Повышение износоустойчивости мальтийского механизма снижением трения в его звеньях

Кинематографу, как самому массовому и доступному для народа виду искусства, принадлежит огромная роль в идейно-эстетическом, нравственном воспитании населения и удовлетворении его духовных потребностей. В многозвенном ряду техники фильмопроизводства и кинопоказа особая роль принадлежит кинопроекционной аппаратуре (КПА), которая является конечным звеном кинематографической системы.

Качеством своей работы, своими техническими характеристиками КПА непосредственно выводит этот процесс на зрителя, который по качеству доводимого до него изображения и звука оценивает и всю совокупность техники сквозного кинематографического процесса.

Особое внимание в период перехода страны к рыночным отношениям уделяется экономическим проблемам. В этой связи большое значение приобрели наряду с перспективными разработками новой аппаратуры вопросы сохранности фильмовых материалов, надежности и долговечности аппаратуры, находящейся в эксплуатации.

В государственной киносети до настоящего времени находилось около 150 000 профессиональных киноустановок, однако в условиях рынка потребность в новых КПА явно снизится, так как ее замену будут осуществлять теперь только в том случае, когда новая аппаратура будет значительно превосходить по своим эксплуатационным и качественным показателям существующую и сможет дать дополнительную прибыль.

Исходя из этого, требования потребителей к кинопроекционной аппаратуре в первую очередь будут направлены на:

— повышение качества кинопоказа, которое сможет привлечь большее количество кинозрителей;

— повышение сохранности фильмокопий, стоимость которых значительно возросла и соизмерима со стоимостью всего кинопроектора;

— повышение надежности кинопроектора, упрощение его обслуживания путем устранения необходимости различного рода регулировок и смазок в процессе эксплуатации киномехаником и автоматизации кинопоказа, которые позволят сократить штат обслуживающего технического персонала.

Интегральное качество кинопроектора характеризуется рядом комплексных и единичных показателей качества, которые в соответствии с ГОСТ 15 467–79 делятся на три группы: функциональные, производственно-технологические и эксплутационные. Каждая группа показателей подразделяется на подгруппы всоответствии с иерархической структурой отдельных свойств кинопроекционной аппаратуры /31/.

Реальные значения различных показателей качества кинопроектора зависят от работы соответствующих его функционально-составных частей (ФСЧ)-многочисленных узлов и механизмов. Среди последних к числу важнейших относится мальтийский механизм, который формирует такие важные параметры кинопроектора как:

1. Качество экранного изображения.

Вследствие неточной работы мальтийского механизма в процессе проекции геометрические центры последовательных кадров кинофильма не совпадают, что проявляется в появлении неустойчивости кадра. При чрезмерной неустойчивости кадра зритель ощущает вертикальное качание изображения или некоторую нерезкость его в результате чего качество кинопроекции заметно ухудшается, а глаза зрителей быстро утомляются.

2. Износ фильмокопии.

В процессе эксплуатации фильмокопии претерпевают повышенный износ и подлежат списанию, прослужив существенно меньше нормированного количества сеансов /42,46,37/. Если нормированное число сеансов отечественной фильмокопии 35 мм формата до ее списания составляет 500 сеансов /40,41,42/, то на ряде киноустановок фильмокопию удается эксплуатировать не более 350−400 раз, а на кинопроекторах типа КН это число снижается в некоторых случаях до 250 раз.

Мальтийский механизм является главным источником повреждения межперфорационных перемычек (МПП) фильмокопии и сокращения срока ее службы с соответствующими экономическими издержками в кинопрокате. Этот факт обусловлен тем, что усилия, действующие со стороны зубьев скачкового зубчатого барабана мальтийского механизма на межперферационные перемычки фильмокопии, значительно превышают усилия в других звеньях механизма транспортирования киноленты в кинопроекторе.

Кроме того износ деталей ММ в процессе его эксплуатации приводят к нарушению первоначальных условий транспортирования фильмокопии и еще более интенсивному износу МПП.

3. Уровень шума при работе кинопроектора.

Прерывистость движения звеньев мальтийского механизма, неизбежность появления зазоров в сопряжениях этих звеньев, вызванное неточностью их изготовления и износом, ударное приложение относительно больших нагрузок к ним обуславливают тот факт, что мальтийский механизм как правило, является главным источником шума и вибрации при работе кинопроектора.

