CC BY
54
Леонид Сосновский
научный руководитель межведомственной лаборатории «Трибофатика» профессор Белорусского государственного университета транспорта, доктор технических наук, профессор
Трибофатика — это серьезно
Мне кажется уместным привести только одну цитату, в которой дана «качественная оценка» содеянного коллективом белорусских ученых в тесном сотрудничестве с учеными России и Украины: «Рождение новой науки случается не так часто в наше время, поэтому оно, несомненно, составляет честь для любого государства... Республика Беларусь является колыбелью трибофатики. Это было признано крупными учеными нашего времени» (В.И. Стражев, министр образования и науки, доктор физико-математических наук, профессор, 1995 г.).
А теперь я попробую кратко охарактеризовать, насколько «серьезна» трибофатика. К своей задаче подойду с двух позиций — теории и практики. Первая сторона в определенной мере «воплотилась» в сюрпризах трибофатики; вторую в известной мере отражают создание нового класса испытательного оборудования и разработка методов комплексных — износоусталостных испытаний.
Сюрпризы трибофатики в науке
Сюрпризы трибофатики — это то, что «до трибофатики» ученые не могли понять, вообразить или аналитически описать [1—2]. Их удалось вскрыть с позиций трибофатики [3—5] — мето-
дология этой дисциплины позволяет теперь ставить и решать задачу о прогнозировании подобных явлений, ситуаций, закономерностей. Не могу здесь не вспомнить: чтобы осознать сюрпризы трибофатики, понадобилось преодолеть очень высокий познавательно-психологический барьер устоявшихся традиций мышления специалистов. К настоящему времени сформулировано 9 сюрпризов трибофатики. Вот их перечень:
S1 Загадка трибофатики: неожидае-мое падение сопротивления усталости стали, обусловленное взаимодействием механо-физико-химических явлений при трении полимера;
52 Обратный эффект: эффективное управление процессами трения и изнашивания путем возбуждения циклических напряжений от внеконтактной нагрузки;
53 Трибофатическая бомба: S3-1 аномально низкое сопротивление разрушению при фреттинг-усталости, обусловленное сильным взаимодействием комплекса слабых повреждений; S3-2 Наступление многообразных запредельных состояний элементов системы при безудержном росте нагрузок;
54 Подарок трибофатики: аномально высокое сопротивление разрушению при контактно-механической усталости, обусловленное процессами самопроизвольного упрочнения.
55 Троппи: явление образования нерегулярных остаточных поверхностных волнообразных повреждений в результате нестационарного процесса упругопластического деформирования в зоне контактного взаимодействия при трении качения;
56 Трибофатическая триада (взаимосвязь движения, информации, повреждений): движение порождает новую информацию в системе, если индекс ее повреждаемости ненулевой;
57 Трибофатическая энтропия: трибофатическая энтропия есть мера необратимого поглощения энергии в опасном объеме силовой системы;
58 Трибофатическая жизнь: жизнь есть особый способ накопления повреждений;
59 Механотермодинамика: повреждаемость всего сущего не имеет мыслимых границ.
Поясним в самом кратком виде те оригинальные результаты, которые получены в трибофатике в первый период ее становления и развития.
Разгадка первого сюрприза трибофа-тики привела к фундаментальному выводу: не влияние факторов, но взаимодействие явлений — вот что происходит в деформируемой силовой системе при комплексном ее нагружении [3]. Это значит, что в механику повреждения и разрушения дополнительно к традиционному анализу факторов пришла принципиально новая методология — феноменоанализ.
Второй сюрприз открыл, образно говоря, параллельную трибологию: в силовых системах все процессы (и следовательно, характеристики) трения и изнашивания определяются внеконтак-тной (циклической) нагрузкой примерно в такой же мере, что и нагрузкой контактной; при этом циклические напряжения (от внеконтактной нагрузки) могут не только снижать, но и повышать характеристики износостойкости. Это значит, что мы впервые получили возможность осознанно и целенаправленно управлять комплексным износоусталостным повреждением и разрушением наиболее ответственных — силовых — систем ма-
шин и оборудования [4, 5]. А механика контактного взаимодействия дополнена специальным классом задач. Точнее сказать, в теории упругости открывается новое направление: исследование механического состояния твердых тел в зонах, где одновременно сочетается объемное и локальное (контактное) деформирование; по существу, это теория упругости, освобожденная от принципа Сен-Венана [2, 5].
