Применение антифрикционных пластиков в шарнирных соединениях манипуляторного технологического оборудования машин
Международная
публикация
ART 85803
А.
И. СеребрянскийБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Серебрянский
А.
И.,
Уханов
А.
С.,
Богатырева
Ж.
И. Применение антифрикционных пластиков в шарнирных соединениях манипуляторного технологического оборудования машин // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2015. – Т. 13. – С.
4011–4015. – URL:
http://e-koncept.ru/2015/85803.htm.
Аннотация. Проведен анализ видов износа и факторов износостойкости шарниров манипуляторов на примере манипуляторных лесозаготовительных машин. Рассмотрена возможность применения антифрикционных пластиков в качестве антифрикционного материала в шарнирных соединениях манипуляторов. Представлено теоретическое обоснование эффективности их применения. Принципиально рассмотрено существующее оборудование для производства пластиков. Сделаны выводы о возможности использования самосмазывающихся антифрикционных пластиков, и даны рекомендации.
Похожие статьи
Текст статьи
Серебрянский Алексей Иванович,Кандидат технических наук, ВУНЦ ВВС "Военновоздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина", г. Воронежaleksey@serebryanskiy.com
БогатыреваЖанна Игоревна,Кандидат технических наук, ВУНЦ ВВС "Военновоздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина", г. Воронежzh0259@mail.ru
Уханов Алексей Сергеевич,Студент группы ЛИ2111ОБ, ФГБОУ ВПО "Воронежская государственная лесотехническая академия", г. Воронежaleksei_27101@mail.ru
Применение антифрикционных пластиков в шарнирных соединениях манипуляторного технологического оборудования машин
Аннотация.Проведен анализ видов износа и факторов износостойкости шарниров манипуляторов на примере манипуляторных лесозаготовительных машин. Рассмотрена возможность применения антифрикционных пластиков в качестве антифрикционного материала в шарнирных соединениях манипуляторов. Представлено теоретическое обоснование эффективности их применения. Принципиально рассмотрено существующее оборудование для производства пластиков. Сделаны выводы и даны рекомендации о возможности использования самосмазывающихся антифрикционных пластиков.Ключевые слова:износ, шарнир, манипулятор, антифрикционные пластики, снижение трения, прессформа.
В промышленности широко используются машины, оснащенные манипуляторным технологическим оборудованием. Звенья манипуляторов соединяются между собой и с приводными гидроцилиндрами шарнирными соединениями. Шарнирные соединения являются слабым местом технологического оборудования манипуляторных машин. Рабочий ресурс базовых машин, как правило, в среднем составляет 5000...7000 моточасов, последние разработки позволили повысить технический уровень металлоконструкций манипуляторов до уровня базовой машины, однако технический уровень шарнирных соединений манипуляторов остается прежним. При наработке до 3000…3300 моточасов шарниры, вследствие износа, выходят из строя[1].Одной из основных причин низкой износостойкости шарнировманипуляторов является несоответствие смазочного материала условиям работы этих узлов. В качестве смазочного материала внихприменяются пластичные смазки (Солидол С, ПресссолидолС и др.). Смазки такого типа не оправдывают своего применения в узлах трения манипуляторов. Под действием больших удельных нагрузок (до 100 МПа), на которые накладываются динамические нагрузки, а также в результате реверса, в режиме которого работают все шарнирные соединения манипуляторов, пластичные смазки выдавливаются из зоны трения. В результате не образуется устойчивого масляного гидроклина и шарнирыманипуляторов работают в режиме граничного и полусухого трения.