CC BY
17Механика специальных систем
УДК 662.822
ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕРМИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ НА ИХ УСТАЛОСТНУЮ КОНТАКТНУЮ ПРОЧНОСТЬ КАРДАННЫХ ШАРНИРОВ НА ИГОЛЬЧАТЫХ ПОДШИПНИКАХ*
А. В. Губанова*, Е. В. Кукушкин, О. Е. Маслова, В. А. Меновщиков
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: [email protected]
Рассматриваются периоды развития процесса разрушения металла при усталости, влияние механических и термических способов поверхностного упрочнения деталей на их усталостную контактную прочность.
Ключевые слова: малоцикловая усталость, поверхностное упрочнение.
INFLUENCE OF MECHANICAL AND THERMAL METHODS OF SUPERFICIAL WORK-HARDENING OF DETAILS ON THEIR TIRELESS PIN DURABILITY OF CARDAN HINGES ON NEEDLE-SHAPED BEARING
A. V. Gubanova*, E. V. Kukushkin, O. E. Maslova, V. A. Menovshchikov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: [email protected]
The paper considers development period of the destruction process of metal fatigue, influence of mechanical and thermal methods of surface hardening ofparts on their fatigue contact strength.
Keywords: low-cycle fatigue, surface hardening.
Введение. Большинство современных машин и механических приборов имеют узлы трения, в которых передача рабочих усилий между деталями осуществляется с помощью локального контакта рабочих поверхностей оборудования, работающего в режиме статического или динамического нагружения, качения, качения со скольжением или качания.
Современное представление вопроса о влиянии механических и термических способов поверхностного упрочнения деталей на их усталостную контактную прочность было рассмотрено из первых теорий усталостного разрушения, известных теорий упрочнения, предложенных в разное время И. В. Кудрявцевым, В. Графом и Р. Хансоном, Е. Орованом, Ю. Делинге-ром и др. (к более поздним относятся статистические теории Н. Н. Афанасьева, А. М. Фрейдёнталя и др.), которые выявили, что в настоящее время еще не установлена единая точка зрения на явление усталости, применение теории дислокаций при изучении усталостного разрушения существенно помогает раскрыть природу этого явления.
Факторами, определяющими закономерность разрушения при усталости, являются возвратно-поступательные движения дислокаций и их взаимодействия между собой и другими дефектами кристаллической решетки. Возникающие при этом эффекты аннигиляции дислокаций, возникновение вакансий, локальное
повышение напряжений и температуры способствуют зарождению трещин [1].
Основная часть. Движение дислокаций и реализация различных механизмов их взаимодействия приводят к образованию большого количества вакансий. Последующая коагуляция вакансий в процессе циклического изменения напряжений обусловливает образование их колоний, которые представляют собой зародыши трещин. Дальнейшее развитие усталостных трещин происходит за счет осаждения вакансий на поверхностях этих трещин, которое заканчивается в конечном итоге усталостным разрушением металла. Таким образом, усталостное разрушение имеет двойственный характер. С одной стороны, оно сопровождается осаждением вакансий на поверхностях микротрещин в плоскостях максимальных нормальных напряжений, а с другой - коагуляцией вакансий в плоскостях максимальных касательных напряжений.
Развитие процесса разрушения металла при усталости можно разделить на несколько периодов. В первом периоде (инкубационном) происходит накопление пластической деформации и упрочнение материала в результате скопления дислокаций перед препятствиями, в основном у приповерхностных слоев. Таким образом можно считать, что первой стадией процесса усталости является активизация источников дислокаций.
'Результаты получены в рамках выполнения гос. заданий: № 9.447.2014/к и 211/2014 (The results obtained in the framework of the state order № 9.447.2014 / k и 211/2014).
<Тешетневс^ие чтения. 2016
Указанные процессы преимущественно протекают при высоких напряжениях. Релаксация локальных напряжений в приповерхностном слое приводит к образованию большого числа вакансий. Образование во время инкубационного периода полосы скольжения также способствует накапливанию вакансий.
Второй период характеризуется образованием микротрещин, развитие которых до критических размеров происходит в третьем периоде. Последний, четвертый, период развития процесса усталости наступает с момента достижения трещиной критических размеров и продолжается до хрупкого разрушения металла.
