CC BY
5
МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 625.08
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-2-549-550
ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ ВАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА В ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
МАШИНАХ И ОБОРУДОВАНИИ
К.Г. Пугин, Н.К. Иванов, И.Э. Шаякбаров
В статье рассмотрены основные недостатки металлических валов, передающих крутящий момент. Обоснованы преимущества применения полимерных композиционных материалов в приводе транспортно-технологических машинах и оборудовании.
Ключевые слова: привод, вал, транспортно-технологические машины, композиционные материалы.
Качественный прорыв в создании новой техники требует от разработчиков выполнения комплекса мероприятий, направленных на достижение совокупности свойств машин, оборудования и их элементов - надежности, технологичности, эргономичности, дизайна, унификации и экологичности. В свою очередь, развитие транспортно-технологических машин и оборудования реализуется внедрением современных качественных и долговечных узлов, обеспечивающих лучшие показатели надежности.
В настоящее время современные машины состоят из сложной системы, включающей в себя множество деталей и сборочных единиц. При эксплуатации отказ любого элемента приводит к простою и существенным затратам на восстановление. В связи с этим проблема надежности продолжает оставаться одной из самых главных, несмотря на постоянное улучшение показателей безотказности и долговечности комплектующих для транспортно-технологических машин [1-2].
Одним из основных ответственных элементов является привод, и поэтому от его надежности зависит эффективность и долговечность работы машины в целом. Привод транспортно-технологических машин - это система, состоящая из двигателя и связанных с ним устройств, предназначенных для передачи энергии от источника к исполнительному органу. При эксплуатации различных машин для передачи крутящего момента с одного вала на другой в приводе применяют эластичную муфту, состоящую из вала и фланцев. Данный вид муфты обеспечивает передачу необходимого момента при действии дополнительных нагрузок, вызванных несоосностью, осевым смещением, биением, неточностью сборки. В основном в эластичных муфтах применяют валы из металла [3].
Рассмотрим основные недостатки металлических валов, применяемых в транспортно-технологических машинах и влияющих на надежность всей системы в целом. Металлический вал обладает высокой продольной жесткостью материала, что является важным показателем при передаче крутящего момента. Данная жесткость приводит к возникновению пластической деформации на определенных режимах работы при действии постоянного вращения и приложении крутящего момента, что влечет за собой необратимое изменение структуры металла на отдельных участках вала. Указанные деформации вызывают вибрацию и передают ее на остальные элементы всей системы, что, в основном, приводит к выходу из стоя подшипников при работах на высоких скоростях, а также преждевременному изнашиванию составных частей и появлению шума в приводе транспортно-технологических машин. Одновременно, при действии перегрузки, превышающей предел прочности материала на растяжение, металлические валы скручиваются и изгибаются. Также повышается склонность к зарождению концентраторов напряжения на некоторых участках.
Известны случаи выхода из строя металлического вала на таких оборотах, при которых совершается переход вала в резонанс вследствие чего он становится динамически неустойчивым. Таким образом, низкая критическая скорость металлического вала ограничивает создаваемое количество оборотов.
Применение в транспортно-технологических машинах металлического вала, обладающего повышенной массой, приводит к увеличению стоимости эксплуатации, ремонта и изготовления, в том числе и составных частей вследствие восприятия более высокой нагрузки.
При эксплуатации машин и оборудования возникает знакопеременная частота вращения вала в следствии постоянного действия различных нагрузок (старт, остановка, реверс, изменение режимов работы, переключение передач). Как известно, сопротивление данным нагрузкам является мера инертности тела при его вращательном движении. У металлических валов повышенный момент инерции в связи с прочностными характеристиками материала, что приводит к возникновению ударных нагрузок и увеличению действующих сил на другие составляющие системы.
В основном металлические валы в приводах машин работают в условиях наличия агрессивной среды: горюче-смазочные материалы, вода, перепады температур. Например, для передачи крутящего момента используются пары трения. В данном соединении возникают циклические возвратные перемещения в месте контакта. Наличие данных перемещений связано с знакопеременными усилиями, зависящими от значения передаваемого вращающего
момента и режима работы. Присутствие удельного давления в зоне контакта при трении сопрягающихся деталей и неблагоприятных агрессивных сред приводит к возникновению коррозии. Стоит отметить, что невозможность удаления и своевременного обслуживания (очистки) места контакта ускоряет процесс окисления [4].
Предлагается рассмотреть преимущества применения приводных валов из полимерных композиционных материалов. В машиностроении данные материалы находят широкое применение: кузовные элементы, несущие балки, стрелы, радиаторы. Однако, все больше различных силовых агрегатов и элементов транспортно-технологических машин для увеличения срока службы, эффективности и повышения надежности начинают изготавливать и ставить на серийное производство из композиционных материалов.
