Условия эксплуатации и характер отказа клиновых ремней и шкивов
Условия эксплуатации клиноременных передач отличаются большим разнообразием по передаваемым мощностям (от 0.1 до 1500 кВт), межцентровым расстояниям (от 0,2 до 8 м), скоростям (от 1 до 50 м/с), передаточным отношениям, режимам работы.
Можно выделить три основных вида ременных передач, каждый из которых характеризуется своими относительно общими условиями работы и своим характером отказа элементов передач.
Вспомогательные ременные передачи двигателей внутреннего сгорания (привод вентилятора, генератора, водяного насоса, гидроусилителя руля и т. д.) характеризуются высокими скоростями, малыми диаметрами шкивов, относительно равномерной нагрузкой, малыми межцентровыми расстояниями. Передачи находятся в закрытом подкапотном пространстве при высокой температуре окружающей среды (особенно в летнее время), под воздействием паров и, возможно, брызг масла. Вероятность механических повреждений ремней и шкивов посторонними предметами, как правило, незначительна; это возможно в основном при работе на тракторах с открытым капотом. В качестве вентиляторных ремней используют исключительно ремни кордшнуровой конструкции. Передачи в основном трехшкивные одноручьевые, в последнее время намечается тенденция к переходу на двухручьевые передачи с использованием двух узких ремней малого сечения.
Клиноременные передачи промышленного оборудования (металлообрабатывающие станки, текстильные машины, горное оборудование и т. д.) характеризуются высокими передаваемыми мощностями, доходящими до сотен киловатт, значительными меж- центровыми расстояниями, высокой степенью неравномерности нагрузки, относительно большими диаметрами шкивов. Большая часть передач работает в закрытом пространстве; возможно попадание на рабочие поверхности шкива и ремня пыли, металлической стружки, брызг рабочей жидкости. Передачи, как правило, многоручьевые, число ремней достигает нескольких десятков. В передачах используют как кордтканевые, так и кордшнуровые ремни.
Клиноременные передачи сельскохозяйственных машин характеризуются особо большими межцентровыми расстояниями, высокой степенью неравномерности нагрузки, большими допусками на элементы передач. Большая часть передач снабжена натяжными роликами, относительная величина компенсации удлинения ремня обычно незначительна. Часть передач имеет сложный контур с изгибом ремня в разных направлениях. Передачи, как правило, открытые, на рабочие поверхности попадают пыль, солома, зеленая масса, не исключено забивание канавок шкивов. Ремни находятся под постоянным воздействием солнечной радиации. В передачах применяют в основном ремни кордтканевой конструкции.
Различие условий эксплуатации, конструкции передач, материалов ремня и шкивов обусловливает различный характер разрушения и различную интенсивность отказа элементов передачи.
Обрыв клинового ремня происходит в результате усталостного снижения прочности тягового слоя до величины, меньшей, чем нагрузки, действующие в передаче. Этот процесс для ремней на основе материалов малой изгибостойкости (хлопок, стекловолокно) может происходить без заметных внешних повреждений ремня и заканчивается его внезапным обрывом. Относительное число такого рода отказов резко сократилось при переводе производства клиновых ремней с хлопчатобумажных материалов, применяемых для тягового слоя, на материалы из химических волокон (вискоза, анид, лавсан), имеющих значительно большую изгибостойкость. В большинстве случаев обрыв вентиляторных ремней с несущим кордшнуровым слоем является следствием развития трещин резины слоя сжатия.
Наиболее типичным для вентиляторных ремней является следующий процесс развития повреждений, приводящих к отказу:
- появление мелких трещин оберточной ткани на боковой поверхности ремня вблизи кромки нижнего основания и на нижнем основании ремня (начиная с места нахлеста оберточной ткани) равномерно по его длине;
- увеличение числа трещин оберточной ткани на рабочих поверхностях с выкрашиванием небольших ее участков и одновременное увеличение числа трещин обертки на нижнем основании;
- переход части трещин оберточной ткани нижнего основания в резину слоя сжатия(;
- разрастание трещин резины слоя сжатия с выходом некоторых из них до тягового слоя;
- обрыв ремня в одном из мест выхода трещины резины слоя сжатия на тяговый слой.
Интенсивность перехода от одного вида повреждения к другому определяется степенью нагруженности передачи, в частности, размерами шкивов и передаваемой мощностью.
Часто ремни снимают с передачи уже при появлении нескольких трещин резины слоя сжатия, не дожидаясь обрыва ремня.
Анализ развития трещин слоя сжатия позволяет сделать вывод о том, что они являются следствием усталостных повреждений оберточной ткани на нижнем основании ремня. Резина слоя сжатия к моменту перехода на нее трещин оберточной ткани не претерпевает значительного изменения свойств.
У ремней с нарезным зубом трещины резины слоя сжатия начинаются в основании зуба и при большей наработке, чем у гладких ремней. В этом случае, помимо лучшего теплообмена с окружающей средой, зубья ремня разгружены от напряжений растяжения — сжатия, а напряжения в основании зуба меньше напряжений на нижнем основании гладкого ремня в связи с небольшим расстоянием от тягового слоя.
Процесс разрушения вентиляторных ремней малых сечений также определяется свойствами оберточной ткани, однако в этом случае она играет несколько другую роль.
Для этих ремней типичны следующие виды разрушения:
- появление трещин оберточной ткани на рабочих поверхностях ремня;
- износ одного или двух слоев оберточной ткани на рабочих поверхностях, особенно на уровне тягового слоя;
- расслоение ремня по несущему слою.
