Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и постановка задач исследований 7
1.1. Состояние вопроса 7
1.2. Выбор объекта исследования 8
1.3. Конструктивные типы шлицевых соединений и их применяемость 11
1.4. Характеристика видов повреждений шлицев 16
1.5. Методы расчетов 21
1.6. Существующее испытательное оборудование 27
1.7. Задачи исследования 33
Глава 2. Объекты исследования, стендовое оборудование, методика испытаний 35
2.1. Объекты исследования 35
2.2. Испытательное оборудование 37
2.2.1. Устройство и техническая характеристика стендового оборудования для экспериментального исследования шлицевых соединений трактора T-I50K 39
2.2.2. Стенд для испытания коробок передач 46
2.2.3. Стенд для испытания моделей шлицевых соединений 47
2.3. Режимы работы и варианты стендовых испы таний 54
2.3.1. Вал привода ВОМ трактора T-I50K 54
2.3.2. Первичный вал КПП трактора T-I50K 56
2.3.3. Модельные испытания шлицевых соединений. 62
2.4. Методика измерения износа шлицев 69
Глава 3. Результаты испытаний шлицевых соединений 77
3.1. Стендовые испытания вала привода ВОМ трактора T-I50K 77
3.2. Эксплуатационные испытания вала привода ВОМ трактора T-I50K 81
3.3. Метод контроля качества шлицевых соединений по малому числу образцов 84
3.4. Стендовые испытания шлицевого соединения первичного вала КПП с валом муфты сцепления трактора T-I5UK 90
3.5. Испытания моделей шлицевых соединений. 101
3.6. Испытания шлицевого вала № 076U4 свеклоуборочной машины КС-б 114
Глава 4. Математическая модель ресурса, прогнозирование и проектирование шлицевых соединений 117
4.1. Математическая модель оценки ресурса шлицевых соединений 117
4.2. Прогнозирование ресурса в эксплуатации по данным стендовых испытаний 123
4.3. Оценка предельного состояния и влияние качества изготовления на долговечность 125
4.4. Методика проектирования шлицевых соединений заданной долговечности 132
4.5. Экономическая эффективность от внедрения выполненной работы 137
Выводы 141
Литература 143
Приложения 149
- Конструктивные типы шлицевых соединений и их применяемость
- Режимы работы и варианты стендовых испы таний
- Эксплуатационные испытания вала привода ВОМ трактора T-I50K
- Прогнозирование ресурса в эксплуатации по данным стендовых испытаний
Введение к работе
Осуществление Продовольственной программы СССР на период до 1990 года, разработанной по решению ХХУІ съезда КПСС и принятой майским (1982 г.) Пленумом ЦК КПСС [і, 2], базируется на интенсификации сельскохозяйственного производства посредством обновления материально-технической базы сельского хозяйства.
В Постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР (апрель 1983 г.) "О мерах по дальнейшему повышению технического уровня и качества машин и оборудования для сельского хозяйства, улучшению использования, увеличению производства и поставок их в 1983-1990 годы" [3J определена программа развития научно-технического прогресса в отрасли тракторного и сельскохозяйственного машиностроения до 1990 года.
По объемам производства тракторов и сельхозмашин СССР занимает первое место в мире. Вместе с тем имеющийся в настоящее время в сельском хозяйстве парк машин, как по количеству, так и по своему техническому уровню и, особенно, по надежности и долговечности не отвечает современным требованиям, что является одной из причин того, что многие важнейшие сельскохозяйственные работы выполняются с нарушением агротехнических сроков и допускаются потери урожая.
Решающее значение на современном этапе приобретает повышение качества, надежности и долговечности тракторов и сельскохозяйственных машин.
