CC BY
153
4. Нормативно-техническая документация, ресурсосберегающие технологии, ремонтно-технологическое оборудование для технического сервиса машин и оборудования АПК: Каталог. / Под общ. ред. В.И. Черноиванова. — М.: ГОСНИТИ, 1999. — 146 с.
5. Немцев А.Е., Коротких В.В. Факторы адаптивности системы технического сервиса в АПК / Материалы международной научно-практической конференции «Современные и перспективные технологии в АПК Сибири». — Новосибирск: НГАУ, 2006. — С. 99, 100.
УДК 631.3.004.5:620.179.112
B.И. Балабанов, доктор техн. наук, профессор
C.А. Ищенко, канд. техн. наук, доцент
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»
трибофатика, как связующее звено между трибологией и сопротивлением материалов
В любой машине наиболее ответственными являются силовые системы. Так называют всякую механическую систему, которая работает в условиях контактного взаимодействия элементов (при скольжении, качении, проскальзывании и др.) и одновременно передает рабочую циклическую нагрузку.
В конце прошлого столетия в Республике Бе-лорусь возникло и достаточно успешно развивается новое научное направление — трибофатика (МЬо-fatigue). Это наука об износоусталостных повреждениях и разрушении материалов и силовых систем машин и оборудования. Она изучает процессы, происходящие на стыке явлений механики усталостного разрушения, исследуемой в сопротивлении материалов, трибологии (науки о трении, изнашивании, смазывании и самоорганизации подвижных соединений) и теории надежности механических систем [1, 2, 3].
В общем случае трибофатика рассматривает работу материалов в условиях высокой температуры, воздействии агрессивной среды и ионизирующих излучений. Методологические, теоретические и экспериментальные основы трибофатики разработал белорусский ученый — профессор Л.А. Со-сновский (ныне сопредседатель Международного координационного совета по трибофатике).
В рамках трибофатики также исследуют методы решения теоретических задач, методики и результаты изучения повреждений поверхностей материалов при их коррозионном и фрикционном взаимодействии с применением средств компьютерной обработки изображений, регистрации акустической и электромагнитной эмиссии в температурном интервале до нескольких тысяч градусов и т. д.
Член-корреспондент РАН Н.А. Махутов кратко сформулировал цель этих исследований, как разработку методов, средств, критериев и способов защиты человека, объектов и машин от техногенных несчастных случаев и катастроф.
В настоящее время трибофатика является связующим звеном между несколькими научными направлениями, в том числе, такими как трибология и сопротивление материалов. Следует отметить, что именно математические модели, применяемые в сопротивлении материалов, служат базовыми для прочностных расчетов и в трибофатике. Однако, специалисты по деталям, конструкциям и надежности машин вследствие ряда причин часто не учитывают те процессы и явления, которые рассматривает трибофатика, что может приводить к отказам техники и возникновению чрезвычайных ситуаций. Особенно это актуально для атомной промышленности и транспорта.
Одной из таких совместных практических задач является создание вязких, упругих, хорошо сопротивляющихся ударным нагрузкам материалов, при этом имеющих высокую поверхностную износостойкость.
Усталость и изнашивание — наиболее опасные для современных машин повреждающие явления: до 90 % отказов обусловлено ими. В таких системах возникает комплексное износоусталостное повреждение. Эти системы и процессы их повреждения изучают в трибофатике.
Развитие трибофатики открывает новые перспективные пути повышения долговечности машин по важнейшим критериям работоспособности при одновременном снижении затрат труда, средств и материалов в сферах производства и эксплуатации.
К силовой системе в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) следует отнести коленчатый вал или, точнее, соединение «шейка коленчатого вала—вкла-дыш». Работоспособность данного соединения, несомненно, лимитирует надежность всего двигателя. При этом следует отметить, что до 50 % всех отказов ДВС автотракторной техники в той или иной степени связано с кривошипно-шатунным механизмом.
