CC BY
35
TECHNOLOGICAL PROVISION OF ACCURACY OF SCIENTIFIC ASSEMBLY AT STAGES
OF LIFE CYCLE
E.A. Polski, O.A. Nikonov, N.S. Mitrakov, F.D. Zvyagintsev
The technique of technological maintenance of accuracy of assemblage of hi-tech products at the basic stages of a life cycle with continuous computer support within the limits of the automated subsystems of carrying out the dimensional analysis allowing to analyze technological, assembly and operational dimensional communications is resulted.
Key words: accuracy, dimensional analysis, modeling of the technological process, operational properties, durability, technological quality parameters.
PolskiEvgenyAleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, manager of kathedra, _polski. eugeneahotmail. com, Bryansk, Russia, Bryansk State Technical University,
Nikonov Oleg Aleksandrovich, chief technologist, polski. eugenea hotmail. com, Russia, Bryansk, Bryansk Engineering Plant Management Company,
Mitrakov Nikita Sergeevich, postgraduate, polski. eugeneahotmail. com, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University,
Zvyagintsev Philip Dmitrievich, postgraduate, polski. eugenea hotmail. com, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University
УДК 539.621
МОДЕЛЬ ИЗНАШИВАНИЯ ПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ СМЕШАННОЙ СМАЗКИ
С.В. Сорокин
Рассматриваются вопросы построения модели трибосистемы как логико-математической структуры, описывающей взаимосвязанные элементы системы -прочностную, динамическую, подсистему контактирования, подсистему трения и изнашивания и термодинамическую подсистему. Синтез элементов данной трибосистемы с использованием системного подхода позволит создать модель, адекватно описывающую процессы, происходящие в паре смешанного трения.
Ключевые слова: модель трибосистемы, трение, смазка, контактное взаимодействие, теория прочности, интенсивность изнашивания.
В зависимости от характера смазки деталей машин различают 4 вида трения: без смазочного материала, граничное, гидродинамическое (жидкостное) и смешанное. В первом случае контактируют несмазываемые поверхности, покрытые окисными пленками и тончайшими слоями моле-кулгазов и воды, адсорбированнымииз окружающей среды. Во втором
случае помимо перечисленных пленок присутствуют молекулы смазочных материалов в виде тонкого слоя толщиной в несколько молекул, которые прочно связаны с поверхностью. В третьем случае слой жидкой смазки полностью разделяет сопряженные поверхности. Смешанное трение наиболее полно отражает процессы, происходящие в паре трения. Данный вид трения присутствует практически во всех сопряжениях, но различные его элементы наблюдаются в определенных зонах контакта в различные моменты времени. Смешанное трение является наиболее сложным и с точки зрения его моделирования. Исходя из этого можно сделать вывод, что создание модели трибосистемы в условиях смешанной смазки является актуальной задачей в машиностроении.
Понятие «модель трибосистемы» может быть определено как некоторая логико-математическая структура, имеющая систему переменных, соответствующих элементам трибосистемы [1]. Данные элементы трибосистемы могут быть классифицированы как её основные подсистемы: прочностная подсистема; динамическая подсистема; подсистема контактирования; подсистема трения и изнашивания; термодинамическая подсистема.
Прочностная подсистема. Одним из важных факторов, существенно влияющих на износостойкость, величину износа и форму изношенных поверхностей, является давление. Знание реальной эпюры силового взаимодействия деталей пар трения позволяет повысить достоверность расчетов при обеспечении наработки узла на отказ. Для пары трения «вал - втулка» в рамках рассматриваемой модели решаются следующие вопросы: определяется сближение в цилиндрическом стыке за счет собственной деформации вала и втулки, находится контактная равнодействующая давления в цилиндрическом стыке, описывается закон распределения нагрузки вдоль втулки, определяется зависимость давления от приложенной нагрузки. Перечисленные задачи решаются при следующих допущениях: жесткий вал распределяет давления на упругодеформируемую втулку, что, в частности, реализуется при изготовлении последней из металлополимерных материалов.
Динамическая подсистема. Известно, что все материалы в большей или меньшей степени обладают вязкоупругостью и вязкопластичностью. Эти свойства материалов, приводящие к изменению фактической площади контакта (ФПК) в зависимости от температуры и времени, описываются с помощью реологических моделей. В рамках рассматриваемой модели используется модель Кельвина-Фойгта, отражающая свойства реальных тел.
