Повышение надежности приводных пластинчатых цепей резервированием

Введение. Цепные передачи широко применяются в сельскохозяйственных машинах, транспортном и химическом машиностроении, станкостроении, подъемно-транспортных механизмах и других устройствах. Чаще других в сельскохозяйственном машиностроении используются приводные втулочные цепи по ГОСТ 13568-97, ISO 606, DIN 8187, ANSI B29.1M. Конструкция приводной втулочной цепи в отличие от приводной роликовой цепи лишена роликов, и по зубу звездочки перекатывается сама втулка. В таких цепных передачах нагрузка направлена на рабочую поверхность валиков, а также на внешнюю и внутреннюю поверхности пластин, и при зацеплении цепи со звёздочкой валики скользят как подшипники. Такое конструктивное решение позволяет существенно упростить изготовление цепи, себестоимость и массу изделия, но приводит к повышению скорости износа в зонах контакта валиков и звездочек. Втулочные цепи применяют для сравнительно тихоходных приводов (до 1 м/с), передающих ограниченную мощность. Для повышения грузоподъемности применяют многорядные цепи. При этом используют параллельно расположенные звездочки меньшего размера, что позволяет выбрать меньший шаг, понизить динамические усилия при разгоне и торможении валов и увеличить скорость передачи до 10 м/с.

В тяжело нагруженных приводах машин и грузоподъемных механизмах применяют грузовые пластинчатые цепи с закрытыми валиками по ГОСТ 2354079, ISО 4347, ANSI B29.8M. Эта группа цепей визуально очень похожа на однорядные приводные втулочные и роликовые цепи. Отличие состоит в том, что грузовые пластинчатые цепи не имеют в своей конструкции соответственно втулок и роликов и рабочая нагрузка распределяется на валик, который удерживает пластины. Обычно в грузовой пластинчатой цепи на один валик насаживаются сразу четыре или более пластин, которые составляют внешние и внутренние звенья.

В настоящее время на рынок России завезено огромное количество импортной техники, в грузоподъемных механизмах которой чаще всего используются грузовые пластинчатые цепи серии LH, BL, LL, AL. Отечественные грузовые пластинчатые цепи с закрытыми валиками по ГОСТ 23540-79 отличаются от импортных цепей низкой надежностью и плохим качеством изготовления. Поэтому отечественные производители машин используют в тяжело нагруженных конструкциях машин и механизмов приводные и грузовые пластинчатые цепи производителей Китая, Японии, США, Европы.

Цель исследований состоит в создании приводной пластинчатой цепной передачи повышенного уровня эксплуатационной надежности за счет увеличения вероятности безотказной работы и снижения скорости изнашивания элементов шарнира цепного привода.

Материалы и методы исследования. На основе системного подхода, анализа конструкций приводных и грузовых пластинчатых цепей, положений теоретической и прикладной механики определены методы специального резервирования, способствующие повышению надежности приводных пластинчатых цепей, управление которыми позволяет повысить интегральную и интервальную надежность сельскохозяйственных машин и другой техники с цепными приводами.

Результаты исследования и их обсуждение. Известно, что при изменении толщины пластин внешнего или внутреннего звеньев цепи в большую сторону, разрушающая нагрузка увеличивается, а износ поверхностей в зоне контакта уменьшается. Это обусловлено тем, что одним из основных конструктивных параметров цепи [1, 2], который существенно влияет на ее износ, а следовательно, и на надежность функционирования цепной передачи, является давление, возникающее в шарнире под действием рабочей нагрузки и определяемое по формуле

S pp ,    (1)

FОП где S – натяжение ведущей ветви цепи, Н;

F – проекция опорной поверхности шарнира, мм²;

p – допускаемое давление в шарнире, Н/мм².

Из формулы (1) следует: чтобы уменьшить давление в шарнире, необходимо увеличить знаменатель зависимости (1). Поскольку проекция опорной поверхности шарнира зависит от двух параметров: длины шарнира цепи l , которая ограничивается габаритами передачи, и диаметра валика цепи d , то соответственно необходимо увеличивать последний параметр. Увеличение диаметра валиков цепи без изменения шаговой группы позволит увеличить грузоподъемность цепного привода, снизить давление на рабочих поверхностях элементов шарнира и повысить надежность цепной передачи.

