Разработка метода и средств контроля температуры в зоне сухого трения

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, например, 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 методамиб) оценить значение максимальной температуры в зоне тренияв) 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 наукановому 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 «Инженернофизические 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.

Выводы.

1. На основании проведенных исследований и условий проведения эксперимента разработаны основные требования, предъявляемые к экспериментальной установке.

2. На основе требований, предъявляемых к проведению эксперимента, была разработана экспериментальная установка для определения температуры в зоне трения и изготовлен ее опытный образец.

3. Выбраны средства измерения, по определению распределения термоэлектрической чувствительности на этапе предварительной градуировки естественной термопары, а также по определению термо-ЭДС, генерируемой непосредственно во время работы экспериментальной установки.

Глава 4 Экспериментальные исследования метода контроля температуры в зоне трения естественной термопарой.

4.1 Условия проведения эксперимента.

Перед началом проведения эксперимента на описанной в главе 3 установке выбиралось требуемое усилие прижатия поверхностей вала и вкладыша друг к другу с помощью механического устройства нагружения. Затем в соответствии с требуемой скоростью трения устанавливалось передаточное отношение ременной передачи для обеспечения заданного режима трения при определении температуры.

Искусственные термопары, изготовленные из хромель-копелевой проволоки, индивидуальная градуировка которых рассмотрена в § 2.3, устанавливались в исследуемой зоне, а также на свободных концах естественной термопары для определения температуры в исследуемой зоне и свободных концов естественной термопары.

Для проведения измерений при повышенных температурах вала включался нагревательный элемент, и напряжение, подводимое к нему, регулировалось таким образом, чтобы обеспечить заданную температуру в рабочей зоне при отсутствии трения. Эта температура контролировалась естественной термопарой по ее термоэлектрической чувствительности, соответствующей тому повороту угла вала, при котором находилась зона трения. Затем включался двигатель экспериментальной установки, и производился разогрев рабочей зоны. Измерения проводились только по завершению переходного режима нагрева исследуемой зоны трения, о чем свидетельствовало постоянство среднего значения напряжения естественной термопары, измеряемого вольтметром, включенным параллельно с усилителем, на выход которого подключался запоминающий осциллограф.

Для определения термо-ЭДС, генерируемой в зоне трения, был проведен следующий эксперимент. При некоторых положениях экспериментального вала были записаны значения термо-ЭДС исследуемой естественной термопары с помощью запоминающего осциллографа при чувствительности переключателя «Вольт/дел» 10 мВ/дел и развертке «Время/дел» 5 мс/дел и 10 мс/дел. Каждое деление содержит десять точечных элементов отображения, что соответствовало шагу квантования значений термо-ЭДС в 1 мВ и дискретизации по времени 1 и 0,5 мс. При частотах вращения экспериментального вала 830 мин-1 и 1670 мин-1 указанные шаги дискретизации по времени соответственно равны повороту рассматриваемого вала на 5 градусов. Для усиления сигнала естественной термопары на измерительный вход запоминающего осциллографа был подключен усилитель У4−28 с коэффициентом усиления 10 (20 дБ). Измерительный вход усилителя подключался непосредственно к естественной термопаре. Для запуска запоминающего осциллографа при определенном положении вала на вход внешней синхронизации осциллографа подавался сигнал от фотоэлектрического преобразователя. Одновременно частотомером контролировалась частота вращения экспериментального вала.

Осциллограф обеспечивал последовательное запоминание и воспроизведение исследуемых сигналов в двух областях памяти, А и Б, а поскольку рабочая часть экрана матричного жидкокристаллического индикатора осциллографа содержит 62×159 элементов изображения, то можно было записать два периода оборота вала в одной области памяти и соответственно четыре периода в двух областях памяти.

Измерение термо-ЭДС было проведено при усилиях, создаваемых в зоне трения 10, 30 и 50 Н, и частотах вращения вала 830 и 1670 мин" «1 .

4.2 Экспериментальные исследования термо-ЭДС.

Результаты измерений термо-ЭДС естественной термопары при частоте вращения вала 830 мин-1 и усилии, создаваемом в зоне трения, равном 10 Н, приведены в таблице 4.1. В первом столбце указаны углы поворота вала, а во втором, третьем, четвертом и пятом столбцах соответствующие этим углам значения термо-ЭДС, полученные при проведении последовательно четырех реализаций измерений. Результаты измерений термо-ЭДС при других частотах вращения вала и усилиях от 10 до 50 Н, создаваемых в исследуемой зоне, представлены в таблицах А1 — А5 приложения А.

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что разброс значений термо-ЭДС при каждой реализации измерений чрезвычайно велик и может быть охарактеризован средними значениями термо-ЭДС и дисперсиями, приведенными в таблице 4.2.

Графическое изображение полученных экспериментальных данных термо-ЭДС естественной термопары для частоты вращения вала 830 мин" 1 и усилия в 10 И представлено па рисунке 4.1. Данный график построен по двум реализациям эксперимента.

Значительный разброс полученных значений объясняется тем, что различные участки исследуемой поверхности вала нагреты до различных температур и имеют различную термоэлектрическую чувствительность.

В четырех случаях значения термо-ЭДС оказались отрицательными при одной реализации и для тех же участков поверхности положительными при других реализациях. Это может быть объяснено попаданием в зону трения загрязнений. Так как такие результаты малочисленны, то они были отброшены при дальнейших вычислениях.