Влияние трения на потери энергии в системе 'инструмент-заготовка'
Влияние трения на потери энергии в системе «инструмент-заготовка»
Развитие современного
станкостроения, его модернизация и повышение конкурентоспособности [] тесно
связаны с повышением энергоэффективности машиностроительных технологических процессов
[]. Трение является одним из основных факторов, формирующих энергоэффективность
при реализации этих технологических процессов, т.к. на преодоление трения
уходит до 30% потребляемой энергии. Кроме того, уравнение энергетического
баланса [] показывает, что одним из факторов, обеспечивающих эффективность
технологических процессов, является снижение потерь энергии непосредственно в
зоне обработки.
Установление взаимосвязи трения с
потерями энергии в зоне обработки осуществлялось экспериментально.
Исследование проводились на
экспериментальной установке, разработанной на базе универсальной машины трения
МТУ-01, предназначенной для испытаний на трение, изнашивание металлических и
неметаллических материалов в условиях применения смазочных материалов (различных
масел и пластичных смазок) и без их применений (сухое трение).
Исследования проводились при
взаимном перемещении прижатых друг к другу с заданным усилием испытуемых
образцов, представляющих собой неподвижный диск (нижний образец) и три
вращающихся ролика (верхний образец), в среде смазочных материалов и без них
(рис. 1).
Рис. 1. Схема контакта поверхностей
пары трения
где: P - сила вертикальной нагрузки
(осуществляется маховиком точной подачи привода станка); N - сила реакции опоры; Fн - сила нагрузки прикладываемая к
штифту; Fтр - сила трения; Ro - расстояние от центра вращения до упорного штифта; Rк - среднее значение радиуса
контактирующих поверхностей
Структурная схема установки
представлена на рисунке 2.
Установка содержит измерительный
модуль, привод и модуль узла трения, обеспечивающие возможность оценки
фрикционных свойств образцов в широком диапазоне нагрузок и скоростей.
Рис. 2. Схема экспериментальной
установки
где 1 - тензобалка; 2 - термопара; 3
- образец для исследования; 4 - узел трения; 5 - датчик для замера усилия
прижатия.
Измерительный модуль включает в себя
аналого-цифровой преобразователь ZET 210 SigmaUSB, предназначенный для сбора и обработки сигналов от тензо- и
термодатчиков и программное обеспечение ZETLab для анализа полученных
данных. Измерительный модуль электрически связан с датчиками модуля узла
трения.
Модуль узла трения содержит блок
узла трения, обеспечивающий закрепление образцов, восприятие осевой нагрузки и
передачи крутящего момента; стойку для тензобалки, необходимую для восприятия
крутящего момента (момента трения); тензобалку с кабелем для замера силы
прикладываемой к штифту через блок; датчик силы для замера усилия прижатия;
термопару, для замера температуры в узле трения; комплект образцов для
испытаний.
Узел трения монтируется на общей
станине настольного вертикально-фрезерного станка Корвет 412.
При исследовании были измерены силы
нагрузки, прикладываемой к штифту (Fн) и прижимное усилие в
образцах (P).
Момент, создаваемый на упорном
штифте, рассчитывался по формуле:
Мд= Ro*Fн,
где: Мд - момент, возникающий
на упорном штифте, Нм;
Ro - расстояние от центра вращения до упорного штифта, м;
Fн - сила нагрузки, прикладываемая к штифту через блок, Н.
Исходя из равенства моментов трения M и момента Мд рассчитывалась сила трения Fтр.
Md=M или Ro*Fн=Rk*Fтр
Fтр=Ro*Fн/Rk
трение энергия заготовка
Коэффициент трения Ктр определялся
по формуле:
Ктр=Fтр/P=Fн*Ro/P*Rk
Первый опыт был проведен без применения
смазочных средств (сухое трение). Результаты расчета коэффициента трения для
этого случая приведены в таблице 1.
