CC BY
69
УДК 621.891
ИСПЫТАТЕЛЬНЫИ КОМПЛЕКС ДЛЯ ТРИБОИССЛЕДОВАНИИ УЗЛОВ ТРЕНИЯ ЗАТВОРОВ ГИДРОСООРУЖЕНИЙ
© 2014 г. В.М. Могильницкий, Р.А. Чебанов, А.В. Могильницкий, Е.Л. Гридинская
Могильницкий Вячеслав Михайлович - канд. техн. наук, начальник лаборатории, Федеральное государственное унитарное предприятие особое конструкторско-техноло-гическое бюро «Орион». Тел. (8635)24-82-24. E-mail: [email protected]
Чебанов Рафаил Александрович - ведущий инженер, Федеральное государственное унитарное предприятие особое конструкторско-технологическое бюро «Орион». Тел. (8635)24-82-24. E-mail: [email protected]
Могильницкий Александр Вячеславович - инженер, Федеральное государственное унитарное предприятие особое конструкторско-технологическое бюро «Орион». Тел. (8635)24-82-24. E-mail: [email protected]
Гридинская Елена Леонидовна - инженер, Федеральное государственное унитарное предприятие особое конструкторско-технологическое бюро «Орион». Тел. (8635)24-82-24. E-mail: [email protected]
Mogilnitskiy Vyacheslav Mikhailovich - Candidate of Technical Sciences, Head of Laboratory, Federal State Unitary Enterprise Special Design-Technological Bureau «Orion». Ph. (8635)24-82-24. E-mail: [email protected]
Chebanov Raphael Alexandrovich - chief engineer, Federal State Unitary Enterprise Special Design-Technological Bureau «Orion». Ph. (8635)24-82-24. E-mail: [email protected]
Mogilnitskiy Alexander Vyacheslavovich - engineer, Federal State Unitary Enterprise Special Design-Technological Bureau «Orion». Ph. (8635)24-82-24. E-mail: [email protected]
Gridinskaya Elena Leonidovna - engineer, Federal State Unitary Enterprise Special Design-Technological Bureau «Orion». Ph. (8635)24-82-24. E-mail: [email protected]
Процесс дооснащения универсальной стендовой установки трения УСУТ-2 современным научным оборудованием с обеспечением прикладных работ методологией триботехнических исследований позволил расширить функциональные возможности стенда УСУТ-2. Результаты испытаний перспективного композиционного антифрикционного материала дают основание рекомендовать его для опорно-ходовых узлов трения механизмов гидросооружений.
Ключевые слова: стендовая установка трения; композиционный антифрикционный материал; узлы трения механизмов.
Re-equipment of the omni-purpose friction testing system USUT-2 with up-to-date scientific equipment and supporting of applied researches by tribo-scietific investigations provided operational capacity enhancement of the system USUT-2. Testing data of the advanced compositional antifrictional material allows us to recommend it to be used in mounting-travel friction units of hydraulic works.
Keywords: friction testing system; compositional antifrictional material; friction units of mechanisms.
Введение
Антифрикционный самосмазывающийся материал К-112, разработанный ФГУП ОКТБ «Орион» по заказу СКТБ «Ленгидросталь» для использования в качестве вкладышей опорно-ходовых частей затворов гидросооружений, а также других деталей антифрикционного назначения, в настоящее время поставляется по трем взаимозаменяемым техническим условиям:
- МК-К112, ТУ 40-2070504-104-90;
- АСМ-К112, ТУ 40-2070504-106-91;
- АСМК-112, ТУ 2224-001-24191921-2004.
Материал К-112 внесен в соответствующую
конструкторскую и технологическую документацию и является на сегодня одним из базовых антифрикционных материалов отраслей гидро-
энергетики и водного транспорта для изготовления узлов трения механических устройств гидросооружений России и ближнего зарубежья, а также других партнеров в области эксплуатации действующих и строительства новых электростанций различных типов.
