CC BY
4
5. Patent 087801 Russian Federation. Elastic track of a vehicle caterpillar / Lapik V.P., Adylin I.P.; No. 2012155435/11; will declare and patented. FGBOU VPO «Bryansk State Agricultural Academy»; dec. 12/19/2012.
6. Lapik V.P., Adylin I.P. Improvement of the rubber-cord track of the main propulsion. Selskiy Mechanizator. 2015; 3: 30-31.
7. Patent 196941 Russian Federation. Elastic track track of a vehicle / Lapik V.P., Adylin I.P., Kuznetsov A.E., Malashenko Yu.A., Lapik P.V. No. 2019131658; dec. 07.10.2019; publ. 03/23/2020.
8. Lapik V.P., Adelin I.P. to reduce the negative impact on the feather-moist soil tracked propulsion forage machines by the use of rubber-cord trucks. Vestnik of the Bryansk State Agricultural Academy. 2011; 1: 28-31.
Павел ВладимировичЛапик, аспирант, pasha_lapik@mail.ru Екатерина Сергеевна Адылина, аспирант, katya_borisova1996@mail.ru Андрей Евгеньевич Кузнецов, аспирант, kuznetsov@bryanskselmash.ru
Наталия Евгениевна Сакович, доктор технических наук, nasa2610@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-6154-4445
Pavel V. Lapik, postgraduate, pasha_lapik@mail.ru
Ekaterina S. Adylina, postgraduate, katya_borisova1996@mail.ru
Andrey E. Kuznetsov, postgraduate, kuznetsov@bryanskselmash.ru
Natalia E. Sakovich, Doctor of Technical Sciences, nasa2610@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-6154-4445
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests. Статья поступила в редакцию 15.12.2021; одобрена после рецензирования 27.12.2021; принята к публикации 11.01.2022.
The article was submitted 15.12.2021; approved after reviewing 27.12.2021; accepted for publication 11.01.2022. -♦-
Научная статья УДК 621.797
Системный подход к изучению взаимодействия абразивной частицы с поверхностью шейки коленчатого вала
Максим Владимирович Панов, Татьяна Васильевна Панова
Брянский государственный аграрный университет, с. Кокино, Брянская область, Россия
Аннотация. В статье изложены результаты исследований минеральных и органоминеральных материалов на триботехнические свойства сопряжения. Теоретические исследования проводились на основе современных представлений о процессах, происходящих при абразивном изнашивании частиц на поверхности шеек коленчатых валов. Экспериментальные исследования проводились на спроектированной и изготовленной установке, моделирующей процесс работы шейки коленчатого вала в условиях нормальной запылённости и запылённости, превышающей предельно допустимые концентрации. Показано, что свойства смазочных материалов зависят от условий работы агрегатов, в которых они эксплуатируются. Сохранение требуемых триботехнических свойств смазочных материалов является важным для механических устройств, эксплуатируемых в агрессивных средах с высокой долей абразивных частиц и повышенными температурами. В таких условиях эксплуатируется большинство узлов сельскохозяйственных машин и агрегатов.
Ключевые слова: коленчатый вал, износостойкость, технология, покрытие.
Для цитирования: Панов М.В., Панова Т.В. Системный подход к изучению взаимодействия абразивной частицы с поверхностью шейки коленчатого вала // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 1 (93). С. 117 - 122.
Original article
System approach to studying the interaction of an abrasive particle with the surface of the crankshaft neck
Maxim V. Panov, Tatiana V. Panova
Bryansk State Agrarian University, Kokino, Bryansk region, Russia
Abstract. The article presents the results of studies of mineral and organo-mineral materials on the tribotechnical properties of conjugation. Theoretical studies were carried out on the basis of modern ideas about the processes occurring during abrasive wear of particles on the surface of the crankshaft journals. Experimental studies were carried out on a designed and manufactured installation that simulates the process of operation of the crankshaft journal under conditions of normal dust content and dust content exceeding the maximum allowable concentra-
tions. It is shown that the properties of lubricants depend on the operating conditions of the units in which they are operated. Maintaining the required tribological properties of lubricants is important for mechanical devices operating in aggressive environments with a high proportion of abrasive particles and elevated temperatures. In such conditions, most of the units of agricultural machines and units are operated.
Keywords: crankshaft, wear resistance, technology, coating
For citation: Panov M.V., Panova T.V. System approach to studying the interaction of an abrasive particle with the surface of the crankshaft neck. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 93(1): 117-122. (In Russ.).