Композиционные материалы на основе эпоксидных, фенольных и полимерных связующих сочетают в себе высокую прочность с относительно небольшой плотностью, хорошую стойкость к динамическим нагрузкам и резким перепадам температур, высокую химическую стойкость. Высокопрочные стеклянные, угольные и базальтовые волокна обеспечивают прочность и жёсткость композита, синтетические связующее придают материалу монолитность и заданную форму. Матрица способствует более эффективному использованию прочностных свойств армирующих волокон, создает протекторную защиту волокна от внешних воздействий, а также сама воспринимает часть усилий, развивающихся в материале при работе на сжатие. Кроме этого, целесообразно использовать комбинированные композиты, поскольку формообразующая часть конструкции может быть армирована стекловолокном, а наиболее нагруженная — содержать угольное волокно.
Наиболее популярными становятся изделия из композиционных материалов, полученные методом намотки. К подобным конструкциям могут быть отнесены различные оболочки вращения. Перспективным направлением является изготовление элементов, передающих крутящий момент в виде валов заданной длины и конфигурации. Такой интерес к изделиям из полимерных композиционных материалов обусловлен возможностью создания материалов с заданными физико-механическими характеристиками под конкретные эксплуатационные свойства на этапе проектирования и отработки. [5]
Независимые испытания продемонстрировали, что внедрение композиционного вала, вместо традиционного металлического, привело к ощутимому увеличению мощности на ведущих фланцах. Эта разница повышения мощности более чем на 5% обусловлена меньшей массой композиционного вала. Применение облегченного вала позволяет значительно оптимизировать передачу мощности от двигателя к ведущим исполнительным органам, снизить затраты на топливо и облегчить установку в транспортно-технологические машины.
В приводах транспортно-технологических машин используются валы, передающие большой крутящий момент. В то же время они подвержены воздействиям значительных нагрузок. При этом критически важным свойством является минимальная инерционность при одновременной достаточной прочности материала. Традиционно применяемые валы из стали и алюминия имеют относительно высокие моменты инерции, что может приводить к резким колебаниям скорости вращения при перепадах нагрузки. Это вызывает ударные нагрузки на привод, снижает эффективность и увеличивает износ составных частей. Композиционные приводные валы, выполненные из материалов на основе угле-, стекло- волокна, обладают существенно более низкими моментами инерции, чем металлические аналоги. Сравнительный анализ показывает, что композитные валы имеют момент инерции в несколько раз ниже, чем алюминиевые, и в более чем в два раза ниже, чем стальные. Преимущество меньшей инерции композиционных валов заключается в минимизации ударных нагрузок на привод при знакопеременных нагрузках, что позволяет снизить воздействие на шестерни, подшипники и муфты, продлевая срок их службы.
Как упоминалось раннее, валы работают в условиях наличия агрессивных сред, вызывающих коррозию. В свою очередь валы из композиционных материалов обладают высокой коррозионной стойкостью, что позволяет применять их практически в любых средах, подвергающихся негативным воздействующим эксплуатационным факторам.
При определенной критической скорости, свойственной каждому типу приводного вала, происходит изгиб вала, который создает боковое биение и вибрацию. Данные недостатки являются распространенной проблемой, которая может привести к следующим негативным последствиям: ограничение оборотов вала, повышенный уровень шума. В последние годы для решения данных проблем набирают популярность композиционные материалы. Они обладают рядом уникальных свойств, таких как высокая прочность на разрыв и изгиб при сравнительно низкой плотности, высокие демпфирующие свойства. Данные свойства делают их оптимальными для изготовления валов из композиционных материалов и позволяют поглощать ударные нагрузки, вызванные боковым биением и вибрацией, что положительно сказывается на долговечности составных частей и снижении резких скачков крутящего момента при различных режимах работы. Отмечено, что критическая скорость валов, выполненных из углеродного волокна намного больше, чем у валов из стали при одинаковых размерах. Это приводит к увеличению скорости вращения. Вместе с этим, благодаря использованию полимерных композиционных материалов приводные валы практически не подвержены пластической деформации, что обеспечивает их надежность при постоянном вращении. Кроме того, композитный вал обладает низкой чувствительностью к надрезам, трещинам и другим подобным дефектам, способным создать концентраторы напряжения [4, 6].
