автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка метода и средств контроля температуры в зоне сухого трения

ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи СКОВПЕНЬ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

УДК 53.082.62

РАЗРАБОТКА МЕТОДА И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В

ЗОНЕ СУХОГО ТРЕНИЯ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор С.Ф. Корндорф

Орел - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

С.

ВВЕДЕНИЕ 4 Глава 1 МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЗОНЕ СУХОГО ТРЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕ СКИХ ПАР............................................................................14

1.1 Методы измерения и контроля температуры в зоне

трения....................................................................................14

1.2 Использование термопар и терморезисторов для измерения температуры в зоне трения......................................27

1.3 Особенности использования метода естественной термопары для контроля температуры в зоне трения............35

Выводы.............................................................41

Глава 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ....................................42

2.1 Влияние термоэлектрической неоднородности на результаты контроля температуры в зоне трения................42

2.2 Экспериментальная установка для исследования термоэлектрической неоднородности..........................................49

2.3 Градуировка искусственной термопары............................54

2.4 Методика и результаты исследования термопары ...........65

2.5 Исследование термоэлектрической чувствительности полуестественной термопары..............................................74

2.6 Нахождение необходимого числа точек при определении распределения термоэлектрической чувствительности по рабочей поверхности вала на примере подшипника скольжения............................. . 77

Выводы..........................................................................................88

Глава 3 РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЗОНЕ ТРЕНИЯ..................................................................................90

3.1 Требования, предъявляемые к экспериментальной установке ......................................................................................90

3.2 Описание экспериментальной установки..........................92

Выводы..........................................................................................103

Глава 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДА КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЗОНЕ ТРЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЕРМОПАРОЙ ..........................................104

4.1 Условия проведения эксперимента......................................104

4.2 Экспериментальные исследования термо-ЭДС....................106

4.3 Экспериментальные исследования распределения температуры..................................................................................114

4.4 Анализ метода определения средней температуры рабочей зоны по среднему значению термо-ЭДС и среднему значению термоэлектрической чувствительности ........................................................................................120

Выводы..........................................................................................135

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................136

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................138

ПРИЛОЖЕНИЕ А. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ДАННЫХ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМОВ ТРЕНИЯ..................154

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ДОКУМЕНТЫ ОБ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЙ ПРОВЕРКЕ И ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ ......................................................................................................175

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время потери энергии и материальных ресурсов, вызванные трением и износом, становятся все более значительными. Это объясняется тем, что до 80-90 % подвижных сопряжений машин выходят из строя вследствие износа [ 1 - 3 ]. Из-за трения трибологиче-ские разработки приобретают принципиальное значение практически для всех отраслей машиностроения, особенно для транспортной, сельскохозяйственной, дорожностроительной, горнодобывающей промышленности, а также станочного, кузнечно-прессового и прокатного оборудования [ 4 - 7 ].

Опоры скольжения и качения являются одними из основных функциональных узлов любой машины, прибора или устройства. От их работоспособности и долговечности зависят производительность, надежность, энергоемкость и другие важные эксплуатационные параметры оборудования. Например, на дрезине АГМ-У насчитывается около 170 узлов трения, в которых установлены чугунные, стальные и бронзовые подшипники скольжения [ 8 ]. Пары "сталь-сталь" и "чугун-сталь" в процессе эксплуатации склонны к схватыванию и повышенному износу. Поэтому при каждом ремонте заменяются подшипники, общая масса которых составляет 37 кг на одну дрезину. Сроки службы некоторых узлов настолько коротки (3-4 месяца), что техническое обслуживание и ремонт становятся неоправданно дорогими.

Следует заметить, что исследования, проведенные Ф.П. Боуденом, Н.Л. Кайдановским, позволили установить существование скачкообразных изменений силы трения у пар трения скольжения [ 9 ]. Скачкообразный характер изменения фрикционных характеристик при трении без смазочного материала был описан в работах Д.В. Конвисарова [ 10 ], И.В. Крагельского и Н.Э. Виноградовой [ 11 ]. При этом скачкообразный характер изменения фрикционных

характеристик связывали с интенсивностью адгезионного взаимодействия в зоне контакта тел.

С установлением закономерностей скачкообразных изменений фрикционных характеристик при трении было установлено скачкообразное изменение износа материалов при изменении режимов испытания трибоузлов. Указанное явление было названо эффектом Зибеля-Келя [ 12 ]. Периодические изменения интенсивности изнашивания были описаны и другими исследователями.

