 0,98 1

Градиент твердости сопряжения, Гг

Рисунок 10 от состава свойств рабочих поверхностей фрикционных дисков: I - масло М-ЮГ,; 2 - МРСК (50% М-ЮГ2 + 50% РМ): 3 - РМ.

Таблица 2 - Показатели режима трения образцов по результатам исследований , на трибометре_

Содержание РМ в МРСК, % Градиент твердости сопряжения, /~т Температура, "С Момент трения, Н'м Средняя скорость изнашивания Ucp, мкг/с

1 250 0,308 8,007

0 0,95 237 0,403 1,181

0,91 223 0,225 1,132

0,87 196 0,421 0,806

1 182 0,376 0,875

50 0,95 159 0,359 0,244

0,91 130 0,259 0,180

0,87 146 0,430 0,196

1 198 0,522 2,222

100 0,95 155 0,311 1,667

0,91 96 0,220 0,972

0,87 163 0,325 1,486

10,0

Экспериментально установлена целесообразность повышения насыщенности контакта увеличением фактической площади контакта при латунировании поверхностей трения фрикционных дисков. При этом, увеличение фактической площади контакта составило в среднем 11,5%. Так, у серийных заводских фрикционных дисков Ат = 0,0795...0,0823 мм2, а у модифицированных фрикционных дисков Аг= 0,0889 ...0,0933мм2.

Для определения показателей рационального режима трения фрикционных дисков были вычислены индексные и частные показатели аддитивного критерия, при

этом установлено (рис. 11), что значения частного показателя, учитывающего градиент твердости сопряжения фрикционных дисков, находились в пределах

Ямп - 3,284...4,006. Значения частного показателя, учитывающего состав МРСК, Кссм = 2,858...3,935. Это позволило произвести оценку режимов трения фрикционных дисков посредством расчета аддитивно критерия, характеризующего комплексное влияние качества поверхностей трения и смазочной среды на ресурс фрикционных дисков. На основании полученных данных построена поверхность отклика, показывающая изменение аддитивного критерия в зависимости от градиента твердости и состава смазочной среды.

Экспериментально установлено изменение аддитивного критерия Я"а = 7,941... 5,492 и его рациональное значение (/СЛ = 5,492), обосновывающее выбор

КН 8,5 ЕШ 8

□ 7.5 ■ 7

рм, «л

Рисунок 11 - Изменение аддитивного критерия (Ка) в зависимости от градиента твердости сопряжения (Гг) и состава МРСК

режима трения фрикционных дисков на основе рационального сочетания состава МРСК (5Г% М-10Г2 + 50% РМ), выступающей в качестве смазочной среды, и градиента твердости сопряжение поверхностей трения дисков (Гт = 0,87).

При проведении стендовых исследований установлено влияние уровня насыщения контакта на ресурс ГПМ. Средняя концентрация железа в смазочной среде механической коробки передач с гидроуправлением после их обкатки с заводскими фрикционными дисками составила 5,4" Ю-3 мкг/мл, а с модифицированными дисками 1,3" 10"3 мкг/мл. Изменение режима трения при модификации фрикционных дисков способствует улучшению температурного режима работы ГПМ, характеризуемого снижением температурного режима работы коробки передач при буксовании фрикционных дисков со 195°С до 125°С, и увеличению момента трения буксования с 2,5 до 2,8 кНм.

Ускоренные ресурсные исследования модифицированных фрикционных дисков при использовании МРСК, содержащей 50% РМ, показали снижение концентрации железа в смазочной среде по сравнению с заводским вариантом. По результатам исследований получены графические зависимости изменения концентрации железа в смазочной среде, показывающие, что характер накопления железа в смазочном материале коробки передач трактора «Кировец» близок к линейному.

В среднем за период исследований концентрация железа в смазочном материале коробок передач в заводском варианте была на 33,1% выше, чем в опытном варианте. По результатам обработки полученных данных, и зависимостей накопления железа, проведена аналитическая сценка влияния рационального режима трения фрикционных дисков на ресурс ГПМ и получены выражения

СРс Баз (пред.) = 0,0084 • Тт + 3,5827 , (32)

и

Сге Опыт (пред.) = 0,0066 - Тт - 0,1313 , (33)

где СГе Баз (пред.), СРе опыт (пред.) - концентрация железа в масле, соответствующая предельному состоянию ГПМ при проведении ускоренных ресурсных исследований соответственно в базовом и опытном вариантах, %; Тни Тт - ресурс ГПМ соответственно при базовом и опытном варианте исследований, с.