Стенд и методика исследований
Базовым специализированным оборудованием для проведения междуведомственных испытаний материала К-112 стал разработанный в ФГУП «ОКТБ «Орион» стенд-имитатор, получивший после модернизации в 2009 г. название «Универсальная стендовая установка трения-УСУТ-2» (далее по тексту - УСУТ-2).
Создание стенда и материала К-112 осуществлялось параллельно и взаимозависимо. Стенд
УСУТ-2, в значительной степени имитирующий работу опорно-ходовых устройств, т. е. реального узла трения механического оборудования гидротехнического сооружения, проектировался и доводился до требуемых параметров одновременно с разработкой материала для решения достаточно узкой, но значимой задачи - создания антифрикционных полозьев скользящих затворов, которые в паре с рельсом являются испытываемым узлом трения.
Мощные габариты стенда, тяжелонагружен-ные узлы трения, жесткие условия испытаний диктовали такие же жесткие требования к создаваемому материалу. Этот перманентный процесс взаимных требований и многочисленных трибо-исследований завершился разработкой и материала К-112, и стенда УСУТ-2. Можно сказать, что в основе создания материала К-112 лежит метод триботехнических исследований, который является одним из основ при разработке антифрикционных самосмазывающихся материалов в ФГУП ОКТБ «Орион» [1].
Стремление в значительной степени имитировать реальный узел привело к тому, что в кинематику стенда был встроен более чем метровый участок стандартного цилиндрического рельса, используемого в мехоборудовании гидросооружений, который в паре с фрагментами вкладыша из материала К-112 создавал опорно-ходовое устройство - испытываемый узел трения. Систему нагружения в стенде УСУТ-2 создает 100-тонный пресс, который в паре с восьми киловатным приводом рельса очерчивает значительные габариты стенда, его первоначально высокую энергоемкость и низкую рентабельность в эксплуатации.
ФГУП ОКТБ «Орион», являясь разработчиком и поставщиком материала АСМ-К112, используя стенд по его прямому назначению, осуществило дооснащение стенда УСУТ-2, который оказался в настоящее время единственным в РФ полигоном для испытания реальных узлов трения механического оборудования гидросооружений. За счет частотного регулирования удалось значительно понизить энергоемкость оборудования, а введение современной методологии исследований позволило расширить число пользователей.
Функциональная схема стенда УСУТ-2, в значительной степени имитирующего работу опорно-ходовых устройств водопроводных галерей гидросооружений, представлена на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная схема стенда УСУТ-2
Работа установки осуществляется следующим образом. Вращательное движение от электродвигателя масляной станции 1, клиноремен-ную передачу 2, червячный редуктор 3, червячное колесо которого имеет резьбовую нарезку, соответствующую резьбе винта 4, преобразуется, через датчик измерения силы трения 5, в поступательное движение плиты 9 с закрепленным на ней рельсом, являющимся контртелом пары трения. Испытываемые фрагменты вкладыша 10 в количестве двух штук установлены в держателе 13. Нагрузка на фрагменты вкладыша создается электродвигателем 11 масляной станции пресса ПСУ-125, на нижней плите 12 которого на сферической опоре установлен держатель, а к верхней плите 6 через датчик измерения усилия нагружения 7 прикреплена роликовая тележка 8. Ролики тележки опираются сверху на плиту 9, и перекатываются по ней в процессе движения рельса под нагрузкой. Для проведения испытаний в водной среде и в среде других технических жидкостей установлена ванна из нержавеющей стали, при наполнении которой происходит полное погружение зоны трения в требуемую среду.
Линейный износ в зоне трения определяется с помощью тензометрической системы и фиксируется на экране регистратора, а также на дисплее оператора в составе соответствующего тренда.
Возвратно-поступательное движение рельса осуществляется за счет реверса электродвигателя 1 с помощью векторного частотного преобразователя, который, кроме того, позволяет регулировать скорость скольжения в широком диапазоне, производить эффективное торможение и плавный разгон рельса при смене направления движения, что значительно снижает нагрузки на двигатель.
