Temperatūros įtaka rutulinių varžtų veikimui ir tarnavimo laikui

Kaip pagrindinis tikslaus perdavimo laukų komponentas, rutulinis sraigtas tiesiogiai veikia CNC staklių, pramoninių robotų ir pan. Esant ekstremalioms temperatūros sąlygoms, rutulinių varžtų mechaninės savybės, šiluminės deformacijos charakteristikos ir medžiagų senėjimo procesas labai pasikeis. Apjungiant medžiagų mokslą, termodinamiką ir tribologiją, šiame darbe sistemingai analizuojama temperatūros įtaka rutulinių varžtų eksploataciniams parametrams, gedimo režimams ir tarnavimo laikui.
1.Tiesioginis temperatūros poveikis mechaninėms medžiagų savybėms
1.1 Temperatūros įtaka stiprumui ir kietumui
Kylant temperatūrai, plieno tamprumo modulis netiesiškai mažėja. Eksperimentiniai duomenys rodo, kad rutulinio sraigto M24 ribinės ir takumo apkrovų skirtumas sumažėjo 93 % nuo 30 kN 2 kN kN kambario temperatūros, kai aplinkos temperatūra viršija 300 laipsnių C. Šis pokytis atsiranda dėl to, kad aukšta temperatūra susilpnina sukibimą tarp atomų, todėl sumažėja atsparumas gardelės iškraipymui. Projektuojant rutulinius varžtus su išankstine apkrova, ašinis standumas sumažėja maždaug 8–12 %, padidėjus kas 50 laipsnių, o tai tiesiogiai veikia padėties nustatymo pakartojamumą.
1.2 Staigus plastinės deformacijos pajėgumo pokytis
Esant kritinei temperatūrai (paprastai 400–500 laipsnių), medžiagos plastiškumas padidėja neįprastai. Pavyzdžiui, 38CrMoAlA nitriduoto plieno plotas kambario temperatūroje sumažėjo 55%, o 450 laipsnių temperatūroje padidėjo iki 68%. Šį plastiškumo padidėjimą lydi pagreitėjęs valkšnumas, dėl kurio varžtai negrįžtamai pailgėja esant pastoviai apkrovai. Automobilių gamybos linijos atvejo tyrimas atskleidė, kad esant 40 laipsnių Celsijaus aplinkos temperatūrai, rutulinis sraigtas per dieną nušliaužė iki 0,003 mm, todėl per tris mėnesius susidarė daugiau nei 0,2 mm kumuliacinė paklaida, o tai sukėlė įrenginio apsaugos išjungimą.
1.3 Šiluminio plėtimosi koeficientų inžinerinės reikšmės
Dėl rutulinių varžtų komponentų šiluminio plėtimosi koeficientų skirtumo susidaro sudėtingas įtempių laukas. Plieninio sraigto (= 11.5 × 10-6 laipsniai) ir vario lydinio veržlių (= 17 × 10-6 laipsnių) derinys, esant 50 laipsnių C temperatūros gradientui, sudarė 0,027 mm ašinio poslinkio skirtumą. Dėl šio neatitikimo sumažėja 35–40 %. Pasak vieno aviacijos gamintojo, tokie šiluminio įtempimo gedimai sudaro 22% rutulinių varžtų gedimų.
2. Temperatūros įtaka tribologinėms charakteristikoms
2.1 Pagrindiniai tepalų veikimo pokyčiai
Kūgio tepalo prasiskverbimas didėja eksponentiškai didėjant temperatūrai. Ličio{1}}pagrindo tepalų darbinis klampumas sumažėja iki penktadalio kambario temperatūros esant 80 °C, o alyvos plėvelės storis sumažėja nuo 2 μm iki 0,4 μm. Pakeitus kontaktų santykį padidėja nuo 12% iki 47%, o trinties koeficientas nuo 0,008 iki 0,035. Puslaidininkinės įrangos gamintojo atlikti bandymai parodė, kad tepimo gedimas padidino rutulinio sraigto darbinį sukimo momentą 220%, o tai suveikė variklio perkrovos apsaugą.
2.2 Temperatūra-Varomojo susidėvėjimo režimo perėjimai
Aukšta temperatūra pakeičia pagrindinį nusidėvėjimo mechanizmą. nuovargis yra pagrindinė priežastis kambario temperatūroje, o oksidacinis susidėvėjimas tampa pastebimas 150 laipsnių temperatūroje. Esant 300 laipsnių sraigto paviršiui Fe3O4 oksido sluoksnis sudaro 0,5{12}}1 mikrono storį. Nors šis sluoksnis (HV650) yra kietesnis nei substratas (HV280), dėl jo trapumo susidaro didesnės skilimo dalelės (3-5 kartus didesnės). Šios kietos dalelės sukelia trijų korpusų abrazyvinį cirkuliacijos sistemos nusidėvėjimą, o tai sumažina varžto tarnavimo laiką 60–70%.
2.3 Dinaminis išankstinės apkrovos slopinimas
Temperatūros svyravimai gali sukelti periodinius išankstinės apkrovos pokyčius. Z ašies rutulinio sraigto apdirbimo centre kasdieninis išankstinės apkrovos susilpnėjimas siekia 0,8 kN, kai temperatūros ciklas yra 20–60 °C. Šis susilpnėjimas atsiranda dėl terminių deformacijų skirtumų tarp veržlės ir guolio korpusų. Kai temperatūrų skirtumas viršija 30 laipsnių, radialinis prošvaisa padidėja 0,015 mm, sukeldama nenormalią vibraciją. Kai vibracijos pagreičio lygis padidėja nuo 0,5 g iki 2,1 g, sferinio paviršiaus nuovargio įtrūkimų plitimo greitis padidėjo aštuonis kartus.
