Форсированные испытания клиновых ремней

Ускоренные испытания, т. е. испытания, дающие информацию о параметрах и показателях надежности в более короткие сроки, чем в условиях эксплуатации у потребителей — наиболее перспективное направление развития работ по оценке надежности изделий. Для ускоренной оценки надежности клиновых ремней проводят форсированные или сокращенные испытания. При форсированных испытаниях сокращение времени испытания достигается в основном изменением нагрузочных режимов в сравнении с нормальными условиями работы. Форсированные испытания проводят, как правило, на стендах, моделирующих основные условия нагрузки ремней.

При сокращенных испытаниях продолжительность испытаний снижается в основном экстраполяцией по времени статистических характеристик накопления повреждений и отказов. Сокращенными могут быть как эксплуатационные, так и стендовые испытания. Наибольшее ускорение испытаний обеспечивается сокращенными стендовыми испытаниями в форсированных режимах с применением статистических методов прогнозирования результатов.

Одна из наиболее трудных задач стендовых испытаний — выбор режима стендовых испытаний, который, с одной стороны, должен дать максимальное сокращение времени испытаний, с другой,— обеспечить подобие физической картины отказа изделия. Как известно из теории подобия, два процесса (ускоренный и эксплуатационный) можно считать подобными, если переход от одного к другому осуществляется только путем изменения масштаба, т. е. умножением на постоянную величину [1, 23].

Для изделий, вероятность безотказной работы которых подчиняется закону Вейбулла, необходимым (но не достаточным) условием подобия эксплуатационных и стендовых испытаний служит равенство коэффициентов вариации времени работы изделия до отказа и постоянство коэффициента ускорения в пределах статистического рассеяния того и другого. На стенде с достаточной точностью должны моделироваться условия нагружения изделия, а характер его отказа должен быть подобен наблюдаемому в эксплуатации.

Широко распространенные и стандартизованные испытания клиновых ремней на изгибостойкость без передачи мощности не моделируют реальные условия работы ремня, прежде всего основной момент его работы — передачу мощности. Соответственно распределение напряжений и деформаций в элементах ремня не соответствует действующим в реальной передаче и результаты стендовых и эксплуатационных испытаний, как правило, плохо коррелируют между собой.

Значительно более близки к реальным условиям испытания ремней на стендах с передачей мощности. Разработаны стенды двух типов: с открытым энергетическим потоком, в котором нагрузка передачи создается торможением ведомого шкива, и стенды замкнутого силового потока (замкнутого контура), в которых нагрузка создается силами упругости ремней. В стендах первого типа вся энергия двигателя стенда, проходя через испытуемый ремень (ремни), направляется в нагружающее устройство, где полностью поглощается. В качестве поглощающих устройств используются электрические, гидравлические, пневматические устройства.

Достоинством таких стендов считается возможность непосредственного замера мощности, передаваемой испытуемыми ремнями, и скольжения передачи, недостатком — сложность тормозных устройств и большие потери энергии при испытаниях, что затрудняет их использование при массовых испытаниях клиновых ремней на надежность. Некоторые из стендов прямого нагружения [20] по простоте конструкции и удобству обслуживания вполне конкурентоспособны со стендами замкнутого контура, а по степени стабильности нагрузки значительно превосходят их.

Принцип испытания передач в замкнутом силовом потоке (замкнутом контуре) признается наиболее удобным для массовых испытаний, в том числе стандартных. Он получил широкое распространение вследствие простоты конструкции стенда, относительно малой потребляемой мощности, малых габаритов стенда, простоты применяемой аппаратуры [3, 19, 27].

Однако отсутствие аналитического описания процессов передачи окружного усилия в замкнутом силовом потоке, трудности расчета мощности, передаваемой каждым из ремней передачи и скольжения ремней в каждой из передач, оценки взаимного влияния ремней друг на  друга и стабильности нагрузочного режима приводит к тому, что высказываются мнения об очень ограниченной области возможного применения такого рода испытаний [19]. Не всегда принимается во внимание различие нагрузки, приходящейся на два установленных на стенде ремня, и причины существенного расхождения полученных результатов с результатами, полученными на стенде прямого нагружения.

При проведении испытаний разными исследователями принимаются различные исходные точки для отсчета передаваемой мощности и скольжения и получаются несопоставимые результаты, что дает основания для критики самого принципа испытаний [19].