Результаты ускоренных ресурсных исследования показали, что среднее содержание железа в смазочной среде в заводском варианте СРе Баз = 21,3 10 %, а в опытном варианте С| е опыт = 14.2510 %.

Оценка степени увеличения ресурса ГПМ при реализации рационального режима трения фрикционных дисков, полученная из отношения ресурса Тт к Гщ, показала увеличение ресурса при опытном варианте (Тт) в сравнении с заводским вариантом (Гш) в 1,7 раза.

В пятом разделе «Рекомендации по применению и экономическая эффективность результатов исследования» приводится перечень дополнительных операций по ремонту и техническому обслуживанию тракторов «Кировец». Экономическая эффективность определялась за счет снижения затрат на выполнение производственных операций ремонта ведущих валов и обслуживание коробок передач в процессе эксплуатации трактора «Кировец» при реализации рационального режима трения.

Расчет экономической эффективности показал, что суммарные затраты при ремонте ведущего вала коробки передач трактора «Кировец» в базовом варианте составляют 39800 руб., а при опытном 42105 руб. Годовой экономический эффект, с учетом увеличения ресурса ГПМ в 1,7 раза от применения модифицированных фрикционных дисков при переходе на МРСК, составит 11296 руб. на 1 трактор.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. А.ализом основных направлений снижения изнашивания фрикционных дисков, как ресурсоопределяющих элементов ГПМ механических коробок передач тракторов с гидроуправлением, установлена эффективность использования МРСК в связи с активным взаимодействием с поверхностями трения и снижением их водородного изнашивания. Оценка модели процесса наводороживания свидетельствует 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 трения 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 0,128-10 3 мг/с.

2. Теоретически обоснована возможность повышения ресурса фрикционных дисков путем технологического формирования поверхностей трения с положительным градиентом твердости. При этом представляется возможным повысить уровень насыщения контакта, увеличить площадь фактического контакта фрикционных дисков, улучшить режим трения в направлении их фрикционного взаимодействия при изменении адгезионной составляющей трения.

Экспериментально установлено, что увеличение фактической площади контакта (Аг) составило в среднем 11,5%. Так, при использовании заводских фрикционных дисков Аг = 0,0795...0,0823 мм2, а при использовании модифицированных фрикционных дисков А, = 0,0933...0,0889 мм2.

3. Экспериментально установлено влияние уровня насыщения контакта на ресурс ГПМ. Средняя концентрация железа в смазочной среде механической коробки передач с гидроуправлением после их обкатки с заводскими фрикционными дисками составила 5,4'10"3 %, а с модифицированными дисками 1,3'10"3 %. Изменение режима трения при модификации фрикционных дисков способствует улучшению температурного режима работы ГПМ посредством снижения температурного градиента работы коробки передач при буксовании фрикционных дисков со 195°С до 125°С, увеличению момента трения буксования с 2,5 до 2,8 кНм.

Обоснована аналитически зависимость аддитивного критерия от тнердости поверхностных слоев и состава МРСК. Экспериментально установлено изменение аддитивного критерия КА = 7,941...5,492 и его рациональное значение (А"д = 5,492). обосновывающее выбор режима трения фрикционных дисков на основе рационального сочетания состава МРСК (50% М-10Г2 + 50% РМ), выступающей в качестве смазочной среды, и градиента твердости поверхностей трения дисков (Гт— 0,87), повышающего ресурс ГПМ.

Анализ проб масла при проведении ресурсных исследований показа! снижение концентрации железа в смазочной среде с Сре Баз = 21,3'10"'%, :: заводском варианте, до СреОпыт= 14,25 10""%, в опытном варианте при соответствующем увеличении ресурса ГПМ в 1,7 раза.

4. Предложены рекомендации по обслуживанию коробок передач трактора «Кировец» при реализации установленного режима трения. Рациональным следует считать комплексное применение модифицированных фрикционных дисков с градиентом твердости сопряжения Гт = 0,87 (средняя микротвердость поверхностей трения фрикционных дисков Яц= 367Ну) и МРСК, содержащей 50% минерального масла М-10Г2 и 50% РМ. Годовой экономический эффект на один трактор при использовании коробки передач с модифицированными фрикционными дисками и применении предлагаемой смазочной композиции составит 11,3 тыс. руб. при средней годозой наработке 620 мото-ч.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Галенко, И.Ю. Методы повышения фактической площади контакта поверхностей трения [Текст] / И.Ю. Галенко, Г.А. Ленивцев, М.С. Приказчиков // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2007. - № 9. - С. 19-24.