Анализ третьего сюрприза трибофа-тики привел к разработке начальных основ двух теорий. Во-первых, это теория Л-взаимодействий эффективных частей энергий, генерируемых нагрузками разной природы, и следовательно, необратимых повреждений, ими обус-ловленных.Такое взаимодействие, как выяснилось, определяет развитие процессов упрочнения-разупрочнения, то есть в конечном счете — долговечность системы [1]. Во-вторых, это теория за-критических (запредельных) состояний систем, формы которых, как оказалось, чрезвычайно многообразны; они могут
Рис. 1. Остаточные поверхностные волнообразные повреждения на дорожке качения ролика диаметром 100 мм (а) и вала диаметром 10 мм (б)
соответствовать любой степени пов-режденности — от разделения объекта на две части до его полного разложения (на атомы, например).
Если уровень контактных и циклических напряжений в опасном объеме силовой системы, которая работает в условиях контактно-механической усталости, растет в определенных пределах, то ее долговечность (несущая способность) не уменьшается, как традиционно ожидалось, а, наоборот, увеличивается. Таков четвертый сюрприз трибофатики; мы вскрыли механизмы и объяснили причины необычного поведения системы в указанных условиях [4, 5].
А далее, как говорится, четыре в одном: энергетическая теория предельных состояний силовых систем оказалась способной удовлетворительно описать и объяснить все изложенные выше сюрпризы, потому что данная теория базируется именно на первых четырех сюрпризах трибофатики и в прикладном плане дала новую и эффективную процедуру проектирования силовых систем по важнейшим критериям работоспособности.
Пятый сюрприз трибофатики — троп-пи — не известное ранее и удивительное явление. Казалось бы, простое качение ролика по изгибаемому валу, но в определенных условиях возникает ералаш остаточных повреждений: в разных зонах дорожки качения обнаруживаются существенно различающиеся пластические деформации в трех направлениях, что делает ее причудливо волнообразной (рис. 1). Но это не застывшие волны пластичности, ибо волны — регулярны, а троппи — принципиальная нерегулярность остаточных волнообразных повреждений, обусловленная нестационарностью движения ролика по валу и неоднородностью свойств материала на пути трения. Явление изучено экспериментально и понято — уже есть механико-математическая модель
троппи. И оно обнаруживается реально — при движении поездов по рельсам при больших осевых нагрузках (рис. 2).
Движение, в определенных условиях, порождает новую информацию, но только в тех случаях, если индекс повреждаемости системы оказывается ненулевым. Информация будет положительной, когда система упрочняется, и отрицательной, когда она разупрочняется. Это и есть шестой сюрприз трибофатики. И мы имеем первое, пусть и простейшее, уравнение, которое служит мостиком между механикой и кибернетикой; сваи под этот мостик дала трибофатика (рис. 3).
Термодинамика изучает рассеяние энергии в системах; удобной характеристикой этого процесса является (термодинамическая) энтропия. Но если принять во внимание, что повреждение — фундаментальное свойство и обязанность любой системы, то нетрудно прийти к представлению о трибофатической энтропии как мере поглощения энергии, расходуемой на генерирование и развитие необратимых повреждений. Таким образом, в соответствии с седьмым сюрпризом процессы необратимого повреждения в опасном объеме силовых систем порождают трибофатическую энтропию, производство которой прекращается только с ее гибелью.