Такие условия работы виды изнашивания шарниров манипуляторов, в результате которых снижаетсяих износостойкость: водородное; абразивное; окислительное; в следствии пластической деформации; при фреттингкоррозии; схватывание, проявляющееся в задирах и заеданиях; и, возможно, коррозионное изнашивание. Проявление этих видов изнашивания при работе шарниров манипуляторов обусловлено спецификой условий работы (высокие удельные нагрузки, наличие динамических нагрузок, работа при температурах воздуха от –300С до 350С, переменчивая влажность воздуха, абразивность окружающей среды, длительные перерывы в работе технологического оборудования) и спецификой предмета труда. Чтобы исключить или уменьшить влияние этих видов изнашивания на износостойкостьтаких узлов трения, и повысить их рабочий ресурс, в качестве смазочного материала наиболее целесообразно было бы предположить самосмазывающийся антифрикционный материал, который мог бы гарантировать разделение трущихся поверхностей при работе. В качестве таких материалов могут выступать самосмазывающиеся антифрикционные пластики. В настоящее время, как антифрикционный материал, в шарнирах манипуляторов применяются сталь 45 и Бр. О5Ц5С5, в отдельных случаях антифрикционные чугуны. Было рассмотрено несколько вариантов перспективных антифрикционных и смазочных материалов –это возможность применения баббитов, ТСП, твердых смазок и полимерных материалов. Проведя сравнительный анализ этих материалов выбор был остановлен на самосмазывающемся антифрикционном пластике ЭСТЕРАН29[2, 3]. Физикомеханические свойстваэтого материала представлены в таблице 1.Таблица 1 Физикомеханические свойства антифрикционного пластика ЭСТЕРАН29
ПараметрыЭСТЕРАН29Плотность, г/см3.3.1Ударная вязкость, кг×см/см2.3Твердость по Бринелю, кгс/мм2.22 –25Предел прочности при сжатии, кгс/см2.800Интенсивность линейного изнашивания.
Диапазон рабочих температур.200…200Этот материал при довольно низкой себестоимости обладает необходимой прочностью, выдерживаетне разрушаясь высокие удельные нагрузки. Диапазон его рабочих температур находится в пределах от 200до 200, не требует дополнительного подвода смазки, имеет низкую интенсивность линейного изнашивания и низкий коэффициент трения.Практика позволила установить еще одно преимущество пластиков перед металлами, которое заключается в более высокой абразивной износостойкости. Податливость пластика позволяет твердым частицам погрузиться в тело втулки, благодаря чему износ подшипника резкоуменьшается. Проведенные в проектноконструкторском бюро Главстроймеханизации Минстроя СССР лабораторные и эксплуатационные испытания на изнашивание подшипников такого типа, работавших в абразивной среде, показали, что их износостойкость на 25 –40% выше по сравнению с бронзой. Пластик ЭСТЕРАН29 представляет собой многокомпонентную систему, в которой в качестве связующего использованы полимеры. В качестве наполнителя в их состав входят твердые смазки со слоистой структурой.Перерабатываются пластики методом компрессионного и литьевого прессования под давлением от 40 до 100 МПа при температуре (в зависимости от применяемого связующего) 230 500С. Для изготовления деталей из АСП методом прессования используют прессформу (рисунок 1).Габариты прессформы и ееэлементов подбираются в соответствии с размерами изготовляемых изделий. Технологический процесс прессования состоит из следующих операций: подготовка сырья, подогрев прессформы до 70 –800С, загрузка прессформы (засыпка порошка), расплавление порошка, повышение давления до 400 –1500 кгс/см2(величина давления зависит от свойств пластика), выдержка под давлением с продолжительностью из расчета1 –4 мин. 1мм.толщины изделия,термическая обработка изготовленной детали при температуре 160 –1700С в масле или инфракрасных лучах, механическая обработка (при необходимости).
Рис. 1. Схема прессформы для изготовления деталей из АСПпластиков
1 –пуансон верхний, 2 –кольцо верхнее, 3 –обойма, 4 –кольцо нижнее, 5 –пуансон нижний, 6 –стержень, 7 –основание, 8 –прокладка, 9 –установочные болты, 10 прессуемое изделие.