2. Приказчиков, М.С. Результаты лабораторных исследований на трение и изнашивание образцов фрикционных дисков гидроподжимных муфт [Текст] / М.С. Приказчиков // Известия ФГОУ ВПО Самарская ГСХА. - 2010. - №3. - С. 60-63.

3. Володько, О.С. Результаты ускоренных ресурсных испытаний гидроподжимных муфт [Текст] / О.С. Володько, М.С. Приказчиков // Известия ФГОУ ВПО Самарская ГСХА. -2011. —№3. - С. 73-76.

4. Приказчиков, М.С. Повышение ресурса гидроподжимных муфт снижением наво-дороживания поверхностей фрикционных дисков [Текст] / М.С. Приказчиков // Известия ФГОУ ВПО Самарская ГСХА. - 2011. - №3. - С. 93-97.

Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций

5. Ефимов, В.В. Методы подготовки рапсового масла в качестве топливо-смазочных материалов [Текст] / В.В. Ефимов, В.А. Едуков, М.С. Приказчиков // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания : Материалы Межгосуд. НТС. Вып. 17. - Саратов: СГАУ, 2005. - С. 165-167.

6. Приказчиков, М.С. Методика формирования топливо-смазочного материала на основе рапсового масла [Текст] / М.С. Приказчиков, В.В. Ефимов, О.С. Володько // Молодые ученые в решении региональных проблем АПК: Сб. науч. трудов Межрег. НПК молодых ученых ПФО. - Самара, 2005. - С. 117-120.

7. Ленивцев, Г.А. Обеспечение эксплуатационной надежности трансмиссий применением ресурсоопределяюших деталей с положительным градиентом твердости [Текст] / Г.А. Ленивцев, М.С. Приказчиков // Актуальные проблемы сельскохозяйственной науки и образования : Сб. науч. тр. II Междунар. НПК. - Самара, 2005. - Вып. III. - С. 31-34.

8. Галенко, И.Ю. Состояние и направления развития системы технического сервиса АПК Самарской области [Текст] / И.Ю. Галенко, Б.Н. Мясников, Г.П. Чугунов, М.С. Приказчиков // Известия ФГОУ ВПО Самарская ГСХА. - 2008. -№3. - С. 114-120

9. Приказчиков, М.С. Влияние смазочной среды на процесс наводороживания поверхностей трения фрикционных дисков [Текст] / М.С. Приказчиков, О.С.Володько // Известия ФГОУ ВПО Самарская ГСХА. - 2008. - №3. - С. 133-135.

10. Приказчиков, М.С. Особенности наводораживания поверхностей трения фрикционных передач [Текст] / М.С. Приказчиков, О.С.Володько // Актуальные проблемы трибологии : Сб. тр. per. науч.-техн. семинара, Самара: СамГТУ, 2008. - С. 82-85.

11. Приказчиков, М.С. Оценка эффективности модифицирования поверхности трения гидроподжимных муфт: Тематический выпуск по материалам Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы в трибологии» [Текст] / М.С. Приказчиков, О.С. Володько // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, Т. 13, №4 (42) (3). Приложение, Самара: СГТУ, 2011. - С. 268-271.

12. Приказчиков, М.С. Улучшение режима трения фрикционных дисков механической коробки передач с гидравлическим управлением трактора «Кировец» [Текст] / М.С. Приказчиков, М.В. Сазонов // Достижения науки агропромышленному комплексу: Сб. науч. тр. - Самара : РИД СГСХА, 2013. - С. 38-42.

Подписано в печать_.07.13

Объем У усл. п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 52.

Отпечатано с готового оригинал-макета в Пензенской мини-типографии.

Свидетельство № 5551 440600, г. Пенза, ул. Московская, 74

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарская государственная сельскохозяйственная академия»

На правах рукописи

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

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, использующая в качестве нажимного устройства гидравлический цилиндр, нашедшая 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, когда число контактирующих неровностей равно числу неровностей, расположенных на контурной площади контакта

Режим трения — условная градация механизмов трения поверхностей и твердых тел, связанных с изменением параметров трения, наличием или отсутствием смазочного материала, характером физико-механического и физико-химического взаимодействия контактирующих поверхностей.