Теперь совсем естественным представляется следующий шаг: подумать о трибофатике очень своеобразных — биологических—систем, в том числе живых и разумных. Так появилась концепция трибофатической жизни как особого способа накопления повреждений — восьмой сюрприз трибофатики. Анализ поля жизни и поля судьбы показал, что на самом деле есть только один верный способ продления жизни — уменьшение скорости накопления повреждений. Плодотворность развиваемой концепции состоит и в том, что она открыла путь для разработки численных методов (или количественного анализа) в диалектике.
И наконец, девятый сюрприз трибо-фатики: рождение механотермодина-мики, новой физической дисциплины, в рамках которой сошлись механика и термодинамика, чтобы не спорить, не конкурировать друг с другом, а, при посредничестве трибофатики, по-новому взглянуть на мир и его эволюцию [6]. Первые два начала механотермодина-мики формулируются так:
• повреждаемость всего сущего не имеет мыслимых границ;
• потоки эффективной энергии (энтропии), обусловленные источниками разной природы, не аддитивны — они взаимодействуют между собой диалектически.
Первое начало утверждает, что для эволюции всякой системы неизбежен однонаправленный процесс ее разложения — в частности, на бесконечно большое количество малых составляющих (фрагментов, атомов, элементарных частиц и т.д.). По существу, оно равносильно признанию тезиса о нескончаемости эволюции, если принять во внимание, что продукты распада любой системы становятся строительным материалом для новых систем. Иными словами, наша Вселенная неуничтожима, поскольку она эволюционирует по повреж-денности. Такое заключение соответствует философскому представлению о том, что материя и движение вечны, а повреждаемость есть фундаментальное свойство (и обязанность) всех систем, в том числе живых и разумных. Отсюда вытекает следствие: производство внутренней механотермодинамической энтропии так же вечно, как и движение и повреждение; это значит, что энтропия Вселенной возрастает; что отвечает современным физическим представлениям [7].
Теперь, когда первые сюрпризы три-бофатики поняты и сформулированы, можно сказать: ездить по дороге легко — трудно ее прокладывать. Именно поэтому в послесловии к книге я написал: «Сюрпризы трибофатики... А ведь это и сюрпризы моей жизни.» [2].
Трибофатические методы испытаний: инновационные решения
«Без испытания материалов развитая цивилизация существовать не может», — писал Джеймс Гордон. И к настоящему времени экспериментальная механика стала базой для любых расчетов на прочность и долговечность; не менее важной ее функцией является познание закономерностей и особенностей поведения материалов под нагрузкой в разнообразных условиях — в том числе при повторно-переменных нагрузках, трении и т. д.
для экспериментальной оценки взаимного и совместного влияния процессов трения и механической усталости на работоспособность материалов и моделей силовых систем в сложных условиях нагружения в трибофатике разработаны специальные методы износоусталост-ных испытаний. Они базируются, как правило, на инновационных решениях, которые, конечно же, являются изобретениями. Кратко охарактеризуем их [8].
ИР-1. Формирование и реализация комп-лексныхметодовиспытанийслужебных свойств материалов и моделей силовых систем. Развитие трибологии привело к
созданию особого класса испытательного оборудования — машин для испытаний на трение и изнашивание, развитие механики усталостного разрушения — машин для усталостных испытаний, развитие трибофатики — машин для изно-соусталостных испытаний (рис. 4).
На таких машинах можно проводить испытания на контактно-механическую усталость (КМУ), на фрикционно-ме-ханическую усталость (ФМУ), на фрет-тинг-усталость (ФУ) и, кроме того, вести обычные — либо на механическую усталость, либо на трение и изнашивание в определенных условиях.
ИР-2. Унификация объектов испытания. Главная и важнейшая особенность разработанных методов износоусталос-тных испытаний состоит в том, что все они построены на базе единого унифицированного объекта—вала диаметром 10 мм, применяемого при любых схемах нагружения (рис. 5); это обеспечивает сравнимость данных, полученных при испытаниях элементов конструкций, пар трения и силовых систем [5, 8].
К настоящему времени типичные методы износоусталостных испытаний доведены до стандартного исполнения [8].
Был осуществлен и еще один важный проект: на основе ряда изобретений созданы модульные машины серии СИ, на которых проводят износоусталост-ные испытания по любой из принятых (рис. 5) схем:
• машина СИ-01 (испытания на фрик-ционно-механическую усталость);
• машина СИ-02 (испытания на контактно-механическую усталость);
• полнокомплектная машина СИ-03 (испытания на фрикционно-меха-ническую и контактно-механическую усталость).
На всех этих машинах можно проводить и испытания на фреттинг-усталость.
ИР-3. Элементы мехатроники. В качестве механизмов изгибного и контактного нагружения в модульных машинах серии СИ впервые использованы приводы постоянного тока МП-100. Напряжение питания — 24 В, потребляемый ток—до 2 А. Несмотря на небольшую потребляемую мощность, механизмы МП-100 развивают усилие 1700 Н непосредственно на выходном штоке. Они оснащены путевыми выключателями, которые позволяют определять крайние положения штока и могут быть установлены в любое промежуточное положение.
Таким образом, применение элементов мехатроники в машинах серии СИ открыло реальную возможность автоматизации процесса нагружения по любой программе.
ИР-4. Автоматизация испытаний. Для машин серии СИ впервые разработана информационно-управляющая система, которая позволяет полностью автоматизировать управление процессом испытаний и измерение основных параметров (рис. 6).
Система измерений построена таким образом, что оператор-испытатель с помощью персонального компьютера задает параметры испытания и критерии его прекращения. Машина запускается
Уникальные возможности изучения процессов повреждения и разрушения
Наукоемкая продукция
(10 авторских свидетельств СССР)
А
Новые и высокие технологии износоусталостных испытаний, в том числе ускоренных (доведены до стандартного исполнения)
НПО
«ТРИБОФАТИКА» МАШИНЫ СЕРИИ СИ для износоусталостных испытаний материалов и моделей силовых систем
Реализация многих методов испытаний на одной машине с использованием ^ базового образца
»
Сотрудничество с институтами академий наук Беларуси, России, Украины
Полная автоматизация процесса испытаний и обработки результатов (на базе ПЭВМ)
Блочно-модульный принцип компоновки ряда специализированных машин настольного исполнения
Рис. 4. Характеристика машин серии СИ
ГОМЕЛЬ
в автономном режиме, формирует необходимые управляющие воздействия, осуществляет сбор данных с датчиков и запись их на жесткий диск персонального компьютера. В процессе сбора данных на экране отображаются основные параметры испытания и измеряемые величины. После завершения испытаний файл базы данных с результатами измерений можно анализировать с помощью стандартных программ пакета Microsoft Office или других специализированных программ.
Важнейшим элементом системы управления и измерений является программное обеспечение, которое позволяет в диалоговом режиме задать режимы испытаний, периодичность измерения и регистрации параметров, обеспечивает отображение режимов работы оборудования и текущих значений измеряемых параметров в удобном для испытателя виде.
ИР-5. Ускоренные методы испытаний. Для ускоренной оценки основной характеристики сопротивления усталости металлических материалов широко используют метод многоступенчатого нагружения — предела выносливости. Мы применяем его для того, чтобы получить комплекс специфических характеристик из-носоусталостного повреждения в специфических условиях [8].
ИР-6. Измерение и анализ локальных повреждений в процессе испытаний. Понимание того, что всякому предельному состоянию, особенно в зонах контактного взаимодействия, всегда предшествует то или иное развивающееся локальное повреждение, стало давно обычным; и в теоретическом, и в прикладном планах было
R5
Fn \ 2\ !
t ! о ! 2 1У\ о / о \
Ш>г\ lit
& 12
тс s
X ш
й ш s
X ш о.
тс s
X
LU
о
о ш s
X ш а.
г) Фрикционная усталость
2 с I 3 1
о о
Ö) Фрикционно-механическая усталость
ясно, что повреждения бывают неравномерные (например, износ вкладышей подшипников и шеек коленчатых валов) и локальные (например, ямки выкрашивания, питтинги, зоны теплового схватывания). Были разработаны и широко применяются экспериментальные методы исследования локальных повреждений — обычно после того как они достигли некоего фиксированного состояния (методы микротвердости, оптической металлографии, рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и др.). Однако кинетику повреждений нельзя было воспроизвести в лабораторных условиях, следовательно, экспериментально исследовать закономерности их возникновения и развития. В трибофатике предложен, разработан и реализован (на испытательных машинах серии СИ) новый, простой и эффективный, метод обнаружения, регистрации и анализа локальных повреждений в процессе испытаний [5, 8].
ИР-7. Оригинальная модель зубчатой передачи и методика ее испытания. Зубчатые передачи — наиболее ответственные и высоконагруженные силовые системы контактного взаимодействия современных машин. К основным видам разрушения зубчатых колес относятся усталостный излом зубьев, происходящий у основания ножки зуба в области переходной кривой, и контактные разрушения рабочих поверхностей зубьев.
Существующие методы испытания зубчатых колес обладают рядом недостатков. В частности, определяют сопротивление либо только контактной, либо только изгибной усталости, при этом для
Рис. 5. Первая унификация методов износоусталостных испытаний. Типичные схемы износоусталостных испытаний: 1, 1а, 1б — образец; 2 — шпиндель испытательной машины; 3, 4 — контробразец; Q — изгибающая нагрузка; FN — контактная нагрузка; ш1, ш2 — скорость вращения образца, контробразца
■* N Т1
1 лУ
Г
-0\
Рис. 7. Первая модель зубчатой передачи
Рис. 6. Первая информационно-управляющая система для машин серии СИ и электромеханическая схема расположения датчиков в машине СИ-03: М1, М2 — приводы образца и контробразца соответственно
испытаний требуются разные стенды (и разные типоразмеры образцов).
В трибофатике предложен оригинальный метод совмещенных испытаний материалов для зубчатых колес. Он позволяет получить кривые изгибной и контактной усталости при использовании единой модели зубчатого зацепления при действии единой (в обоих случаях) контактной нагрузки — как в натурных условиях. Для экспериментального определения сопротивления как изгибной, так и контактной усталости одновременно применяется специальная модель зубчатого зацепления (рис. 7).
особенностью модели является то, что цилиндрический образец 1, изготовленный из материала зубчатого колеса, представляет собой консоль, на свободном конце которой сформирована зона контактного взаимодействия, а на другом — зона изгиба в виде галтели, соответствующей переходной кривой у основания зуба. Образец-модель 1, закрепленный в шпинделе 5, вращается с угловой скоростью ы1. К поверхности образца 1, в зоне контакта 3, с силой FN прижат контробразец 2, ось вращения
которого параллельна оси вращения образца и который вращается с заданной скоростью ш2. Путем регулирования скоростей и ш2 можно получить коэффициент проскальзывания, с высокой точностью имитируя скольжение в зубчатой передаче. Сила FN, приложенная на плече Ц обеспечивает одновременное возбуждение как контактных, так и изгибных напряжений в соответствующих зонах, а расстояние между этими зонами выбирают соответствующим расстоянию между полюсом зацепления и основанием зуба.
ИР-8. Оригинальная модель системы «колесо — рельс» и методика ее испытания. Анализ показал, что традиционные методы испытаний (либо на механическую, либо на контактную усталость) не могут правильно охарактеризовать сопротивление системы «колесо — рельс» комплексному износоуста-лостному повреждению и разрушению. Моделирование системы «колесо— рельс» может оказаться корректным только в том случае, если контактные и изгибные напряжения удалось бы возбуждать при действии единой нагрузки FN — как в процессе эксплуатации. Раз-
работанные способы моделирования системы «колесо—рельс» представлены на рис. 8.
ИР-9. Оригинальная модель системы «труба — поток жидкости под давлением» и методика ее испытания. В различных отраслях: машиностроении, в том числе сельскохозяйственном, трубопроводном транспорте и т.д. остро стоит проблема борьбы с корро-зионно-эрозионной усталостью сталей. А вот комплексные методы испытаний на коррозионно-эрозионную усталость, отсутствуют.
