Повышение ресурса гидроподжимных муфт коробок передач с гидроуправлением улучшением режима трения фрикционных дисков

Актуальность темы

Основным ресурсоопределяющим узлом механической коробки передач с гидравлическим управлением, например, тракторов «Кировец» производства ЗАО «Петербургский тракторный завод», является гидроподжимная муфта (ГПМ), обеспечивающая переключение передач без разрыва потока мощности. При реализации переключения передач вследствие буксования поверхностей трения ведущие и ведомые диски ГПМ испытывают большие термодинамические нагрузки, приводящие к их короблению и интенсивному изнашиванию. Это является причинной снижения фактического ресурса фрикционных дисков на 60% от регламентированного.

Ресурс ГПМ и технико-экономические показатели работы энергонасыщенной автотракторной техники, оснащенной механическими коробками передач с гидравлическим управлением, во многом зависят от параметров режима трения фрикционных дисков. Ухудшение режима трения приводит к интенсивному наводороживанию и увеличению износа дисков и, как следствие, к ухудшению динамических характеристик трактора и повышенному расходу топлива. Рациональный режим трения фрикционных дисков определяется эффективным сочетанием смазочной среды, материала и качества сопрягаемых поверхностей трения.

Поэтому актуальными являются исследования, направленные на улучшение режимов трения фрикционных дисков ГПМ путем модификации и повышения уровня насыщения контакта поверхностей трения, а также триболо-гических свойств смазочного материала.

Степень разработанности темы. Гидроподжимные муфты механической коробки передач с гидравлическим управлением тракторов типа «Кировец» работают в сложных эксплуатационных условиях. Исследованиями установлено, что фрикционные диски ГПМ испытывают большие тепловые и динамические нагрузки, вызывающие ухудшение режима трения и снижение нормативных показателей работы дисков.

Разработки отечественных и зарубежных ученых в области повышения ресурса ГПМ связаны в основном с упрочнением поверхностей трения фрикционных дисков или их восстановлением. Важным показателем эффективности работы ГПМ является повышение передаваемого крутящего момента увеличением площади фактического контакта фрикционных дисков.

В числе перспективных направлений исследования процесса трения широко анализируются методы модификации поверхностей трения, снижения водородного изнашивания, альтернативного использования минерально-растительных смазочных композиций (МРСК) в качестве гидравлических рабочих жидкостей и трансмиссионных масел.

Применительно к ГПМ тракторных коробок передач вышеуказанные научные направления характеризуются рациональным составом МРСК, модификацией поверхностей трения и уровнем насыщения их контакта. Поэтому данные вопросы требуют дальнейших теоретических обоснований и разработки новых технических решений.

Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА на 2006.2010 г. г. по теме «Разработка и внедрение технологии рационального использования минеральных и альтернативных топливо-смазочных материалов и методов улучшения трибологических параметров сельскохозяйственной техники» (ГР № 01.200 511 089) и на 2011.2015 г. г. по теме «Обоснование рациональных методов формирования и нанотехнологического насыщения поверхностей трения деталей сельскохозяйственной техники в условиях минеральной и альтернативной смазочной среды» (ГР № 01.201 062 609).

Цель исследований. Повышение ресурса гидроподжимных муфт коробок передач с гидравлическим управлением улучшением режима трения фрикционных дисков сочетанием модификации поверхностей трения дисков и трибологических свойств МРСК.

Задачи исследований:

1. Обосновать рациональный состав минерально-растительной смазочной композиции для гидроподжимных муфт коробок передач, обеспечивающий снижение сорбции водорода в поверхностные слои фрикционных дисков.

2. Теоретически обосновать и оценить возможность повышения технического ресурса гидроподжимных муфт коробок передач с гидроуправлением применением фрикционных дисков с положительным градиентом твердости поверхностей трения.

3. Экспериментально оценить влияние насыщения контакта поверхностей трения фрикционных дисков на ресурс гидроподжимных муфт и критериально установить рациональный режим трения фрикционных дисков гидроподжимных муфт.

4. Разработать технологические рекомендации и оценить экономическую эффективность рационального режима трения в аспекте повышения ресурса фрикционных дисков.

Объект исследований. Процесс трения модифицированных рабочих поверхностей фрикционных дисков ГПМ при использовании МРСК.

Предмет исследований. Параметры режима трения фрикционных дисков ГПМ.

Научную новизну работы составляют:

— аддитивный критерий, характеризующий комплексное влияние качества поверхностей трения и смазочной среды на ресурс фрикционных дисков;

— показатели, оценивающие влияние положительного градиента твердости поверхности трения при использовании МРСК, на ресурс гидроподжимных муфт;

— комплексный способ снижения водородного изнашивания фрикционных дисков фрикционно-механическим латунированием поверхностей трения и применением МРСК;

— рациональный состав МРСК, используемый в качестве смазочного материала коробок передач с гидроуправлением тракторов «Кировец».

Теоретическая и практическая значимость работы. Модификация поверхностей трения фрикционных дисков посредством фрикционно-механического латунирования в сочетании с МРСК (50% М-10Г2 + 50%РМ), пригодной для использования в механических коробках передач с гидравлическим управлением тракторных трансмиссий, позволяет без значительных конструктивных изменений установить рациональный режим трения фрикционных дисков, характеризующийся сочетанием значений коэффициента трения, работы буксования и скорости изнашивания рабочих поверхностей, обеспечивающих регламентированный технический ресурс и устойчивый режим включения ГПМ. Определен аддитивный критерий (КА = 5,492.7,941), характеризующий рациональный режим трения фрикционных дисков ГПМ. Установлены способ модификации поверхности трения и операции технологического процесса ее формирования, типы трансмиссий и узлы, в которых используется технология модификации.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований по рациональному режиму трения, снижению износа и повышению ресурса ГПМ посредством модификации поверхностей трения фрикционных дисков и применения МРСК приняты к внедрению в производстве на ремонтном предприятии ОАО «Большеглушицкремтехсервис» и ООО «Волгаагромаш» Самарской области.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования параметров рационального режима трения фрикционных дисков ГПМ выполнены с применением основных положений, законов и методов трибологии, математического анализа и математического моделирования. Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных и разработанных частных методик исследований. Обработка экспериментальных данных выполнялась с применением современных технических средств измерения и методов ПЭВМ на основе прикладных программ Statistica v.7.0, POWERGRAPH v.3.1, MathCAD 2001, Microsoft Excel и др. [10, 61, 76].