Режим ускоренных исследований - режим, предусмотренный применяемым 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 параметрах и показателях качества в более короткие сроки, чем в условиях экс-

плуатации. Частным случаем являются форсированные исследования, получение 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, характеризующий условия работы трущихся фрикционных дисков, а также уровень температуры, определяющий допускаемую термическую нагрузку на материал пары трения.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Основным ресурсоопределяющим узлом механической 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 интенсивному изнашиванию. Это является причинной снижения фактического ресурса фрикционных дисков на 60% от регламентированного.

Ресурс ГПМ и технико-экономические показатели работы энергонасыщенной автотракторной техники, оснащенной механическими коробками передач с гидравлическим управлением, во многом зависят от параметров режима трения фрикционных дисков. Ухудшение режима трения приводит к интенсивному наводороживанию и увеличению износа дисков и, как следствие, к ухудшению динамических характеристик трактора и повышенному расходу топлива. Рациональный режим трения фрикционных дисков определяется эффективным сочетанием смазочной среды, материала и качества сопрягаемых поверхностей трения.

Поэтому актуальными являются исследования, направленные на улучшение режимов трения фрикционных дисков ГПМ путем модификации и повышения уровня насыщения контакта поверхностей трения, а также триболо-гических свойств смазочного материала.

Степень разработанности темы. Гидроподжимные муфты механической коробки передач с гидравлическим управлением тракторов типа «Кировец» работают в сложных эксплуатационных условиях. Исследованиями установлено, 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 фрикционных дисков или их восстановлением. Важным показателем эффективности работы ГПМ является повышение передаваемого крутящего момента увеличением площади фактического контакта фрикционных дисков.

В числе перспективных направлений исследования процесса трения широко анализируются методы модификации поверхностей трения, снижения водородного изнашивания, альтернативного использования минерально-растительных смазочных композиций (МРСК) в качестве гидравлических рабочих жидкостей и трансмиссионных масел.

Применительно к ГПМ тракторных коробок передач вышеуказанные научные направления характеризуются рациональным составом МРСК, модификацией поверхностей трения и уровнем насыщения их контакта. Поэтому данные 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 материалов и методов улучшения трибологических параметров сельскохозяйственной техники» (ГР №01.200511089) и на 2011...2015 г.г. по теме «Обоснование рациональных методов формирования и нанотехнологического насыщения поверхностей трения деталей сельскохозяйственной техники в условиях минеральной и альтернативной смазочной среды» (ГР №01.201062609).

Цель исследований. Повышение ресурса гидроподжимных муфт коробок 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 снижение 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 рациональный режим трения фрикционных дисков гидроподжимных муфт.

4. Разработать технологические рекомендации и оценить экономическую эффективность рационального режима трения в аспекте повышения ресурса фрикционных дисков.

Объект исследований. Процесс трения модифицированных рабочих поверхностей 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 применением МРСК;

-рациональный состав МРСК, используемый в качестве смазочного материала коробок передач с гидроуправлением тракторов «Кировец».

Теоретическая и практическая значимость работы. Модификация поверхностей трения фрикционных дисков посредством фрикционно-механического латунирования в сочетании с МРСК (50% М-10Г2 + 50%РМ), пригодной для использования в механических коробках передач с гидравлическим управлением

тракторных трансмиссий, позволяет без значительных конструктивных изменений установить рациональный режим трения фрикционных дисков, характеризующийся сочетанием значений коэффициента трения, работы буксования и скорости изнашивания рабочих поверхностей, обеспечивающих регламентированный технический 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 трения и операции технологического процесса ее формирования, типы трансмиссий и узлы, в которых используется технология модификации.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований по рациональному режиму трения, снижению износа и повышению ресурса ГПМ посредством модификации поверхностей трения фрикционных дисков и применения МРСК приняты к внедрению в производстве на ремонтном предприятии ОАО «Большеглушицкремтехсервис» и ООО «Волгаагромаш» Самарской области.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования параметров рационального режима трения фрикционных дисков ГПМ выполнены с применением основных положений, законов и методов трибологии, математического анализа и математического моделирования. Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных и разработанных частных методик исследований. Обработка экспериментальных данных выполнялась с применением современных технических средств измерения и методов ПЭВМ на основе прикладных программ Statistica v.7.0, POWERGRAPH v.3.1, MathCAD 2001, Microsoft 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 гидроподжимных муфт, основанный на комплексном применении фрикционно-