Данные исследования внесли большой вклад в развитие представлений о механизмах трения и изнашивания твердых тел. Однако, практически во всех этих работах не учитывалось роль тепловых процессов при трении, на что неоднократно обращалось внимание [ 13 - 16 ].

В то же время, как отмечается в работах [ 17, 18 ], температура в зоне трения является определяющим фактором, влияющим на трение и износ в три-босопряжениях.

Сложность процесса измерения температуры в зоне трения вызвана тем, что традиционными способами измерить температуру в данной зоне не представляется возможным из-за труднодоступности зоны трения и малого размера пятна контакта. Созданный в двадцатые годы нашего столетия метод естественной термопары Шора и Готтвейна-Герберта [ 19, 20 ] в настоящее время считается единственным методом точных измерений температуры непосредственно в зоне трения.

Естественная термопара не требует введения в зону трения дополнительных элементов, не происходит изменения свойств контактирующих поверхностей, ее инерционность является инерционностью зоны трения, и она позволяет определять температуру, развивающуюся непосредственно в зоне трения.

Преимущества метода естественной термопары известны, однако этот метод до настоящего времени не находил применения по ряду причин, на-

пример, термо-ЭДС, возникающие в зонах трения пар, трущиеся элементы которых изготовлены из одних и тех же материалов, значительно малы, поэтому в результаты измерений температур этим методом вносились большие погрешности.

Таким образом, разработка метода измерения и контроля температуры в зоне трения является актуальной задачей также, как и разработка установки для проведения научных исследований с целью определения зависимости распределения температуры в исследуемых парах трения от режимов трения.

Целью работы является разработка метода и средств измерения и контроля температуры в зоне сухого трения, позволяющих оценить максимальные значения температуры в указанной зоне, и разработка экспериментальной установки для проведения исследовательских работ по изучению колебаний температуры в зоне трения при работе трибопары.

Основные задачи исследования :

1. Разработка метода и средств, позволяющих:

а) получить более точное значение средней температуры в зоне трения по сравнению с применяемыми методами;

б) оценить значение максимальной температуры в зоне трения;

в) исследовать изменения температуры в зоне трения в процессе работы трибопары.

Этапы выполнения работы:

- теоретическое обоснование целесообразности измерения температуры в зоне трения материалов, близких по свойствам, методом естественной термопары;

- проведение анализа условий измерения температуры зоны трения методом естественной термопары с учетом неравномерного распределения термоэлектрической чувствительности;

- разработка экспериментальной установки, позволяющей исследовать распределение термоэлектрической чувствительности по поверхностям трущихся элементов;

- разработка методики определения распределения термоэлектрической чувствительности по указанным поверхностям;

- разработка и создание метода определения температуры в зоне трения;

- разработка и создание установки, позволяющей измерять температуру в зоне сухого трения предлагаемым методом с учетом разработанной методики;

- разработка методики гармонического анализа полученных значений термоэлектрической чувствительности, термо-ЭДС и температуры;

- исследование точности определения температуры рабочих поверхностей разработанным методом;

- нахождение погрешности, возникающей при определении средней температуры по средним значениям термо-ЭДС и термоэлектрической чувствительности;

- проведение предварительных исследований зависимости температуры в зоне трения от условий работы пары трения (зависимостей температуры от скорости скольжения и усилия в трибопарах).

Разработанный метод может быть использован для измерения температуры подшипников скольжения, качения и других механизмов, работающих в режиме сухого трения, например, для деталей трущихся пар химического оборудования, работающего в условиях высоких температур, давлений, агрессивных сред, в том числе с абразивными включениями, в системах управления самолетов, в текстильных машинах разных типов, в узлах трения обувных машин, в подшипниковых опорах валов реакторов, и позволяет определить не только среднюю, но и максимальную температуру

рабочей зоны пар трения даже при изготовлении элементов пар трения из однородных материалов, а также исследовать колебания температуры в зоне трения.

Методы и средства исследования.

В работе использовались методы исследования в области трибологии и триботехники. При выполнении работы применялись аналитические и численные методы, методы физического и математического моделирования, а также методы корреляционного, регрессионного и спектрального анализов, элементы математической статистики. Эксперименты выполнены с помощью серийно выпускаемого оборудования, приборов и специально созданных устройств. Обработка экспериментальных данных осуществлялась на ЭВМ по оригинальным алгоритмам и программам, а также с использованием системы автоматизации математических расчетов MathCAD, MathLAB и табличного процессора Excel.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработан метод определения температуры в зоне сухого трения с учетом неравномерной термоэлектрической чувствительности участков рабочих поверхностей трибосопряжений;

- в соответствии с предложенным методом для его реализации разработана методика определения неоднородности термоэлектрической чувствительности по рабочим поверхностям вращающегося элемента пары трения;

- на базе разработанной методики проведен гармонический анализ температуры, возникающей при сухом трении трибоэлементов;

- предложена математическая модель, позволяющая определить колебания температуры и ее максимальные значения.