Таблица 1. Результаты расчета
коэффициента трения без применения смазочных средств
Fн, мВ
|
Fн, Н
|
P, мВ
|
P, Н
|
∆t, с
|
Ro, мм
|
Rk, мм
|
Ктр=Fтр/P=Fн*Ro/P*Rk
|
0,33
|
27
|
0,5
|
280
|
60
|
13,4
|
11,2
|
0,11
|
0,66
|
49,09
|
1,0
|
550
|
60
|
13,4
|
11,2
|
0,11
|
0,85
|
69,5
|
1,5
|
832
|
60
|
13,4
|
11,2
|
0,1
|
Работа, затрачиваемая на преодоление
трения определялась по формуле
Атр=ω*∆t * Kтр*P*πRk,
где ω
- частота вращения (ω = 550 об/мин),
∆t - время испытаний (∆t = 1 мин).
Подставив эти значения, имеем
Атр=3300*Kтр*P*πRk
Полученные по последней зависимости
значения позволяют определить затрачиваемую на преодоление трения энергию.
Результаты расчета занесены в таблицу 2.
Таблица 2. Результаты расчета
затрачиваемой энергии на преодоление трения (сухое трение)
P, Н
|
Затрачиваемая энергия
|
0,11
|
280
|
59,57 Вт
|
0,11
|
550
|
115,80 Вт
|
0,1
|
832
|
160,92 Вт
|
Результаты исследований энергии,
затрачиваемой на преодоление трения в зоне резания, при наличии смазки в виде
СОЖ на водной основе, представлены в таблице 3, а результаты расчета
затрачиваемой в этом случае энергии на преодоление трения - в таблице 4.
Таблица 3. Результаты расчета
коэффициента трения с применением смазочных средств
Fн, мВ
|
Fн, Н
|
P, мВ
|
P, Н
|
∆t, с
|
Ro, мм
|
Rk, мм
|
Ктр=Fтр/P=Fн*Ro/P*Rk
|
0,21
|
17,2
|
0,5
|
280
|
60
|
13,4
|
11,2
|
0,0731
|
0,36
|
29,5
|
1,0
|
550
|
60
|
13,4
|
11,2
|
0,0638
|
0, 5
|
41
|
1,5
|
832
|
60
|
13,4
|
11,2
|
0,0586
|
Второй опыт проведен с применением
смазочных материалов 2 мл. СОЖ на водной основе. Все данные так же берутся из
графика на рисунке 6, расчет результатов проводится аналогичнокак и при сухом
трении.
Таблица 4. Результаты расчета
затрачиваемой энергии на преодоление трения с применением смазочных средств
Ктр
|
P, Н
|
Затрачиваемая энергия
|
0,0731
|
280
|
39,59 Вт
|
0,0638
|
550
|
67,87 Вт
|
0,0586
|
832
|
94,30 Вт
|
Таким образом, проведенные
экспериментальные исследования позволили установить качественные и
количественные взаимосвязи между трением в системе «заготовка-инструмент» и
наличием смазочно-охлаждающих средств. Исследования показали, что при
одинаковых нагрузках за счет снижения коэффициента трения снижается и мощность
необходимая для преодоления трения (потери энергии на трение).
Так, при снижении коэффициента
трения при разных нагрузках в среднем на 67% потребление энергии на преодоление
трения снижается в среднем до 61%.
Это означает, что с одной стороны
применение смазочно-охлаждающих жидкостей существенно снижает потери энергии,
но, с другой стороны, уменьшает и коэффициент мощности электротехнических
систем станка, т.е. неоднозначно воздействует на энергоэффективность []
технологических процессов, реализуемых на этом станке.
Список литературы
1. ГОСТ 23.224-86 «Обеспечение износостойкости изделий. Методы
оценки долговечности восстановленных деталей»
. Программное обеспечение ZETLab. Модуль ZET 2XX. Средства записи и
воспроизведения сигналов.