CC BY
19
УДК 621.891
ЭФФЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ВСЛЕДСТВИЕ УЛУЧШЕНИЯ ИХ ДЕМПФИРУЮЩИХ СВОЙСТВ
The Effective Methods of Improving the Wear Resistance of Machine Parts due to Bettering their Damping Properties
Панов M.B., к.т.н., доцент, [email protected] Логунов B.B. ассистент, vladimir.logunov1972@ yandex.ru Panov M.V., Logunov V.V.
ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет» Bryansk State Agrarian University
Реферат: Работа посвящена разработке модели гашения виброколебаний в зоне контакта рабочих поверхностей за счёт нанесения плёнок пластичных металлов с учетом шероховатости поверхности. Разработанная математическая модель и экспериментальные данные позволили сделать вывод, что с целью уменьшения влияния переходных процессов на качество демпфирования колебаний, в свою очередь ускоряющего процесс приработки, целесообразно использовать многослойные пленки пластичных металлов с послойно уменьшающейся их твердостью.
Summary: The work deals with the development of a model of damping vibration in the contact zone of the working surfaces by the application of ductile metal films subject to the surface roughness. The mathematical model and the experimental data allowed concluding that in order to reduce the influence of transient processes on the quality of the damping accelerating the process of ageing, it is advisable to use a multi-layered plastic metal film with their layer-by-layer diminishing hardness.
Ключевые слова: плёнка, пластичность, демпфирование, вибрация, модуль упругости.
Key words: film, plasticity, damping, vibration, modulus of elasticity.
В данной работе разработаны модели гашения виброколебаний в зоне контакта рабочих поверхностей за счёт нанесения плёнок пластичных металлов [2,3,6]. Рассмотрены закономерности гашения свободных продольных колебаний металлами в виде покрытий, поэтому в качестве модели плёнки с шероховатой поверхностью использована стержневая аналогия [4]. Стержневая модель используется ещё и потому, что шероховатость плёночных покрытий близка к шероховатости подложки. Например, шероховатость цинковых покрытий на 20 % больше, а шероховатость покрытий из латуни - на 8...16 % меньше, чем основы. Любой сколь угодно малый элемент однородного стержня обладает жёсткостью, инертностью и трением одновременно. Ограничиваясь, случаем свободных колебаний, с учётом силы трения, запишем уравнение продольных колебаний стержня [6,8]
л2 т2
d y 2 d y 2 J c--^ + a1c
dt
2
dx
2
d3 y
, ^2 dy = 0
dx dt m0 dt
(1)
2 E ■ 5
где С =-;
т0
Шо - погонная масса стержня, кг; Е - модуль упругости, И/м;
с 2
Ь - площадь поперечного сечения стержня, м ; О - коэффициенты пропорциональности; с учётом начальных условий
yt=о=f (x)=Esx , f
= F (x) = 0,
(2)
t=о
где P - нагрузка на стержень. и краевых условий
у| 0 = 0 -
1х=0 йх
где обозначим через 2Рк =
а
шп
(2к +1)
ж-с ~2Ь
-а
у(х,г) = ^е Ркг(ак ■ со$юк ■ г + Ьк • 81пюк • г)-з1п (2к +1)--I (3)
к=0 V 2Ь.
аг
Ъь
8РЬ(-1)к
ж2 ЕБ (2к +1)2 рк ■ ак
(4)
, ч ^ -Ра 8РЬ(-1)к
у к (х, г) = Х е Рк —2-——2
к к=1 ж2ЕБ - (2к +1)2
Рк
созюкг + - &та>кг
. (2к +1) -жх
• 81П---- (5)
2Ь
Для примера приведём решения уравнения (5).
2*10
КЗ о
2*10
уО) О
тачп71-1--"2-ю
20 0 10 ш
\
а) - для стали; б) - для олова
Рисунок 1 - Примеры решения уравнения (5)
На основе решения (5) построим график зависимости коэффициента затухания (Р) от модуля упругости материалов (Е) [8].
С
0,50
1,0.0
Е, ГПа
Рисунок 2 - Зависимость коэффициента затухания (Р) от модуля упругости материалов (Е)
Зависимость, полученная теоретическим путём (рис. 2), указывает на то, что материалы, имеющие меньший модуль упругости, обладают лучшими демпфирующими свойствами. Это позволяет
ь
х
сделать вывод, что основным технологическим способом борьбы с фреттинг-износом является нанесение многослойных мягких покрытий, имеющих низкий предел текучести. В качестве материалов мягких покрытий были взяты: медь, цинк, олово, свинец, галлий, в которых возникающие вибрации могут быть поглощены разделяющим слоем.