Технический сервис в агропромышленном комплексе
Для повышения износостойкости и выносливости коленчатых валов широко применяют метод фрикционного нанесения медьсодержащих покрытий — финишную антифрикционную безабразивную обработку (ФАБО). Покрытия толщиной от 50 до 500 нм из пластичных металлов наносят в специальной технологической среде на трущиеся поверхности деталей — коренные и шатунные шейки коленчатого вала, гильзы цилиндров, реборды и поверхности качения вагонных колесных пар, различные штоки, пальцы, резьбовые соединения и др. В результате одновременно происходит упрочнение поверхности основного материала на глубину 70.. .80 мкм вследствие высокого давления в месте линейного контакта (рис. 1). Впервые данный метод нанесения покрытий (фрикционное латунирование) предложен Д.Н. Гаркуновым и В.Н. Лозовским [4].
Высокая износостойкость поверхностей трения, обработанных методом ФАБО, подтверждена множеством исследований как в России, так и за рубежом, например в ФРГ [5]. Значительный интерес представляет ФАБО как средство повышения выносливости коленчатых валов — одна из задач трибофатики.
Испытания стальных образцов после ФАБО на выносливость проводили в соответствии со стандартом в условиях деформации чистого изгиба с одновременным их вращением на установке МУИ-6000.
Для испытаний были взяты 12 стандартных цилиндрических образцов, изготовленных из стали 45, закаленных до твердости ИЯС 60 и отполированных до Яа ~ 0,63 мкм. На поверхность шести образцов из этой партии было нанесено медьсодержащее покрытие методом ФАБО. Принцип испытаний заключался в том, что в рабочей части образца от груза возникал изгибающий момент. При вращении лю-
Рис. 1. Схема фрикционного латунирования поверхности:
1 — рабочая поверхность детали; 2 — натирающий стержень; 3 — приспособление для ФАБО; 4 — нанесенное покрытие; Р — сила прижатия инструмента; п — перемещение устройства по обрабатываемой поверхности
бая точка образца оказывалась то в области сжатия, то в области растяжения (рис. 2).
При испытаниях определяли число циклов N (число оборотов образца) до разрушения. Испытания прекращали при N = 107 циклов, что для стальных образцов равносильно бесконечному числу циклов. По экспериментальным данным для разрушенных образцов строили диаграмму выносливости. Полученные при этом кривые выносливости асимптотически приближались к постоянным напряжениям, равным пределам выносливости образцов без покрытия (о_1) и с медьсодержащем покрытием (о-1п).
При испытании на выносливость образцов с покрытием ФАБО из латуни Л63 и образцов без покрытия установлено, что для латунированных образцов из стали 45 предел выносливости о-1п = 550 МПа, тогда как необработанных образцов о_1 = 520 МПа. Следовательно, латунирование стальных образцов повышает их предел выносливости на 15,6 %.
При стендовых испытаниях по ГОСТ 18509-88 двигателей СМД-62 (мощность 180 кВт), у которых гильзы цилиндров и шейки коленчатого вала были обработаны методом ФАБО, получено следующее:
• увеличение эффективной мощности на 8.12 кВт за счет снижения механических потерь на трение и улучшения качества приработки деталей цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма;
• повышение давления масла в главной магистрали двигателя при номинальной частоте вращения коленчатого вала на 25.30 %о (это указывает на более качественную приработку вкладышей коленчатого вала);
• снижение износа деталей соединения в среднем в два раза; снижение содержания продуктов износа (железа) в пробах масла, определенного методом рентгеноспектрального флуоресцентного анализа на модернизированном анализаторе «БАРС-3», на 50 %о (и более).