Регулировка и регистрация нагружения испытываемых фрагментов вкладышей осуществляется через контроллер, аналогово-цифровой преобразователь и датчик измерения усилия нагружения 7, связанные с рабочим местом оператора стенда. Регистрация силы трения скольжения в исследуемой паре трения фрагменты вкладыша - рельс осуществляется с помощью датчика 5.
В реальных узлах трения в качестве скользящих направляющих применяются, в большинстве случаев, вкладыши из фторопластовой композиции Ф4К20 (при нагрузках до 15 МПа), а в тяжелонагруженных (до 60 МПа) - из антифрикционного материала АСМ-К112 (АСМК-112), которые с помощью крепления «ласточкин хвост» набираются на необходимую (на несколько метров) длину. Сопрягаемым элементом в реальном узле является рельс цилиндрический из легированной стали 12Х18Н10Т. Устанавливаемые на затворах гидросооружений вкладыши из разработанного и выпускаемого ФГУП «ОКТБ «Орион» материала АСМ-К112 и участки цилиндрических рельсов, а также участок плоского универсального рельса показаны на рис. 2.
Рис. 2. Вкладыши из материала АСМ-К112(АСМК-112) и участки рельсов
На стенде-имитаторе при схеме трения цилиндр - плоскость предусмотрена установка участка реального цилиндрического рельса. Профиль и сечения узкого и широкого рельсов показаны на рис. 3.
Рис. 3. Профиль и сечения узкого и широкого рельсов
Стыки цилиндрических рельсов при монтаже затворов подвергаются сварке, что создает дополнительные неровности поверхности трения, даже после зачистки сварочных швов. Профиль рельса на испытательном стенде имитирует эти неровности за счет уступов в 0,5 мм, зашлифованных плавно на длине 200 мм. Узкий рельс имеет ширину 35 мм при радиусе кривизны рабочей поверхности 200 мм, широкий рельс -55 мм при радиусе кривизны рабочей поверхности 300 мм, универсальный плоский рельс - шириной 100 мм.
Рабочая среда: воздух - пресная техническая вода. Скорость скольжения при возвратно-поступательном движении, м/с, - (0,01 - 0,03).
Распределенная нагрузка на цилиндрический узкий (широкий) рельс составляет:
- при редком маневрировании 1400 (2000) кН/м;
- при частом маневрировании 800 (1200) кН/м;
- на всех аварийных и ремонтных затворах 2000 (3000) кН/м.
Триботехнические исследования на испытательном комплексе УСУТ-2 выполняются в соответствии с Программами и методиками 40.00.010.60.02. (03)ПМ, предусматривающими необходимый объем контрольных и ресурсных испытаний антифрикционных материалов, что в значительной степени отвечает требованиям соответствующего отраслевого стандарта; по результатам испытаний могут быть выданы рекомендации об использовании антифрикционного материала в гидротехнической отрасли.
В кратком изложении испытания по определению коэффициента трения при страгивании, кинетического коэффициента трения и износостойкости осуществлялись следующим образом.
На нерабочей поверхности фрагментов вкладышей наносилась разметка, обозначающая расположение точек замера высоты фрагментов вкладышей. В соответствии со схемой разметки, показанной на рис. 4, с помощью оптиметра марки ИКВ и набора концевых мер производился замер высоты фрагментов вкладышей с точностью до 0,001 мм.
Рис. 4. Эскиз фрагмента вкладыша с разметкой точек замера износа
На стенд устанавливался широкий или узкий рельс из стали 12Х18Н10Т, а в держатель устанавливались два замеренных фрагмента вкладыша. Системой нагружения стенда фрагменты вкладыша подводились к рельсу до соприкосновения, и в ванну стенда заливалось необходимое количество воды, уровень которой должен быть выше контакта образцов с рельсом.