Решая уравнения (5), можно построить амплитудно-частотную характеристику спектрального
состава колебательного процесса стержня, взяв амплитуды гармоник в виде Лк = ^О^ + ЬI . Анализ
данных спектрального состава колебательных процессов для различных материалов показывает, что спектральный состав колебаний существенно зависит от параметров, характеризующих физические свойства и размеры стержня.
к к а) - для стального, б) - для оловянного стержней
Рисунок 3 - Спектральный анализ колебаний Спектр вибрации является достаточно широкополосным. Спектры решения, например, для стального (а) и оловянного стержней (б) приведены на рис. 3.
Исследуя спектральные свойства вибраций деталей машин с использованием дискретного преобразования Фурье, получили спектральную плотность ^к).
ь
Рисунок 4 - Спектральный состав вибрации, показанной на рис. 3
Таким образом, для эффективного гашения вибраций целесообразно подобрать такие материалы, чтобы их спектральные составы в совокупности перекрывали вибрации. В частности, например, при получении плёнок использовать материалы с послойно резко изменяющимся модулем упругости или варьируя их размерами [10,12,14].
В работе рассмотрено решение данной задачи, позволяющее за счёт технологических, конструкторских и эксплуатационных мероприятий исключить или уменьшить фреттинг - износ. Этого можно достичь нанесением на одну из рабочих поверхностей многослойных покрытий с резко отличающимся модулем упругости.
Применительно к реальным поверхностям твёрдых тел, в соответствии с работами Крагельско-го И.В., Михина Н.М., Рыжова Э.В., Дёмкина Н.Б., и Суслова А.Г. рассмотрена модель профиля шероховатости поверхности, характерной для деталей, полученных точением или фрезерованием с последующим шлифованием [1,5,7,9,11,13]. Данная модель является частным случаем параболоида п-го порядка при п = 1.
Введён в рассмотрение новый коэффициент Кп, характеризующий пластические свойства выступов материала при взаимодействии:
А • a - А • r
Kn =-:-=1-Щ =1 -Щ Щ
А • a
где Ль Л2, Лз - относительные площади контакта, определённые через
Аг - фактическую, Ас - контурную и Аа - номинальную площади контакта:
Щ =
Ar Ac
Щ =
Ac Aa
Щ =
Ar Aa
(7)
y(x,t)
Рисунок 5 - Экспериментальное подтверждение теории демпфирования колебаний стержня (при х=Ь)
для шероховатой и гладкой поверхности Тогда, используя (6) и (7), получим:
ß=ßmax •(! - Kn )=ßm
•Щ •Vi-
(8)
Анализ решения уравнения (5) с учётом введённого коэффициента Кп (6) показывает (8), что с уменьшением Кп, а следовательно, с увеличением ß скорость затухания колебаний должна увеличиваться, что улучшает гашение колебаний.
Эксперимент проводили для гладкой (Ra = 0,099 мкм) и шероховатой поверхностей (Ra = 2,999 мкм) торцов испытуемых стержней. Экспериментальные данные подтверждают, что эффект от применения пластичных плёнок для демпфирования колебаний может быть усилен за счёт использования шероховатых плёнок пластичных металлов.
Из разработанной математической модели и экспериментальных данных следует, что с целью уменьшения влияния переходных процессов на качество демпфирования колебаний, в свою очередь ускоряющего процесс приработки, целесообразно использовать многослойные пленки пластичных металлов с послойно уменьшающейся их твердостью.
Библиографический список
1. Исследование триботехнических характеристик металлических покрытий, нанесённых наплавкой, электродуговым и плазменным напылением / В.А. Погонышев, П.Д. Нетягов, E.H. Самсо-нович, Г.Д. Анцифров // Трение и износ. 1989. Т. 10. № 5. С. 909-912.
2. Погонышев В.А., Ермичев В.А., Храмченков B.C. Технологическое обеспечение фреттинг-стойкости деталей грузовых автомобилей // Трение и износ. 1998. Т.19 № 3. С. 398.
3. Погонышев В.А., Логунов В.В. Повышение износостойки шеек коленчатого вала путём нанесения плёнок пластичных металлов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 6. С. 47-48.
4. Погонышев В.А., Романеев H.A., Панов М.В. Триботехника в сельском хозяйстве Брянск: Изд-во БГСХА. 2010. 480 с.
5. Коршунов В.Я. Термодинамический метод прогнозирования рациональных условий эксплуатации алмазно-абразивного инструмента // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 1982. №2. С. 120.
6. Погонышев В.А. Повышение износостойкости восстановленных узлов трения сельскохозяйственных машин фрикционным нанесением пленок пластичных металлов: автореф. дис. ... на соиск. уч. степени канд. тех. наук. Калинин, 1990.