Подсистема контактирования. Первичной проблемой при изучении трения является контактирование соприкасающихся поверхностей. В понятие контактирования входит взаимодействие поверхностей, принадлежащих твердым телам, под действием относительного смещения и сжимающих сил с учетом их отклонения от идеальной формы и влияния среды (газы и смазочные материалы), присутствующей в зоне контакта.
Для решения задачи контактирования двух твердых тел необходимо представить модель поверхности, максимально приближенную к реальной поверхности и при этом имеющую минимальный набор входных параметров. Построение пространственной модели производится на основе стрежневых конечных элементов.
В качестве исходных параметров используются как стандартизованные параметры (среднеарифметическое отклонение профиля от средней линии - Яа; средний шаг неровностей профиля по средней линии - 8ш; ГОСТ 2789-73), так и пока не стандартизованные параметры волнистости (в продольном и поперечном направлении: средняя арифметическая высота волны по средней линии - Ша, шаг волны по средней линии -
Общее уравнение профиля имеет следующий вид:
У = А + кЯа ■ Яа ■ бш( Я) + Ша ■ ); (1)
где А - параметр, отражающий влияние радиального биения и других отклонений формы на профиль поверхности (1-5 мкм); кЯа - коэффициент, отражающий вероятность изменения среднеарифметического отклонения профиля от средней линии по закону нормального распределения; вт(Я), Бт(Ж) - значения синуса текущей (г-й) координаты профиля.
Разбиение профиля на стержневые конечные элементы производится в зависимости от поверхностной твердости материала и требуемой точности расчета.
Контактные деформации будут происходить, если выполняется условие
О> Р, (2)
где О = Е е = Е ■ Уп йу ; Рг = -Р-; Е - модуль упругости, МПа;
/ Ь ■ йх ■ п
в - относительное удлинение; уп - число итераций контактных деформаций; йу - шаг элементарного сближения, мм; / - толщина элемента, мм; P - общая нагрузка, Н; Ь - длина контакта, мм; йх - шаг разбиения, мм; п - число элементов, вступивших в контакт.
Подсистема трения и изнашивания. Процесс трения в значительной мере предопределяет износостойкость контактирующих деталей. Износостойкость характеризуется способностью поверхностных слоев деталей сопротивляться разрушению при трении скольжения, трении качения, а также при микроперемещениях, обусловленных воздействием вибраций (фреттинг-процесс). Износ деталей машин приводит к потере точности, понижению КПД, понижению прочности, увеличению динамических нагрузок, которые являются следствием увеличения зазоров в сопряжениях, повышению шума. Износ является причиной выхода из строя подавляющего большинства машин (до 80 %) и их деталей. Создание узлов с минимальными потерями на трение равносильно высвобождению огромных ре-
337
сурсов рабочей силы и различных материальных затрат, в том числе ремонтных предприятий, которые в среднем по машиностроению составляют не менее 60-80 % основного производства [2].
С практической точки задача установления связей и количественных соотношений между эксплуатационными показателями и параметрами качества поверхностного слоя весьма важна и актуальна.
При решении задачи определения взаимосвязи интенсивности изнашивания и параметров состояния поверхностей трения используется зависимость для расчета величины интенсивности изнашивания, предложенная А.Г. Сусловым [2]:
= 2.5ру1/2 p7/6
и п1(у+l)tm¡2(kst)2/з
30(1 -m2)(2pRaWzH тах)1/3
, (3)
Es
где Ra - среднеарифметическое отклонение профиля, мкм; Rz - высота неровностей по 10 точкам, мкм; Wz - средняя высота волнистости по десяти точкам, мкм; Нтах - максимальная величина макроотклонений формы поверхности, мкм; tm - относительная опорная длина профиля на уровне средней линии; ят - средний шаг неровностей, мкм; 1 - коэффициент, учитывающий знак и значение остаточных напряжений; аТ - величина остаточных напряжений, МПа; k - коэффициент упрочнения; р - давление, МПа; п - число циклов воздействия до разрушения поверхностного слоя; Е, т - механические свойства материала заготовки.
Данная формула показывает, что износостойкость деталей машин характеризуется комплексным состоянием поверхностей трения. Несущая способность поверхности деталей, их коэффициент трения и интенсивность изнашивания при трении скольжения наряду с шероховатостью определяются макроотклонением, волнистостью и физико-механическими свойствами (микротвердость и остаточные напряжения). Достижение так называемой равновесной шероховатости, зависящей только от условий трения, возможно после длительного процесса работы узла трения, когда будут стабилизированы все параметры состояния поверхностного слоя контактирующих деталей.