Для повышения производительности труда при изготовлении изделий целесообразно использовать многокомпонентные конструкциипрессформ.Так как, изменен антифрикционный материал в шарнирах то процесс трения и изнашивания будет происходить несколько иначе[2, 6, 7]. Поэтому необходимо определить действительную величину удельного давления Р.Для определения величины среднего удельного давления Рсрвоспользуемся решением Г. Герца для внутреннего касания цилиндров, если выполняется условие: (1)
(2)где R, кН –расчетная нагрузка, действующая на подшипник; Е1, МПа –модуль упругости пластика; l, мм –длина антифрикционных втулок подшипника скольжения; зазор сопряжения.ψЕ1/Е2 (3)где Е2, Мпа –модуль упругости стали; –коэффициент Пуассона пластика; –коэффициент Пуассона стали. Если неравенство (1) не выполняется, то, расчет проводится по следующей схеме:В началеопределяется половина угла контакта , рад.
(4)
(5)
(6);
(7),
(8);
(9)Максимальное давление в центре дуги контакта определяется:
(10)
(11)где R, мм радиус втулки; l, мм –длина подшипника скольжения. Далее уточняются размеры подшипника по найденному удельному давлению, при этом должно соблюдаться неравенство: d×lR/P.Если условие выполняется, то необходимость в корректировке размеров подшипника скольжения отпадает.Результаты расчетов максимального давления (в качестве примера были взяты лесозаготовительные машины) в центре дуги контакта Рmи среднего давления на контакт во всех рассматриваемых шарнирных соединениях для ЭСТЕРАНА –29 сведены в таблицу 2.Таблица 2Расчетные давления в шарнирах спластиком ЭСТЕРАН –29
ЛП –19АЛП –49, ЛП –18АЛП –17А, ТБ –1М
Подвеска –рукоятьРm,МПа.26,5728,6729,19, МПа.19,6821,6922,03
Рукоять –стрелаPm,МПа.38,4829,8743,7, МПа.27,221,8132,73
Стрела –поворотная колонкаPm, МПа.38,4833,433,35, МПа.27,224,0425,76
Таким образом, как видно из выше приведенного, антифрикционные пластики типа АМАН, а именно ЭСТЕРАН29, существенно выигрывает по сравнению с традиционными материалами и вполне могутприменяться в качестве антифрикционного материала в шарнирных соединениях манипуляторов машин, в том числе и в новых конструкциях [4, 5].
В работах [6, 7]более подробно рассмотрены особенности использования антифрикционных пластиков в манипуляторном технологическом оборудовании, а так же некоторые другие аспекты, касающиеся особенностей работы шарнирных соединений манипуляторов.
Ссылки на источники1.Серебрянский А. И., Афоничев Д.Н., Ворохобин А.В. Повышение износостойкости шарнирных соединений манипуляторов при ремонте // Вестник Воронежского аграрного государственного университета. Теоретический и научнопрактический журнал. –2012. Вып. 2 (33). С. 107111.2.Серебрянский, А. И. Обоснование выбора антифрикционных материалов для узлов трения технологического оборудования лесозаготовительных машин [Текст] / А. И. Серебрянский, В. В. Абрамов, Д. А. Канищев // Лесотехнический журнал. –2014 –Том 4, №1 (13). –С. 194200. –Библиогр.: с. 200 (7 назв.).3.Смогунов Н.С. Пути повышения долговечности шарниров манипуляторов лесных машин : [деп. рукопись] / Н. С. Смогунов, А. И. Серебрянский, С. И. Чаленко; Воронеж. гос. лесотехн. акад. —Воронеж, 1997 .—7 с.4.Патент на изобретение 2242644 РФ, МПК77 F16 C11/00. Шарнирное соединение [Текст]/ А.И. Серебрянский, Н.С. Смогунов, Ф.В. Пошарников ;заявитель и патентообладатель ВГЛТА. № 2003118950/11; заявл. 24.06.2003 ; опубл. 20.12.20045.Патент на изобретение. 2461744 РФ, F16C17/02, F16C33/04. Опора скольжения / Ф.В. Пошарников, А.В. Усиков, А.И. Серебрянский; заявитель и патентообладатель ВГЛТА.
