CC BY
12
УДК 62-23
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-9-417-422
МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПОДВЕРГАЮЩИХСЯ
МЕХАНИЧЕСКОМУ ИЗНОСУ
К.С. Иванов, С.Г. Реснянский, А.В. Широухов
В работе представлена обобщенная методика повышения ресурса трущихся деталей машин подвергающихся абразивному изнашиванию на основе применения анализа следов механического взаимодействия деталей при оценке силы трения и нахождения направления их относительного перемещения для определения времени образования повреждения деталей с моментом наступления отказа агрегата или двигателя и подбора соответствующего материала для изготовления трущихся деталей машин на основе применения динамической модели абразивного износа.
Ключевые слова: динамическая модель абразивного изнашивания, механическое изнашивание, надежность деталей машин, износостойкость сталей, повышение ресурса.
Практика эксплуатации узлов и агрегатов машин и экспериментальные исследования показали, что существует положительная обратная связь между условиями нагружения трущихся поверхностей и их повреждаемостью [1, 2, 3, 4]. При этом определяющим является наличие в трибологических парах зазоров, соизмеримых с неровностями, возникающими при повреждении сопряженных поверхностей в процессе схватывания.
Сущность этого процесса заключается в приваривании, сцеплении при местном соединении двух твердых тел под действием молекулярных сил. При этом образуются прочные металлические связи в зонах непосредственного контакта поверхностей. В местах схватывания исчезает граница между соприкасающимися телами, происходит сращивание одно и разноименных металлов. Это обусловливает расклинивающее действие образующихся при схватывании наростов и затруднение поступления в зону схватывания смазочного материала, и, как следствие, ведет к механическому износу.
Абразив и металлические частицы с высокой твердостью, попадая в зазор прецизионной пары, способствуют схватыванию в результате расклинивающего действия на детали, а главным образом в результате значительного повышения температуры на локальных участках фактического контакта поверхностей.
При исследовании причин отказов узлов и агрегатов машин часто возникает задача оценить по имеющимся следам силу трения в трибологической паре, что приводит к её нагреву и соотнести время образования повреждения деталей с моментом наступления отказа в работе агрегата или узла. Одним из таких методов является анализ следов механического взаимодействия деталей при оценке силы трения и определении направления их относительного перемещения [6].
В связи с развитием методов упрочнения, разработкой новых износостойких покрытий и появлением эффективных методов поверхностной обработки материалов, обеспечивающих получение заданного комплекса характеристик поверхностной прочности, появляются возможности повышения износостойкости материалов.
Большое число работ посвящено исследованию износостойкости сталей и сплавов [1, 2, 5, 8, 9], однако единых методов и методик оценки износостойкости материалов по видам изнашивания создать пока не удалось. Даже классификация изнашивания является предметом разногласий между исследователями.
Сила трения зависит от многих факторов, на основе существующих представлений о природе трения покоя и трения скольжения. При определенных допущениях и учете особенностей конструкции трущихся деталей можно приблизительно, но с достаточной для практики точностью оценить усилия сопротивления их относительному перемещению при образовании задира или при заклинивании подвижного сопряжения.
Сила трения является ключевым фактором при оценке последствий износа в триболо-гических парах, в первую очередь абразивного. Абразивный износ представляет собой разрушение поверхностей трения под действием твердых частиц. Благодаря большой интенсивности трения в трибологической паре, он может определять потерю её работоспособности. Для вязких
материалов разрушение может происходить за каждый цикл нагружения. Для твердых поверхностей из высокопрочных сталей разрушение происходит после многократных воздействий, т.е. в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя.
Поскольку большинство трибологических пар изготавливаются из твердых материалов, возникает необходимость решать задачу прогнозирования износа именно твердых поверхностей.
