Пояснительная записка к дипломной работе 1011
Работа добавлена на сайт samzan.net:
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Уфимский государственный авиационный технический университет»
Факультет авиационных двигателей
Кафедра двигателей внутреннего сгорания
ИДЕНТИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ ИЗНАШИВАНИЯ ПОДШИПНИКА СОЛЬЖЕНИЯ
Пояснительная записка к дипломной работе
1011.111059.000 ПЗ
|
Дипломник |
__________________ (подпись, число) |
(Белозерова К.В.) (фамилия, инициалы) |
|
Руководитель работы |
__________________ (подпись, число) |
(Загйко С.А.) (фамилия, инициалы) |
Уфа 2011 г.
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Уфимский государственный авиационный технический университет»
Кафедра ДВС «УТВЕРЖДАЮ»
Зав. кафедрой ДВС_______________
«____»__________________200__г.
ЗАДАНИЕ
по подготовке выпускной квалификационной работы
студента Белозеровой Ксении Валерьевны гр. ДВ-462 .
(фамилия, имя, отчество)
1. Тема работы: Идентификация модели изнашивания подшипника скольжения
2. Срок сдачи студентом законченной работы 17.06.2011 .
3. Исходные данные к работе: результаты ресурсных испытаний двигателя УМЗ-341
4. Перечень вопросов, подлежащих разработке в дипломной работе (краткое содержание):
4.1. Исследовательских: Исследование износа подшипника скольжения на разных режимах трения. Разработать математическую модель, позволяющую объективно рассчитать коэффициент трения и интенсивность изнашивания подшипника скольжения. Создать программу WEAR на основании ранее разработанной математической модели.
4.2. Рекомендации и указания по использованию ПЭВМ: Программу разработать на языке программирования «С». Для оценки адекватности программы использовать результаты ресурсных испытаний двигателя УМЗ-341
Расчетно-пояснительная записка на 34 листах формата А4.
|
Консультант по выпускной квалификационной работе |
__________________ (подпись, число) |
(Загайко С.А.) (фамилия, инициалы) |
Дата выдачи задания «11» мая 2011г.
Задание получил _______________
(подпись)
Аннотация
В выпускной квалификационной работе проведен комплекс работ по созданию программы, рассчитывающей износ подшипника скольжения и определению адекватности созданной модели.
Исследованы подшипник скольжения и режимы трения, на которых он функционирует. Цель исследования: выяснение влияния режима работы подшипника скольжения на интенсивность его изнашивания и создание программы WEAR, позволяющей рассчитывать интенсивность изнашивания подшипника скольжения с учетом режима трения.
В теоретической части работы была разработана гипотеза исследования и создана блок-схема предполагаемой программы.
В расчетной части квалификационной работы была написана программа по разработанному в теоретической части алгоритму на языке программирования «С».
В экспериментальной части была проведена идентификация и оценка адекватности созданной модели.
Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов
- пьезокоэффициент вязкости масла;
- коэффициент гистерезисных потерь;
- коэффициент гистерезисных потерь при сложном напряженном состоянии;
- коэффициент упрочнения молекулярной связи;
- диаметр подшипника скольжения;
- нецилиндричность;
- диаметр вала (цапфы);
- комплексная характеристика шероховатости;
- диаметральный зазор;
- модуль упругости;
- твердость по Бринеллю;
- динамическая вязкость масла;
- упругая постоянная материала;
– интенсивность изнашивания линейная;
- множитель, определяемый геометрической конфигурацией и расположением по высоте единичных неровностей на поверхностях твердых тел;
- числовой множитель зависящий от параметров и ;
– поправочный коэффициент;
- коэффициент характеризующий напряженное состояние на контакте;
- среднее удельное давление на опорную поверхность подшипника;
- длина подшипника скольжения;
- путь трения;
- коэффициент Пуассона;
- частота вращения вала;
– контурное давление;
– нагрузка (сила, действующая на подшипник);
- давление;
- шероховатость поверхности;
- наибольшая высота неровностей профиля;
- средний радиус кривизны вершин выступов;
- приведенный радиус;
- разрушающее напряжение;
- максимальное напряжение на контакте;
- время;
- показатель кривой фрикционной усталости;
– сдвиговое сопротивление;
- линейный износ;
- окружная скорость цапфы;
- коэффициент трения;
- молекулярная составляющая коэффициента трения;
– коэффициент характеризующий геометрию вала в подшипнике;