В XI пятилетке сельскому хозяйству будет поставлено 1870 тыс. тракторов, 600 тыс. зерноуборочных комбайнов и много других сельскохозяйственных машин [ij. При этом предусмотрено значительное повышение технического уровня машин, их качества, надежности и
долговечности. Необходимо создать такой парк тракторов, комбайнов и другой техники, который позволит проводить полевые работы в лучшие агротехнические сроки»
Анализ тенденций развития мирового тракторостроения показывает, что решающим фактором на современном этапе является повышение надежности тракторов. Ресурс тракторов до первого капитального ремонта необходимо повысить до 8-Ю тыс.ч, что позволит обеспечить их использование в течение всего срока службы в сельском хозяйстве с одним капитальным ремонтом, а ряд моделей тракторов смогут работать без капитального ремонта в течение всего срока службы. В 1,5 - 1,7 раза необходимо повысить безотказность работы тракторов, что уменьшит простои машин в период их использования.
Б конструкциях серийно выпускаемых тракторов и сельскохозяйственных машин, а также в разрабатываемых перспективных машинах, широко применяются шлицевые соединения для передачи мощности от силового агрегата к движителям, рабочим органам и другим узлам и агрегатам машины. Особенностью шлицевых соединений тракторов и сельскохозяйственных машин является то, что величина нагрузки, условия работы и условия сочленения в процессе работы изменяются в широких пределах и в ряде случаев, при экстремальных условиях, отклоняются от допустимых значений в зависимости от объективно и субъективно складывающихся условий технической эксплуатации машин. На работоспособность шлицевого соединения влияет нарушение соосности сочленения, технические неисправности и поломки приводимых рабочих органов, узлов, различные дорожные, почвенно-клима-тические условия, глубина обработки почвы, забиваемость, залипа-ние почвой, урожайность и др. факторы.
Поэтому надежность и долговечность шлицевых соединений во
- б -
многом определяет надежность и долговечность машины в целом. Вместе с тем работоспособность шлицевых соединений в серийных машинах в ряде случаев невысокая. Необходимость ее повышения возрастает, поскольку наблюдается рост удельной мощности передаваемой силовыми передачами машин.
Несмотря на то, что шлицевые соединения относятся к числу наиболее ответственных элементов машин, выбор их параметров при разработке конструкции машины в подавляющем большинстве случаев производится на основании условного расчета.
Практика эксплуатации машин и экспериментальные исследования показывают, что сложившийся метод расчета, не учитывающий реальных условий нагружения соединений, не может обеспечить необходимую надежность и долговечность соединения.
Такое несоответствие с современным уровнем расчета деталей машин объясняется сложностью описания реального процесса нагружения рабочих поверхностей соединения, работающих, как правило, при наличии монтажных перекосов.
Поэтому совершенствование существующих методов расчета шлицев, повышение их долговечности окажет положительное влияние и на решение проблемы повышения надежности и долговечности машин.
Целью настоящей работы является установление закономерностей и расчетных зависимостей при выборе параметров шлицев для повышения износостойкости шлицев в реальных условиях с учетом возможного монтажного перекоса осей соединяемых элементов, а также разработка способов повышения долговечности шлицевых соединений в условиях эксплуатации машин.
Конструктивные типы шлицевых соединений и их применяемость
В машиностроении применяют шлицы прямобочного, эвольвентно-го, треугольного и трапецеидального профиля зубьев. В тракторостроении и сельскохозяйственном машиностроении преимущественно распространены шлицы прямобочного и эвольвентного профилей. Кроме вышеуказанных, имеются специальные шлицевые соединения - шариковые.
Пр_ямбо нне_щдіицн. Форма шлицевого профиля и размерный ряд прямобочных шлицевых соединений регламентированы стандартом СТ СЗВ 188-75 [51]. Стандарт распространяется на шдицевые соединения общего применения с прямобочным профилем зубьев, расположенных параллельно оси соединения, и предусматривает соединения легкой, средней и тяжелой серий. Серии различаются между собой размерами и числом шлицев. Легкая серия, имеющая наименьшую высоту шлицев, преимущественно предназначена для неподвижных соединений, передающих небольшой крутящий момент при спокойной безударной нагрузке.