В результате исследований [13], установлено, что твердость и модуль упругости не служат универсальными показателями абразивного изнашивания, так как на них не влияет структура изнашиваемого материала. Наиболее объективным показателем характеризующим степень износа является поверхностная энергия. Экспериментально установлено, что большая часть энергии, выделяющейся при трении, переходит в тепло (до 99%) и ничтожная доля поглощается материалом трущейся пары, вызывая структурные и иные превращения в его поверхностном слое, включая его разрушение с образованием частиц износа. В свою очередь, тепловыделение при трении приводит к повышению температуры трущихся тел, которая в сильной степени влияет на интенсивность изнашивания. При проектировании, производстве, эксплуатации и ремонте узлов и агрегатов машин важно учитывать уровень поверхностной энергии ее металлических деталей. От значения поверхностной энергии в значительной степени зависят эксплуатационные свойства деталей машин, в том числе и деталей узлов и агрегатов машин. Поверхностные частицы имеют больший запас поверхностной энергии по сравнению с внутренними [15, 16].
С учетом анализа следов механического взаимодействия деталей при оценке силы трения и определении направления их относительного перемещения, а также характера абразивного изнашивания разработана динамическая модель на основе которой определяется необходимый материал изготовления трибологической пары для повышения ресурса работы деталей машин [1,9,14,15].
В статье представлен метод повышения ресурса трущихся деталей машин подвергающихся абразивному изнашиванию на основе применения анализа следов механического взаимодействия деталей при оценке силы трения и определении направления их относительного перемещения. Это позволяет определить время образования повреждения и подбор соответствующего материала при изготовлении трущихся деталей машин для повышения их ресурса на основе применения динамической модели абразивного износа.
Рассмотрим возможные методы оценки усилий, необходимых для преодоления сопротивления относительному перемещению деталей подвижных сопряжений, на примере прецизионных пар трения гидравлических агрегатов, для которых решение такой задачи особенно актуально (рис. 1, а).
При образовании локальных задиров, т.е. повреждений, вызванных микросхватыванием, следует иметь в виду два возможных случая, различаемых соотношением высоты образуемого при разрушении адгезионной связи нароста и диаметрального зазора прецизионной пары. Если высота нароста меньше диаметрального зазора А1, сила сопротивления перемещению деталей определяется в основном прочностью адгезионной связи (силой сопротивления на срез менее прочного из взаимодействующих металлов) на участке схватывания и силой сопротивления смятию при царапании его наростом (рис. 1, б). Если же высота нароста превышает диаметральный зазор и составляет А1 +А 2, то, помимо указанных сил, возникает сила трения между деталями, вызванного заклинивающим действием нароста (рис. 1, в). В этом случае вследствие прогрессирующего заедания может выйти из строя прецизионная пара. Высота образуемого нароста при схватывании зависит в основном от физико-механических свойств материала и действующих нагрузок, которые при одинаковой макро и микрогеометрии поверхностей способствуют
возникновению заедания при трении скольжения. Силу сопротивления перемещению деталей по повреждениям их поверхностей при локализуемом схватывании оценивают исходя из представлений об адгезионно-деформационной природе трения.
Для определения силы трения воспользуемся выражением, предложенным И. В. Крагельским [17]:
F Р'адг 'деф ^ср^ср ^^см^см, (1)
где F - сила сопротивления материала перемещению; - адгезионная составляющая силы сопротивления перемещению, определяемая сопротивлением материала детали срезу при образовании повреждения; Fдеф - деформационная составляющая силы сопротивления перемещению, определяемая сопротивлением материала смятию при образовании повреждения; % - напряже-
з
ние среза; SCp = - BL - площадь, по которой происходит срез материала; осм - напряжение смя-
2
тия; SCM = - BH - площадь, по которой происходит смятие материала.
В случае заедания прецизионной пары силу сопротивления перемещению определяют экспериментально, путем регистрации осевого усилия, прикладываемого при извлечении золотника из гильзы. При попадании в зазор частиц минерального происхождения, обладающих высокой твердостью и хрупкостью, усилие сопротивления в основном определяется прочностью частиц. Чем прочнее частицы, тем большую сжимаемую нагрузку они выдерживают, тем с большей силой они способны вызвать взаимное прижатие деталей, заклинивание их, и с более значительной силой внедряются в металл при царапании.