На основании существования единой зависимости времени, протекающего до разрушения, от величины растягивающего напряжения и температуры можно сделать вывод о том, что наличие этой единой зависимости прочности твердых тел указывает на общие закономерности пластической деформации и разрушения независимо от условий деформации и вида разрушения - вязкого, хрупкого или усталостного.
При циклическом деформировании интенсивность процесса генерирования дислокаций, их движение, коагуляция и аннигиляция вакансий происходят более интенсивно, поскольку скорость протекания локальных пластических деформаций на несколько порядков выше скорости пластической деформации при статическом нагружении.
В существующих дислокационных теориях предлагается несколько схем образования трещин, но во всех этих теориях главные дислокационные механизмы зарождения, развития трещины и разрушения металла основаны на процессе скопления дислокаций у препятствий [2-4].
Разрушения на поверхностях шипов крестовины кардана обычно происходят после наработки 1 000...2 000 часов. В отдельных случаях даже после значительной наработки шипы крестовин не имели видимых следов износа. Крестовины кардана, на шипах которых наблюдались неглубокие вмятины после 1 000 часов наработки, нормально работали еще такой же срок. Замена крестовин стала необходимой после образования вмятин глубиной 0,1 мм, когда в сочленении были слышны удары. Крестовины были обследованы. Поверхности шипов и стаканов подшипников износились и имели вмятины, которые располагались под углом 2...3° к оси шипа. Это соответствовало углу перекоса игл в подшипнике.
Вмятины, характерные для подшипников, совершающих качательное движение, могут образоваться в случае непосредственного контакта между деталями сопряжения при выдавливании смазки, ее старении и загрязнении или плохой смазываемости.
Вмятины образуются вследствие неизменности зоны контакта тел качения при высоких контактных давлениях, интенсивного протекания фрикционного окисления, и пластической деформации поверхности трения. Иногда причиной образования вмятин является пониженная твердость поверхности шипов и нарушения правил сборки узла [5].
Заключение. В настоящее время еще не существует единой общепризнанной теории усталостного
разрушения, построенной на представлениях о физических процессах, сопровождающих это явление. Многие исследователи объясняют это тем, что в зависимости от структурного состояния материала и условий циклического нагружения возникают и действуют различные механизмы зарождения и развития усталостных трещин. Согласно исследованиям [6-7] на величину остаточных деформаций оказывает влияние структурное состояние материала, а поверхностные упрочнения крестовин карданных шарниров позволяют увеличить долговечность и надежность карданных шарниров. Согласно исследованиям [1; 5; 6] установлено наличие упругопластических деформаций в зоне силового контакта игольчатых подшипников; установлено, что контактные напряжения в результате деформаций увеличиваются на 15.. .18 % по отношению к расчету по Н. Герцу.
Библиографические ссылки
1. Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А. Малоцикловая усталость игольчатого подшипника // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : материалы IX Всерос. науч.-практ. конф. : в 2 т. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2013. С. 154-155.
2. Научные основы материаловедения : учебник для вузов / Б. Н. Пастухов. М., 2009.
3. Конструкционные материалы в автомобилестроении / В. И. Абрамова, Н. Н. Сергеев, А. Н. Сергеев. М., 2015
4. Технологические методы обеспечения надежности двигателей летательных аппаратов / Н. Д. Прони-чев, А. П. Шулепов. М., 2011.
5. Меновщиков В. А., Ереско С. П. Оценка надёжности элементов пар трения карданного шарнира на игольчатых подшипниках // Механики XXI веку. 2006. № 5. С. 190-193.
6. Меновщиков В. А., Ереско С. П. Исследование и совершенствование игольчатых подшипников карданных передач транспортно-технологических машин. Красноярск : Изд-во КрасГАУ, 2006. 283 с.
7. Ереско Т. Т., Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А. Современное состояние вопроса по исследованию пластического деформирования при статическом контактном нагружении игольчатых подшипников // Механики XXI веку, Братск : БрГУ, 2014. С. 37-40.
References
1. Kukushkin E. V., Menovshchikov V. A. [Low Cycle Fatigue needle bearing]. Мaterialy Mezhdunar. nauch. konf. "Aktualnie problem aviacii i kosmonavtiki" [Materials Intern. Scientific. Conf "Current issues of aviation and cosmonautics"]. Krasnoyarsk, 2013. P. 154-155. (In Russ.)
