CC BY
21Механика специальных систем
УДК 662.822
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ И ПОДХОДОВ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ УСТАЛОСТНЫХ РАЗРУШЕНИЙ ИГОЛЬЧАТЫХ ПОДШИПНИКОВ
Е. В. Кукушкинi, В. А. Меновщиков2, Т. Т. Ереско3
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: ironjeck@mail.ru1, vladimirm@g-service.ru2, ereskott@mail.ru3
Рассматриваются современные достижения в исследованиях усталостных разрушений и малоцикловая усталость игольчатых подшипников. Приведен основной обзор выполненных работ в данном направлении. Дан анализ современных представлений об усталостных процессах игольчатых подшипников.
Ключевые слова: усталостные разрушения, игольчатые подшипники, современные представления исследований.
THE ANALYSIS OF MODERN REPRESENTATIONS AND APPROACHES AT THE RESEARCH OF FATIGUE FAILURES OF NEEDLE BEARINGS
E. V. Kukushkini, V. A. Menovshchikov2, T. T. Ereskoз
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russia E-mail: ironjeck@mail.rui, vladimirm@g-service.ru2, ereskott@mail.ru3
Modern achievements in researches offatigue failures and low-cyclic fatigue of needle bearings are considered. The main review of the works executed in this direction is provided. The analysis of modern ideas of fatigue processes of needle bearings is given.
Keywords: fatigue failure, needle bearings, modern concepts of research.
Современное состояние науки об износе дает понять, что без понимания самого процесса износа невозможно создание эффективных методов борьбы с этим явлением. Анализ работ показал, что не всегда в основу гипотезы или точки зрения было положено экспериментальное исследование.
Аспекты прочности и гипотезы разрушения материалов при контактном и циклическом нагружения были описаны Гриффитсоном, который объяснил расхождение в прочности идеальных и реальных хрупких тел наличием дефектов типа трещин. Орован, Тейлор и Поляни разработали теорию дислокаций и предложили связать снижение прочности и пластичности твердых тел с наличием дислокаций.
Екобори предложил способ определения прочности и причин разрушения твердого тела, в котором одновременно учитывается макроконцентрация напряжений от дефектов типа скопления дислокаций. При повторно-переменном нагружении трещины возникают в наиболее пластически деформированных микрообъемах материала, границы зерен задерживают пластическую деформацию, усталостная трещина развивается по телу зерна и не распространяется по границам зерен, при пересечении границ зерен она распространяется с замедленной скоростью, циклическая нагрузка вызывает в зернах структуры металла полосы разрыхления.
Концентраторы напряжений, являющиеся источниками развития контактно-усталостных микротрещин, бывают двух видов. К первому относятся локализованные дефекты типа царапин, шлифовальных рисок, вмя-
тин, участки измененной микроструктуры в виде ожогов. Ко второму отнесем локальные нарушения сплошности и однородности металла в виде неметаллических включений, включений карбидов, поры, раковины и другие металлургические дефекты. Влияние различных концентраторов напряжений на контактную усталость рассмотрено в работах. При качении под нагрузкой, в зависимости от расположения наиболее сильно влияющих в конкретных условиях концентраторов напряжений и свойств материала, первичная трещина может возникнуть на поверхности детали или под ней. При этом поверхностная трещина приведет к отшелушиванию частицы металла, и образовавшаяся ямка будет являться новым концентратором напряжений, что вызовет зарождение новых микротрещин, которые приводят к отделениям частиц металла и увеличению площади выкрошившегося участка. Процесс выкрашивания поверхностного слоя материала называется питтингом.
В случае развития усталостной трещины от подповерхностного дефекта она может соединяться с соседними микротрещинами. Траектория и скорость ее развития зависят от ориентировки лежащих вблизи микротрещин, а также от механических свойств соседних участков металла. Одновременно под поверхностью может развиваться несколько микротрещин. При циклическом нагружении та трещина, которая оказалась в условиях, наиболее способствующих ее росту, достигает поверхности детали, и затем происходит выкрашивание металла. Причем глубина выкрашивания от поверхностных концентраторов напряжений в несколько раз больше, чем от поверхностных дефектов.
Решетневскуе чтения. 2013
В случае так называемого «пульсирующего контакта» первичные усталостные трещины появляются на поверхности контура пятна контакта и распространяются вглубь материала. В работе приведен обширный экспериментальный материал о расположении возможных центров разрушения при контактном циклическом нагружении.