№ 2010113135/11(018470); заявл. 05.04.2010 ; опубл. 20.09.20126.Serebryanskii Aleksei. Except the negative reverse effect and automatically compensate for wear in the hinge manipulators // DOAJ Lund University: Koncept : Scientific and Methodological emagazine. Lund, №4 (Collected works, Best Article), 2014. URL: http://www.doaj.net/2534/[Датаобращения04.05.2015].7.Serebryansky A.I Constructive exception of friction reversibility based on the analysis of the joint manipulators operating characteristics. Euroäische Fchhochschule Euroen Alied Sciences. 2013. T. 2. №5. С. 2124
БогатыреваЖанна Игоревна,Кандидат технических наук, ВУНЦ ВВС "Военновоздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина", г. Воронежzh0259@mail.ru
Уханов Алексей Сергеевич,Студент группы ЛИ2111ОБ, ФГБОУ ВПО "Воронежская государственная лесотехническая академия", г. Воронежaleksei_27101@mail.ru
Применение антифрикционных пластиков в шарнирных соединениях манипуляторного технологического оборудования машин
Аннотация.Проведен анализ видов износа и факторов износостойкости шарниров манипуляторов на примере манипуляторных лесозаготовительных машин. Рассмотрена возможность применения антифрикционных пластиков в качестве антифрикционного материала в шарнирных соединениях манипуляторов. Представлено теоретическое обоснование эффективности их применения. Принципиально рассмотрено существующее оборудование для производства пластиков. Сделаны выводы и даны рекомендации о возможности использования самосмазывающихся антифрикционных пластиков.Ключевые слова:износ, шарнир, манипулятор, антифрикционные пластики, снижение трения, прессформа.
В промышленности широко используются машины, оснащенные манипуляторным технологическим оборудованием. Звенья манипуляторов соединяются между собой и с приводными гидроцилиндрами шарнирными соединениями. Шарнирные соединения являются слабым местом технологического оборудования манипуляторных машин. Рабочий ресурс базовых машин, как правило, в среднем составляет 5000...7000 моточасов, последние разработки позволили повысить технический уровень металлоконструкций манипуляторов до уровня базовой машины, однако технический уровень шарнирных соединений манипуляторов остается прежним. При наработке до 3000…3300 моточасов шарниры, вследствие износа, выходят из строя[1].Одной из основных причин низкой износостойкости шарнировманипуляторов является несоответствие смазочного материала условиям работы этих узлов. В качестве смазочного материала внихприменяются пластичные смазки (Солидол С, ПресссолидолС и др.). Смазки такого типа не оправдывают своего применения в узлах трения манипуляторов. Под действием больших удельных нагрузок (до 100 МПа), на которые накладываются динамические нагрузки, а также в результате реверса, в режиме которого работают все шарнирные соединения манипуляторов, пластичные смазки выдавливаются из зоны трения. В результате не образуется устойчивого масляного гидроклина и шарнирыманипуляторов работают в режиме граничного и полусухого трения.Такие условия работы виды изнашивания шарниров манипуляторов, в результате которых снижаетсяих износостойкость: водородное; абразивное; окислительное; в следствии пластической деформации; при фреттингкоррозии; схватывание, проявляющееся в задирах и заеданиях; и, возможно, коррозионное изнашивание. Проявление этих видов изнашивания при работе шарниров манипуляторов обусловлено спецификой условий работы (высокие удельные нагрузки, наличие динамических нагрузок, работа при температурах воздуха от –300С до 350С, переменчивая влажность воздуха, абразивность окружающей среды, длительные перерывы в работе технологического оборудования) и спецификой предмета труда. Чтобы исключить или уменьшить влияние этих видов изнашивания на износостойкостьтаких узлов трения, и повысить их рабочий ресурс, в качестве смазочного материала наиболее целесообразно было бы предположить самосмазывающийся антифрикционный материал, который мог бы гарантировать разделение трущихся поверхностей при работе. В качестве таких материалов могут выступать самосмазывающиеся антифрикционные пластики. В настоящее время, как антифрикционный материал, в шарнирах манипуляторов применяются сталь 45 и Бр. О5Ц5С5, в отдельных случаях антифрикционные чугуны. Было рассмотрено несколько вариантов перспективных антифрикционных и смазочных материалов –это возможность применения баббитов, ТСП, твердых смазок и полимерных материалов. Проведя сравнительный анализ этих материалов выбор был остановлен на самосмазывающемся антифрикционном пластике ЭСТЕРАН29[2, 3]. Физикомеханические свойстваэтого материала представлены в таблице 1.Таблица 1 Физикомеханические свойства антифрикционного пластика ЭСТЕРАН29
ПараметрыЭСТЕРАН29Плотность, г/см3.3.1Ударная вязкость, кг×см/см2.3Твердость по Бринелю, кгс/мм2.22 –25Предел прочности при сжатии, кгс/см2.800Интенсивность линейного изнашивания.