7. Коршунов В.Я. Оптимизация технологических условий абразивной обработки по КПД //
СТИН. 1990. № 5. С. 17.
8. Погонышев В.А. Повышение износо- и фреттингостойкости деталей машин модифицированием поверхностей: дис. ... на соиск. уч. степени д.т.н. Брянск, 2000.
9. Коршунов В.Я. Расчёт предела усталости металлов по величине коэффициента перенапряжений межатомных связей // Вестник машиностроения. 1997. № 9. С. 32.
10. Погонышев В.А. Физика фреттинг-изнашивания. Брянск, 1999.
11. Коршунов В.Я., Хачатурьян С.В., Фёдоров В.В. Методика экспериментальных исследования энергетического баланса изнашивания металлов при внешнем трении // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1977. № 7. С .892.
12. Погонышев В.А., Романеев НА. Технологические способы повышения износостойкости поверхностей трения вследствие улучшения их демпфирующих свойств // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 6 (102). С. 47-48.
13. Коршунов В.Я. Оптимизация технологических условий абразивной обработки // СТИН. 1990. № 5. С. 11.
14. Increasing service life of friction pairs by means of plastic metals films / V.A. Pogonyshev, E.N. Samsonovich, V.A. Matantseva, L.D. Kuznetsov // Трение и износ. 1993. T.14. № 6. С. 1124-1125.
References
1. Issledovanie tribotehnicheskih harakteristik metallicheskih pokrytij, nanesjonnyh naplavkoj, jel-ektrodugovym i plazmennym napyleniem / V.A. Pogonyshev, P.D. Netjagov, E.N. Samsonovich, G.D. An-cifrov // Trenie i iznos. 1989. T. 10. № 5. S. 909-912.
2. Pogonyshev V.A., Ermichev V.A., Hramchenkov V.S. Tehnologicheskoe obespechenie fret-tingstojkosti detalej gruzovyh avtomobilej // Trenie i iznos. 1998. T.19 № 3. S. 398.
3. Pogonyshev V.A., Logunov V.V. Povyshenie iznosostojki sheek kolenchatogo vala putjom nanesen-ijapljonokplastichnyh metallov // Uprochnjajushhie tehnologii ipokrytija. 2013. № 6. S. 47-48.
4. Pogonyshev V.A., Romaneev N.A., Panov M.V. Tribotehnika v sel'skom hozjajstve Brjansk: Izd-vo BGSHA. 2010. 480 s.
5. Korshunov V.Ja. Termodinamicheskij metod prognozirovanija racional'nyh uslovij jekspluatacii almazno-abrazivnogo instrumenta //Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Mashinostroenie. 1982. №2. S. 120.
6. Pogonyshev V.A. Povyshenie iznosostojkosti vosstanovlennyh uzlov trenija sel'skohozjajstvennyh mashin frikcionnym naneseniemplenokplastichnyh metallov: avtoref. dis. ... na soisk. uch. stepeni kand. teh. nauk. Kalinin, 1990.
7. Korshunov V.Ja. Optimizacija tehnologicheskih uslovij abrazivnoj obrabotki po KPD //STIN. 1990. № 5. S. 17.
8. Pogonyshev V.A. Povyshenie iznoso- i frettingostojkosti detalej mashin modi-ficirovaniem pover-hnostej: dis. ... na soisk. uch. stepeni d.t.n. Brjansk, 2000.
9. Korshunov V.Ja. Raschjot predela ustalosti metallov po velichine kojefficienta perenaprjazhenij mezhatomnyh svjazej // Vestnik mashinostroenija. 1997. № 9. S. 32.
10. Pogonyshev V.A. Fizikafretting-iznashivanija. Brjansk, 1999.
11. Korshunov V.Ja., Hachaturjan S.V., Fjodorov V.V. Metodika jeksperimental'nyh is-sledovanija jenergeticheskogo balansa iznashivanija metallov pri vneshnem trenii // Zavodskaja laboratorija. Diagnosti-ka materialov. 1977. № 7. S .892.
12. Pogonyshev V.A., Romaneev N.A. Tehnologicheskie sposoby povyshenija iznosostojkosti pover-hnostej trenija vsledstvie uluchshenija ih dempfirujushhih svojstv // Uprochnjajushhie tehnologii i pokrytija. 2013. № 6 (102). S. 47-48.
13. Korshunov V.Ja. Optimizacija tehnologicheskih uslovij abrazivnoj obrabotki //STIN. 1990. № 5. S. 11.
14. Increasing service life of friction pairs by means of plastic metals films / V.A. Pogonyshev, E.N. Samsonovich, V.A. Matantseva, L.D. Kuznetsov // Trenie i iznos. 1993. T.14. № 6. S. 1124-1125.