- относительный диаметральный зазор;
- сближение;
- критическая толщина смазочного слоя;
- минимальная толщина смазочного слоя;
Содержание
|
[1] Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов [2] Содержание [3] Введение [4] 1. Анализ современного состояния проблемы [5] 2. Основная часть [5.1] 2.1 Подшипник скольжения [5.2] 2.2 Режимы смазки. Диаграмма Герси-Штрибека. [5.3] 2.3 Виды взаимодействия твердых тел при контактах [5.4] 2.4 Математическая модель расчета коэффициента трения и интенсивности изнашивания подшипника скольжения [5.5] 2.5 Расчет коэффициента трения и интенсивности изнашивания подшипника скольжения двигателя УМЗ – 341 в программе WEAR [5.6] 2.6 Циклограмма двигателя УМЗ-341 [5.7] 2.7 Обработка полученных результатов [6] Заключение [7] Список литературы |
Введение
Основной проблемой двигателестроения является повышенный износ деталей, который определяет ресурс двигателя до капитального ремонта и до окончания его эксплуатации.
Подшипник скольжения является одной из наиболее важных деталей двигателя, так как выход из строя подшипника скольжения может повлечь за собой отказ в работе всего двигателя, а значит необходимо максимально точно определить момент критического износа подшипника.
Именно поэтому исследования направлены на расчет интенсивности изнашивания подшипника скольжения.
В процессе работы над поставленной задачей была выдвинута следующая рабочая гипотеза: с помощью имитационного математического моделирования возможно определение интенсивности изнашивания пар трения, который, в свою очередь, определяет ресурс двигателя.
В расчете интенсивного изнашивания необходимо было учесть режим трения и вид контактного взаимодействия, которые напрямую влияют на изнашиваемость подшипника скольжения и вала.
Для реализации поставленной цели была разработана математическая модель определения коэффициента трения и интенсивности изнашивания подшипника скольжения и на языке программирования "С" была создана программа WEAR.
1. Анализ современного состояния проблемы
Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала является одним из основных элементов поршневых двигателей внутреннего сгорания. Ввиду больших и резко импульсных нагрузок на кинематические узлы механизма преобразования движения, характерных для работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, в качестве подшипников в таком механизме используются подшипники скольжения, способные воспринимать большие удельные нагрузки. Контактное взаимодействие вала и подшипника имеет место при различных видах трения скольжения. Износ, как результат контактного взаимодействия трущихся тел приводит к необратимому изменению их размеров, что существенным образом сказывается на долговечности и надежности работы двигателя внутреннего сгорания.
В связи с этим оценка интенсивности изнашивания пары трения «шейка вала – вкладыш подшипника» (Рисунок 1.1) является весьма актуальной задачей, поскольку износостойкость именно этих узлов трения определяет ресурс работы всего механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала.
Рисунок 1.1 – Продольный разрез опоры скольжения
В соответствии с [1], под износостойкостью подшипников скольжения понимается свойство антифрикционного подшипникового материала в трибологической системе оказывать сопротивление изнашиванию, оцениваемое показателем износостойкости – величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.
Для оценки интенсивности изнашивания пары трения «шейка вала – вкладыш подшипника» используются разные научные подходы. Может применяться совместное решение базовых уравнений энергетической теории трения и изнашивания Г. Фляйшера [2] и молекулярно-механической теории изнашивания И.В. Крагельского [3].
В соответствии с [4] при расчете интенсивности изнашивания подшипника скольжения можно воспользоваться следующей формулой:
(1.1)
где I – интенсивность изнашивания линейная;
(1.2)
– показатель кривой фрикционной усталости; – пьезокоэффициент вязкости масла []; - поправочный коэффициент;
(1.3)
- давление [Па]; E – модуль упругости [Па]; - сдвиговое сопротивление [кгс/]; - коэффициент гистерезисных потерь; k – коэффициент характеризующий напряженное состояние на контакте, зависит от природы материала: для хрупких равен 5, для высокоэластичных равен 3; - молекулярная составляющая коэффициента рения; – разрушающее напряжение [Па].