Средняя серия предназначена для неподвижных и подвижных соединений, передающих крутящие моменты при спокойной или пульсирующей нагрузке. Тяжелая серия прямобочных шлицевых соединений, тяжелых условиях при большом крутящем моменте.
Размерный ряд охватывает соединения с наружными диаметрами 14-125 мм и числом зубьев 6-20.
Прямобочные шлицевые соединения центрируют согласно стандарту СТ СЭВ 188-75 [5і] по наружному диаметру D (рис. 1.2), внутреннему диаметру cL (рис. 1.2) или по боковым граням шлицев.
При центрировании по диаметрам минимальные зазоры задаются по поверхностям D или d , зазор по боковым сторонам зубьев также ограничен. Нецентрирующие диаметры выполняют: d,, - по классу Л5 » d - по классу ЭС4. По внутренней поверхности соединения остается зазор С , определяющий разность полей допусков по этим классам. Нецентрирующие диаметры выполняют: 3), -по классу Х5, D - по классу Х . По наружной поверхности соединения образуется зазор С , определяемый разностью полей допусков по этим классам.
По нецентрирующему диаметру предусматривается значительный зазор. Увеличение зазора по центрирующему диаметру в определенном диапазоне (0-0,14 мм) повышает фактически действующие нагрузки на зубья шестерен, а следовательно и шлицы. Увеличение зазора свыше 0,14 мм на нагруженность шлицев, а также на взаимные перемещения шестерни и вала не влияет, так как в этом случае центрирующие поверхности не принимают участия в работе.
Для повышения износостойкости шлицев целесообразно назначение посадок и класса точности по центрирующим диаметрам шлицево-го соединения, обеспечивающее минимальные зазоры (порядка 0,05 мм). Этого можно достигнуть установлением допусков на центрирующие поверхности валов по посадке движения 2-го класса точности (вместо применяемых допусков по ходовой и легкоходовой посадкам) и повышением точности центрирующего диаметра шлицевого отверстия путем его хонингования после термической обработки (для наружного диаметра).
Звольвентные шлицы. Стандарты СТ СЭВ 268-76 и СТ СЭВ 269-76 [52, 53J регламентируют исходный контур, форму зубьев, номинальные диаметры, модули и число зубьев эвольвентных шлицевых соединений с углом профиля 30.
Известны также соединения, образованные инструментом с углом исходного контура в 45, 25, 20 и 1430 при высоте зуба как меньше, так и больше модуля (высота зуба назначается в % от высоты зуба шестерни равного модуля).
Центрирование эвольвентных шлицевых соединений осуществляется по наружному диаметру и по боковым поверхностям зубьев, также допускается центрирование по внутреннему диаметру.
Соединения с углом исходного контура в 45 и высотой зуба 40% высоты зуба шестерни применяются как мелкомодульные. Они наиболее удобны для сборки из-за малого углового шага и в наименьшей степени снижают прочность вала.
Соединения с зубьями, нарезанными инструментом с профильным углом в 25 и 20, имеющими высоту соответственно 70 и 75$ высоты зуба шестерни позволяют производить шевингование валов и применяются преимущественно в зубчатых муфтах различных типов. Несущая способность соединений такого типа, лимитируемая смятием боковых поверхностей зубьев, при равной длине будет по сравнению с другими наивысшей, благодаря наибольшей высоте зуба.
Соединения с углом исходного контура в 1430 и небольшой глубиной захода (30$ от высоты зуба шестерни) по своим свойствам приближаются к прямобочным зубьям.