В своих работах П. Тарди и Я. Стикловари считают, что все микротрещины в подшипниках из стали ШХ15 развиваются от неметаллических включений в зоне действия герцевских максимальных касательных напряжений. Н. Н. Качанов, также опираясь на экспериментальный материал, полагает, что усталостные трещины могут зарождаться не только на глубине действия максимальных касательных напряжений, но и несколько выше и ниже ее. Эти соображения Н. Н. Качанов основывает на том, что появление пластических сдвигов, приводящих к усталостным трещинам, зависит не только от теоретического уровня касательных напряжений, но и от силы воздействия концентраторов напряжений, основными из которых являются неметаллические включения.
Современное представление о реальном строении твердых тел хорошо раскрывается теорией дислокаций. Свойства металлов и сплавов связаны с возникновением, движением и взаимодействием дислокаций. В основе всех представлений о прочности и пластичности металлических материалов лежат данные об их дислокационном строении. Наличие дислокаций объясняет резкое различие между прочностью реального и эталонного металла. Дислокационная структура в объеме реального кристаллического тела реализуется на поверхности тела в виде тонкой системы ступенек, впадин и выступов.
Внешние механические воздействия определяют условия для развития тех или иных ведущих процессов в поверхностных слоях металла игольчатых подшипников. Под действием текущих изменений формируется рабочее состояние поверхностного слоя, когда материал имеет фазовый состав, структуру и свойства, отличные от исходного состояния. В поверхностном слое, находящемся в рабочем состоянии, возникают процессы, возможности развития которых обусловлены исходным состоянием поверхностного слоя и условиями эксплуатации игольчатых подшипников.
В зависимости от характера процессов, происходящих во время работы узла трения, после прекращения его работы в поверхностном слое происходят следующие остаточные изменения: механическое упрочнение либо разупрочнение; фазовое упрочнение либо разупрочнение без изменения или с изменением химического состава; изменение микрорельефа поверхностей трения игольчатых подшипников и напряженного состояния поверхностного слоя.
В современном представлении структура поверхностных слоев металлических материалов является многослойной. После воздействия ударного импульса на поверхность материала центральная зона места удара будет отражать акты микроструйного течения материала после прохождения волны деформации. После многократного воздействия ударных импульсов эта зона будет выглядеть наподобие затвердевшей жидкости с беспорядочной структурой. Взаимодейст-
вие центральной ударно-деформированной зоны с соседними объектами материала может происходить за счёт ротационных механизмов с возможной аналогией процессам течения вязкой жидкости в притесненном слое. Но при этом взаимодействие центрального потока с ламинарным подслоем может сопровождаться возникновением вихрей. Вихревая прослойка в металлах может состоять из нескольких пар вихревых шнуров со встречным вращением шнуров в каждой паре. С внешней стороны ротационные образования будут как бы скользить по ламинарному подслою, представляющему собой структуру с неравноосными ячейками. Полосовая и шашечная структуры также являются ротационными. Шашечная структура имеет статическую деформацию около 50...60 % и представляет собой совокупность прямоугольных образований различной ориентации. Полосовая структура состоит из ротационных полос, расположенных последовательно и способных к движению вглубь материала под действием поля напряжений. Ротационные структуры способны сменять друг друга по механизму кинетических фазовых превращений.
На сегодняшний день данные структуры можно отнести к любому механическому воздействию, в том числе и к поверхностному трению, но при этом тончайший наружный слой будет представлять собой так называемые вторичные структуры, т. е. сильно деформированные и содержащие кислород, серу и другие прочие элементы [1-3].
Проведенный анализ показал, что проблема малоцикловой усталости игольчатых подшипников изучена недостаточно.
На основе анализа были поставлена задача исследовать механизмы усталостного разрушения игольчатых подшипников.
Библиографические ссылки
1. Трощенко В. Т. Прочность металлов при переменных нагрузках. Киев : Наукова думка, 1978. 173 с.
2. Литмен Уиднер. Распространение контактной усталости от источников поверхностного и подповерхностного происхождения // Теоретические основы инженерных расчётов. 1966. № 3. С. 94.
3. Меновщиков В. А., Ереско С. П. Исследование и совершенствование игольчатых подшипников карданных передач транспортно-технологических машин : монография / А. В. Меновщиков, Красноярск : Изд-во КрасГАУ, 2006. 283 с.
References
1. Troshchenko V. T. The strength of metals under varying loads. Naukova Dumka. 1978. 173 s.
2. Litmen, Uidner. Dissemination of contact fatigue from sources of surface and subsurface origin. Theoretical Foundations of engineering calculations. 1966. № 3. p. 94.
3. Menovchikov V. A., Eresko S. P. Research and improvement of needle bearings driveline transport and technological machines : monograph. Atlanta : Publishing House of the KrasGAU 2006. 286 p.
© Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А., Ереско Т. Т., 2013