2. Scientific fundamentals of materials science: Teaching for universities / B. N. Pastukhov. 2009.
3. Structural materials in the automotive industry. V. I. Abramova, N. N. Sergeev, A. N. Sergeev. 2015.
4. Technological methods of ensuring the reliability of aircraft engines / N. D. Pronichev, P. A. Shulepov 2011.
5. Menovshchikov V. A., Eresko S. P. [Estimation of reliability of elements of pairs of friction of cardan hinge
Механика специальные систем
on the needle-shaped bearing]. Materialy XV Mezhdunar. nauch. konf. "Mechaniki XXI veku" [Materials Intern. Scientific. Conf "Mechanics of XXI century"]. Bratsk: Bratsk State University, 2006. P. 190-193. (In Russ.).
6. Menovshchikov V. A., Eresko S. P. Issledovanie i sovershenstvovanie igolchatikh podshipnikov kardanikh peredach transportno-tekhnologicheskikh mashin [Study and improvement of needle bearing universal joint transmission of transport and technological machines]. Krasnoyarsk: KrasGAU, 2006. 283 p.
7. Eresko T. T., Kukushkin E. V., Menovshchikov V. A. [Current status of the issue on the study of plastic deformation under static loading, the contact needle roller bearings] // Materialy XV Mezhdunar. nauch. konf. "Mechaniki XXI veku" [Materials Intern. Scientific. Conf "Mechanics of XXI century"]. Bratsk: Bratsk State University, 2014. P. 37-40. (In Russ.)
© Губанова А. В., Кукушкин Е. В., Маслова О. Е., Меновщиков В. А., 2016
УДК 662.822
ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИИ НА УСЛОВИЯ РАБОТЫ КАРДАННЫХ ШАРНИРОВ*
А. С. Ереско, Е. В. Кукушкин, Д. С. Осеев, В. А. Меновщиков, Д. А. Пятаев*
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: [email protected]
Рассмотрены последствия влияния вибрации на условия работы карданных шарниров, причины возникновения вибрации, ее взаимодействие с малоцикловой усталостью и способы её устранения на примере карданных передач. Также рассматриваются перспективы развития карданных валов. В качестве исследовательской задачи авторами была определена попытка оценить данные процессы в совокупности. Однако данная проблема мало изучена и требует дальнейших исследований.
Ключевые слова: вибрация, карданный шарнир, малоцикловая усталость.
EFFECTS OF VIBRATIONS ON WORKING CONDITIONS OF CARDAN JOINTS A. S. Eresko, E. V. Kukushkin, D. S. Oseev, V. A. Menovshchikov, D. A. Pyataev*
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 'E-mail: [email protected]
This article describes the effects of vibration impact on the working conditions of cardane joints, causes of vibration, its interaction with the low-cycle fatigue and ways to eliminate based on the example of driveline. The article also discusses the prospects of development of cardan shafts. In an attempt to assess these processes together it is defined as research problem the authors. However, the problem is poorly understood and requires further research.
Keywords: vibration, cardan joint, low-cycle fatigue.
Введение. На протяжении многих лет карданные шарниры являются неотъемлемой частью большинства механизмов. Они применяются во многих механизмах, которые задействованы в строительстве, сельском хозяйстве, автомобильной промышленности и других отраслях. Карданные шарниры служат для передачи крутящего момента при несовпадении осей валов и изменении их взаимного положения. Валы, соединяющие карданные шарниры, называются карданными валами. Механизм, состоящий из одного или нескольких карданных валов и карданных шарниров и предназначенный для передачи крутящего момента между агрегатами, оси которых не совпадают и могут изменять свое положение, называется карданной передачей. Для компенсации изменения расстояния ме-
жду агрегатами трансмиссии и карданной передачей могут использоваться подвижные в осевом направлении шлицевые муфты. Значительное количество отказов узлов, установленных на подвижных объектах, вызывается воздействием интенсивных механических вибраций. Кроме того, вопросы прочности и надежности при воздействии вибраций давно приобрели решающее значение при разработке и конструировании машин. В настоящее время проведено много исследований в этом направлении, однако влияние вибрации на карданные шарниры было изучено недостаточно. Для того чтобы достоверно говорить о влиянии вибрации, необходимо рассмотреть все возможные варианты. Остановимся на карданных шарнирах в карданной передаче.
'Результаты получены в рамках выполнения гос. заданий: № 9.447.2014/к (The results obtained in the framework of the state order № 9.447.2014 / k).
