Кинетический способ расчета изнашивания деталей машин

при усталостном механизме разрушения поверхностей трения

НТЦ «Надежность» Самарского государственного технического университета (СамГТУ), разрабатывает НИР и ОКР по проблемам конструкции, эксплуатации, технического обслуживания, модернизации, ремонта, обеспечения ресурса и надежности узлов трения технологических, энергетических и транспортных машин.

При исследовании кинетики процессов разрушения и построении расчетного уравнения изнашивания для усталостного механизма износа использовали результаты экспериментальной оценки состояния поверхностей, деформируемых трением, и наиболее известные литературные источники [1...9] и др.

Рис.1 Кинетическая характеристика изнашивания и состояния сплава ВТ9 при нагрузке q = 10 МПа, T=293 К.

Оценку состояния поверхностей проводили по мере наработки трущихся образцов из различных материалов и отслеживали изменения их основных характеристик: величины износа - U, мкм; уширения рентгеновских интерференционных линий - b; микротвердости – Hμ; шерохова-тости - Rz; демпфирующей способности - d (декремент колебаний); контактной жесткости – k и др., что показано на рис.1.

Приведенная иллюстрация показывает, что изнашивание реализуется в виде «ступенек» на кривой изнашивания - U0 . Циклы И=f(t) и их длительность являются наиболее объективной и полной характеристикой кинетики накопления повреждаемости и разрушения локализованного на выступах неровностей микрообъема материала, что подтверждает изменение значений контролировавшихся параметров состояния материала.

Разрушение каждого локализованного микрообъема Vd материала за 1 цикл (рис.1) имеет групповой характер и характеризует кинетику процесса «упрочнение – разупрочнение — разрушение». При этом на первой стадии износ минимален (И®0), а

накопление повреждений носит латентный характер. Длительность этой стадии обычно около 0,7 времени цикла.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

На второй стадии наблюдается быстрый рост отделения частиц износа. После удаления продуктов износа начинается новый цикл накопления повреждений и разрушения на другой совокупности выступающих неровностей.

В исследовании было показано, что для отделения частицы износа (рис.2) необходимо разрушить ~ 0,7 общего числа связей частицы с материалом детали на ее поверхности.

Рис. 2. Иллюстрация модели изнашивания: а — локализация разрушаемого микрообъема; б — сферическая модель среднестатистической частицы износа.

С учетом требований размерности, характеристик релаксации повреждений - V, исходной повреждаемости - x, а также диссипативности контакта (коэффициент поглощения - y) уравнение скорости изнашивания[7] было представлено в виде:

(3)

В уравнение (3): V – объем износа за один цикл (ступень); t – время разрушения объема V за один цикл; - средняя площадь единичного фактического контакта; - число площадок фактического контакта; - высота ступени износа; l - число разрушаемых связей; V и x - коэффициенты, учитывающие исходную повреждаемость материала и скорость аннигиляция повреждений при данном режиме трения, R – газовая постоянная, t0 – постоянная времени (~10-12 сек).

Уравнения (3) характеризует разрушение поверхностного слоя на двух масштабных уровнях. На микроуровне происходит разрыв единичных связей между соседними атомами в кристаллической структуре материала, рис.3.

Рис.3. Схематичная картина разрыва единичной связи под действием напряжения – σ; U0 – энергия единичной связи.

Разрушение единичной связи описывают уравнением долговечности единичной связи под нагрузкой (4), полученным академиком РАН [1]. Время разрушения единичной связи входит в знаменатель уравнения (3).

(4)

Разрушения связей происходят вследствие взаимодействия напряжений и термических флуктуаций. По мере их накопления в объеме () происходит разрушение критического числа связей и образование частиц износа уже в мезоскопическом масштабе.

При расчетах по уравнению (3) используется следующая информация [4,7,8] и др.

1. На базе справочной литературы по формуле (5) рассчитывают: среднюю площадь единичного пятна фактического контакта - (ФПК)

(5)

2. Число площадок ФПК - на изнашиваемой поверхности рассчитывают по формуле (6).