– нагрузка [Н].
- упругая постоянная материала, определяют по формуле , где - коэффициент Пуассона.
- приведенный радиус, вычисляют по формуле , где - диаметры вала и подшипника соответственно [мм].
2. Основная часть
2.1 Подшипник скольжения
Подшипник скольжения – это опора вращающихся деталей, сопряженные поверхности которых находятся в относительном движении и разделены слоем смазочного материала (Рисунок 2.1.1). Часть вала, находящаяся в контакте с отверстием в корпусе подшипника называется вал или цапфа, а сопряженная с ней часть подшипника называется вкладышем.
Рисунок 2.1.1 – Подшипник скольжения
Подшипник скольжения служит для восприятия нагрузок, передаваемых вращающимися валами или осями, а также для обеспечения центрирования и соблюдения соосности вращающихся деталей двигателя (коленчатый вал, распределительный вал, поршневой палец, вал привода вспомогательных агрегатов и д.р.). Возможность разъема вкладышей – важное конструктивное свойство подшипников скольжения, неразъемный подшипник на коленчатый вал двигателя не оденешь, а разъемный подшипник одеть легко – это и обеспечивает ему широкое применение в двигателях внутреннего сгорания. Для уменьшения трения и износа вкладышей применяется смазка.
2.2 Режимы смазки. Диаграмма Герси-Штрибека.
Смазка – это действие смазочного материала на узел трения. Существует 4 режима смазки: жидкостный, полужидкостный, граничный и сухой.
Режимы смазки удобно рассматривать при помощи диаграммы Герси-Штрибека, в которой коэффициент трения μ связан с характеристикой режима смазки (вязкостью, скоростью – υ и нагрузкой - N) сопряжения (Рисунок 2.2.1).
Рисунок 2.2.1 – Диаграмма Герси-Штрибека
При жидкостном режиме смазки (область III диаграммы) поверхности сопряжения полностью разделены слоем смазочного материала. Толщина слоя смазки (h) значительно больше величины шероховатости поверхностей (Ra). Трение между ними обуславливается объемными (вязкостными) свойствами смазочного материала. Износ поверхностей отсутствует. В режиме гидродинамической смазки работают подшипники скольжения коленчатого вала и турбины автомобильного двигателя внутреннего сгорания.
При полужидкостном режиме смазки (II) участки поверхностей находятся в режиме жидкостной и граничной смазки. Расстояние между поверхностями сравнимо с величиной их шероховатости.
При граничной смазке (I) поверхности сопряжения контактируют между собой. Толщина слоя смазки значительно меньше величины шероховатости поверхностей. Трение между ними обусловлено свойствами смазочного материала отличными от объемных. Износ поверхностей обусловлен физико-химическими взаимодействиями, происходящими на пятнах фактического контакта поверхностей. В режиме граничной смазки работает пара «стенка цилиндра — поршневое кольцо» в двигателе внутреннего сгорания; направляющие скольжения станков. Еще одним примером граничной смазки является скольжение по льду шины автомобиля при его замедлении, когда в роли смазки выступает тонкая пленка воды, образовавшаяся от трения шины о лед.
Выделяют также сухое трение, или трение несмазанных поверхностей. При этом поверхности находятся в непосредственном контакте. На диаграмме условия сухого трения условно показано точкой на оси значений коэффициента трения. При сухом трении работают автомобильные тормозные колодки.
2.3 Виды взаимодействия твердых тел при контактах
Взаимодействие твердых тел при внешнем трении будет значительно зависеть от вида деформаций в зонах контакта и от степени насыщенности контакта. В зонах фактического контакта трущихся тел могут иметь место упругие, упругопластические и пластические деформации. Наиболее широко распространены упругопластические деформации. Однако в ряде случаев при расчетах можно полагать, что в зонах касания происходят только упругие, либо пластические деформации (Рисунок 2.3.1). Взаимодействие тел при упруго-пластических деформациях изучено мало, поэтому коэффициент внешнего трения рассчитывается только при упругих и пластических деформациях в зонах контакта.