Это указывает на необходимость введения понятия равновесного состояния поверхностного слоя контактирующих деталей и соответствующей ей оценки. Впервые понятие и оценка равновесного состояния поверхностного слоя деталей были даны в работах Э.В. Рыжова, А.Г. Суслова и др.
Разрешив уравнение (3) относительно параметров состояния поверхностного слоя, а также принимая во внимание требования по возможности метрологического контроля, технологического управления и приоритетность параметров качества влияющих на износостойкость, учитывая, что
1И • СМ = CR, (4)
где С11 - комплексный параметр, характеризующий зависимость интенсивности изнашивания поверхности от параметров качества поверхностного слоя:
Ся = (ШЯ шах)26 Яа 2'3( Яр - Яа ^ (5)
4 21 (кот )2/3
СМ - комплексный параметр, зависящий от механических свойств материала контактирующей детали, получим
_ п
СМ =-
43.47(рп)1'6 "\(
Е
Е (6)
1 -т2
Таким образом, при обеспечении равных значений составляющих комплексного параметра СМ (одинаковые свойства материалов, одинаковая схема нагружения, равные условия работы узлов трения и т.д.) для обеспечения равновесного состояния поверхностного слоя и, как следствие, максимального сокращения периода приработки достаточно варьировать параметр качества поверхностного слоя, входящие в параметр СЯ.
Термодинамическая подсистема. Значение температуры для деформированного элемента можно представить в виде суммы:
т = То + Ту + тв, (7)
где т0 - исходная температура элемента (в начальный момент равная температуре окружающей среды); Ту - средняя объемная температура элемента (обусловлена теплопроводностью 1 материала детали); Тв - температурная вспышка на пятне контакта. Тв определяется из условия, что работа по деформированию элемента направлена на теплообразование. Количество теплоты нагревания Q = с ■ т ■ АТ, где с - удельная теплоемкость материала детали; т - масса элемента.
В результате повышения температуры происходит тепловое расширение элемента. Длина элемента при этом / = /0 (1 + а ■ А Т), где а - температурный коэффициент длины.
Выводы.
При выполнении работы были получены следующие результаты:
• проведен анализ существующих подходов к формализации и автоматизации процессов проектирования узлов трения, работающих в условиях смешанного трения;
• разработана общая концепция процесса автоматизации проектирования деталей пар трения, работающих в условиях смешанного трения, что позволило создать в рамках интегрированных САПР комплекс программных средств для конструкторско-технологического обеспечения их требуемой долговечности;
• разработана структура комплексной автоматизированной системы, позволившая на базе процессного подхода применить теории прочности, износа и физико-механической теории покрытий для решения задач проектирования деталей узлов трения скольжения на начальных этапах ТПП.
Список литературы
1. Сорокин С.В. Интегрированные системы синтеза технологических процессов изготовления изделий // Интегрированные, виброволновые технологии в машиностроении, металлообработке: сб. трудов по материалам Междунар. науч. симпозиума технологов-машиностроителей (Ростов-на-Дону, 30 сентября - 3 октября 2015 г.). Ростов н/Д: ДГТУ, 2015. С. 358 - 361.
2 Суслов А.Г., Федонин О.Н., Польский Е.А. Наукоемкая технология повышения качества сборочных единиц машин на этапах жизненного цикла // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2016. №5 (59). С. 34 - 42.
Сорокин Сергей Владимирович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет
THE MODEL OF THE WEAR OF THE MOVABLE CONNECTIONS, WORKING IN CONDITIONS OF MIXED LUBRICATION
S.V. Sorokin
Deals with the construction of the model of the tribological system, as the logical-mathematical structure that describes the interconnected elements of the system- strength, dynamic probing subsystem, the subsystem tre-tion and wear and the thermodynamic subsystem. The synthesis of the elements of this three-Bausysteme using a systematic approach will allow us to create a model that adequately describes the processes occurring in a pair of mixedfriction.
Key words: model of the tribosystem, lubrication, contact interaction, theory of strength, the wear rate.
Sorokin Sergei Vladimirivich, candidate of technical sciences, docent, irb18@yandex. ru, Russia, Bryansk, Bryansk State Technological University