Диапазон рабочих температур.200…200Этот материал при довольно низкой себестоимости обладает необходимой прочностью, выдерживаетне разрушаясь высокие удельные нагрузки. Диапазон его рабочих температур находится в пределах от 200до 200, не требует дополнительного подвода смазки, имеет низкую интенсивность линейного изнашивания и низкий коэффициент трения.Практика позволила установить еще одно преимущество пластиков перед металлами, которое заключается в более высокой абразивной износостойкости. Податливость пластика позволяет твердым частицам погрузиться в тело втулки, благодаря чему износ подшипника резкоуменьшается. Проведенные в проектноконструкторском бюро Главстроймеханизации Минстроя СССР лабораторные и эксплуатационные испытания на изнашивание подшипников такого типа, работавших в абразивной среде, показали, что их износостойкость на 25 –40% выше по сравнению с бронзой. Пластик ЭСТЕРАН29 представляет собой многокомпонентную систему, в которой в качестве связующего использованы полимеры. В качестве наполнителя в их состав входят твердые смазки со слоистой структурой.Перерабатываются пластики методом компрессионного и литьевого прессования под давлением от 40 до 100 МПа при температуре (в зависимости от применяемого связующего) 230 500С. Для изготовления деталей из АСП методом прессования используют прессформу (рисунок 1).Габариты прессформы и ееэлементов подбираются в соответствии с размерами изготовляемых изделий. Технологический процесс прессования состоит из следующих операций: подготовка сырья, подогрев прессформы до 70 –800С, загрузка прессформы (засыпка порошка), расплавление порошка, повышение давления до 400 –1500 кгс/см2(величина давления зависит от свойств пластика), выдержка под давлением с продолжительностью из расчета1 –4 мин. 1мм.толщины изделия,термическая обработка изготовленной детали при температуре 160 –1700С в масле или инфракрасных лучах, механическая обработка (при необходимости).
Рис. 1. Схема прессформы для изготовления деталей из АСПпластиков
1 –пуансон верхний, 2 –кольцо верхнее, 3 –обойма, 4 –кольцо нижнее, 5 –пуансон нижний, 6 –стержень, 7 –основание, 8 –прокладка, 9 –установочные болты, 10 прессуемое изделие.
Для повышения производительности труда при изготовлении изделий целесообразно использовать многокомпонентные конструкциипрессформ.Так как, изменен антифрикционный материал в шарнирах то процесс трения и изнашивания будет происходить несколько иначе[2, 6, 7]. Поэтому необходимо определить действительную величину удельного давления Р.Для определения величины среднего удельного давления Рсрвоспользуемся решением Г. Герца для внутреннего касания цилиндров, если выполняется условие: (1)
(2)где R, кН –расчетная нагрузка, действующая на подшипник; Е1, МПа –модуль упругости пластика; l, мм –длина антифрикционных втулок подшипника скольжения; зазор сопряжения.ψЕ1/Е2 (3)где Е2, Мпа –модуль упругости стали; –коэффициент Пуассона пластика; –коэффициент Пуассона стали. Если неравенство (1) не выполняется, то, расчет проводится по следующей схеме:В началеопределяется половина угла контакта , рад.