Необходимо обратить внимание, что для проектирования, изготовления и в конечном итоге внедрения композиционного вала в различные узлы транспортно-технологических машин и оборудования требуется проведение расчетов и испытаний связующего, материала, пакета слоев и натурного образца вала. Наиболее естественной и достоверной (т.к. основана на результатах испытаний) является методика послойной проверки прочности, несмотря на то, что полноту реализации упругих и прочностных свойств монослоя в составе пакета теоретически установить невозможно [7].
Соответственно необходимо проведение экспериментальных исследований как связующего, так и самого композиционного материала, а также проведения испытаний натурных образцов вала. Так, для экспериментального подтверждения характеристик связующего проведены испытания полимерных матриц на основе эпоксидно-диановой смолы ЭД-20 и эпоксидной модифицированной смолы ЭДТ-10П. Основной характеристикой связующего является прочность на сжатие. Испытания проводились по ОСТ 92-1460-77 «Пластмассы теплозащитного и конструкционного назначения. Метод испытания на сжатие». Для экспериментального подтверждения характеристик композиционного материала проведены испытания угле-, стекло-, базальто- волокна. Основным параметром, характеризующим прочность конструкции из композиционных материалов, изготовленных методом намотки и применяе-
Машиноведение
мом в дальнейшем как оболочка вращения, является предел прочности на растяжение, определяемый на кольцевых образцах. Испытания проводились по методике ОСТ 92-1473-78 «Пластмассы теплозащитного и конструкционного назначения. Метод испытания кольцевых образцов на растяжение».
В настоящий момент в «Пермском национальном исследовательском политехническом университете» проводятся расчеты и экспериментальные исследования натурного образца вала, изготовленного предприятием «"ШМОВКОТНЕКБ» (рисунок). Результаты испытаний связующего, композиционного материала и вала будут представлены после завершения всех исследований в следующей публикации.
Натурный образец композиционного earn, предназначенный для испытаний
Заключение. Представленные в статье преимущества валов из композиционных материалов обуславливают актуальность создания и внедрения данных валов для использования в приводах машин. Одновременно применение композиционного вала позволяет существенно повысить надежность и эффективность использования как существующих, так и создаваемых транспортно-технологических машин.
Список литературы
¡.Надежность машин и механизмов: учебник / В. А. Черкасов, Б. А. Кайтуков, П. Д. Капырин [и др.]. М-во образования и науки Рос. Федерации, Нац. исследоват. Моск. гос. строит. ун-т. Москва: НИУ МГСУ, 2015. 272 с.
2.Абрамов А.Н. Эксплуатационная надежность технических систем: учеб. пособие. М.: МАДИ, 2019.
120 с.
3.Иванов Н.К., Пугин К.Г. Применение валов из композиционных материалов в эластичных муфтах привода машин // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе: материалы Междунар. науч.-практ. конф. (г. Пермь, 9-10 ноября 2023 г.) / под ред. д-ра техн. наук Н.В. Лобова; ФГАОУ ВО «Пермский нацио-наль-ный исследовательский политехничесий университет». Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехи. ун-та, 2023. С. 15-19.
4.Тимошков П.Н. Трансмиссионные валы из углепластика. Материалы и технологии (обзор) / П. Н. Ти-мошков, А. В. Хрульков, Л. Н. Григорьева // Труды ВИАМ выпуск №8, 2020. С. 47-
5.Белецкий Е.Н. Специфика расчета элементов валопроводов, выполненных из композиционных материалов, с учетом направления армирования и физико-механических характеристик модификаторов матрицы // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. 2016. №6 (40). С. 113120.
6.Практическая механика. Промышленные комплектующие. Анализ повреждений машинных валов [Электронный ресурс] URL: https://old.prmeh.ru/pub/companv/press (дата обращения: 12.02.2024).
7.Карпов Я.С. Проектирование оболочек вращения из композиционных материалов: учеб. пособие / Я. С. Карпов, П. М. Гагауз. Х.: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2010. 64 с.
Пугин Константин Георгиевич, д-р техню наук, профессор, [email protected], Россия, Пермь, Пермский государственный аграрно-технологический университет имени академика Д.Н. Прянишникова; Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Иванов Никита Константинович, аспирант, [email protected], Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Шаякбаров Ильнур Эльмарович, старший преподаватель, schayakbaoff.iln@yandex. ru, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
ADVANTAGES AND DISADVANTAGES OF METAL AND COMPOSITE SHAFTS USED FOR TORQUE TRANSMISSION IN TRANSPORT AND TECHNOLOGICAL MACHINES AND EQUIPMENT
K.G. Pugin, N.K. Ivanov, I.E. Shayakbarov 551
The article discusses the main disadvantages of metal shafts that transmit torque. The advantages of using polymer composite materials in the drive of transport and technological machines and equipment are substantiated. Key words: drive, shaft, transport and technological machines, composite materials.