Трещины резины слоя сжатия на ремнях малых сечений наблюдаются сравнительно редко. Это связано, очевидно, с тем, что эти ремни имеют относительно большую поверхность теплоотдачи (для ремня 8,5X8 отношение периметра поперечного сечения к его площади равно 0,51, а для ремня 21x14 это отношение равно 0,24), меньше нагреваются при работе и у них медленнее развиваются процессы старения оберточной ткани. При стендовых испытаниях температура на рабочих поверхностях ремней сечения 8,5X8 примерно на 25°С ниже, чем ремней 21X14. В этих условиях решающее значение имеет способность оберточной ткани выдерживать абразивный износ на рабочих поверхностях.
Процесс разрушения кордтканевых приводных ремней носит более сложный характер, чем вентиляторных, что объясняется особенностями их конструкции и технологии изготовления. Трещины оберточной ткани наиболее интенсивно развиваются в местах двойной вулканизации. Характерными являются также продольные трещины оберточной ткани на рабочих поверхностях на уровне несущего слоя, что может быть причиной расслоения.
Особый вид разрушения кордтканевых ремней вызван спецификой напряженного состояния его несущего слоя. У кордшнуровых ремней при совместном воздействии натяжения и изгиба ремня на шкиве нейтральный слой расположен несколько ниже несущего слоя и все волокна несущего слоя подвергаются воздействию переменных нагрузок одного знака (растяжения). У кордтканевых ремней нейтральный слой при изгибе на шкиве расположен непосредственно в несущем слое вследствие его относительно большой толщины. При этом часть волокон несущего слоя воспринимает напряжения растяжения, часть (расположенная ниже нейтрального слоя) — напряжения сжатия, достигающие максимальной величины на нижнем слое кордткани.
Известно, что долговечность текстильных материалов при сжатии на несколько порядков ниже, чем при растяжении. Воздействие на силовой слой ремня знакопеременных деформаций растяжения — сжатия ускоряет процесс разрушения текстильного материала.
Аналогичному воздействию подвергается также оберточная ткань на нижнем основании ремня и вблизи его, и это служит причиной описанного выше характера разрушения кордшнуровых и кордтканевых ремней, начинающегося с трещин оберточной ткани на нижнем основании.
В кордтканевых ремнях разрушение часто начинается с трещин нижнего слоя кордткани, примыкающего к резине слоя сжатия. Обрыв отдельных волокон кордткани приводит к трещинам в нитях в направлении, близком к перпендикуляру к продольной оси ремня, которые, разрастаясь и переходя на следующий слой ткани, перерезают весь несущий слой. Иногда трещины вызывают расслоение несущего слоя ремня. Расстояние между трещинами примерно одинаково (для ремней сечения 50X22 оно равно примерно 4-6 см). При этом внешне ремень выглядит совершенно неповрежденным, лишь иногда появляются резкие глубокие трещины резины слоя сжатия.
Динамика разрастания трещин несущего слоя зависит от материала кордткани и для вариаторных ремней 50X22 на основе капроновой и лавсановой кордткани представлена на рис. 7. На ремнях с лавсановой кордтканью разрушение ткани начинается при наработке около 100 ч, трещины развиваются быстро и при наработке 150—200 ч прорезают 4—5 слоев кордткани, что приводит к обрыву ремня. В ремнях с капроновой кордтканью начало трещин отмечается при наработке не ниже 200—250 ч, глубина трещин при наработке 500 ч не превышает 1—2 слоев и отказов ремней по этой причине, как правило, не наблюдается.
Отказ ремней вследствие повышенного удлинения наиболее характерен для ремней с несущим слоем на основе полиамидных волокон (анид, капрон) чаще всего при эксплуатации на сельскохозяйственных машинах.
Рис. 7. Глубина трещин тягового слоя, характеризуемая числом слоев кордтканевых клиновых вариаторных ремней на основе лавсановой (светлые кружки) и капроновой (черные кружки) кордткани
Рис. 8. Типичные виды разрушения клиновых ремней (степень зачернения указывает на частоту возникновения дефектов)
В отдельных случаях у кордтканевых ремней наблюдается отслоение верхнего конца кордткани в зоне нахлеста ее концов, приводящее к разрыву оберточной ткани на верхнем основании и к вырыву слоя растяжения.
Типичные виды разрушения клиновых ремней в обобщенном виде показаны на рис. 8.
Наиболее характерный вид отказа шкивов — абразивный износ рабочей поверхности. Износ рабочей поверхности шкива не равномерен и зависит от распределения контактного давления ремня на шкив. Зависимость износа поверхности от времени эксплуатации близка к линейной и для шкивов из серого чугуна СЧ 15—32 передач двигателя внутреннего сгорания описывается приближенной зависимостью.
По данным Научно-исследовательского и конструкторско-технологического института тракторных и комбайновых двигателей (НИКТИД) предельно допустимый износ рабочей поверхности шкива составляет
J = 0,08bр + 0,16 мм,
где J — предельно допустимый износ одной рабочей поверхности шкива по нормали, мм; bp — расчетная ширина ремня, мм.
Интенсивность износа пластмассовых шкивов значительно выше, чем чугунных.
Часть шкивов, особенно на сельскохозяйственных машинах и тракторах, снимается с машины в результате механических повреждений при монтаже ремней, попадании твердых предметов в контакт ремня и шкива и других причин.