Вторым, наиболее важным фактором, влияющим на эксплуатационную надежность цепной передачи, является смазка. Целесообразность применения смазочных материалов вызвана не только условиями эксплуатации цепных передач, но и конструктивными решениями цепи и звёздочек. Плохая смазка приводной втулочной или роликовой цепной передачи препятствует поддержанию надлежащих условий трения в зоне контакта рабочих поверхностей валиков и втулок, а потому цепь очень скоро приходит в негодность. Износ, который происходит при наличии смазки, значительно отличается от износа без её использования. Кроме того, обеспечение смазочным материалом рабочей поверхности цепной передачи повышает ее износостойкость, КПД и уменьшает нагрев элементов.

Влияние смазки на износ шарниров цепи открытых цепных передач сельскохозяйственных машин, элементы которых никак не защищаются от попадания абразива, исследователи оценивают по-разному. Одни считают [3, 4], что периодически смазываемые цепи при абразивном загрязнении вызывают больший износ рабочих поверхностей цепной передачи, чем не смазываемые. Другие [5] высказывают мнение о необходимости присутствия смазочного материала, так как это является обязательным условием надежной работы цепного привода, а отсутствие смазки в течение длительного периода вызывает интенсивный износ рабочих поверхностей шарниров и выход цепного привода из строя.

Таким образом, совершенствование конструкции цепных передач посредством резервирования износостойкости рабочих поверхностей элементов шарниров в зонах контакта является важным условием повышения надежности и долговечности функционирования цепных приводов.

Анализ конструктивных особенностей втулочных и грузовых пластинчатых цепей показал, что повышения надежности функционирования цепных пе- редач можно достичь за счет дополнительных возможностей, сверхнеобходимых для выполнения требуемых функций, применяя методы функциональноконструктивного и временно-эксплуатационного резервирования [6].

На рисунке 1 представлена приводная пластинчатая цепь, в конструкции которой для повышения износостойкости рабочих поверхностей в зоне контакта использовали методы резервирования функционально-конструктивного и временно-эксплуатационного характера. Цепь включает наружные 1 и внутренние 2 пластины, соединенные между собой цилиндрическими валиками 3, выходящими за пределы наружных пластин и взаимодействующими с зубьями звездочек. Блок внутренних пластин образует пространство 4 для размещения в нем смазочного материала [7].

1 – наружное звено; 2 – блок внутренних пластин; 3 – валик; 4 – полость для размещения смазочного материала Рисунок 1 – Приводная пластинчатая цепь с внутренним блоком пластин

Внутренние пластины в продольном сечении выполняются овальными, взаимодействующими в зоне контакта с валиками частью поверхности, сечением которой является окружность радиусом, равным радиусу окружности поперечного сечения валика. Длинные стороны внутренних звеньев изготавливаются криволинейной формы, в виде двухсторонней рессоры с постоянным или переменным сечением.

Такая конструкция цепи позволит существенно резервировать износостойкость рабочих поверхностей и условия контактирования в шарнирах по следующим соображениям. Во-первых, за счет увеличения количе- ства внутренних пластин увеличивается площадь проекции опорной поверхности шарнира и уменьшается давление в зоне контакта рабочих поверхностей. Во-вторых, криволинейная форма внутренних звеньев в процессе эксплуатации цепной передачи компенсирует динамические колебания цепи и неравномерность хода передачи. И, в-третьих, постоянное наличие сма-

Рисунок 2 – Исходная структурная схема системы «цепная передача»

зочного материала в пространстве между внутренними пластинами создает в зоне контакта рабочих поверхностей валиков и звездочек условия полужидкостного трения, что приводит к снижению износа трущихся поверхностей.

Одним из показателей надежности технических систем согласно ГОСТ 27.002-2015 является вероятность безотказной работы (ВБР) изделия. Вероятность безотказной работы любой технической системы можно определить по методу расчета схемной надежности, для которой ВБР в любой промежуток времени рассчитывается как для структуры последовательных эле- ментов [8, 9].

Представим цепную передачу с приводной втулочной цепью в виде структурной схемы « цепная передача » последовательно соединенных элементов, рабочие поверхности которых контактируют друг с другом (рисунок 2).

Система «цепная передача» включает следующие взаимодействующие элементы: рабочая поверхность зуба ведущей звездочки – рабочая поверхность валика (ВедущЗ – В), рабочая поверхность пластины внешнего звена – рабочая поверхность валика (ВнешЗв – В), рабочая поверхность пластины внутреннего звена – рабочая поверхность валика (ВнутЗв – В), рабочая поверхность зуба ведомой звездочки – рабочая поверхность валика (ВедомЗ – В).