механического латунирования поверхностей трения дисков и использования минерально-растительной смазочной композиции в качестве смазочной среды;

-рациональный состав минерально-растительной смазочной композиции, обеспечивающий снижение сорбции водорода в поверхности трения фрикционных дисков гидроподжимных муфт;

-аддитивный критерий, характеризующий комплексное влияние качества поверхностей трения и смазочной среды на ресурс фрикционных дисков гидроподжимных муфт.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов подтверждается сравнительными натурными стендовыми и ускоренными ресурсными исследованиями фрикционных дисков ГПМ коробок передач трактора типа «Кировец».

Результаты исследований доложены и одобрены на межвузовских, региональных 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 е., состоит из пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 171 наименований и приложения на 34 е., содержит 16 таблиц и 41 рисунок.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ КОРОБОК ПЕРЕДАЧ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ

УПРАВЛЕНИЕМ

При работе тракторов на участках относительно малых размеров и с неровной поверхностью для поддержания высокой загрузки двигателя требуется частое переключение передач. Изменения средней скорости движения вызывает снижение производительности. Наиболее рациональными в этом отношении являются коробки передач с гидравлическим управлением и переключением передач без разрыва потока мощности в пределах диапазона.

Коробка передач с гидравлическим управлением служит для преобразования крутящего момента по величине и направлению, изменения силы тяги на ведущих колесах, скорости и направления движения, характеризующейся числом ступеней и передаточными числами вводимых в зацепление соответствующих шестерен, обеспечения длительного разъединения двигателя и ведущих колес и возможности движения задним ходом.

Технический уровень современных тракторов и автомобилей и эффективность их использования в значительной мере зависят от типа трансмиссии, числа передач, передаточного отношения между ними, способа переключения передач, надежности, стоимости, а также таких основных элементов коробки передач и соединений которые часто выступают в роли ресурсоопределяющих как шестерни, подшипники, шлицевые соединения, фрикционные диски.

На тракторах марки «Кировец» применена механическая трансмиссия с переключением передач без разрыва потока мощности. Это механическая коробка, с шестернями постоянного зацепления, 16-скоростная (четырёхрежимная), с гидравлическим управлением четырьмя гидроподжимными муфтами (I ИМ) и механическим управлением режимами с помощью зубчатых муфт.

Традиционная муфта сцепления, разъединяющая двигатель и коробку передач, в данной трансмиссии отсутствует, ее заменяет соединительная муфта. Переключение передач производится устройствами в самой коробке передач, а именно гидроподжимными муфтами. На ведущем валу коробки установлено четыре аналогичных по устройству ГПМ, но имеющих на ведомом барабане шестерни с разным числом зубьев, что даёт возможность каждой из них включить одну передачу. ГПМ состоит из набора ведущих и ведомых стальных дисков, барабана, и нажимного диска. Ведущие диски связаны с валом, получающим вращение, равное частоте вращения коленчатого вала.

Конструкция ведущего вала, устанавливаемого в коробки передач тракторов семейства «Кировец» имеет четыре ГПМ, каждая из которых имеет: 5 ведущих и 6 ведомых дисков для 2, 3 и 4 передач; 6 ведущих и 7 ведомых дисков - для первой передачи. Высота пакета дисков соответственно составляет 35,2...37,0 мм и 40,3...44,8 мм [112, 115, 169]. Ведомые диски ГПМ соединены со свободно вращающимися шестернями [115]. Включение ГПМ осуществляется давлением масла 0,8.. .0,9 МПа, поступающего в бустер, воздействующего на нажимной диск сжимающего пакет фрикционных дисков, передавая крутящий момент с ведущего вала на шестерни включаемой передачи и далее на промежуточный вал [112,115,168,169].

Рабочие поверхности зубьев шестерен, имеющих твердость рабочих поверхностей 57.. .63 HRC воспринимают контактные давления, достигающие порой 2000 МПа [28, 94]. Их предельное состояние в большей степени определяет не изнашивание рабочих поверхностей, а выкрашивание и сколы зубьев [