Показатели кручения нити по сравнению с накатыванием нити
Трибологические контакты составляют около 12 % мирового энергопотребления. Компания Bornemann Gewindetechnik совместно с Институтом производственной техники и станков (IFW) Лейбниц-Университета Ганновера проводит исследования по оптимизации трапецеидальных резьб.
На трибологические контакты приходится около 12 % от общего мирового потребления энергии. Из них 20 % используется для преодоления трения и 3 % — для ремонта изношенных компонентов или замены оборудования при износе [1]. В качестве примера можно привести тяжелое подъемное оборудование для обслуживания поездов или грузовых автомобилей. Компания Bornemann Gewindetechnik специализируется на производстве таких сложных или высоконагруженных резьбовых компонентов. Совместно с Институтом производственного машиностроения и станкостроения (IFW) при Лейбницком университете Ганновера семейная компания исследовала трибологическую оптимизацию трапецеидальной резьбы с помощью процесса вихревого нарезания резьбы. Этот процесс особенно подходит для длинных резьбовых деталей. Используя самые современные технологии производства, Bornemann Gewindetechnik изготавливает винтовые профили длиной до 12 метров.
Шпиндели с витой резьбой имеют микроструктуры поверхности, связанные с обработкой, которые обеспечивают удержание смазки. Это снижает трение вихревых резьбовых шпинделей и увеличивает срок их службы по сравнению с обычными накатанными шпинделями. Исследователи изучают точную взаимосвязь между процессом обработки и эффектом снижения трения в рамках проекта «TopThread».
Исследуется влияние микроструктур, образующихся при вихревом нарезании резьбы, на трибологическое поведение высоконагруженных шпинделей с трапецеидальной резьбой в тяжелых грузоподъемных системах. Для этого анализируется процесс вихреобразования, специально разработанный для интегрированного в процесс микроструктурирования.
В этой статье мы проиллюстрируем, как можно специально регулировать рельеф поверхности с помощью процесса вихревой обработки, что является значительным преимуществом по сравнению с процессом накатывания резьбы. На рис. 2 показана топография поверхности боковой поверхности резьбы накатанного шпинделя с трапецеидальной резьбой в сравнении с боковой поверхностью резьбы, обработанной вихревым методом.
Специально адаптируя процесс вихревой обработки, удалось получить более выраженные структуры по сравнению с накатанными резьбовыми шпинделями. Для характеристики поверхностных структур были введены параметры высоты структуры «yf» и расстояния между структурами «sf» (рис. 1). Для трибологической оптимизации процесс вихреобразования был использован для создания структур с меньшей долей пиков, которые минимизируют прямой твердый контакт между поверхностями партнеров по трению. Большее расстояние между пиками структуры позволяет накапливать смазку в долинах профиля шероховатости.
Характеристика трибологических свойств
Для исследования влияния топографии поверхности боковых поверхностей резьбы на трибологическое поведение используется испытательная установка, показанная на рис. 3. Испытательные шпиндели с резьбой Tr 80 x 10 мм колебались с частотой f = 0,81 Гц под углом v = 15°. Вращение при изменении нагрузки соответствует поступательному ходу резьбы s = 0,42 мм. При такой установке резьбовой шпиндель при подъеме и опускании нагружался весовой силой FG = 91,3 кН. Это соответствует давлению на поверхность p = 5,0 Н/мм2, что находится в диапазоне максимальных нагрузок для трапецеидальных винтовых передач (TGT) в тяжелых подъемных системах. Для этого применения были выбраны материал резьбовой гайки G-CuSn 7 ZnPb и смазка DGM HTF 940. Смазка в тестовой последовательности соответствует интервалу технического обслуживания в один месяц. Таким образом, интервал смазки узла шпиндель-гайка составляет каждые 167 циклов. Испытательный стенд был создан компанией SincoTec. SincoTec также является производителем датчика силы Interface 125 кН и датчика крутящего момента SincoTec 1 200 Нм.
Состояние износа боковых поверхностей было проанализировано, чтобы охарактеризовать фрикционные свойства различных топографий и структур поверхности. Для этого участники проекта нарезали шпиндели на отрезной шлифовальной машине. При 20 000 циклов нагрузки был экспериментально определен десятилетний срок службы для проанализированных резьбовых шпинделей. Для вихревых резьбовых шпинделей управляющие переменные процесса были подобраны таким образом, чтобы обеспечить определенные градации между высотами микроструктур на несущих боковых поверхностях резьбы. Параметры процесса основаны на опыте Борнеманна. Кроме того, были проанализированы резьбовые шпиндели, накатываемые по непрерывной технологии.