В ходе эксплуатационных испытаний двигателей после капитального ремонта с применени-
m=
Гибкий вал
Образец
Электродвигатель
£
Рис. 2. Схема проведения испытаний на выносливость:
а — расстояние между точкой опоры и точкой приложения груза; d — диаметр рабочей части образца
1
ем ФАБО для гильз цилиндров, коренных и шатунных шеек коленчатых валов в хозяйствах Московской и Липецкой областей получены следующие результаты (по сравнению с типовой технологией ремонта):
• снижение средней интенсивности падения давления масла в главной магистрали трех дизелей на номинальной частоте вращения коленчатого вала в зависимости от наработки на 12,5 %;
• уменьшение содержания продуктов износа (железа) в пробах масла из картеров двигателей на 34,7 %;
• снижение расхода топлива на 5.. .10 0% (это составляет экономию 0,85.2,6 т топлива в год на один двигатель);
• уменьшение расхода моторного масла в 1,7 раза, увеличение межремонтного ресурса в 1,23 раза (с 2200 до 2700 мото-ч).
Выводы
1. В настоящее время развивается новое научное направление — трибофатика (tribo-fatigue) — наука об износоусталостных повреждениях и разрушении материалов и силовых систем машин
и оборудования, которая изучает процессы, происходящие на стыке явлений механики усталостного разрушения, трибологии, теории надежности механических систем и сопротивления материалов.
2. Технология ФАБО — один из примеров практического применения трибофатики для исследования и повышения надежности соединений ДВС.
3. Возможность нанесения нанопокрытий методом ФАБО на стальные и чугунные детали в перспективе позволит заменять детали из цветных сплавов на стальные и чугунные детали с покрытием, что не только обеспечит их необходимую износостойкость, но и значительно повысит выносливость.
Список литературы
1. Сосновский Л.А. Основы трибофатики. — Гомель: БелГУТ, 2003. — 478 с.
2. Сосновский Л.А. Трибофатика: проблемы и перспективы. — Гомель: БелИИЖТ, 1990. — 81 с.
3. Сосновский Л.А. Трибофатика: О диалекте жизни. — Гомель: НПО Трибофатика, 1999. — 200 с.
4. Гаркунов Д.Н. Триботехника (конструирование, изготовление и эксплуатация машин). — М.: Изд-во МСХА, 2002. — 616 с.
5. Polzer G. und an. Reibbeschichten und selektiven Übertragung. — Zwikkau, 1988. — 88 s.
УДК 539.3/8(076)
С.В. Лилкова-Маркова, доктор техн. наук, адъюнкт-профессор Д. Киндова-Петрова, ст. доцент
Университет архитектуры, гражданского строительства и геодезии (Болгария)
применение теоремы кастилиано для балок переменного сечения
Балки, работающие на изгиб, являются одним из основных элементов как строительных, так и многих машиностроительных конструкций. Такие балки надо исследовать не только на напряженное состояние, но, самое главное, на их деформации.
В современных конструкциях часто встречаются элементы, для которых один из геометрических размеров поперечного сечения изменяется плавно на протяжении их длины, т. е. поперечное сечение непостоянно. Например, деревянные балки с переменным по длине поперечным сечением применяют в жилищном строительстве, как элементы конструкций различных покрытий. При их проектировании могут существовать ограничения для максимально возможного перемещения, а также архитектурные требования — по допустимым различиям между высотами поперечных сечений на разных концах балки.
Существуют различные подходы для определения перемещений в сечениях нагруженной балки.
Энергетические методы применимы, когда необходимо найти перемещение или кручение одного сечения балки. Известную теорему Кастилиано принято использовать в случае сложной геометрии балки, а также при наличии комбинированных профилей.
В статье рассмотрена стальная консольная балка, на свободный конец которой действует сила Г (рис. 1) под углом 0 к горизонтальной плоскости. При этом круглое поперечное сечение балки непостоянно по длине I. Высота поперечного сечения изменяется по линейному закону по длине балки. Конструкционный материал балки имеет модуль упругости Е и модуль сдвига О.
Радиус произвольного поперечного сечения балки
r (х) = r0 - х tga,
(1)
где г0 — радиус поперечного сечения в левом конце балки; х — координата произвольного поперечного сечения; а — угол наклона балки по длине.