Режимы работы и варианты стендовых испы таний
Для имитации эксплуатационных условий к испытуемому соединению следует приложить крутящий момент и обеспечить угол перекоса осей вала и втулки. При проведении испытаний шлицев в режиме нагружения испытуемого шлицевого вала крутящим моментом следует ожидать потери работоспособности шлицевого соединения из-за износа шлицев. При этом, выбирая величину прикладываемого крутящего момента, необхо димо обеспечить статическую и динамическую (усталостную) прочность самого вала при кручении. В то же время эти нагрузки должны обеспечивать максимальный износ шлицев. Исходя из этого проведены по известным формулам [23,45] необходимые расчеты: - на статическую прочность вала при нагружении его статическим крутящим моментом; - на усталостную прочность вала при нагружении его динамическим крутящим моментом; - на смятие шлицев при статическом приложении нагрузки; - на усталостное смятие шлицев вала при динамическом приложении крутящего момента. В таблице 2.1 представлены результаты проведенных расчетов. Принимаем следующий режим нагружения: - крутящий момент МКр= б 90,7 Н.м - радиальная нагрузка Q = 630 Н, что соответствует прогибу вала Л = 9 мм. Для создания прогиба вала, А = 9 мм необходимо приложить силу Q , равную 630 Н. Сила Q, определена по тарировочному графику зависимости прогиба вала от приложенной нагрузки, по С целью полной имитации эксплуатационных условий работы вал привода трактора T-I50K следует испытывать в режиме нагружения крутящим моментом 690,7 Нм при перекосе осей втулки и вала на угол У = II4 25" (0,0216 рад). Но угол перекоса ограничен зазорами соединения. Перемещения шлицев в пределах этих зазоров, рассчитанные по [58] допускают угол перекоса осей, равный 0,0009 рад. Известно [60], что смазка уменьшает износ. С целью уменьшения износа шлицев в соединении планируется исследовать влияние консистентной смазки № 158 (так как эта смазка используется в тракторе T-I50K) и влияние угла перекоса осей вала и втулки. Для этого следует провести эксперименты, варианты которых представлены в таблице 2.2. При получении положительного эффекта по планируемым вариантам испытаний на стенде, предусматривается проведение лучшего варианта испытаний шлицевого соединения вал привода ВОМ-фланец коленчатого вала в эксплуатации. Для обеспечения ускоренных испытаний необходимо подобрать комплекс нагружающих усилий таким образом, чтобы время испытаний было минимальным, но в то же время выбранные нагрузки не привели к разрушению вала, не характерному для условий эксплуатации. Для этого определен крутящий момент [23] , соответствующий пределу усталости на испытуемом валу Для создания крутящего момента 1420 Н.м к рейке необходимо приложить силу Рст = 157,8 Н. Для обеспечения возможности непосредственного сравнения результатов различных стендовых и эксплуатационных испытаний целесообразно нагружать испытуемое соединение крутящим моментом Мкр= 562 Н.м, равным номинальному моменту трактора T-I50K. Для определения угла перекоса, который нужно установить на стенде, необходимо определить действительный максимальный угол, который имеет место в этом соединении в тракторе T-I50K. Поэтому производится следующий анализ по чертежам завода изготовителя -ХТЗ.
Первичный вал КПП вращается в двух шариковых подшипниках. Шариковые подшипники смонтированы в стальных стаканах, установленных в расточках передней стенки и промежуточной перегородки картера коробки передач. От осевых перемещений первичный вал фиксируется стопорением передних подшипников в стаканах и стаканов в расточках передней стенки картера и промежуточной перего родки. Размер вала под передний подшипник I (рис. 2.10) - 0 б5+0,023 (чертеж I50.37.I04-2A). Стакан под этот подшипник вы +0.003 +0,027 полнен также с допусками 2 (рис, 2.10) - 0 140 П (_Q QJ ) (чертеж 150.37.ИЗ). Стакан выполнен по размеру 3 0 155 (-0,027) (рис. 2.10) - посадочное место в корпус. Отверстие в корпусе под передний стакан 3" (рис. 2.II) выполнено с допусками - 0 155 (+0,04)# Таким образом, суммируя данные допуски (1+2+343й на рис. 2.10 и рис. 2.II),получим возможную несоосность, равную 0,137 мм. Кроме того, первичный вал КПП располагается в корпусе относительно А А 162+0,05 и \ \ ОД 1 А , Следовательно, возможное смещение от оси 0,287 мм - в передней опоре вала. Просуммируем данные допуски, обозначая индексами место сопряжения,показанное на рис. 2.10 и 2.II
Эксплуатационные испытания вала привода ВОМ трактора T-I50K
Испытания на стенде [1Ч] показали, что введение в соединение вала привода ВОМ с фланцем коленчатого вала консистентной смазки № 158 приводит к уменьшению износа за время испытаний в два раза [б2] . Этот результат послужил основанием для введения смазки № 158 в указанное соединение, в серийный выпуск тракторов, начиная с трактора № 160 000, с сентября I960 г.