(6)

где и - контурная и фактическая площадь контакта; r – приведенный радиус неровностей; - показатель шероховатости; и - фактическое и контурное давление в контакте; - коэффициент, учитывающий специфику контактной деформации шероховатостей.

Для характерных материалов и режимов трения в машинах имеет значения, приведенные в таблице 1.

Таблица 1

Наблюдавшиеся значения высоты ступеней износа

Размерность

ступени износа

Сталь

(после ХТО)

Бронза БрБ2

Чугун

С4 21-40

h, мкм

0,1

0,35

0,5

4. V и x - коэффициенты, учитывающие исходную повреждаемость материала, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Коэффициенты повреждаемости

Исходная повреждаемость

V

Сталь (после ХТО)

Бронза БрБ2

Чугун С4 21-40

0,41

0,85

0,93

Изменение повреждаемости

x

1,02

1,8

1,12

5. Число связей разрушаемых для отделения материала в период одного цикла - l. (Таблица 3).

Таблица 3

Численные значения числа разрушаемых связей - l для формулы (4)

Число разрушаемых связей - l

Сталь (после ХТО)

Титановый сплав ВТ-2

Бронза БрБ2

Чугун С4 21-40

2×105

4,3×106

6,9×106

2×107

6. Кинетические параметры:

U0 – энергия активации пластической деформации и γ - структурно - чувствительный коэффициент определяются методом склерометрии (рис.4 и 5).

Оцененные значения этих параметров для ряда материалов приведены в таблице 4.

Таблица 4

№

п/п

Материал

U0,кДж/моль

γ, кДж×мм2/моль×кгс

1

Сталь 40Х

5×104

1,9

2

Чугун СЧ-21-40

65×103

1,7

3

БрАЖН10-4-4

50×103

2,1

Рис.4. Склерометрический программно - аппаратурный комплекс.

Рис.5. Устройство склерометра.


Пример расчета бронзовой втулки в шасси самолетов приведен на рис.6.

Рис.6. Иллюстрация физической модели испытаний и расчета на изнашивание:

а — обобщение экспериментальных данных о кинетике повре­ждаемости за время одного цикла; б — сопоставление расчетной скорости изнашивания БрАЖН 10-4-4 с экспериментальными данными и износом втулки шарнира шасси самолета Ту-134:

1 — данные эксплуатации; 2 — испытания на стенде; 3 — расчетная кривая износа;

в — расчетная эпюра износа втулки шарнира.

Литература

1. К вопросу о физической основе прочности.//Физика
твердого тела. 1980, т. 22, вып. 11. - С. .

2.  , Лурье полимеров как кинетический термоакти-вационный процесс. ДАН СССР, 1966, т. 166, № 4. - С. 909-912.

3.  Бартенев и механизм разрушения полимеров. - М: Хи­мия. 1984.

- С. 280.

4.  , , Комбалов B. C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977, - 526 с.

5.  , , Харач характер накопления искажений II рода в поверхностном слое как физическое подтвер­ждение усталостной природы износа. ДАН СССР, 1968, т. 181, № 3. - С. .

6.  , Фролов -инвариантный метод расчета ин­тенсивности поверхностного разрушения твердых тел при трении.// Поверх­ность. Физика, химия, механика. 1982, № 5. - С. 138-146.

7.  Громаковский понятий и структура моделей изнашивания./Трение и износ. Т. 18, № 1, 1997.-С. 18...24.

8.  Силаев деталей машин в маловязких средах. Самара. Изд. СГАУ. 2008.-С. 263.

9.  Ковшов модель разрушения поверхностей трения. Сб. трудов международной научно-технической конференции в г. Самаре. М.: Ма­шиностроение, 2007. Т. 2. - С. 206-213.

Авторский коллектив – сотрудники НТЦ «Надежность» СамГТУ.

, д. т.н., проф.; , д. т.н., доц.; , к. т.н., доц.; , вед. инженер; , инженер.

Банковские реквизиты

ФГБОУ ВПО «СамГТУ»

РФ,

УФК по Самарской области (НИЧ ФГБОУ ВПО «СамГТУ» л/с 20426Х73200)

ГРКЦ ГУ Банка России по Самарской области г. Самара

р/с

(0 0

, , 73.20,

от 05.12.02