4. Надежность функционирования кинопроектора.

Вследствие относительно большой сложности, нагруженности и степени влияния на важнейшие функциональные параметры качества кинопроектора, мальтийский механизм является наиболее критичным по надежности механическим узлом кинопроекционного аппарата.

Надежность мальтийского механизма в свою очередь характеризуется такими показателями, как вероятность безотказной работы и долговечность (ГОСТ 27.002−83 «Надежность в технике»).

Ресурсы работы наиболее ответственных деталей мальтийского механизма относительно малыв 1,5−3 раза меньше сроков службы основной массы других деталей и узлов, определяющих в целом общий срок службы всего кинопроектора. При этом трудоемкость ремонта деталей мальтийского механизма значительно (в 5 и более раз) выше, чем изготовление новых деталей, вследствие малой механизации процесса ремонта.

Статистические данные /15,18/ об отказах составных частей кинопроектора показывают, что наиболее критичным среди них является мальтийский механизм. При этом до настоящего времени мальтийский механизм остается единственным узлом в кинопроекторе, требующим обильной жидкой смазки, что усложняет конструкцию механизма, затрудняет его обслуживание и может привести к попаданию масла на фильмокопию.

В последние годы было предложено повысить частоту кинопроекции до частоты, превышающей критическую частоту слияния мельканий /39/, что улучшило качество изображения.

Для реализации поставленной задачи необходим кинопроектор, который мог бы работать при требуемой частоте кинопроекции.

Увеличение скорости и ускорения деталей мальтийского механизма, скачкового барабана и транспортируемой им киноленты должно привести к их преждевременному износу и шуму. Поэтому мальтийский механизм, используемый в настоящее время для обычной частоты кинопроекции не может применяться.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что недостаточно высокое качество экранного изображения, преждевременный износ фильмокопий, недостаточная надежность и ресурс функционирования, а также большие трудовые и материальные затраты по поддержанию работоспособности кинопроекторов в условиях эксплуатации вызваны в значительной мере несовершенством конструкции мальтийского механизма.

Целью настоящей работы является нахождение путей устранения указанных недостатков.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить причины преждевременного износа звеньев мальтийского механизма и киноленты и выявить основные пути повышения их износоустойчивости и долговечности.

2. Выполнить теоретические и экспериментальные исследования по выявлению степени влияния конструктивных параметров мальтийского механизма на износ его деталей, динамику и точность работы.

3. Обосновать принципы оптимизации конструктивных параметров мальтийского механизма и разработать технические решения, позволяющие повысить его износостойкость в условиях эксплуатации без жидкой смазки.

4. Выбрать и обосновать корректную модель для расчета ресурса ответственных деталей мальтийского механизма и возможного хода процесса их изнашивания при сравнении различных вариантов конструкций.

Результаты работы легли в основу НИР, включенной в план ГОСКИНО РФ «Разработка кинопроектора нового поколения», внедрены в учебный процесс по курсам «Киновидеоаппаратура», «Кинотехника», и «Теория механизмов транспортирования носителей информации», в курсовом и дипломном проектировании, вошли в отчеты по научной работе СПГУКиТ.

Основные материалы диссертации опубликованы в 4-х статьях сборника «Труды СПГУКиТ», доложены на Международной конференции «Кинотеатр-XXI» и обсуждены на научно-технических семинарах кафедры киновидеоаппаратуры СПГУКиТ.

Рекомендации по оптимизации конструктивных параметров и технические решения износоустойчивых мальтийские механизмов предлагаются специалистам ведущих предприятий ЛОМО, БеЛОМО, ЗАО НТЦ «Экран-В», МОСКИНАП для использования при модернизации и разработке новой кинопроекционной аппаратуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

1. Разработанная динамическая модель процесса обкатывания пальца эксцентрика по стенкам шлицов креста и ее математическое описание в виде дифференциальных уравнений движения позволяет проводить количественный анализ и оценивать влияние на этот процесс различных факторов (момента инерции и момента трения в опорах пальца, внешней тангенциальной силы, микропроскальзывания на контакте, отклонения поверхности качения от правильной цилиндрической формы, упругих деформаций, вязкости смазки, микрогеометрии и твердости тел качения).

2. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что на процесс обкатывания пальца по сгенкам шлицов креста наибольшее влияние из рассмотренных факторов оказывают момент от внешней тангенциальной силы и момент инерции пальца. Фактор овальности поверхности качения пальца приводит к циклическому возрастанию и убыванию сопротивления качению и при некоторых положениях пальца может либо увеличить общий момент сопротивления, либо погасить его и даже вызвать усилия на контакте, направленные в сторону качения. Увеличение твердости пальца от 30 до 50 HRC приводит к росту коэффициента трения и момента сопротивления качению примерно в 1,3 раза, а при переходе от грубой поверхности пальца (Ra=l, 6 мкм) к более гладкой (Ra=0,032 мкм) момент сопротивления качению пальца уменьшается приблизительно в 3,9 раза. Сопротивление качению пальца при наличии жидкой смазки изменяется в соответствии с изменением толщины мас-лянного слоя, увеличивая общий момент сопротивления обкатыванию пальца по поверхности шлицов креста. Консистентные смазки создают незначительное сопротивление качению, поскольку рабочий слой смазки непосредственно на поверхности качения чрезвычайно мал, однако их действие недолговечно и требуются специальные меры для возобновления этих смазок на рабочих поверхностях.

3.Режим работы пальца, при котором он является ведомым элементом по отношению к поверхности шлица крести, обеспечивает лишь част ичную замену трения скольжения трением качения. При этом палец не только обкатывается, но и скользит по поверхности контакта, испытывая повышенный износ. С целью обеспечения полного обкатывания пальца по стенкам шлицов креста предложена конструкция мальтийского механизма, в которой палец нагружен дополнительным тяговым моментом, величина которого должна быть не менее 16 Н-мм.

4. Для обеспечения работы мальтийского механизма без жидкой смазки предложено все валы механизма, включая палец эксцентрика, установить в подшипники качения, а фиксирующую шайбу изготовить из полимерного самосмазывающего материала. Установлено, что полимерные материалы типа блочного полиамида марки каиролон В и конструкционного текстолита марки ПТК, выбранные для изготовления фиксирующей шайбы, полностью удовлетворяют прочностным и температурным условиям для нагрузок и скоростей, действующих в зоне трения при работе мальтийского механизма, имеют относительно низкую стоимость, хорошую износостойкость и технологичность. Вместе с тем, увеличение температуры и влажности окружающей среды приводит к уменьшению эксплуатационного зазора между полимерной шайбой и выемкой креста, поэтому установочный зазор в этом сопряжении должен быть больше, чем в металлических парах трения. Установлено, что при эксплуатационном зазоре равном 0,01 мм оптимальная величина установочного зазора должна составлять 0,024 мм.

5. В четырехлопастном мальтийском механизме на шариковых подшипниках, работающем без жидкой смазки, детали механизма работают в предельном нагрузочном режиме и имеют ресурс работы меньше нормативно установленного (3600 часов) для мальтийских механизмов, применяемых в кинопроекционной аппаратуре. При этом шарикоподшипники, в которых закреплены валы треста и эксцентрика, а также палец эксцентрика, испытывают повышенные динамические нагрузки, что еще в большей степени уменьшает ресурс работы мальтийского механизма (в среднем до 1800−2000 часов) и даже может привести к выходу подшипников из строя.

6. Анализ результатов исследований по износу деталей мальтийского механизма показал, что время работы сопряжения полимерной фиксирующей шайбы с выемками стального креста до появления предельно допустимого зазора равного 0,015 мм в условиях сухого трения составляет порядка 3200−3300 часов, а в условиях полусухого трения (консистентная смазка или незначительное количество жидкой смазки) примерно 9400−9500 часов. Для увеличения срока службы капролоновой шайбы эксцентрика стальные выемки креста, с которыми она контактирует, должны быть обработаны по 8−9 классу шероховатости с Ra не более 0,2 мкм и твердостью не менее HRC 42−48.

7. Износ пальца эксцентрика, обкатывающегося по стенкам шлицов креста со скольжением в условиях без жидкой смазки, достигает предельного значения 0,052 мм за время работы мальтийского механизма, равного примерно 2800−3100 часов. В случае, когда палец нагружен дополнительным тяговым моментом и обкатывается по стенкам шлицов креста без скольжения его износ составляет порядка 0,02 мм за время работы механизма 10 000 часов. Однако такой механизм требует дополнительных серьезных исследований. Экспериментально установлено, что в период приработки (примерно до 200 часов) нового сопряжения пальца со шлицами креста происходит наиболее интенсивный износ поверхности пальца. При этом образуется наклеп (упрочнение) материала пальца, в результате которого его рабочая поверхность становится более гладкой (блестящей) и создаются условия для снижения интенсивности изнашивания.