Тракторы, имеющие смазку № 158 в исследуемом шлицевом соединении, эксплуатировались в различных хозяйствах страны. В нескольких хозяйствах были измерены износы шлицев (восьми шлицев в двух сечениях). Средние значения износа по данным этих замеров приведены в таблице 3.2.
В тракторах заводской №№ 187068, I76I49, I90I8I к моменту измерения износа имелась смазка, а в тракторах №№162733, 160084 при измерении износа следов смазки не оказалось. На рис. 3.4 представлена зависимость износа шлицев от времени испытаний, полученная методом наименьших квадратов, U = 0»005 Т (коэффициент корреляции Ъ = 0,99) для соединения, в котором присутствует консистентная смазка № 158. При отсутствии смазки в соединении зависимость износа шлицев от времени испытаний, по 0 2 лученная методом наименьших квадратов, имеет вид U = 0,24Т (коэффициент корреляции Z =0,97). Значения износов шлицев при отсутствии смазки в соединении приведены из [5]. Предельный износ шлицев вала привода ВОМ, обусловленный технологическими картами на капитальный ремонт шасси трактора T-I50K, равен 0,7 мм. При отсутствии в соединении смазки, т.е. в серийном соединении, предельное значение износа Unp = 0,7 мм достигается за 2200 мото-ч. При наличии в соединении смазки № 158 этот износ достигается за 4500 мото-ч.
Полученные значения износов шлицев позволяют сделать вывод о том, что присутствие смазки № 158 в соединении вала привода ВОМ с фланцем коленчатого вала приводит к увеличению ресурса шлицевого соединения до предельного износа в 2-2,8 раза,
Для обеспечения высокого качества шлицевых соединений при изготовлении на предприятиях организуется система выборочного контроля. Экономически целесообразно применять такую форму его организации, которая обеспечивает необходимое качество при минимальных расходах, то есть метод последовательного контроля [l9J , дающий решение о годности или негодности партии по каждому испытанному образцу. Число испытуемых образцов берется таким, чтобы можно было принять решение - удовлетворяет ли партия объектов техническим условиям или нет. Методически принцип оценки технического состояния шлицев по результатам эксплуатационных испытаний основан на скорости износа шлицев.
Метод основан на применении формулы Байеса для двух состояний [l9j : состояние ),, - удовлетворение техническим условиям, а состояние Х)2 - неудовлетворение им. Показателем качества шлицев или признаком в терминах [I9J является скорость износа шлицев. Отношение вероятностей признаков есть отношение правдоподобия.