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту: -количественные значения показателей, оценивающих влияние изменения качества поверхностей трения и применения минерально-растительной смазочной композиции на технический ресурс гидроподжимных муфт;

— способ снижения водородного изнашивания фрикционных дисков гидроподжимных муфт, основанный на комплексном применении фрикционномеханического латунирования поверхностей трения дисков и использования минерально-растительной смазочной композиции в качестве смазочной среды;

— рациональный состав минерально-растительной смазочной композиции, обеспечивающий снижение сорбции водорода в поверхности трения фрикционных дисков гидроподжимных муфт;

— аддитивный критерий, характеризующий комплексное влияние качества поверхностей трения и смазочной среды на ресурс фрикционных дисков гидроподжимных муфт.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов подтверждается сравнительными натурными стендовыми и ускоренными ресурсными исследованиями фрикционных дисков ГПМ коробок передач трактора типа «Кировец».

Результаты исследований доложены и одобрены на межвузовских, региональных и международных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» (2005 г.), ФГБОУ ВПО «СамГТУ» (2008, 2011 г. г.), ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА (2005, 2007, 2008, 2010. 13 г. г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 12 научных работах, в том числе 4 статьи в изданиях по «Перечню.ВАК при Минобрнауки РФ». Одна статья опубликована без соавторов. Общий объем публикаций 2,59 п. л., из них автору принадлежит 1,52 п.л.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 197 е., состоит из пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 171 наименований и приложения на 34 е., содержит 16 таблиц и 41 рисунок.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализом основных направлений снижения изнашивания фрикционных дисков, как ресурсоопределяющих элементов ГПМ механических коробок передач тракторов с гидроуправлением, установлена эффективность использования МРСК в связи с активным взаимодействием с поверхностями трения и снижением их водородного изнашивания. Оценка модели процесса наводороживания свидетельствует о снижении сорбции водорода в зоне трения ввиду защитных действий ПАВ смазочной композиции. По результатам оценки уровня наводороживания поверхностей трения и их изнашивания рациональной является МРСК в составе 50% минерального масла М-10Г2 и 50% РМ. Наводороживание поверхностей трения снизилось при увеличении концентрации РМ в МРСК с 0,163 (0% РМ) до 0,072 м.д. % -10'3 (50% РМ), при этом скорость изнашивания снизилась с 0,235 до 0,128−10″ 3 мг/с.

2. Теоретически обоснована возможность повышения ресурса фрикционных дисков путем технологического формирования поверхностей трения с положительным градиентом твердости. При этом представляется возможным повысить уровень насыщения контакта, увеличить площадь фактического контакта фрикционных дисков, улучшить режим трения в направлении их фрикционного взаимодействия при изменении адгезионной составляющей трения.

Экспериментально установлено, что увеличение фактической площади контакта (Ат) составило в среднем 11,5%. Так, при использовании заводских фрикционных дисков Ат = 0,0795.0,0823 мм², а при использовании модифицированных, А фрикционных дисков Ах = 0,0889. .0,0933 мм .

3. Экспериментально установлено влияние уровня насыщения контакта на ресурс ГПМ. Средняя концентрация железа в смазочной среде механической коробки передач с гидроуправлением после их обкатки с заводскими фрикционными дисками составила 5,.

4'10%, а с модифицированными дисками 1,3' 10″ %. Изменение режима трения при модификации фрикционных дисков способствует улучшению температурного режима работы ГПМ посредством снижения температурного градиента работы коробки передач при буксовании фрикционных дисков со 195 °C до 125 °C, увеличению момента трения буксования с 2,5 до 2,8 кНм.

Обоснована аналитически зависимость аддитивного критерия от твердости поверхностных слоев и состава МРСК. Экспериментально установлено изменение аддитивного критерия КА = 5,492.7,941 и его рациональное значение (КА = 5,492), обосновывающее выбор режима трения фрикционных дисков на основе рационального сочетания состава МРСК (50% М-10Г2 + 50% РМ), выступающей в качестве смазочной среды, и градиента твердости поверхностей трения дисков (.Гт = 0,87), повышающего ресурс ГПМ.

Анализ проб масла при проведении ресурсных исследований показал снижение концентрации железа в смазочной среде с Сре Баз = 21,3'10″ 3%, в заводском варианте, до Среопыт = 14,25'10″ %, в опытном варианте при соответствующем увеличении ресурса ГПМ в 1,7 раза.

4. Предложены рекомендации по обслуживанию коробок передач трактора «Кировец» при реализации установленного режима трения. Рациональным следует считать комплексное применение модифицированных фрикционных дисков с градиентом твердости сопряжения Гт = 0,87 (средняя микротвердость поверхностей трения фрикционных дисков Яц= 367ЯУ) и МРСК, содержащей 50% минерального масла М-10Г2 и 50% РМ. Годовой экономический эффект на один трактор при использовании коробки передач с модифицированными фрикционными дисками и применении предлагаемой смазочной композиции составит 11,3 тыс. руб. при средней годовой наработке 620 мото-ч.