УДК 621.793;620.178
КОНТАКТНАЯ ПРОЧНОСТЬ МАЛОПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
1, 2, 2, 2
1Брянский государственный технический университет
2Брянская государственная инженерно-технологическая академия, Брянск
Рассмотрены вопросы контактной прочности малоподвижных соединений машин при воздействии эксплуатационных факторов и фреттинг-коррозии на их функциональные поверхности. Предложены способы повышения прочности малоподвижных соединений за счет нанесения на контактирующие поверхности металлических покрытий и создания в контактной зоне соединения эффекта магнитострикции.
Ключевые слова: малоподвижные соединения, контактная прочность, вибрация, фреттинг-коррозия, металлическое покрытие, аморфная структура, магнитострикция.
Во многих функциональных узлах современной техники используется значительное количество различного рода малоподвижных или, или как их часто называют, условно неподвижных соединений, таких как прессовые посадки, шлицевые, шпоночные, резьбовые и заклепочные соединения, подшипниковые узлы, соединения гидро - и пневмоаппаратуры и т. д.
Относительная неподвижность деталей соединений с гарантированным натягом обеспечивается тем, что внутренний диаметр охватывающей детали меньше наружного диаметра охватываемой детали. Напряжения, возникающие на контактных поверхностях при соединении этих деталей, должны противодействовать осевым сдвигающим их усилиям в процессе эксплуатации. При других видах соединений неподвижность деталей обеспечивается дополнительными фиксирующими устройствами. Однако при воздействии эксплуатационных нагрузок происходят относительные малоамплитудные перемещения вначале в упругой области, а при повышенных нагрузках и в упругопластических областях деформирования. В значительной степени на протекание этих процессов оказывают вибрации при работе рассматриваемых узлов.
По-прошествие определенного времени, малые относительные колебательные смещения контактирующих деталей, приводят к значительному повышению степени износа поверхностей и возникновению локальных разрушений. Наиболее опасным последствием этих процессов является фреттинг-коррозия, которая обусловливает значительное снижение прочности соединений. Это происходит за счет изменения физико-химических свойств сопряженных поверхностей вследствие многократного упругого и пластического деформирования, разрушения защитных оксидных пленок, адсорбционного взаимодействия материала со средой. При этом скорость фреттинг-коррозии определяется природой металлических пар, коррозионной активностью среды, амплитудой проскальзывания, контактным давлением, амплитудой и частотой циклов относительных смещений контактирующих деталей, степенью прилегания сопряженных поверхностей, температурой в зоне контакта.
Несмотря на значительные результаты, достигнутые, как в изучении природы перемещений и деформаций в контакте твердых тел, так и в расчетах соединений разнообразных форм, ряд вопросов, имеющих большую практическую ценность, остаются без ответа. Поэтому задачи повышения прочности и работоспособности деталей машин, в том числе, при одновременном снижении их материалоемкости остаются актуальными.
Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования [1] прочности малоподвижных соединений показали, что при локальном контакте твердых тел наибольшее напряжение возникает в поверхностном слое отдельных зон контактирующих деталей. При многократном нагружении зоны смыкаются, вызывая «проскальзывание» на контактной площадке. Процесс «проскальзывания» способствует диссипации энергии в момент преодоления сил трения и является с одной стороны источником демпфирования, а с другой интенсифицирует процессы фреттинг-коррозии и фреттинг-усталости.
Учитывая дискретность контакта шероховатых поверхностей твердых тел можно полагать, что при соответствующих условиях (определенном цикле нагружений) будут иметь место квазистатические, малоцикловые или усталостные процессы разрушения рассматриваемых соединений, которые в сочетании с физико-химическими свойствами материалов могут ускоряться или замедляться, образуя свободные микрочастицы и окислы [1].
Объем образовавшихся окислов часто превышает объем поврежденного металла и, не имея возможности выхода из зоны контакта, они способствует росту давления, приводящему к локальному изменению структуры и свойств материала. В случае свободного выхода продуктов износа и окислов из зоны контакта натяг между сопряженными деталями уменьшается, что увеличивает вибрацию и «проскальзывание» в соединении.
Учитывая вышесказанное для повышения прочности малоподвижных соединений необходимо не только увеличить фактическую площадь контакта, но и снизить вероятность возникновения фреттинг-коррозии.
Одним из эффективных конструктивно-технологических приемов достижения прочности таких соединений, на наш взгляд, представляется ведение в зону контакта некоторого объема промежуточного материала, обладающего повышенной пластичностью и позволяющего надежно заполнять зоны с нарушенным контактом за счет образования своего рода промежуточных металлических или полимерных слоев.
Для нанесения промежуточного слоя возможно использование химических или электрохимических методов, осаждения покрытий, напыления металлов, а также нанесение металлополимерных паст на контактирующие поверхности соединения. В процессе эксплуатации или выполнения технологической приработки, наносимые покрытия образуют единый функциональный защитный промежуточный слой.
Создаваемые слои должны обладать достаточной технологичностью, то есть обеспечить возможность их простого и наименее затратного способа нанесения на соединяемые детали и образования в результате этого благоприятного аморфного состояния покрытия.
Из возможных способов нанесения покрытий, обеспечивающих формирование функционального слоя, наиболее простым является использование химического и электрохимического осаждения меди толщиной от 2 до 5 мкм и более. Химическое осаждение является достаточно технологичным процессом, материалы для его выполнения доступны и недороги. При его выполнении обеспечивается необходимая равномерность осаждения материала покрытия по всей функциональной поверхности, а само покрытие имеет мелкокристаллическое строение и обладает низкой пористостью, а также малой дефектностью получаемой структуры.