Анализ работы ремней на стенде замкнутого силового потока может быть выполнен методом, описанным выше. Стенд замкнутого силового потока представляет собой частный случай системы из двух параллельных одноручьевых ременных передач (см. рис. 19), когда к ведомому валу не приложена внешняя сила, а разность передаточных отношений i1 и i2 заранее задана столь большой, что вызванные ею окружные усилия в каждой из передач заведомо больше сил вредного сопротивления.

Используются два способа задания разности передаточных отношений:

диагонально симметричная схема нагружения, когда расчетные передаточные отношения двух параллельных передач равны по величине, но противоположны по знаку; изменение действующего окружного усилия производится одновременным изменением диаметра двух накрест лежащих шкивов, например, d1и d3
(рис.19а)

несимметричная схема нагружения, когда три шкива стенда имеют одинаковые диаметры, один — переменный диаметр, отличный от остальных (рис. 19, б)

Рис. 19. К расчету нагрузки на ремни в стенде замкнутого силового потока при диагонально симметричной схеме нагружения (а) и при несимметричной схеме нагружения (б)

Наличие в некоторых конструкциях стендов третьего шкива на каждой из передач принципиально не меняет силовую схему, так как он служит лишь для натяжения ремня или для замера окружного усилия.

Рассмотрим случай стенда с симметричной загрузкой и установленными на нем двумя ремнями одинаковой технической характеристики, для которых, в пределах статистического рассеяния,k1=k2 = k

Общее передаточное отношение стенда

где Рс — окружное усилие, необходимое для преодоления вредных сопротивлений.
Окружное усилие в передаче I

Таким образом, на стенде замкнутого силового потока во всех случаях один ремень, установленный на передачу с большим передаточным отношением, воспринимает окружное усилие, большее, чем второй, на величину, необходимую для преодоления потерь энергии в стенде, т. е. на стендах существующих конструкций принципиально невозможно обеспечить равную загрузку двух ремней.

При установке на стенд ремней с различной технической характеристикой, т. е.

Это означает, что на стенде поддерживается относительное (в пределах статистического рассеяния) постоянство нагрузки на ремень лишь при испытании определенной пары ремней. При замене хотя бы одного из них, например, после его отказа, требуется производить переналадку стенда, для доведения в каждом из ремней окружного усилия до прежнего значения.

На стенде с симметричной загрузкой общее передаточное отношение меньше единицы (т. е. частота вращения ведомого вала меньше, чем ведущего), прямо пропорционально величине сил вредных сопротивлений и зависит от упругих свойств тягового слоя ремней.

На стенде с несимметричной загрузкой передаточные отношения двух ремней

Так, же, как и на стенде с симметричной загрузкой ремень, установленный на передачу с большим передаточным отношением, нагружен больше, чем второй, на величину усилия, необходимого для преодоления сил внутреннего сопротивления в стенде.

Сравнивая уравнения (30), (31), (32) и (33), видим, что окружные усилия в каждой из передач стенда с несимметричной загрузкой могут быть уравнены с такими же усилиями в стенде с симметричной загрузкой, если установить

Расчет нагрузок в ремнях и контроль стабильности нагрузки производятся аналогично описанному выше.

Мощность, передаваемая каждым из ремней стенда замкнутого силового потока, не может быть определена непосредственным замером скольжения (разности частот вращения двух валов). На стендах с симметричной схемой нагружения общее передаточное отношение определяется упругими свойствами ремней, величиной потерь энергии на преодоление внутренних сопротивлений стенда и лишь косвенно, через изменение величины сил сопротивления от величины передаваемой мощности, зависит от окружного усилия.

На стендах с несимметричной схемой нагружения зависимость общего передаточного отношения (общего скольжения) носит неявный характер и потому, как показывает опыт [19], прямой замер скольжения может привести к большим ошибкам при определении передаваемой мощности.

В целом же характер передачи окружного усилия и зависимость скольжения от нагрузки совершенно идентичны как при прямой передаче мощности, так и при передаче мощности в замкнутом силовом потоке, и потому величины скольжения при передаче равной мощности равны в том и другом случае при выборе одних и тех же исходных точек отсчета.

Отклонения в показаниях численных значений скольжения одного и того же ремня при передаче равной мощности и испытаниях по методу прямого нагружения и по методу замкнутого силового потока могут быть объяснены лишь тем, что при расчете скольжения в каждой из передач при разных способах нагружения принимались разные начальные значения скоростей и усилий.