8. Сопоставление кинематических и динамических характеристик мальтийских механизмов с различным числом лопастей креста показало, что при замене четырехлопастного креста шестилопастным максимальные усилия, действующие на межперфорационные перемычки киноленты уменьшаются примерно в 3,6 раза, а нагрузки на палец эксцентрика и стенки шлицов креста снижаются более чем в 5 раз. При этом дальнейшее увеличение числа лопастей креста не дает существенного уменьшения усилий на киноленту и звенья мальтийского механизма.

9. Использование в кинопроекторе импульсного источника света (два импульса длительностью по 0,007 секунды на кадр) позволяет увеличить время перемещения киноленты на шаг кадра без снижения светового потока кинопроектора и перейти от четырехлопастного мальтийского механизма с рабочим углом 90° к шестилопастному с рабочим углом 120°. Это позволяет также упростить конструкцию кинопроектора благодаря устранению обтюратора, механизма компенсации обтюратора и зубчатой передачи, передающей на него вращение. При этом облегчается доступ к фильмовому каналу для зарядки фильмокопии и чистки канала со стороны источника света, уменьшается уровень акустического шума, упрощается обслуживание и ремонт, снижается стоимость производства и эксплуатации кинопроектора.

10. Анализ результатов испытаний по износу деталей мальтийского механизма и киноленты в режиме нагрузок, соответствующих шестилопастному кресту, показал, что износ шлицов креста и фиксирующей шайбы за время работы механизма равное 1500 часов практически отсутствует. Износ пальца эксцентрика за это же время составляет примерно 0,006−0,008 мм и срок службы мальтийского механизма с шестилопастным крестом увеличивается по сравнению с механизмом, имеющим четырехлопастный крест, примерно в 4−5 раз. При этом износ фильмокопии по перфорациям уменьшается приблизительно в 3−4 раза, а число прогонов кольца киноленты увеличивается соответственно с.

2500 до 9000. Это позволяет существенно увеличить общий срок службы кинопроектора и нормированное количество сеансов фильмокопии до ее списания, а следовательно дать дополнительную экономическую прибыль.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.

Разработана динамическая модель процесса качения пальца эксценрика по стенкам шлицов креста и составлено ее математическое описание в виде дифференциальных уравнений движения элементов модели, позволяющие проводить количественный анализ и оценивать влияние на этот процесс различных конструктивных параметров мальтийского механизма, а также физико-механических и фрикционных свойств тел качения.

Выбраны и обоснованы критерии оптимизации конструктивных параметров мальтийского механизма, незвояяощие еоздать-принципиальные предпосылки для повышения износостойкости и долговечности его составных частей в условиях работы без жидкой смазки.

Разработана методика расчета, позволяющая установить закономерности и возможный ход процесса изнашивания деталей мальтийского механизма в условиях работы без жидкой смазки и уже на стадии проектирования механизма определить во сколько раз повысится его износостойкость и долговечность по отношению ктфототипу.

На основании теоретического анализа и экспериментальных исследований предложены технические решения, обеспечивающие минимальный износ звеньев мальтийского механизма и киноленты.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.

Разработан комплекс программ на ЭВМ, который реализует инженерный метод расчета и может быть рекомендован при оптимизации и разработке новых мальтийских механизмов/ Предложен метод и технические средства, которые могут быть использованы при экспериментальных исследованиях процесса износа деталей мальтийского механизма и транспортируемой им киноленты.

Даны практические рекомендации по выбору полимерного материала для фиксирующей шайбы и подшипников качения для валов и пальца эксцентрика в мальтийском механизме без жидкой смазки.

Определен установочный зазор в сопряжении полимерной шайбы с выемкой стального креста и даны рекомендации по чистоте обработки и твердости этих деталей.

Разработаны конструкции и изготовлены макеты мальийских механизмов, обеспечивающие минимальный износ их звеньев и киноленты в условиях работы без ж-идкой смазки.

Показана целесообразность применения шестилопастного мальтийского механизма в кинопроекторе с импульсным источником света.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ.