Проблемы повышения надежности машин и механизмов с синергетической точки зрения Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Секция механики

УДК.621.793.6.

В.И. Бутенко, В.И. Косов, АД. Захарченко ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ С СИНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ

Анализ проблемы повышения надежности машин и механизмов показывает, что в настоящее время не представляется возможным решить вопрос увеличения срока службы изделий путем применения для их изготовления высоколегированных материалов, поскольку в большинстве случаев это экономически не оправдывается. В этих условиях чрезвычайно актуальным и важным становится путь повышения долговечности деталей машин из углеродистых и легированных сталей за счет управления качественными показателями поверхностного слоя деталей технологическими путями и в процессе эксплуатации. В результате резко уменьшается расход дефицитных и дорогих конструкционных материалов при том, что эффект повышения работоспособности изделий оказывается значительным, так как в поверхностных слоях сталей и сплавов технологическими путями можно получить более высокие физические и механические свойства.

Процессы в зоне трения возникают и развиваются в результате протекания двух основополагающих процессов: активирования (увеличения свободной энергии материалов) и пассивации (уменьшения этой энергии). В соответствии с первым началом термодинамики работа сил трения , являющаяся источником общего активирования, в основном затрачивается на образование теплоты Q (тер)

контактируемых деталей (структурное активирование) Д£:

Л% = Q + ДЕ = Оэф.

Основными составляющими процесса пассивации являются энергия, рассеиваемая узлом трения Ор, и энергия, запасаемая материалами системы 03:

Латр = 0Р + О, = О".

Все виды структурных изменений материалов поверхностей трения имеют

,

.

трения является создание динамического равновесия между процессами активирования и пассивации, при котором эффективная энергия активирования находится в пределах значений энергии, необходимой для образования вторичных структур:

Оэф 0ср .

Высокую долговечность изделий при заданных условиях эксплуатации можно получить термической обработкой максимально изнашиваемых участков рабочих , . обработки или теплового облучения в материалах поверхностного слоя деталей достигается высокая плотность дефектов кристаллического строения, что обусловливает высокую плотность внутренней энергии системы. Возникающие при эксплуатации деталей даже незначительные возмущающие воздействия приводят к переходу системы в новое энергетическое и структурное состояние на более высоком уровне устойчивости. Вследствие этого работоспособность обработанных материалов во многом определяется возможностью самоорганизации структуры поверхностных слоев деталей применительно к действующей схеме напряженно-деформированного состояния, т.е. она должна обладать трибоэнергетической при.

в том случае, если накапливаемая при внешнем температурно-силовом воздействии избыточная внутренняя энергия успевает рассеяться прежде, чем достигнет , .

Диссипация упругой энергии при нагружении поверхностных механически или термически обработанных слоев материалов деталей происходит по следую: , -та деформации, поворотом структурных элементов и т.д. Деформируемое тело будем рассматривать как многокомпонентную систему в виде иерархии структурных элементов различных уровней: атом - блок мозаики - зе рно. Это позволяет рассматривать обрабатываемый металл как систему, содержащую подсистемы, которые непрерывно флуктуируют.

Исследование способности и склонности материалов пары трения прирабатываться, т.е. самоорганизовываться, является важнейшим вопросом современного металловедения. Для образования вторичных структур в любой трибосистеме необходима энергия активации. Так как основной вклад в силу трения вносит меха, , -верхности детали в значительной степени определяет интенсивность энерговыделения в месте контакта. Одной из главных причин возникновения силы внешнего трения является выход дислокаций на поверхность, создающий ступеньки сдвига.

Коэффициент трения / выражается зависимостью [1]

f = 2n(i-V{^-\, — sina

IG pi

где <Jr - предел текучести материала детали;

p, p1 - плотность дислокаций до и после трения соответственно;

sin а - ориентационный фактор, учитывающий направление плоскости

;

V - коэффициент Пуассона;

О - .

Для пар трения машин установлено, что оптимальной является гетерогенная

,

(температуры, давления, смазки, концентрации компонентов) под влиянием механических и тепловых импульсов успевает быстро пройти перестройка одной структуры материала в другую, устойчивую на более высоком уровне, т.е. реализуется явление структурно-энергетической приспосабливаемое™ материала [2]. Образующиеся структуры наиболее эффективно рассеивают вводимую в трибосистему энергию и минимизируют износ пар трения.

Для получения рассмотренных вариантов структурного состояния материала в поверхностных слоях деталей применялась термическая обработка на различных режимах нагрева и охлаждения. Создавались структуры материала либо с максимально возможной стабильностью по отношению к внешнему воздействию, либо с возможностью оптимальной перестройки и дополнительного упрочнения (т.е. три) -вания вторичных структур. Установлено, что получаемые при термической обработке сталей и сплавов структуры способны эффективно рассеивать подводимую энергию в момент пика напряжений с помощью преобразований на различных структурных уровнях, т.е. обладают свойством диссипативности. Таким образом, становится возможным сознательно управлять поверхностной прочностью и изно-

, -сти пар трения и явления активации-пассивации, что расширяет диапазон процессов установившегося трения и изнашивания.