Определить нагрузку, выдерживаемую до разрушения абразивными, кварцевыми и другими твердыми частицами, можно с помощью установки, схема которой приведена на рис. 2 [7].
& uMu
©-
цикл H'tfO.nn
к опт ях-т /
Рис. 2. Схема установки для определения разрушающей нагрузки твердых частиц до (а)
и после (б) приложения нагрузки Р
Результаты испытаний показывают, что для разрушения как единичных, так и нескольких (10 ... 15) одновременно помещаемых между плитками частиц кварца необходимы усилия 5 ... 25 Н. При этом разброс разрушающей нагрузки определяют не числом одновременно испытываемых частиц, а их прочностью.
Вследствие малой податливости частиц даже незначительная разность их размеров приводит к тому, что вся прикладываемая нагрузка воспринимается частицами по очереди. Вначале нагружаются наибольшие частицы, после их разрушения вся нагрузка воспринимается следующими за ними по размеру частицами и т.д. Поскольку при испытании 10 ... 15 частиц вероятность нахождения среди них совершенно одинаковых по размеру очень мала, разрушающая нагрузка практически не зависит от изменения числа испытываемых частиц.
Разрушающая нагрузка для единичных или нескольких электрокорундовых частиц имеет порядок 10 ... 20 Н. При одновременном испытании многих частиц (примерно 100) выдерживаемая ими до разрушения нагрузка возрастает до 300 Н. Очевидно, при испытании такого числа частиц весьма вероятно одновременное восприятие прикладываемой нагрузки сразу многими частицами.
Для определения взаимосвязи глубины царапин, образуемых на поверхностях различных по твердости металлов, с тангенциальным сопротивлением сдвигу, возникающим при их образовании, могут быть проведены эксперименты по царапанию плоских металлических образцов алмазной конусной пирамидой, применяемой в приборах по измерению твердости. Результаты таких испытаний показывают, что на силу трения при царапании существенное влияние оказывает твердость царапаемой поверхности. С увеличением твердости увеличивается и сила трения при одной и той же глубине царапания [7, 8].
При заклинивающем действии частиц, попадающих в зазор прецизионной пары, сила сопротивления перемещению деталей определяется размерами частиц, механическими свойствами их материала и материала деталей, если частицы превышают по твердости материал деталей. Наличие на поясках золотника скосов или просечек не только повышает вероятность попадания частиц в зазор, но и способствует попаданию между деталями частиц, размерами во много раз превышающими диаметральный зазор.
Силы сопротивления перемещению при заклинивающем действии частиц оценивают по силе сопротивления материала деталей при царапании или силе сопротивления материала частицы срезу и силе трения деталей под действием заклинивающей частицы. Если сила, необходимая для среза частицы в сечении площадью , Fср = Г меньше, чем силы, необходимые для смятия частицей материала золотника ^м = < Sом и гильзы ^м = <см&м, сила сопротивления перемещению деталей может быть определена следующим образом:
Р = ТсрБсР(1+Г3Л/5), (2)
где Гор — напряжение при сопротивлении материала частиц срезу; /з — коэффициент трения между золотником и гильзой; А — диаметральный зазор золотниковой пары; 5 — расстояние между кромками золотника и гильзы при срезе частицы.
Если прочность частицы на срез больше прочности материала деталей на смятие, сила сопротивления перемещению деталей определяется смятием (царапанием) материала детали, трением частицы в царапине, трением деталей золотниковой пары.
Следовательно
[зту^-ЪЫ + созсрСЪ+Ъ)], (3)
где <м - напряжение при сопротивлении материала царапаемой детали смятию; &м - площадь поперечного сечения царапины; / — коэффициент трения между царапаемой деталью и частицей; ф = агсЬд-; Н — глубина царапины; I — длина площади контакта частицы и царапаемой детали.
При наличии скосов сила сопротивления перемещению деталей определяется из условия, что &м — площадь проекции участков смятия деталей на плоскость, перпендикулярную оси золотника, а р — угол между плоскостью скоса и осью золотника. Массовое скопление твердых частиц в зазоре при эксплуатации гидроагрегатов — явление маловероятное, в случае его возникновения может произойти заклинивание деталей. Сила трения при этом может достичь нескольких сотен ньютонов, что сопровождается отказом регулирующего устройства гидроагрегата.
При оценке силы сопротивления перемещению в золотниковых парах периодического действия, в частности распределительных устройств деталей машин, необходимо учитывать возможность возникновения дополнительного трения из-за прижатия деталей неуравновешенной гидростатической силой. Как показали экспериментальные исследования, дополнительная сила сопротивления перемещению, возникающая по указанной причине, может достигать 60 % от силы трения, вызываемого заклинивающим действием частиц, что возникает на основе перегрева трущихся поверхностей [5, 15].
С учетом характера абразивного изнашивания (вначале прямое динамическое внедрение, а затем перемещение абразивной частицы относительно изнашиваемой поверхности) получена динамическая модель [13], которая включает в себя систему уравнений:
И =103вуГрКРГ(1карКа); На = 0,16Л/Р7Щ;
НУ, = НУП1/21а; в = АагР°"о"/Шх(1-0,8-)-; (4)
г 3^пАаЯ \ ' йи ЛЬ' у '
N ¿=1
Ка = НУа/НЪ; Г = /о~1Ра~Зс°1+1; /о = 1,05 + 0,075№ь ~НУа)/НУа.
Ро
Для аустенитных сплавов:
г _ г 1 (Рд-Ро) + 1 (5)
' Рп (0,25НУа7НУ*-НУг)к'
где И — абразивная износостойкость; — коэффициент температурной зависимости поверхностной энергии; ур — поверхностная энергия;, / — коэффициент трения;, / — минимальный коэффициент трения; ё — диаметр образца (по торцу); На — глубина внедрения абразивной частицы; р — плотность материала образца; К — коэффициент абразивности; НУ\ — твердость
материала в зависимости от температуры; НУ^ — твердость при вдавливании; в— температура в зоне контакта абразив — металл; вп — температура плавления материала; А — средняя площадь зоны контакта абразивных частиц; ро — минимальное давление (для материала с НУ 100 ро — 6 МПа); ра — давление абразивных частиц на металл; к — показатель степени, зависящей от отношения твердости абразива и металла; Лг, сг, рг и Л2, с2, р2 — теплопроводность, теплоемкость и плотность материала соответственно первого и второго тел; НУ — твердость материала в аустенитном состоянии.
Система уравнений (4) проверена с помощью теоремы Кронекера—Капелли и правила Крамера [18]. В результате проверки установлено, что эта система совместна и имеет единственное решение. При ее использовании выполнены расчеты с применением компьютерной модели и определена абразивная износостойкость сталей разных классов рис. 3.
СплавД5ХН2МФАШ Стэль PIS Сталь У10 Стэль 45 Сталь 20 Сплав 110Г13Л Сталь Х12М Сталь 40Х
0,0 ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 Цр. Г-1
Рис. 3. Зависимости изменения экспериментальной Иэ и расчетной Ир износостойкости сталей
Анализ результатов показал удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных значений износостойкости. Увеличение твердости и поверхностной энергии инструмента и деталей, подвергающихся абразивному изнашиванию, является основным и эффективным способом повышения их износостойкости [13].
Таким образом, на основе анализа следов механического взаимодействия деталей машин при оценке силы трения и нахождения направления их относительного перемещения можно определить время работы и время отказа, а также спрогнозировать ресурс данной трибологиче-ской пары при ее использовании в работе машин и механизмов. Вследствие того, что при трении поверхностей возникает нагрев, и это приводит к механическому износу трибологической пары, то на основе применения динамической модели абразивного износа можно подобрать необходимый материал для её изготовления, в зависимости от условий влияния механического износа и условий применения деталей машин, тем самым повышая их ресурс работы.
Список литературы
1. Мур Д. Ф. Принципы и приложения трибологии. 1975, 272 с.