Вероятность безотказной работы технической системы «цепная передача» определим как произведение ВБР ее составляющих в соответствии со структурной схемой (рисунок 2) по формуле p t

ЦП t

к  nm

P ВедущЗ В t  P ПЗв В t  Р ВедомЗ В ,

где Pt – вероятность безотказной работы сис- темы «цепная передача»;

р _ t р. t р . ,

ВедущЗ В t , ПЗв В t , ВедомЗ В соответст-

венно ВБР в зонах контакта ведущей звездочки, пластин внешнего и внутреннего звеньев и ведомой звездочки с валиком;

k – число зубьев ведущей звездочки, одновре- менно находящихся в контакте с валиками внешних и n – количество валиков звеньев цепи, одновременно контактирующих с зубьями ведущей и ведомой звездочек;

m – число зубьев ведомой звездочки, одновременно находящихся в контакте с валиками внешних и внутренних звеньев.

Используя метод экспертных оценок и на основании проведенных исследований приняты следующие значения ВБР в зонах контакта:

внутренних звеньев;

P      t 0,95,P t 0,97,Р      = 0 96

ВедущЗ В t       ,    , ПЗв В t       ,    , ВедомЗ В       ,     .

Для наиболее распространённой цепной передачи с числом зубьев ведущей звездочки z 15 и числом зубьев ведомой звездочки z 36 при коэффициенте охвата цепью ведущей звездочки 0,5–0,55 и ведомой звездочки 0,65–0,7 значения степеней, входящих в уравнение 2, равны: k 7, m 24, n 31 .

Тогда расчетная вероятность безотказной работы исходной системы « цепная передача » соответствует значению:

Рисунок 3 – Структурная схема системы «цепная передача» с функционально-конструктивным резервом

P ЦП t 0,95⁷ 0,97³¹ 0,96²⁴ 0,102 . (3)

Очевидно, что полученная расчетная величина вероятности безотказной работы системы « цепная передача » является величиной условной, тем не менее она свидетельствует о недостаточной надежности функционирования цепных приводов.

Теперь в исходную структурную схему системы « цепная передача » введем функционально-конструктивный резерв (ФКР) в виде блока внутренних пластин, изображенных на рисунке 1. Исходная структурная схема примет вид, представленный на рисунке 3.

Для полученной структурной схемы рассматриваемой системы ВБР определится согласно уравнению

P_ЦП t 1 -Г 1   P ВедущЗ В t  P ПЗв В t  Р ВедомЗ В м 1   P ПЗв В t  Р ФКР t 1 ,        (4)

где Рⁿ t – величина ВБР функциональноконструктивного резерва внутреннего звена.

Величина ВБР Рn t будет зависеть от количества пластин в блоке внутреннего звена. Пред- полагая, что число пластин в блоке будет не менее 4 штук, принимаем Рn t 0,98 .

Тогда вероятность безотказной работы цепной передачи с применением функционально-конструктивного резерва равна:

P ЦП t 1   1 0,95⁷ 0,97³¹ 0,96²⁴   1  0,97³¹ 0,98³¹   0,289 ,

что в 2,83 раза выше, чем при функционировании цепной передачи без функционально-конструктивного резервирования.

Если в блоке внутренних пластин цепи, за исключением крайних, пластины выполнить полыми, то внутри внутреннего звена образуется пространство, которое можно заполнить смазочным материалом. Смазка, расположенная в пространстве блока внутреннего звена, свободно, за счет зазоров между элементами цепной передачи и сил инерции, возникающих при движении цепи, непрерывно будет обеспечивать смазочным материалом рабочие поверхности в зоне контакта, улучшать условия контактирования и

Рисунок 4 – Структурная схема системы «цепная передача» с функционально-конструктивным и временно-эксплуатационным резервами

снижать интенсивность изнашивания. Такой подход к обеспечению смазкой взаимодействующих поверхностей элементов цепной передачи является дополнительной возможностью повышения надежности функционирования цепной передачи, которую можно считать методом временно-эксплуатационного резервирования.

Для расчета ВБР системы «цепная передача» с использованием временно-эксплуатационного резерва в структурную схему системы «цепная передача» с функционально-конструктивным резервом введем дополнительный элемент (рисунок 4).

Для системы, изображенной на рисунке 4, ВБР определится по формуле

P ЦП t 1   1  P ВедущЗ В t  P ПЗв В t  Р ВедомЗ В М 1  P ПЗв В t  Р ФКР t М 1  Р_ВЭР t , (6)

где Рⁿ t – величина ВБР временно-эксплуатационного резерва внутреннего звена.