Прогнозирование ресурса в эксплуатации по данным стендовых испытаний
Математическая обработка результатов стендовых испытаний позволила получить модель оценки ресурса шлицев (4.3) за 100 часов работы соединения. Как было показано ранее приведенная мощность трения определяется несколькими параметрами, одним из которых является угол перекоса осей вала и втулки ( ДУ ), то есть приведенная мощность трения может быть представлена произведением угла перекоса осей на обобщенный сомножитель Л других параметров приведенной мощности трения, а скорость износа шлицев будет иметь вид:
Угол перекоса д У осей определяется условиями сборки соединения в каждой конкретной машине и является величиной случайной с плотностью Jaip(t) , причем iAvpe0(t) = 0. Распределение угла перекоса осей предполагается нормальным. Согласно [32], если Д У имеет нормальное распределение
Числовое значение к определяет зависимость скорости изно са от времени испытаний исследуемого соединения на стенде. Износ шлицев соединения определяется:
Обозначим плотность распределения ресурса через Qu(t) предельный износ шлицев, определяемый технологическими картами на капитальный ремонт шасси тракторов или других машин;
Плотность a(t) распределения ресурса шлицевого соединения определяется как распределение функции от случайного аргумента. Введя в выражение (4.10) обозначения (4.8) с учетом (4.II), (4.12), (4.13) получим
Предельное значение износа шлицев первичного вала КПП трактора T-I50K [64] Unp = 0,7 мм. Угол между осями соединяемых валов, как было определенно во второй главе, равен 0,0061 рад; следовательно (5лу) = 0,0012. Для серийного соединения первично го вала КПП с валом муфты сцепления, испытанного на стенде [l4], И. = 0,54. Таким образом, для серийного соединения первичный вал КПП - вал муфты сцепления трактора T-I50K выражение (4.14) в числовом виде выглядит так:
График плотности распределения ресурса этого соединения изображен на рис. 4.3а, а график вероятности безотказной работы -на рис. 4.36 - кривые І. В работе Цэ] приведен график вероятности безотказной работы этого соединения, построенный по эксплуатационным данным - соответствующая кривая изображена на рис. 4.36 под номером 3. Сравнивая кривые I и 3, можно сделать вывод о том, что расчетный 50% ресурс, близкий к среднему, до предельного износа 1950 часов отличается от эксплуатационного 2200 часов на 250 часов, что составляет 12$.
Аналогично получены средние ресурсы для различных вариантов этого соединения: наличие смазки в соединении - 5600 часов, удержание смазки в шлицах смазкоудерживающими канавками - 8100 часов.
Шлицевые соединения, как показывает опыт эксплуатации, относятся к быстроизнашивающимся элементам, от работоспособности которых во многом зависит долговечность других деталей трактора.
По технологическим картам на капитальный ремонт трансмиссий тракторов - К 700; К - 701; ДТ - 75; ДТ - 75М; МТЗ - 50; МТЗ -50Л; МТЗ - 52; Ш - 52Л; Т - 54В; Т - 540; Т - 70С; Т - 74; T-I50K произведена оценка предельного состояния шлицев. Критериями оценки приняты: процентное отношение величины износа к ширине шлица; факт подвижности соединения; профиль зубьев. В таблице 4.2 приведены эти критерии по элементам трансмиссии каждого трактора.
Анализируя приведенные данные, можно сделать вывод, что в одних и тех же узлах на различных тракторах применяют шлицевые соединения с различным профилем шлицев. Так, например, вал заднє-го хода коробки перемены передач трактора Т-54С имеет шлицы пря-мобочного профиля, а вал заднего хода коробки перемены передач трактора Т-70С имеет шлицы эвольвентного профиля; вал заднего моста трактора ДТ-75М имеет шлицы эвольвентного профиля, а вал заднего моста трактора Т-74 имеет шлицы прямобочного профиля.
Анализ приведенных данных показывает, что большинство валов ( 77$) трансмиссии трактора К-70І ( —95$) Т-74 имеют прямобоч-ный профиль шлицев, а в подобных по конструкциям тракторах (В.Т-75) большинство ( » 95%) тех же валов имеют по всей трансмиссии эвольвентный профиль шлицев. Эти данные так же свидетельствуют о том, что шлицы применяют без учета нагруженности и особенностей конструкции узлов в тракторах. Вместе с тем, износостойкость шлицев влияет на работу всей трансмиссии трактора, например, износ шлицев влечет за собой ухудшение работы шестерен. Попытаемся систематизировать факторы, влияющие на износостойкость шлице-вых соединений с тем, чтобы сформулировать рекомендации по их проектированию. По значимости последствий от- износа шлицев определим три группы элементов. Критериями ориентировки в этих группах служат процентное отношение изношенной части шлица к ширине шлица Y и приведенная мощность трения N ъ работающем шлицевом