Важнейшей задачей сельскохозяйственного машиностроения в условиях рыночной экономики является производство надёжной, качественной продукции с минимальными затратами. Существенное влияние на долговечность деталей сельскохозяйственной техники оказывает скорость изнашивания при трении [1, 2]. Повышению износостойкости материалов с использованием различных технологических приёмов посвящено большое количество экспериментальных и теоретических исследований [3 - 7]. Эксплуатационные свойства различных сельскохозяйственных машин во многом определяются стойкостью конкретных деталей к абразивному износу. Поэтому исследование износостойкости материалов при абразивном трении является актуальной научной и производственной задачей [8, 9].
Общим для абразивного изнашивания является механический характер разрушения поверхности. В зависимости от специфики работы узлов и параметров их смазки применяют либо пластичную, либо жидкую смазку. Абразивному износу также подвержены детали машин и механизмов, используемых в различных отраслях промышленного и сельскохозяйственного производства. На процесс абразивного изнашивания влияет природа абразивных частиц, среда, в которой работает машина или механизм, свойства материала, из которого выполнены изнашиваемые поверхности и характер их взаимодействия, зависящий от технологического процесса. Как показывают исследования, характер разрушения поверхности при абразивном износе в подавляющем большинстве случаев является механическим [10].
Абразивный износ деталей сельскохозяйственных машин и механизмов вызывается попаданием на поверхность трения частиц почвы, золы, минеральных удобрений, пыли, а также крошащимися частицами твёрдых конструкционных материалов и их компонентов. Абразивные частицы имеют различную геометрическую форму и различно ориентированы по отношению к изнашивающейся поверхности. Таким образом, абразивные частицы с выпуклой поверхностью или острой кромкой могут быть вдавлены в плоскую поверхность более твёрдого тела. Этим самым можно объяснить износ металла абразивными частицами с твёрдостью ниже их собственной [11].
Материал и методы. Методологическую основу исследований составляет системный
подход к изучению и описанию процессов, происходящих при абразивном изнашивании на поверхности шеек коленчатых валов.
Теоретические исследования проводились на основе современных представлений о процессах, происходящих при абразивном изнашивании частиц, на поверхности шеек коленчатых валов. Экспериментальные исследования проводились на спроектированной и изготовленной установке, моделирующей процесс работы шейки коленчатого вала в условиях нормальной запылённости и запылённости, превышающей предельно допустимые концентрации.
Схема исследования износа шеек коленчатого вала представлена на рисунке 1.
Основные звенья схемы:
I - анализ изнашивания поверхностей шеек коленчатого вала и выявление на этой основе ведущего фактора изнашивания;
II - формулирование целей и задач исследования, вытекающих из анализа;
III - разработка методики проведения теоретических и экспериментальных исследований;
IV - проведение теоретических и экспериментальных исследований:
А - оптимизация параметров коленчатого вала: А1 - обоснование выбора шеек коленчатого вала и вкладышей; А2 - проведение экспериментальных исследований по оценке выбора материала шеек коленчатого вала; А3 - выявление влияния микрогеометрии поверхностей шеек коленчатого вала; А4 - сравнение результатов расчёта долговечности работы коленчатого с данной микрогеометрией поверхностей шеек коленчатого вала.
В - определение интенсивности изнашивания поверхностей шеек коленчатого вала: В1 - определение зависимости, оценивающей интенсивность изнашивания шеек коленчатого вала; В2 - проведение экспериментальных исследований с целью подтверждения зависимости интенсивности изнашивания при заданных условиях.
С - восстановление поверхностей шеек коленчатого вала с использованием обычного способа наплавки (низкоуглеродистая проволока): С1 - определение зависимости, оценивающей интенсивность изнашивания шеек восстановленного коленчатого вала; С2 - проведение экспериментальных исследований с целью подтверждения зависимости интенсивности изнашивания при заданных условиях.
В - восстановление поверхностей шеек коленчатого вала с использованием высокоугле-
Рис. 1 - Схема исследования поверхностей шеек коленчатого вала
родистой плёнки, последующей термообработки коленчатого вала и нанесения плёнки пластичных материалов: ^ - определение зависимости, оценивающей интенсивность изнашивания шеек восстановленного новым способом коленчатого вала; ^ - проведение экспериментальных исследований с целью подтверждения зависимости интенсивности изнашивания при заданных условиях (нового способа восстановления коленчатого вала).
V - проведение испытаний по выявлению увеличенного ресурса работы восстановленного коленчатого вала с использованием нового способа восстановления поверхности шеек коленчатого вала.
VI - разработка практических рекомендаций.
При моделировании процесса абразивного
изнашивания выделим некоторые особенности, характерные для этого вида:
1) исходная шероховатость рабочих поверхностей, подвергающихся трению, не оказывает существенного влияния на величину начального износа, так как быстро меняет свою микрогеометрию в результате царапания и срезания абразивными частицами;
2) абразивный износ рабочих поверхностей зависит как от размеров абразивных частей, их концентрации в зоне контакта, так и от отношения твёрдости поверхности к твёрдости абразивной частицы;
3) коагулирующие частицы следует рассматривать как монолитные блоки, а их действие -как действие одной частицы [12].
Анализ поверхности шейки коленчатого вала позволяет сделать первые выводы о динамике процесса изнашивания. В этом случае при взаимодействии абразивных частиц с поверхностью
шейки коленчатого вала суммарный износ (абразивный и усталостный) зависит от наработки. Для описания этого процесса воспользуемся известной моделью, предложенной Р. Холмом и Дж. Арчардом [13]:
кНЬ (1)
Iv =
HB
где 1у - объём изношенного материала;
N нагрузка;
Ь - путь трения;
НВ - твёрдость по Бринеллю;
ку - коэффициент износа.
При абразивном износе коэффициент износа зависит от таких факторов, как твёрдость и геометрический размер абразивных частиц. В расчётах они определяются опытным путём и принимаются постоянными.
Результаты и обсуждение. Трансформацию поверхности трения представим следующим образом: образование дефектной структуры приповерхностного слоя; формирование канавок; образование сети микротрещин, которые приводят к разделению частиц. Поэтому основной задачей является повышение трещиностойкости материала, подвергающегося трению и износу.
Определим факторы, в большей мере влияющие на абразивный износ шеек коленчатого вала (табл. 1).
В соответствии с п-теоремой подобия число комплексов (симплексов) имеем [14]:
п = т - г, (2)
где т - число факторов;
г - число основных единиц.
В качестве основных единиц взято (М - масса, Ь - длина, Т - время),
п = 13 - 3.
1. Факторы, определяющие абразивное изнашивание шеек коленчатого вала
Физическая величина Обозначения Размерность
1. Диаметр абразивных частиц М0ь 1Т 0
2. Форма М0ь 0Т 0
3. Твёрдость абразивного зерна На М 1Ь-1Т -2
4. Твёрдость поверхности Н М0Ь-1Т -2
5. Твёрдость абразивной частицы Н2 М1Ь-1Т -2
6. Удельная мощность М0ь 2Т -3
7. Скорость V М0ь 1Т -1
8. Время Г М0ь 0Т1
9. Концентрация частиц Са М 1ь-3Т 0
10. Абразивность а М-1Ь 3Т0
11. Износ Ж М0ь 3Т 0
12. Путь трения ь М0ь1т0
13. Площадь трения А М0ь2т0
Необходимо найти 10 критериев подобия (комплексов). Критерии подобия - безразмерные величины:
_ ^а п Н1
П1 = "Г" ; п2 = Саа ; П = —^ ;
ь н
х п
ы
где Н1 < Н2.
Ж
п7 =-
7 ЬАп
Н 2 т^
п4 = —; П = V ; Пб =
Н
Н1Ь
VI
; П8 = Ь ' %9 =
Н н
П10 =■
-а ь 2 Ла
Составим критериальное уравнение: П7 =Ф(п1, П2,......, П10);
п п п п. п, п.
По
Рис. 2 - Поверхность шатунных шеек
коленчатого вала машины ЗиЛ-130, работающей в условиях повышенной запылённости (справа) и пониженной запылённости (слева)
При анализе поверхностей шеек коленчатого вала, работающих в тяжёлых условиях повышенной запылённости, были обнаружены царапающие и режущие действия абразивных частиц (рис. 3).
Рис. 3 - Следы действий абразивных частиц
Для исследования механизма износа производили измерения характеристик поверхностей образцов шеек коленчатых валов по схеме, представленной на рисунке 4.
(3)
П7 = П11 • П22 • П33 • П44 • п55 • П66 • П88 • П99 • п^о". (4) На основании теории подобия считаются подобными процессы, в которых критерии подобия одни и те же. Данный критерий подобия позволяет выразить величину износа поверхности шейки коленчатого вала.
Для проведения анализа поверхностей шеек коленчатого вала ^образного двигателя автомобиля ЗиЛ-130 были изготовлены образцы шатунных шеек коленчатого вала. Причём один из коленчатых валов эксплуатировался в условиях повышенной запылённости, другой - пониженной запылённости (рис. 2).
Рис. 4 - Схема измерений характеристик поверхностей образцов шеек коленчатых валов: микротвёрдость и микроотклонения:
1, 2, 3, 4 - диаметрально противоположные точки поверхности образцов шеек коленчатого вала; /^ /2, /3 - сечения по длине поверхности образцов; Нг - участки измерения микротвёрдости; Пр - участки снятия профилограммы
Полученные профиллограммы показаны на рисунках 5 и 6.
Измерялись и анализировались микрогеометрические характеристики поверхностей в трёх сечениях (/1, /2, /3), а по длине - в четырёх точках 1, 2, 3, 4, при использовании центра с измерительной головкой. Профилограмма с базовой длиной измеряемого участка 2,5 мм,
U 'т 1 ;, „I"*
___■
-
Рис. 5 - Профилограмма поверхности шейки вала в условиях повышенной запылённости
--'¡к, -3.'.!»—
Рис. 6 - Профилограмма поверхности шейки вала, работающего в условиях пониженной запылённости
снятая с поверхности участка образцов, представлена на рисунке 7. В соответствии с методикой определения параметров шероховатости были определены следующие значения: значения относительной базовой длины профиля %, расчёты проводились на базовой длине 1 мм для четырёх относительных уровней высоты профиля [15].
0,05 0,04 1 0,03 « 0,02 I 0,01 Ü 0
5 -0,01
ж
6 -0,02 -0,03 -0,04 -0,05
-в сечении /, -В-в сечении /, -1 в сечении /,
-в сечении /, А в сечении /, в сечении /,
Рис. 7 - Схема микроотклонений:
А - в условиях повышенной запылённости, Б - в условиях пониженной запылённости
На представленных диаграммах видно, что на участках поверхностей, на которых проводились исследования, происходит изменение в микроотклонении формы поверхности образцов шейки. Это указывает на то, что абразивные частицы способствуют изменению микроотклонений, а именно помимо режущего и царапающего действия, которое наносят абразивные частицы, происходит также деформация отдельных участков поверхностей. Это отклонение имеет нелинейный характер, в то же время на отдельных участках наблюдается относительное выравнивание поверхности.
Схемы микроотклоений формы поверхностей шеек коленчатого вала двигателя ЗиЛ-130, работающего в условиях повышенной запылённости, приведены на рисунке 7 А и пониженной запылённости - на рисунке 7 Б.
Выводы. Результаты исследования свидетельствуют о процессе снижения микротвёрдости на всех исследованных участках поверхности шейки коленчатого вала ЗиЛ-130 для образца, работающего в малозапылённом районе. Графики микроотклонений отражают процессы преобразования структурных составляющих рассматриваемых материалов в приповерхностных слоях образцов. Изменение микротвёрдости приводит к изменению формы поверхности исследуемых образцов. Основные выводы подтверждены теоретически и экспериментально.
Список источников
1. Погонышев В.А., Погонышева Д.А., Горнева Е.А. Модернизация содержания информационной подготовки бакалавров на современном этапе развития высшего образования // Вестник Брянского государственного университета. 2015. № 2. С. 81 - 87.
2. Коршунов В.Я., Гончаров П.Н., Новиков Д.А. Прогнозирование износостойкости и усталостной прочности деталей сельхозмашин на основе кинетического подхода к процессу разрушения металлов // Вестник БГСХА. 2013. № 2. С. 33 - 36.
3. Природоподобное управление регионом с использованием технологии Блокчейн / Н.М. Горбов, Т.М. Горбова,
B.А. Погонышев и др. // Вестник Брянского государственного университета. 2019. № 1 (39). С. 168 - 173.
4. Производственные испытания рабочих органов почвообрабатывающих машин, восстановленных плазменной наплавкой / В.А. Шахов, П.Г. Учкин, М.Г. Ари-станов и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 6 (92). С. 162 - 167. https://doi.org/10.37670/2073-0853-2021-92-6-162-167.
5. Ставицкий А.В., Паульс В.Ю. Процесс плазменной обработки металла для повышения износостойкости сегментных ножей // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 5 (91).
C. 108 - 113.
6. Оптимизация параметров и режимов работы зубопружинной бороны / Г.Г. Маслов, А.В. Палапин, Е.М. Юдина и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 5 (85). С. 117 - 121.
7. Иванов И.Е,. Ерещенко В.Е. Методы подобия физических процессов: учеб. пособие. М.: МАДИ, 2015. - 144 с.
8. Износ и износостойкие материалы: учеб. пособие / М.А. Филиппов, А.В. Макаров, О.Ю. Шешуков и др. Нижний Тагил: НТИ (филиал), УрФУ, 2019. 372 с.
9. Тавтилов И.Ш. Изучение изнашивания материалов. Оренбург: ГОУ ОГУ, 2009. 17 с.
0
0
-0
10. Харламов Ю.А., Вишневский Д.А., Жильцов А.П. Основы триботехники. Липецк, 2018. 354 с.
11. Быченин А.П. Триботехника и триботехнологии: учеб. пособ. Кинель, 2018. 247 с.
12. Юрьев В.Г. Абразивная обработка. Справочник. М.: Машиностроение, 2010. 319 с.
13. Вереина Л.И. Абразивная обработка. Справочник. М.: ИНФРА-М, 2017. 331 с.
14. Доценко А.И., Буяновский И.А. Основы триботехники: учеб. М.: Инфра-М, 2019. 335 с.
15. Хрущов М.М. Трение, износ и микротвёрдость материалов: избр. работы (к 120-летию со дня рождения). М.: КРАСАНД, 2012. 512 с.
References
1. Pogonyshev V.A., Pogonysheva D.A., Gomeva Ye.A. Modemizatsiya soderzhaniya informatsionnoy podgotovki bakalavrov na sovremennom etape razvitiya vysshego obra-zovaniya. VestnikBryanskogo gosudarstvennogo universiteta. 2015; 2: 81-87.
2. Korshunov V.Ya., Goncharov P.N., Novikov D.A. Prognozirovaniye iznosostoykosti i ustalostnoy prochnosti detaley sel'khozmashin na osnove kineticheskogo podkhoda k protsessu razrusheniya metallov. Vestnik of the Bryansk State Agricultural Academy. 2013; 2: 33-36.
3. Pogonysheva D.A. Prirodopodobnoye upravleniye regionom s ispol'zovaniyem tekhnologii Blokcheyn / N.M. Gorbov, T.M. Gorbova, V.A. Pogonyshev et al. Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo universiteta. 2019; 39(1): 168-173.
4. Production tests of working bodies of tillage machines restored by plasma surfacing / V.A. Shakhov, P.G. Uhckin,
M.G. Aristanov et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 92(2): 162-167. https://doi.org/10.37670/2073-0853-2021-92-6-162-167.
5. Stavitsky A.V., Pauls V.Yu. Plasma metal treatment process for increasind the wear resistance of segment knives. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 91(5): 108-113.
6. Optimization of parameters and operating modes of the spring-tooth harrow / G.G. Maslov, A.V. Palapin, E.M. Yudina et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2020; 85(5): 117-121.
7. Ivanov I.Ye,. Yereshchenko V.Ye. Metody podobiya fizicheskikh protsessov: ucheb. posobiye. M.: MADI, 2015. 144 p.
8. Iznos i iznosostoykiye materialy: ucheb. Posobiye / M.A. Filippov, A.V. Makarov, O.Yu. Sheshukov et al. Nizhniy Tagil, 2019. 372 p.
9. Tavtilov I.Sh. Izucheniye iznashivaniya materialov. Orenburg, 2009. 17 p.
10. Kharlamov Yu.A., Vishnevsky D.A., Zhil'tsov A.P. Osnovy tribotekhniki. Lipetsk, 2018. 354 p.
11. Bychenin A.P. Tribotekhnika i tribotekhnologii: uchebnoye posobiye. Kinel', 2018. 247 p.
12. Yur'yev V.G. Abrazivnaya obrabotka. Spravochnik. M.: Mashinostroyeniye, 2010. 319 p.
13. Vereina L.I. Abrazivnaya obrabotka. Spravochnik. M.: INFRA-M, 2017. 331 p.
14. Dotsenko A.I., Buyanovskiy I.A. Osnovy tribotekh-niki. Uchebnik. M.: Infra-M, 2019. 335 p.
15. Khrushchov M.M. Treniye, iznos i mikrotverdost' materialov: Izbrannye raboty (k 120-letiyu so dnya rozh-deniya). M., 2012. 512 p.
Максим Владимирович Панов, кандидат технических наук, pmv-1980@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-3266-670X
Татьяна Васильевна Панова, кандидат технических наук, доцент, panovatava@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-4238-2233
Maxim V. Panov, Candidate of Engineering Sciences, pmv-1980@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-3266-670X
Tatiana V. Panova, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, panovatava@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-4238-2233
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 08.01.2022; одобрена после рецензирования 27.01.2022; принята к публикации 27.01.2022.
The article was submitted 08.01.2022; approved after reviewing 27.01.2022; accepted for publication 27.01.2022.
-Ф-