(4)
(5)
(6);
(7),
(8);
(9)Максимальное давление в центре дуги контакта определяется:
(10)
(11)где R, мм радиус втулки; l, мм –длина подшипника скольжения. Далее уточняются размеры подшипника по найденному удельному давлению, при этом должно соблюдаться неравенство: d×lR/P.Если условие выполняется, то необходимость в корректировке размеров подшипника скольжения отпадает.Результаты расчетов максимального давления (в качестве примера были взяты лесозаготовительные машины) в центре дуги контакта Рmи среднего давления на контакт во всех рассматриваемых шарнирных соединениях для ЭСТЕРАНА –29 сведены в таблицу 2.Таблица 2Расчетные давления в шарнирах спластиком ЭСТЕРАН –29
ЛП –19АЛП –49, ЛП –18АЛП –17А, ТБ –1М
Подвеска –рукоятьРm,МПа.26,5728,6729,19, МПа.19,6821,6922,03
Рукоять –стрелаPm,МПа.38,4829,8743,7, МПа.27,221,8132,73
Стрела –поворотная колонкаPm, МПа.38,4833,433,35, МПа.27,224,0425,76
Таким образом, как видно из выше приведенного, антифрикционные пластики типа АМАН, а именно ЭСТЕРАН29, существенно выигрывает по сравнению с традиционными материалами и вполне могутприменяться в качестве антифрикционного материала в шарнирных соединениях манипуляторов машин, в том числе и в новых конструкциях [4, 5].
В работах [6, 7]более подробно рассмотрены особенности использования антифрикционных пластиков в манипуляторном технологическом оборудовании, а так же некоторые другие аспекты, касающиеся особенностей работы шарнирных соединений манипуляторов.
Ссылки на источники1.Серебрянский А. И., Афоничев Д.Н., Ворохобин А.В. Повышение износостойкости шарнирных соединений манипуляторов при ремонте // Вестник Воронежского аграрного государственного университета. Теоретический и научнопрактический журнал. –2012. Вып. 2 (33). С. 107111.2.Серебрянский, А. И. Обоснование выбора антифрикционных материалов для узлов трения технологического оборудования лесозаготовительных машин [Текст] / А. И. Серебрянский, В. В. Абрамов, Д. А. Канищев // Лесотехнический журнал. –2014 –Том 4, №1 (13). –С. 194200. –Библиогр.: с. 200 (7 назв.).3.Смогунов Н.С. Пути повышения долговечности шарниров манипуляторов лесных машин : [деп. рукопись] / Н. С. Смогунов, А. И. Серебрянский, С. И. Чаленко; Воронеж. гос. лесотехн. акад. —Воронеж, 1997 .—7 с.4.Патент на изобретение 2242644 РФ, МПК77 F16 C11/00. Шарнирное соединение [Текст]/ А.И. Серебрянский, Н.С. Смогунов, Ф.В. Пошарников ;заявитель и патентообладатель ВГЛТА. № 2003118950/11; заявл. 24.06.2003 ; опубл. 20.12.20045.Патент на изобретение. 2461744 РФ, F16C17/02, F16C33/04. Опора скольжения / Ф.В. Пошарников, А.В. Усиков, А.И. Серебрянский; заявитель и патентообладатель ВГЛТА.
№ 2010113135/11(018470); заявл. 05.04.2010 ; опубл. 20.09.20126.Serebryanskii Aleksei. Except the negative reverse effect and automatically compensate for wear in the hinge manipulators // DOAJ Lund University: Koncept : Scientific and Methodological emagazine. Lund, №4 (Collected works, Best Article), 2014. URL: http://www.doaj.net/2534/[Датаобращения04.05.2015].7.Serebryansky A.I Constructive exception of friction reversibility based on the analysis of the joint manipulators operating characteristics. Euroäische Fchhochschule Euroen Alied Sciences. 2013. T. 2. №5. С. 2124