3. Greitėjantis temperatūros poveikis medžiagų senėjimui
3.1 Terminis azotuotų sluoksnių skilimas
Po 520 laipsnių dujinės nitrifikacijos 38CrMoAlA plienas sukuria 0,6 mm storio ε-fazinį junginio sluoksnį (Fe2-3N), kurio storis 0,6 mm. Kai darbinė temperatūra viršija 480 laipsnių, šis nitriduotas sluoksnis pradeda irti, o kietumas nukrenta nuo HV1000 iki HV600 per 200 valandų. Injekcinio liejimo mašinos atvejo tyrimas parodė, kad nitriduoto sluoksnio gedimas padidino varžtų nusidėvėjimą nuo 0,002 mm per mėnesį iki 0,025 mm per mėnesį ir sumažino keitimo ciklą nuo 5 metų iki 8 mėnesių.
3.2 Dengimo medžiagų terminis gedimas
Kietojo chromo dangų grūdėtumo šiurkštumo laipsnis viršijo 200 laipsnių, o poringumas padidėjo nuo 3% iki 12%. Eksperimentai su vėjo turbinos žingsnio sistema parodė, kad sugedus dangai, varžto pagrindo korozijos greitis padidėjo 15 kartų. Užtemimas (gylis didesnis nei 0,1 mm) įvyko per 6 mėnesius, kai pakrantėje buvo didelė drėgmė (RH90%). Korozijos produktų (FeCl2 4H2O) katalizė dar labiau pagreitina nusidėvėjimą ir sukuria sinerginį korozijos susidėvėjimo efektą.
3.3 Polimerinių narvų terminė deformacija
Nylon 66 narvų linijinis plėtimosi koeficientas 80 laipsnių kampu yra 80 × 10-6 / laipsnis, septynis kartus didesnis nei plieninių elementų. Dėl šio skirtumo rutulys gali deformuotis iki 0,05 mm, todėl rutulys užsikimš. CNC staklių gedimų analizė parodė, kad narvelio šiluminė deformacija padidino veikimo triukšmą nuo 65 dB iki 82 dB ir sukėlė nenormalų sraigto temperatūros kilimą (ΔT > 15 laipsnių), sudarant užburtą ratą.
4. Techninės temperatūros kontrolės priemonės
4.1 Medžiagos pasirinkimo optimizavimas
For high temperature applications (>150 laipsnių), reikėtų pasirinkti kobalto lydinius (pvz., volframo chromo kobaltą 6B) arba keramines dangos medžiagas. Naftos chemijos įmonės atvejo tyrimas parodė, kad Stellite 6B dangos pailgino varžtų tarnavimo laiką nuo 3 mėnesių iki 3 metų, todėl priežiūros išlaidos sumažėjo 82%. Esant žemai temperatūrai (-40 laipsnių ir žemesnei), turi būti naudojamas austenitinis nerūdijantis plienas (pvz., . 316 litrų), kad būtų išvengta trapių lūžių.
4.2 Šilumos valdymo naujovės
Priverstinė aušinimo sistema gali palaikyti sraigto darbinę temperatūrą protingame diapazone. Automobilių suvirinimo linijos atvejo tyrimas parodė, kad alyva -aušinami varžtai sumažino temperatūrą nuo 65 laipsnių iki 28 laipsnių ir 0,005 mm pagerino padėties nustatymo tikslumą. Tiksliojo matavimo tikslais termoelektriniais aušintuvais pasiekiama + -0.1 laipsnių temperatūros kontrolė, o varžtų šiluminio dreifo paklaidos apribojamos iki mažesnės nei 0,2 μm/m.
4.3 Struktūrinio kompensavimo planas
Dvigubos{0}}veržlės išankstinės apkrovos konstrukcijų elastingumas sugeria daugiau nei 80 % šiluminių deformacijų. Orlaivių ir kosmoso gamintojo atliktas atvejo tyrimas parodė, kad diskinių spyruoklių kompensavimo įtaisas sumažino ašinių poslinkių skirtumus nuo 0,12 mm iki 0,015 mm, kai temperatūra svyruoja nuo -30 laipsnių iki 60 laipsnių C. Itin ilgiems varžtams (L > 4 m), tarpinė atramos konstrukcija su šilumine kompensacija sumažina lenkimo deformaciją 65 %.
V. Išvados ir perspektyvos
Temperatūra iš esmės įtakoja rutulinių varžtų tikslumo išlaikymą ir tarnavimo laiką, pakeisdama medžiagos savybes, trinties būsenas ir senėjimo procesą. Būsimi tyrimai bus sutelkti į tris aspektus: 1) intelektualių medžiagų, turinčių neigiamus šiluminio plėtimosi koeficientus, kūrimą, 2) šilumos -apkrovos- gyvavimo trukmės santykio susietų prognozavimo modelių kūrimą ir 3) skaitmeninės dvynių technologijos propagavimą šiluminės deformacijos kompensavimui. Didėjant pramonės 4.0 įrangos patikimumo reikalavimams, sistemos temperatūros valdymas bus raktas į rutulinių varžtų technologijos technologinę pažangą.