Упругий контакт имеет место, когда максимальные напряжения на наиболее внедренной неровности больше твердости по Бринеллю менее жесткого элемента пары трения. Ненасыщенный контакт имеет место, когда число контактирующих неровностей меньше числа неровностей на контурной площади контакта, что соответствует контурным давлениям
. Если, это условие нарушается, то имеет место упругий насыщенный контакт, т.е. когда число контактирующих неровностей будет равно их числу на КПК.
Рисунок 2.3.1 – Виды взаимодействия
Пластический контакт имеет место, когда средние нормальные напряжения в зонах касания неровностей достигают значений твердости по Бринеллю деформируемого материала. Ненасыщенный контакт имеет место при контурных давлениях, определяемых по формуле . Если отношение контурного давления к твердости превышает это значение, то имеет место насыщенный контакт.
2.4 Математическая модель расчета коэффициента трения и интенсивности изнашивания подшипника скольжения
В основе математической модели лежат следующие формулы. Первые две позволяют определить режим трения. Для нас это важно, т.к. при жидкостном трении износ равен нулю и проводить расчет в этом случае нецелесообразно.
(2.4.1)
где – минимальная толщина смазочного слоя (мкм); - динамическая вязкость масла (Пас); - частота вращения вала (об/мин); – диаметр вала (мм); - среднее удельное давление на опорную поверхность подшипника [МПа]; – относительный диаметральный зазор; – коэффициент характеризующий геометрию вала в подшипнике.
(2.4.2)
где - сила, действующая на подшипник [Н].
(2.4.3)
где - диаметральный зазор [мм], который равен .
(2.4.4)
Условием создания гидродинамического жидкостного режима трения является выполнение условия , - критическая толщина смазочного слоя.
, (2.4.5)
где , - шероховатости поверхности вала и подшипника, зависящие от способа обработки поверхности [мкм]; , - нецилиндричность вала и подшипника [мкм].
Если , то дальнейший расчет параметров изнашивания целесообразен. Если это условие не соблюдается, то имеет место режим жидкостного трения, при котором износ равен нулю.
После определения режима трения необходимо выяснить вид деформаций в зонах контакта, что необходимо для расчета коэффициента трения.
Вначале рассчитываем максимальное напряжение на контакте:
(2.4.6)
где - диаметр подшипника [м]; - длина подшипника [м].
Далее рассчитываем контурное давление :
(2.4.7)
где - комплексная характеристика шероховатости; - твердость подшипника по Бринеллю; - модуль упругости [кгс/]; - коэффициент Пуассона.
Если , то имеет место упругий контакт. Если же это условие не выполняется, то контакт пластический. Также по сходным критериям необходимо определить насыщенность или напротив ненасыщенность контакта и к отдельному случаю применить формулу расчета коэффициента трения.
Коэффициент внешнего трения покоя – это величина равная отношению силы трения к нормальной нагрузке.
Для упругого ненасыщенного контакта определяется как:
(2.4.8)
где - коэффициент трения; - сдвиговое сопротивление [кгс/]; – средний радиус кривизны вершин выступов [мкм]; - сближение [мкм];
- коэффициент упрочнения молекулярной связи; ;
Для упругого насыщенного контакта:
(2.4.9)
где - наибольшая высота неровностей профиля [мкм].
Для пластического ненасыщенного:
(2.4.10)
где - молекулярная составляющая коэффициента трения.
Для пластического насыщенного:
(2.4.11)
По полученной математической модели составляем блок-схему, которая представлена на станицах 16 – 18.
Да Нет
Да Нет
Да Нет
Упругий контакт Пластический контакт
Да Нет Да Нет
Ненасыщенный кон-т Насыщенный Ненасыщенный Насыщенный
По полученной блок-схеме была создана программа WEAR на языке программирования «С». Текст программы представлен в Приложении А.
Перед использованием полученной программы, модель необходимо идентифицировать для того, чтобы получать адекватные значения коэффициент трения и интенсивности изнашивания подшипника скольжения. Под идентификацией модели понимается выбор переменных модели, а также вида и параметров ее уравнений с последующей их оценкой на основе статистических данных, полученных в результате наблюдения или эксперимента .