Покрытия, наносимые на контактирующие поверхности деталей, достаточно прочно закрепляются на них за счет действия адгезионных связей. В результате при приложении смещающей нагрузки срыв покрытия с материала подложки не происходит, а все относительные, как микро - так и макро перемещения реализуются во внутренних промежуточных слоях. При этом благоприятные условия эксплуатации достигаются при обеспечении аморфного состояния материала промежуточного слоя.
Для достижения более эффективной работы малоподвижных соединений целесообразно для нанесения трансформирующих покрытий использование распыления (пульверизации) материала электродуговым или газопламенным способом или же нанесение исходного слоя в процессе выполнения финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО).
Целесообразность использования предложенных способов подтверждена результатами лабораторных и натурных исследований [2], которые показали, что подобным образом можно существенно повысить надежность малоподвижных разъемных соединений.
Однако при создании прессовых соединений существует возможность нарушения целостности наносимого покрытия при сборке. В этом случае целесообразно создание на стыке соединяемых деталей благоприятного контактного давления на основе эффекта магнитострикции защитного покрытия, величина и знак которой устанавливается адаптировано к топографии сопрягаемых поверхностей и знаку их механической деформации [3].
Это достигается тем, что на поверхности деталей малоподвижных разъемных соединений наносится магнитострикционные покрытия. В магнитном поле формируют структуру покрытия, состоящую из магнитострикционной подложки и герметизирующего упруго деформируемого наружного слоя, при этом знак магнитострикции выбирают из необходимости увеличения объема магнитострикционного материала подложки при деформации покрытия растяжением или сжатием. В качестве магнитострикционной подложки покрытия используются магнитотвердые материалы: желозо, технический никель, пористый хром с обработкой NiFe и др.
Магнитострикционную подложку покрытия формируют на предварительно текстурированных в плоскости {100} и химически протравленных поверхностях деталей соединения. В результате кристаллы, ориентированные с отклонением от {100}, полностью вытравливаются.
В образующиеся структурные несплошности осаждают покрытие со структурой в следующей последовательности: магнитострикционная подложка - наружный слой покрытия, после чего осуществляют сборку соединения.
Материалы магнитострикционной подложки подбирают с учетом свойств (агрегатного состояния) внешней рабочей среды и знака магнитострикционного эффекта, величина которого зависит от напряженно-деформационного состояния на стыке поверхностей деталей. При образовании на стыкуемых поверхностях деталей локализованных несплошностей вследствие, например, износа или технологических (металлургических) причин в контактной зоне соединения, в указанных областях создается избыточное давление, которое передается через упругий верхний слой покрытия на подложку.
Поскольку в качестве подложки покрытия применен магнитострикционный материал, согласно эффекту Виллари, его намагниченность, зависит от знака магнитострикции и вида деформации, обусловленной превалирующим вектором силового нагружения. Так как всякая система стремится к состоянию, характеризующимся минимумом свободной энергии, магнитные моменты атомов под действием упругих напряжений устанавливаются в таком положении, при котором магнитоупругая энергия оказывается минимальной.
По литературным данным известно, что деформация сжатием материалов с отрицательной магнитострикцией (например, феррита кобальта, никеля и др.) приводит к повышению намагниченности, следствием чего является уменьшение размеров (повышение плотности).
Таким образом, если покрытие, характеризующееся отрицательной магнитострикцией, в условиях остаточной намагниченности испытывает деформацию сжатием, то при его деформации растяжением внешним силовым полем, обусловливающим снижение намагниченности, материал покрытия будет увеличиваться в объеме.
Например, если никелевое покрытие (отрицательная магнитострикция) в условиях
остаточной намагниченности испытывает деформацию сжатием (от запрессовки деталей соединения), то при образовании на поверхности стыка вследствие трибологических процессов разрушения очаговых пустотелых несплошностей и тем самым снижения прочности в локализованных участках покрытия, давление будет понижаться. При этом деформация сжатием в этих участках переходит в деформацию растяжением по отношению к соседним участкам покрытия, по-прежнему оказывающимся сжатыми, что обусловливает снижение намагниченности и, как следствие, обусловливает увеличение объема магнитострикционной подложки покрытия.
В результате прочность, создаваемых таким образом соединений, существенно повышается.
Список литературы
1. Петухов -коррозия и фреттинг-усталость в малоподвижных соединениях ГТД и энергетических машин//Авиационно-космичес-кая техника и технология, №7(15), 2004, С.129-134.
2. Памфилов, герметичности разъемных соединений гидравлических систем технологических машин/, , // Известия Самарского научного центра РАН. 2011. Т. 13, №4(3). С.1170-1172.
3. Патент РФ на изобретение № 000 способ обеспечения герметичности неподвижных разъемных соединений./ , , // Заявл.06.02.2012 Опубл. 10.06.2013 г., Бюл.№ 16.
CONTACT DURABILITY OF INACTIVE CONNECTIONS
E. A.Pamfilov1, G. A.Piljushina2, P. G.Pyrikov2, V. A.Daniljuk2
1 Bryansk the state technical university
2 Bryansk state engineering-technological academy, Bryansk
Questions of contact durability of inactive connections of cars are considered at influence of operational factors and fretting-corrosion on their functional surfaces. Ways of increase of durability of inactive connections at the expense of drawing on contacting surfaces of metal coverings and creation in a contact zone of connection of effect мagnetostriction are offered.
Keywords: inactive connections, contact durability, vibration, fretting-corrosion, a metal covering, amorphous structure, мagnetostriction