Оператором стенда в программе аппаратно-программного комплекса задавались необходимые параметры и производился запуск программы на испытания. Системой нагружения стенда на фрагментах вкладыша создавалось удельное давление 100 кН/м, включался привод возвратно-поступательного движения рельса и регистрировались сила трения, коэффициент трения при страгиваниии и кинетический коэффициент трения, путь трения, линейный износ пары трения и температура окружающей среды и в зоне трения. После прохождения пути трения 10 м удельное давление на образцах увеличивалось.
Испытания повторялись при удельных нагрузках 500, 2000 кН/м, после чего из ванны стенда сливалась вода и испытания повторялись при вышеуказанных нагрузках всухую.
После испытаний повторно замерялись размеры образцов и определялся их линейный износ. То есть автоматическая фиксация линейного износа на экране регистратора и на одном из открываемых на экране компьютера трендов,
включающая упругую и деформационную составляющие, дублировались ручным замером испытуемых образцов и вычислением величины износа по завершению испытаний с учетом релаксационных процессов.
Результаты эксперимента
На рис. 5 представлен графический интерфейс, отражающий момент проведения ресурсных испытаний экспериментального образца перспективной полимерной композиции, на котором открыты окна для отображения текущих показаний датчиков на реальные дату и момент времени. Каждое окно озаглавлено по значению регистрируемого параметра (по вертикальной оси) и имеет размерность в соответствующих абсолютных единицах измерения. При этом в каждом окне регистрируются изменения характеристик во времени (по горизонтальной оси). В данном случае, для простоты и надежности, время выбрано для всех окон одинаковым - 3600 с.
По открытым четырем из семи доступных окнам и дополнительной информации на дисплее очевиден следующий объем информации:
- испытания проводятся при температуре окружающей среды 18,8 °С, в зоне трения 29,2 °С, при линейной скорости 0,011 м/с;
- выполнено 49 из 90 заданных циклов испытаний, т. е. пройдено сорок девять из требуемых в данном отрезке испытаний девяноста метров пути трения одного из шести режимов испытаний;
- усилие прижима (нормальное давление) в зоне трения составляло 100,5 кН;
- сила трения рельса при движении по испытываемому объекту находилась в пределах 8,5 кН для кинетического трения и 11 кН при страгивании;
- коэффициент трения при страгивании до 0,11, а коэффициент кинетического трения -до 0,09.
Цена деления шкал подбиралась оператором таким образом, чтобы наилучшим образом выявить динамику процессов, происходящих при испытаниях в трибосопряжении. Причем этот анализ трибоиспытаний программа испытаний позволяет производить и с заархивированным массивом.
Испытательный комплекс УСУТ-2 в процессе модернизации дооснащен узлом лабораторным УСУТ-2-УЛ, значительно расширяющим его функциональные возможности, что является темой отдельной публикации.
Рис. 5. Фрагмент ресурсных испытаний перспективной полимерной композиции
Высокая оперативность и плотность визуальной и архивируемой информации является критерием широких функциональных возможностей испытательного стенда УСУТ-2, что обеспечивает прикладные работы современными методами триботехнических исследований, в том числе в форме коллективного пользования.
Выводы
1. Процесс модернизации и дооснащения оборудования обеспечил расширение функциональных возможностей стенда УСУТ-2 до три-ботехнического комплекса, на котором решаются задачи химического наноконструирования и трибологических исследований в области антифрикционного материаловедения по созданию композиционных самосмазывающихся материалов.
2. Триботехнические испытания экспериментального образца в значительной степени соответствуют требованиям отраслевого стандарта СТП 00117794-2-11-95, что позволяет рекомендовать использование перспективного композиционного материала в гидротехнической отрасли.
Литература
1. Дерлугян, П.Д., Щербаков И.Н., Иванов В.В., Логичное В.Т., Трофимов Г.Е., Дерлугян Ф.П. Химическое на-ноконструирование композиционных материалов и покрытий с антифрикционными свойствами: монография / ЮРГТУ; Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Ростов н/Д., 2011. 132 с.
Поступила в редакцию
18 ноября 2013 г.