2.5 Расчет коэффициента трения и интенсивности изнашивания подшипника скольжения двигателя УМЗ – 341 в программе WEAR
Проведя расчет усилий в Системе имитационного моделирования «Альбея» и параметров, на основе которых определяется износ подшипника скольжения двигателя УМЗ-341. Определили среднее значение силы, действующей на подшипник, и подставили его и остальные необходимые значения в программу (Приложение Б).
Исходные данные:
= 21, 997 мм
= 21 мм
= 21, 998
= 574, 3529 Н
= 0, 04 Пас
n = 200 об/мин
= 0, 04 мкм
= 0, 02 мкм
= 0, 02 мкм
= 0, 01 мкм
HB = 680
= 0, 0026
= 0, 25
E = 20000
= 7, 9
= 7000
= 60
k = 3
= 0, 3 мкм
= 0, 0025
= 0, 274
= 55 мкм
= 0, 02
= 0, 195
Результаты расчета в программе WEAR:
= 0, 0254744 мкм
= 0, 09 мкм
= 0, 24866
=1506
= 0, 05
= 0, 134114 мкм
Упругий насыщенный контакт
= 0, 057
= 0, 0581517
= 6200
= 0, 32
= 5, 49937 мм
= 1, 91649
= 1, 31661 Па
= 0, 0023898
= 1, 96093
2.6 Циклограмма двигателя УМЗ-341
В данном разделе представлена информация об испытании двигателя УМЗ-341. После испытания был проведен осмотр и микрометраж деталей двигателя, результаты которого представлены в Приложении В.
Испытания на безотказность проводят циклами, состоящими из следующих режимов:
1. Холостой ход n=1500 об/мин (Ne = 0 кВт) – 5 минут
2. Нагрузка 0,8 Ne (4,704 кВт) при номинальной частоте вращения n=3500 об/мин (Ne = 5,88 кВт) – 2 часа 20 минут
3. Холостой ход n=1500 об/мин (Ne = 0 кВт) – 10 минут
4. Нагрузка 0,8 Ne (4,704 кВт) при номинальной частоте вращения n=3500 об/мин (Ne = 5,88 кВт) – 2 часа 20 минут
5. Холостой ход n=1500 об/мин (Ne = 0 кВт) – 5 минут
6. Охлаждение двигателя при n=1500 об/мин – 5 минут
7. Остановка
Разогрев двигателя n=2100 об/мин с нагрузкой (Ne = 1,5 кВт) – 8 минут
313 мин
Время пусков, прогрева, охлаждения и остановок не входит в зачетное время работы двигателя.
Продолжительность работы 288 часов = 17280 мин
55 прогонов схемы:
375 мин – 1500 об/мин
440 мин – 2100 об/мин
15400 мин – 3500 об/мин
Линейный износ вала равен 6 мкм
2.7 Обработка полученных результатов
Для того чтобы сделать выводы об объективности полученных результатов, необходимо через полученную величину интенсивности изнашивания рассчитать линейный износ.
Интенсивность изнашивания: = 1, 96093
Окружная скорость цапфы: 0, 23 м/с
Путь трения необходимо рассчитываем как произведение окружной скорости цапфы на время работы двигателя. Известно, что подшипник скольжения работает при жидкостной смазки на всех режимах, кроме режимов пуска и остановок. На пуск двигателя тратится 10 секунд, на остановку двигателя столько же, а значит, за цикл подшипник скольжения работает при режиме нежидкостной смазки 210 с. Учитывая, что двигатель испытывали на протяжении 55 циклов, получаем путь трения равный:
0,23м/с 253 м
Линейный износ равен произведению пути трения на интенсивность изнашивания: 4, 9612288 мкм.
Определим погрешность, с которой был рассчитан линейный износ в программе WEAR:
Заключение
В выпускной квалификационной работе разработана математическая модель вычисления коэффициента трения и интенсивности изнашивания подшипника скольжения.
Создана программа WEAR на основании ранее разработанной математической модели.