На рис. 9 приведена схема оригинального способа, который в известной мере имитирует работу системы «труба — поток жидкости под давлением» [8].
Особенность контактного взаимодействия образца 1 и контробразца 2 состоит в том, что диаметр контактной поверхности контробразца вдвое превышает диаметр образца. Поэтому контакт осуществляется по узкой полоске, а между образцом и контробразцом реализуется конструктивный клин, в который затягивается жидкость при вращении образца. Если контакт между образцом
Система ролик/кольцо
Варианты исполнения кольца как модели рельса со шпалами
Схема вырезки кольца, моделирующего работу рельса, с сохранением рабочего поверхностного слоя
Рис. 8. Первые конструктивные модели системы «колесо — рельс»
и контробразцом будет чисто жидкостным, то контробразец исполняет лишь роль устройства для создания рабочего давления на площадке контакта твердого тела с жидкостью; последняя организуется в зоне растяжения изгибаемого образца. Непрерывное движение жидкости через конструктивный клин и площадку контакта обусловливает либо гидроэрозию (если среда слабо агрессивна), либо коррозионную эрозию (если среда агрессивна по отношению к металлу образца).
Таким образом, предложенный метод испытаний имитирует, например, все основные условия работы внутренних поверхностей труб линейного участка нефтепровода.
Следует отметить, наконец, что в три-бофатике разработаны новые (конечно, инновационные) принципы проектирования наиболее ответственных и массовых — силовых систем современных машин и оборудования [4, 5]. Все это позволяет сказать, что трибофатика — это серьезно. И полезно.
Литература
1. О трибофатике. Материалы науч. семинара, посвященного 20-летию развития исследований в области трибофатики и 70-летию профессора Л.А. Сосновского, Минск, 28 июля 2005 г. / Научн. ред. Л.Г. Крас-невский. — Мн., 2005.
2. Sosnovskiy L.A., Sherbakov S.S. Surprises of Tribo-Fatigue. — Minsk, 2009.
3. Слово о трибофатике / Редактор-составитель А. В. Богданович. — Гомель — Мн. — М. — К., 1996.
4. Sosnovskiy L.A. Tribo-Fatigue. Wear-fatigue damage and its prediction (Foundations of engineering mechanics). Series: Foundations of Engineering Mechanics. — Springer, 2005.
5. Сосновский Л.А. Механика износоуста-лостного повреждения. — Гомель, 2007.
6. Сосновский Л.А., Щербаков С.С. О возможности построения механотермодина-мики // Наука и инновации. 2008, №2 (60). С. 24—29.
7. Фейнман Р. Лекции по физике. Т. 4. — М., 1963.
8. Сосновский Л.А., Высоцкий М.С., Сенько
B.И., Богданович А.В., Еловой О.М., Тюрин
C.А., Драган В.И. Трибофатические методы испытания: инновационные решения // Вестник БрГТУ. 2009, №4 (58): Машиностроение. С. 2—30.
9. Сенько В.И., Сосновский Л.А. Основные идеи трибофатики и их изучение в техническом университете. — Гомель, 2005.
10. Фролов К.В., WEN Shi-Zhu, Трощенко В.Т., Высоцкий М.С., Махутов Н.А., Сенько В.И., Хоменко А.П., YAN Xinping, Сосновский Л.А. Трибофатика как учебная дисциплина в техническом университете / Тр. V Междунар. симпозиума по трибофатике (ISTF 2005), 3—7 октября 2005 г., Иркутск (Россия) / Отв. ред. А.П. Хоменко. Т. 2. — Иркутск, 2005. С. 44—61.
Рис. 9. Первая модель системы «труба — поток жидкости под давлением». Схема испытаний на коррозионно-эрозионную усталость: 1 — образец; 2 — контробразец; 3 — шпиндель; 4 — камера с жидкостью