С синергетической точки зрения механизм влияния структурных изменений на износостойкость сплавов состоит в следующем. В процессе трения поверхностным слоям изделий сообщается энергия активации. Одновременно на образование , , на другие процессы, происходящие в материале поверхностных слоев деталей, расходуется определенное количество энергии пассивации. Разрушение сплавов в зоне фрикционного контакта может начаться только при достижении этой энергией своей предельной величины, достаточной для структурных изменений и образования новых поверхностей. Следовательно, чем больше расход энергии на струк-, -жения рабочий слой металла будет насыщен энергией предельной величины и тем выше будет его износостойкость. При этом важно, чтобы образующаяся структура материала обладала способностью к диссипации энергии. В результате поверхностные слои сплавов с относительно низкой исходной твердостью, полученной после механической или термической обработки, но склонные к структурным превращениям при действии деформации и напряжений, смогут обладать большей износостойкостью по сравнению с более твердыми (упрочненными) поверхностными слоями механически обработанных деталей.

Другим направлением решения проблемы надежности машин и механизмов с синергетической точки зрения является изучение закономерностей формирования механических показателей конструкционных материалов с позиций накапливания в них в процессе эксплуатации повреждений. Исследовалось влияние технологических факторов на усталостную прочность материалов. Известно, что состояние

, , существенное влияние на выносливость материала, так как усталостное разрушение начинается на поверхности детали даже при однородном напряженном состоя. -сти, наклеп и остаточные напряжения снижают предел выносливости материала. Это снижение может быть оценено коэффициентом влияния качества обработки Кр, определяемым по формуле

о

Кр = 1 -0,22^Я2 lg~^b-1 при К > 1мкм,

где Яг - параметр шероховатости поверхности детали;

Оь - предел прочности материала детали.

Если параметр шероховатости Яг < 1мкм , то коэффициент качества обработки Кр = 1.

,

поверхностного слоя деталей зависит от состояния дислокационной структуры и способности ее восстанавливаться в процессе эксплуатации: чем выше стойкость дислокационной структуры материала, тем выше его предел выносливости [3].

Важную роль в решении проблемы повышения надежности машин и механизмов играет их конструктивно-технолошгическое оформление. Выполнено аналитическое исследование работы механизма перемещения каретки дисковода (CD-ROM), который имеет в своей схеме реечную передачу. На плате дисковода уста,

шкив. На его валу закреплена шестерня, которая через систему промежуточных зубчатых колес приводит во вращение реечное зубчатое колесо (вращательное

). -реткой, на которой устанавливают компакт-диски. При остановке каретки проис-, -каретки. Сила удара р , обусловленная наличием инерционных масс механизма т, определяется по формуле

р = та,

где а - ускорение каретки в момент остановки.

Тогда механические напряжения о в ослабленном сечении зубчатой рейки будут равны

где А - площадь ослабленного сечения зубчатой рейки.

В этих условиях надежность работы механизма перемещения каретки дисковода во многом будет зависеть от способности материала зубчатой рейки приспосабливаться к условиям эксплуатации, например, упрочняться и не накапливать в своей структуре повреждения или эксплуатационные напряжения.

Выполненные исследования открывают новые возможности в управлении качественными показателями конструкционных материалов деталей машин и механизмов путем приспособления их структуры к изменяющимся условиям эксплуатации. Благодаря самоорганизации структуры конструкционных материалов становится возможной разработка принципиально новых способов обработки сталей и , -тали с минимальной внутренней энергией [2]. При этом обеспечивается наивысшая надежность машин и механизмов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И. Металловедение в науке о трении и изнашивании // Металловедение и теоретическая обработка материалов. №5. С.16-23.

2. Бутенко В.И. Формирование и изнашивание поверхностного слоя детали. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999.

3. . . -

ваемой детали. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000.

УДК 621.833

..

ВЛИЯНИЕ ГРАДИЕНТА НАПРЯЖЕНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ ГИБКОГО ЗУБЧАТОГО КОЛЕСА ВОЛНОВОЙ ПЕРЕДАЧИ

Для расчета на выносливость существенное значение имеет относительный градиент первого главного напряжения О1:

О

О 1

гдол

о„_ V дх

тах

V »Х )х =

где Л - коэффициент пропорциональности;

Р - угол наклона касательной к эпюре напряжения при х=а.

Г радиент напряжений растет с увеличением остроты концентратора напряжений, а также с уменьшением диаметра образца или ширины пластины. Роль градиента напряжений во влиянии масштаба дала толчок к созданию теории подобия в . -

ханического подобия Ь/О, где Ь - параметр той части опасного сечения, которое охватывает зону максимальных напряжений.

Для гибких колес волновых зубчатых передач относительный градиент напряжений вычисляется по формуле