Проведен расчет величин износа подшипника скольжения двигателя УМЗ-341 в программе WEAR. После обработки полученных результатов была рассчитана величина линейного износа.
Сравнив полученную величину линейного износа с результатами полученными после испытания двигателя УМЗ-341, определили расхождение, равное 17,33%. Величина расхождения свидетельствует о том, что необходима дополнительная идентификация модели, направленная на уменьшение расхождения.
Список литературы
1. ГОСТ ИСО 4378-1-2001. Подшипники скольжения. Термины, определения и классификация. Часть 1. Конструкция, подшипниковые материалы и их свойства.
2. Fleischer G. Energetische method der Bestimmung des Verschleihes // Schmierungstechnik. – 1973. – B. 4. – P. 9 - 12.
3. Расчет трения, износа и долговечности с позиций молекулярно-механической, усталостной и энергетической теорий / И.В. Крагельский, Г. Фляйшер, В.С. Комбалов, Х. Тум // Проблемы машиностроения и автоматизации. – 1986, № 12. – С. 13 – 24.
4. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн./ В.В. Алисин, А.Я. Алябьев, А.М. Архаров, В.А. Балакин, В.А. Белый, Н.А. Буше и др.; Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. – М.: Машиностроение, 1978 – Кн. 1. 400 с.
5. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн./ В.В. Алисин, Б.М. Асташкевич, Э.Д. Браун, М.А. Галахов, Д.Н. Гаркунов и др.; Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. – М.: Машиностроение, 1979 – Кн. 2. 358 с.
6. Перекрестов, А.П., Чанчиков, В.А. Прогнозирование изнашивания подшипников скольжения судового валопровода // Вестник АГТУ. Сер.: Морская техника и технология. 2011. № 1.
7. Международный виртуальный журнал для науки, техники и инновации для индустрии „Машины, Технологии, Материалы". Некрасов, В.Г., Куанышев, М.К., Надиров, Н.К. Исследование и совершенствование подшипников скольжения двигателей внутреннего сгорания. [Элетронный ресурс]. Режим доступа http://www.mech-ing.com/journal/2-3-2007.html
8. Анурьев, В.И. Справочник конструктора-машиностроителя в 3-х томах. т2 – 5-е изд., переработанное и дополненное – М.: Машиностроение, 1979.
9. Гафаров, Р.Х., Жернаков, В.С. Что нужно знать о сопротивлении материалов: Учебное пособие/под ред. В.С. Жернакова.-М.: Машиностроение, 2001.
2. Логическое проектирование и минимизация
3. Курсовая работа- Механические цеха
4. 1788 гг насчитывала 350 наименований различных публикаций по эту цифру превысило количество одних парижских г
5. История мобилизации и мобилизационной подготовки. Виды нормативных правовых актов. Законы Российской Федерации, регламентирующие вопросы мобилизационной подготовки и мобилизации
6. Первые успешные попытки применения газообразного топлива были предприняты в Древнем Китае не менее чем за
7. красного цвета Бурный водогрязекаменный горный поток- сель
8. ПРОФИЛЬ Студента 4 курса
9. Нормативная база бухгалтерского учета
10. охранители мира9 4 Описание остальных богов 12 Список использованных источников14
11. Понятие и признаки правового государства
12. на тему- ЕЛЕКТРОННИЙ ДОКУМЕНТООБІГ- СУЧАСНИЙ СТАН І ПЕРСПЕКТИВИ РОЗВИТКУ Вико
13. Общеобразовательная средняя полная школа им
14. КАК ОРГАНИЗОВАТЬ МЕРОПРИЯТИЕ ЦЕЛЬ- Ознакомить с методикой подготовки и проведения мероприятия
15. Ана~рбір адамны~ жары~ д~ниедегі е~ жа~ыныжанашыры~адірлісі~ам~оршысыа~ с~тін беріпаяла~анжанын да
16. Мониторить 2 источника например- блогеры и СМИ или отечественные СМИ и зарубежные СМИ в дальнейшем надо
17. Тема Технология работы с документами в современных условиях
18. Антропологический поворот в эллинской философии.
19. за рыси я потеряла работу
20. .Понятие мировия