Pugin Konstantin Georgievich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Perm, Perm State Agrarian and Technological University named after Academician D.N. Pryanishnikov; Perm National Research Polytechnic University,
Ivanov Nikita Konstantinovich, postgraduate, nikitaivanov59@mail. ru, Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University,
Shayakbarov Ilnur Elmarovich, senior lecturer, schayakbaroff.iln@yandex. ru, Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University
УДК 629. 3
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-2-552-553
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СТРОИТЕЛЬНО-ДОРОЖНЫХ МАШИН
Ф.В. Камардин
Данная статья рассматривает специфику эксплуатации строительно - дорожных машин. Отмечено, что эффективность эксплуатации зависит от различных факторов, совокупность которых может отрицательно, или положительно повлиять на строительный процесс. В заключение оцениваются проблемы, и предлагаются варианты их решения в части обеспечения эффективности эксплуатации строительно - дорожных машин
Ключевые слова: строительно- дорожные машины, производительность, влияющие факторы, инновационные технологии, стандарты качества, эффективность эксплуатации.
Осознание эффективности эксплуатации строительно - дорожных машин является одним из ключевых условий динамического планирования работ на площадке и может рассматриваться как один из факторов устойчивости выполняемых работ. Повышение эффективности использования дорожно-строительных машин и других видов машин является основной задачей при их эксплуатации, обусловливающей рост производительности труда и темпов работ.
В состав парка дорожных машин для содержания автомобильных дороги прилегающих территорий общего пользования входят следующие группы машин и оборудование:
машины и оборудование для содержания земляного полотна, полосы отвода, водоотвода, кюветов и канав (экскаватор-планировщик, кусторез, косилка, оборудование для устройства дренажных прорезей, оборудование для посадки деревьев, опрыскиватель);
машины и оборудование для ямочного ремонта асфальтобетонных покрытий (асфальтоукладчик, фреза, каток, резчики асфальтобетона, автогудронатор, щебнераспределитель и др.);
оборудование для ремонта швов и трещин (заливщики швов и трещин, оборудование для очистки и разделки швов и трещин);
оборудование, используемое для ремонта покрытий, ограждений, искусственных сооружений (автогидроподъемник для замены знаков и указателей, коленчатый автогидроподъемник для осмотра и ремонта мостов, силовой агрегат (компрессор, гидростанция, электростанция) с набором ручного инструмента, сварочный агрегат, бетономешалка и др.);
подметально-уборочные машины; тротуароуборочные машины;
комбинированные дорожные машины (комбинированные уборочные машины) с плужным и щеточным оборудованием для снегоочистки, разбрасывателем противогололедных материалов, распределителем жидких реагентов, поливомоечным оборудованием, оборудованием для очистки и мойки ограждений, для прочистки труб;
специальные машины для зимнего содержания (роторные снегоочистители, снегопогрузчики, оборудование для уборки снега вблизи ограждений);
машины и оборудование многоцелевого назначения (автогрейдер, бульдозер, пневмокаток, автомобиль-самосвал, грузовой автомобиль с краном-манипулятором, колесный трактор с прицепом, экскаватор на колесном тракторе, фронтальный погрузчик);
универсальное шасси с набором сменного оборудования;
сменное оборудование к колесным тракторам (погрузочное, для зимнего содержания и др.). Проблематике повышения эффективности эксплутации строительно-дорожных машин посвятили свои труды такие авторы, как: Евтюков С.А., Зазыкин А.В., Кутузов В.В., Репин С.В., Рулис К.В., Тускаева З. Р. и другие. Как верно отмечают авторы, операционная эффективность играет ключевую роль, помогая руководителям строительных площадок поддерживать уровень производительности, необходимый для получения достойных результатов. Независимо от возраста машины, всегда существует необходимость надлежащего технического обслуживания, которое может обеспечить оптимальную эксплуатационную эффективность. Потребность в техническом обслуживании для парка строительно - дорожной техники всегда немного выше, чем для нового оборудования. Независимо от того, новые или старые машины, обеспечение их технических параметров поможет позволит достичь ожидаемых стандартов производительности. Производительность является решающим фактором успеха любого бизнеса, и строительная отрасль не является исключением. Когда эффективность вашей команды определяется несколькими переменными, важно знать, как ваш бизнес относится к каждой из них. Производительность строительно - дорожных машин - это один из элементов, который может создать или разрушить эксплуатационную структуру. Без хорошо функционирующего оборудования практически невозможно создать желаемый конечный продукт [2, с.144].