2. Есимото Г., Цукидзе Т. О механизме износа металлических поверхностей. №6 1958,. П. 472-490 с.
3. Тененбаум М.М. Сопротивление абразивному изнашиванию. М., «Машиностроение», 1976, 271 с.
4. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. В 2 ч. Ч.1. Деформация и разрушение. М.: Машиностроение, 1974. 472 с.
5. Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов: Справочное пособие, В 3 т. Т. II. Методы исследования механических свойств металлов/ Под общ. ред. А.Т. Туманова. М.: Машиностроение, 1974. 320 с.
6. Постников В.С. Внутреннее трение в металлах. М.: Металлургия, 1974. 351 с.
7. Разрушение. В 7 т. Т. 1. Микроскопические и макроскопические основы механики разрушения. / Пер. с англ. под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: Мир, 1973. 514 с.
421
8. Когаев В.П., Дроздов Ю.Н. Прочность и износостойкость деталей машин. М.: Высшая школа, 1991. 320 с.
9. Шапочкин В.И. Износостойкость деталей машин./ Волгоград: Перемена, 1994. 97 с.
10. Бишутин С.Г., Горленко А.О., Матлахов В.П. Износостойкость деталей машин и механизмов. Учебное пособие./ Под ред. Бишутина С.Г. Брянск: БГТУ, 2010. 112 с.
11. Кузьменко А.Г. Прикладная теория методов испытаний на износ. Хмельницкий: ХНУ, 2007. 579 с.
12. Польцер Г. Основы трения и изнашивания./ Г. Польцер, Ф. Майсснер. М.: Машиностроение, 1984. 264 с.
13. Фадеев Л.Л., Албагачиев А.Ю. Повышение надежности деталей машин. М.: Машиностроение, 1993. 96 с.
14. Серенсен С.В., Когаев В. П., Шнейдерович Р.М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. М. Машиностроение, 1975, 465 с.
15. Сорокин Г.М., Албагачиев А.Ю., Меделяев И.А. Экспериментальная установка для исследования поверхностной энергии металлов и сплавов// Трение и износ. 1986. №5.
16. Олешко В.С., Пиговкин И.С. Оперативное определение поверхностной энергии металлических деталей авиационной техники // Интернет-журнал «Науковедение» Том 8, №3 (2016).
17. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. 480 с.
18. Мальцев И.А. Основы линейной алгебры. Изд. 3-е, перераб. М.: «Наука», 1970.
400 с.
Иванов Константин Серафимовичвич, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, resy 1976@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, УГПС МЧС России,
Реснянский Сергей Геннадьевич, канд. техн. наук, доцент, resy_1976@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, УГПС МЧС России,
Широухов Александр Валерьевич, канд. техн. наук, доцент, resy_1976@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, УГПС МЧС России
METHOD OF INCREASING THE RESOURCE OF MACHINE PARTS UNDER MECHANICAL
WEAR
K.S. Ivanov, S.G. Resnyansky, A.V. Shiroukhov
The paper presents a generalized technique for increasing the resource of rubbing parts of machines subjected to abrasive wear based on the analysis of traces of mechanical interaction ofparts when assessing the friction force and finding the direction of their relative movement to determine the time offormation of damage to parts from the moment offailure of the unit or engine. and the selection of the appropriate material for the manufacture of friction parts of machines based on the use of a dynamic model of abrasive wear.
Key words: dynamic model of abrasive wear, mechanical wear, reliability of machine parts, wear resistance of steels, increased resource.
Ivanov Konstantin Serafimovich, candidate of technical sciences, docent, Head of Department, resy_1976@mail.ru, Russia, St. Petersburg, UGPS EMERCOM of Russia,
Resnyansky Sergey Gennadievich, candidate of technical resy_1976@mail.ru, Russia, St. Petersburg, UGPS EMERCOM of Russia,
Shiroukhov Alexander Valerievich, candidate of technical resy_1976@mail.ru, Russia, St. Petersburg, UGPS EMERCOM of Russia
sciences, docent,
sciences, docent,