Принимая Рⁿ t 0,98 , получим рас-

P ЦП t 1   1  0,95⁷ 0,97³¹ 0,96²⁴

что в 2,31 раза выше, чем при функциональноконструктивном резервировании пластин внутреннего звена цепной передачи и в 6,56 раза превышает ВБР приводной втулочной цепи без резервирования.

Для подтверждения эффективности мероприятий резервирования в цепных приводах с втулочной цепью и пластинчатой, в конструкции которой использованы функционально-конструктивные и временноэксплуатационные резервы, были проведены сравнительные исследования износостойкости. Исследования износостойкости цепей проводились на стенде (рисунок 5), изготовленном по принципу замкнутого силового потока.

четную вероятность безотказной работы технической системы «цепная передача» с применением методов функционально-конструктивного и временно-эксплуатационного резервирования:

1  0,97³¹ 0,98³¹   1  0,98³¹    0,669 ,     (7)

Для проведения сравнительных исследований по износостойкости обе передачи монтировались на стенд. В качестве контрольного параметра износа цепей было принято удлинение среднего шага, которое определяли по формуле

АL  ^LLO 100% ,       (8)

LO где L – длина отрезка цепи, измеренная после проведения испытаний, мм;

L – первоначальная длина отрезка цепи, измеренная до испытаний, мм.

1 – лабораторная установка; 2 – приводная втулочная цепь; 3 – приводная пластинчатая цепь Рисунок 5 – Установка для проведения испытаний цепных передач

В результате проведения исследований получены зависимости удлинений участков втулочной L и пластинчатой L цепей (рисунок 6) при заданных условиях испытаний и времени работы t , которые аппроксимируются соответственно полиномами:

AL    0,0383t² +0,03t  0,2101 ,  (9)

A L_ПЛ  0,0223t² + 0,07t  0,2019.  (10)

Рисунок 6 – Графики удлинений участков втулочной и пластинчатой цепей от наработки

Графические зависимости удлинений участков приводных втулочной и пластинчатой цепей позволили определить их скорости изнашивания как первые производные уравнений (9) и (10) и построить графики скоростей изнашивания (рисунок 7).

V ВТ         L ВТ 0,0766t +0,0331 , (11)

ВТ    _dt     ВТ

V _ПЛ   ^d- A L _ПЛ    0,0446t +0,071 . (12)

ПЛ    _dt     ПЛ

Графические зависимости, представленные на рисунке 7, позволили определить тангенсы углов наклона: tg α = 0,077, tg β = 0,044, а соответственно и соотношения скоростей изнашивания участков втулоч- ной и пластинчатой цепей:

0,077  0,044

0,0766

100%  42,8% .

Таким образом, проведенные сравнительные исследования износостойкости приводной втулочной и пластинчатой цепей показали, что скорость изнашивания рабочих поверхностей элементов пластинчатой цепной передачи ниже на 42,8%, чем втулочной.

Следует отметить, что использование представленных методов резервирования по повышению надежности функционирования приводных цепных передач может быть использовано не только в сельскохозяйственных и дорожно-транспортных машинах, но и буровом и нефтегазовом оборудовании, где широко применяются грузовые пластинчатые цепи.

Кроме того, техническое обслуживание пластинчатых цепей легко выполнимо на специализированных навесных агрегатах по техническому обслуживанию машин и оборудования АПК [10] и равнозначно по трудоемкости и затратам техническому сервису приводных втулочных и роликовых цепных передач.

Рисунок 7 – Графики скоростей изнашивания втулочной и пластинчатой цепей от наработки

Выводы. Проведенный обобщенный анализ конструкций втулочных и грузовых цепных передач и условий их эксплуатации позволил для повышения надежности функционирования цепей разработать методы функционально-конструктивного и временноэксплуатационного резервирования.

Предложенные мероприятия по резервированию условий функционирования взаимодействующих поверхностей в зонах контакта валиков с пластинами цепи и звездочками обеспечивают увеличение расчетной вероятности безотказной работы без смазки в 2,83 раза, со смазочным материалом в области контактирующих поверхностей в 6,56 раза.

Проведенные экспериментальные сравнительные испытания на износостойкость элементов втулочной и пластинчатой цепей показали, что скорость изнашивания рабочих поверхностей элементов цепной передачи с применением методов функциональноконструктивного и временно-эксплуатационного характера ниже на 42,8%.