Практическую ценность работы составляют:

- методика определения колебаний температуры, и в том числе, ее максимальные значения в исследуемой зоне пар трения с учетом неравномерного

распределения термоэлектрической чувствительности по поверхности подвижного элемента пары трения;

- конструкция установки, позволяющей исследовать пару трения методом естественной термопары, обеспечивающая постоянство и возможность регулирования скорости скольжения и усилия прижатия трущихся поверхностей друг к другу, а также варьирование нагрева пар трения при различных режимах испытаний.

Реализация и внедрение результатов исследования.

Установка по определению температуры трущихся поверхностей наряду с методикой измерения и контроля температуры в зоне трения узлов машин и механизмов прошли опытную проверку на ОАО "Орелстроймаш" и используются на данном предприятии.

Установка по определению температуры трущихся поверхностей нашла практическое применение на указанном выше предприятии. Кроме того, данная установка используется в Орловском государственном техническом университете при проведении учебного процесса и выполнении научно-исследовательских работ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 7 конференциях, в том числе:

- международной научно-технической конференции "Молодая наука -новому тысячелетию", Набережные челны, 1996 г.;

- II Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин", Нижний Новгород, 1997 г.;

- международном научно - практическом симпозиуме " СЛАВЯНТРИ-БО - 4. Трибология и технология", Рыбинск, 1997 г.;

- I и II областной межвузовской конференции молодых ученых, Орел, 1996 г.; Орел, 1997 г.;

- пятом международном совещании - семинаре "Инженерно -физические проблемы новой техники", Москва, 1998 г.;

- третьей сессии Международной научной школы "Теоретические и прикладные проблемы точности и качества машин, приборов, систем". -Санкт-Петербург, 1998.

Доклад "Исследование влияния распределения термоэлектрической чувствительности на измерение температуры методом естественной термопары" удостоен диплома 1 степени Международном совещании семинаре "Инженерно-физические проблемы новой техники" ( Москва, май 1998 г.).

Предложенная и используемая в учебном процессе работа отмечена дипломом лауреата конкурса научно-методических работ молодых преподавателей по разделу "технические науки".

Публикации. По содержанию и результатам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, подана заявка на патент.

На защиту выносятся следующие основные положения;

- метод контроля температуры естественной термопарой в зоне трения с учетом неравномерного распределения термоэлектрической чувствительности по рабочим поверхностям пар трения;

- методика проведения гармонического анализа термоэлектрической чувствительности и термо-ЭДС, генерируемой во время работы;

- математическая модель распределения температуры в зоне трения;

- структуры устройств для градуировки естественной термопары и измерения температуры в зоне трения при различных режимах эксплуатации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка и 31 таблицу. Она состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источ-

ников, включающего 163 наименования работ отечественных и зарубежных авторов, а также 2 приложений.

Содержание работы

В первой главе проанализировано влияние температуры на процессы трения и изнашивания в узлах трибосопряжений и выполнен обзор существующих методов измерения и контроля температуры в зоне трения. Показано, что терморезистивные и термоэлектрические методы позволяют применить естественные преобразователи и измерить температуру непосредственно в зоне трения. Наиболее перспективным является метод естественной термопары. Однако этот метод до настоящего времени не нашел широкого применения по ряду причин, которые проанализированы и поставлены задачи по их устранению. Показано, что термоэлектрическая неоднородность материалов в парах трения может приводить к погрешностям при определении температуры методом естественной термопары.

Во второй главе проведен анализ термоэлектрической неоднородности трущихся поверхностей трибоэлементов и разработано устройство по определению термоэлектрической чувствительности. На основе проведенных исследований на разработанном устройстве показано, что термоэлектрическая чувствительность может значительно изменяться при перемещении зоны трения по поверхности трущихся элементов. При определении температуры в зоне трения методом естественной термопары без учета возможных колебаний термоэлектрической чувствительности в результаты измерений вносится значительная дополнительная погрешность. На основе проведенных исследований выявлено, что для повышения точности измерения необходимо проводить индивидуальную градуировку искусственной термопары. Проведено исследование нахождения необходимого числа точек при определении распределения термоэлектрической чувствительности

по рабочей поверхности пар трения. Показано, что в результаты измерения распределения чувствительности по поверхности трущихся элементов вносятся погрешности как от установления коорди