Влияние структуры поверхности на коэффициент трения
Благодаря колебательному движению на небольшом угловом расстоянии, подъем и опускание можно проанализировать в большом количестве циклов нагрузки. Таким образом, можно экспериментально определить весь срок службы резьбовых шпинделей. На рисунке 4 показан ход коэффициента трения для движения подъема с трапецеидальным винтовым приводом. Здесь сравниваются коэффициенты трения закрученного и раскрученного ведущего винта. Результирующий профиль скорости при изменении нагрузки состоит из фазы ускорения, фазы с постоянной скоростью и фазы замедления — в каждом случае для подъема и опускания. Эффект скольжения, возникающий на низких скоростях, особенно усиливается в момент изменения направления движения. Этот эффект проявляется в кратковременном прилипании поверхностей, за которым следует внезапное скольжение партнеров по трению. Это движение может привести к вибрациям, которые отражаются в большем колебании коэффициента трения [2]. Средний коэффициент трения резко возрастает в начале испытания, достигает максимума примерно через 2 000 циклов нагрузки и затем падает до постоянного уровня примерно через 8 000 циклов нагрузки. Такое поведение называется фазой обкатки и описывает общее изменение коэффициента трения в ходе испытания в зависимости от конкретной трибологической системы [3].
Шпиндель с витой трапецеидальной резьбой с внедренной структурой поверхности демонстрирует значительное улучшение трибологических свойств. Это приводит к сокращению обкатки примерно на 44 %, а также к постоянному снижению коэффициента трения до более низкого уровня μm = 0,085. Это соответствует снижению на 25,5 % по сравнению с накатанным резьбовым шпинделем. Полное сокращение фазы приработки в описанной трибологической системе с этой резьбой не удалось.
Влияние структуры поверхности на износ
Для срока службы трапецеидального ходового винта износ, возникающий при контакте двух фрикционных партнеров, имеет решающее значение. Для идентификации возникающих механизмов износа на ходовом винте была исследована поверхность опорной грани в течение 20 000 циклов нагружения при регулярном поступлении смазочного материала, после чего был проведен анализ изнашивания опорной грани (Рисунок 5). Исследование показывает после испытания явно различающуюся картину износа в зависимости от структуры поверхности на опорной грани. Прокатанные ходовые винты без структурированных поверхностей на опорной грани демонстрируют выраженные адгезионные отложения на опорной грани ходового винта, которые вызваны значительным съемом материала или адгезионным износом материала гайки. С увеличением высоты структуры также значительно уменьшается доля площади, подвергаемой адгезионному износу (Рисунок 5).
Из-за низкой скорости скольжения и высокой контактной нагрузки в трибологическом контакте существующее трение в трибосистеме классифицируется между твердофазным трением и смешанным трением. Благодаря выраженной поверхностной структуре (Рисунок 6, справа) количество микроконтактов можно уменьшить по сравнению с неструктурированной топографией поверхности (Рисунок 6, слева). В результате наличие поверхностных структур приводит к снижению доли твердофазного трения. Более выраженная поверхностная структура на резьбовом профиле способна удерживать большее количество смазочного материала. С использованием поверхностных структур адгезионный износ на резьбовом профиле удалось снизить до 10,1 % по сравнению с 36,3 % у прокатанного ходового винта.
При контакте трибологических партнеров из разных металлов происходит перенос материала от трибопартнера с более слабой когезионной связью (в данном случае гайки) к трибопартнеру с более прочной когезионной связью (в данном случае ходовому винту) [4]. Дополнительный смазочный материал в трибоконтакте приводит к уменьшению количества контактирующих вершин шероховатости. В результате продолжающейся нагрузки на контактную поверхность гайки происходит отслаивание частиц, которые оседают на контактирующих вершинах шероховатости опорной грани. Постепенно эти частицы формируют слой на контактных участках опорной грани, предотвращая прямой контакт между материалами винта и гайки. Этот процесс продолжается до достижения статического состояния, при котором дальнейшее отложение частиц на опорной грани прекращается. Таким образом определяется процесс приработки, который, после покрытия контактирующих вершин шероховатости адгезионными отложениями, переходит в статическое состояние. Данный процесс также влияет на коэффициент трения. Исходная поверхность при движении подъема не испытывает абразивного износа.
Перспективы и возможности применения
В конкуренции с прокатанными ходовыми винтами было продемонстрировано, что поверхностные структуры на опорной грани ходового винта обеспечивают значительное преимущество для тяжеловесных подъемных механизмов. С помощью вихревого процесса можно создавать более широкий спектр поверхностных структур. Кроме того, было показано, что поверхность ходового винта испытывает крайне низкий износ, благодаря чему поверхностные структуры на опорной грани сохраняются даже после экспериментально смоделированного срока службы в 10 лет. Рисунок 7 демонстрирует три ключевых потенциала микроструктурированных опорных граней для проектирования и конструирования трапецеидальных ходовых винтов.
Благодаря целенаправленной настройке поверхностных структур на резьбовом профиле можно добиться снижения коэффициента трения на 25,5 %. В случае тяжеловесной подъемной установки такое уменьшение коэффициента трения, с учетом соответствующего типа опоры подъемного механизма, приводит к пропорциональному снижению энергопотребления, поскольку трибологический контакт между винтом и гайкой играет решающую роль в определении КПД системы.
Еще одним важным аспектом является снижение износа гайки ходового винта. В рамках данного исследования износ гайки мог быть проанализирован лишь косвенно на основе адгезионных отложений на опорной грани. Поскольку объем адгезионных отложений был сокращен до примерно 10 % поверхности опорной грани, можно предположить, что количество микроконтактов между трибологическими партнерами уменьшилось, а следовательно, износ гайки также снизился. Уменьшение адгезии на опорной грани указывает на снижение общего износа гайки. Это, в свою очередь, позволяет сократить затраты на техническое обслуживание и увеличить срок службы всего трапецеидального ходового винта.
Третье и наиболее важное преимущество микроструктурированных опорных граней ходового винта проявляется при проектировании приводного двигателя. За счет снижения коэффициента трения на 25 % при расчетах можно исходить из уменьшенного значения трения, что позволяет оптимизировать параметры привода.
Это позволяет выбрать двигатель меньшего размера, что снижает энергопотребление всей системы и значительно сокращает капитальные затраты на подъемный механизм. Однако для реализации этого преимущества необходимо минимизировать процесс приработки и обеспечить стабильный коэффициент трения на протяжении всего срока службы.
Дальнейшие исследования позволят оптимизировать поверхностную структуру в зависимости от геометрии резьбы. В настоящее время процесс создания этих целенаправленно настроенных поверхностных структур патентуется проектными партнерами.
Это позволит еще точнее адаптировать конструкцию к конкретной трибологической системе. Еще одним направлением будущих исследований и разработок является модификация топографии поверхности гайки ходового винта с целью целенаправленной компенсации процесса приработки. Благодаря стабильно сниженному коэффициенту трения можно будет дополнительно уменьшить размеры приводного двигателя при его проектировании. Эти аспекты будут рассмотрены в рамках совместного исследовательского проекта, запланированного с компанией Bornemann Gewindetechnik и Институтом производственной техники (IFW).
Благодарности
Авторы выражают благодарность ZIM за поддержку проекта «TopGewinde – трибологически оптимизированные топографии поверхностей для увеличения срока службы винтовых передач методом вихревой обработки».
Также авторы выражают благодарность Хансу Борнеманну и Морицу фон Содену из компании Bornemann Gewindetechnik за плодотворное сотрудничество в рамках исследовательского проекта.
Литература
- Holmberg K, Erdemir A (2017 Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions. Friction 5, 263-284 (2017)
- Haessing D A, Friedland B (1990) On the Modeling and Simulation of Friction. American Con-trol Conference, San Diego.
- Denkena B, Böß V, Nespor D, Gilge P, Hohenstein S, Seume J (2015): Prediction of the 3D Sur-face Topography after Ball End Milling and its Influence on Aerodynamics, 15th CIRP Confer-ence on Modelling of Machining Operations, Procedia CIRP 31, S. 221 227
- Buckley D H (1981) Surface Effects in Adhesion, Friction, Wear and Lubrication. S. 456. Else-vier, Amsterdam.
Контакт
Christian Wege, M. Eng.
Понял! Я буду сохранять исходную текстовую структуру и форматирование без внесения изменений в абзацы
Tel.: +49 (0) 511 762 4606
wege@ifw.uni-hannover.de