автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Повышение долговечности подшипников качения, работающих в условиях фреттинг-коррозии

На правах рукописи

КОРНИЕНКО БОРИС НИКОЛАЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ФРЕГГИНГ-КОРРОЗИИ

05.02.04 — «Трение и износ в машинах»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой стелет кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 2006

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая механика» в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения»

Научный руководитель —

Официальные оппоненты —

Ведущее предприятие —

академик РАН, доктор технических наук, профессор Колесников Владимир Иванович.

доктор технических наук, профессор Кохановский Вадим Алексеевич; кандидат технических наук, доцент Замыцкий Александр Алексеевич.

Южно-Российсхий государственный технический университет (ЮРГТУ-НГШ, г. Новочеркасск).

Защита состоится 14 сентября 2006 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.010.02 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, в конференц-зале РГУПС.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «» 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 218.010.02 д.т.н., проф.

И.М. Елманов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Износ посадочных мест подшипников качения (ПК) — довольно распространенное явление в конструкциях машин.

Одной из основных причин нарушения посадки внутреннего кольца ПК является фреттинг-коррозия, борьбе с которой не уделяется достаточного внимания, что объясняется отсутствием научно обоснованных методов оценки влияния динамических процессов, протекающих в трибоконтакте узла трения, на развитие процесса износа. Другая не менее важная причина заключается в том, что фреггинг протекает в труднодоступных узлах: в соединениях с натягом, в резьбовых соединениях и т.д. Методов контроля технического состояния этих узлов в условиях фреттинг-коррозии не существует.

Наиболее остро эта проблема стоит при проведении дорожно-строительных и геологоразведочных работ. В частности, в буровых установках, ПК которых работают в условиях высоких динамических нагрузок, нарушение посадки сопровождается ростом вибраций, что может привести к потере его работоспособности.

Учитывая, что затраты на ремонт подобного оборудования не ■ограничиваются стоимостью ПК и работ по его замене, а сопровождаются простоем дорогостоящего оборудования и нарушением точности бурения скважин (допускаемое отклонение от вертикали 30 см/100 м), вопрос повышения долговечности узлов трения, подверженных фреттинг-коррозии, является актуальным.

Цель работы — повышение долговечности динамически нагруженных ПК, работающих в условиях фреттинг-коррозии путем демпфирования вибраций полимерными покрытиями.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методики расчета прочности клеевого демпфирующего шва и расчета температуры в клеевом шве с учетом особенностей эксплуатации ПК.

2. Разработать метод диагностирования процесса изнашивания контактных поверхностей трибосистем при фреттинг-коррозии на основе анализа амплитудно-фазо-частотных характеристик узла трения.

3. Методами моделирования и планирования эксперимента исследовать раздельное и совместное влияние давления, скорости и толщины клеевого слоя на интенсивность изнашивания и определить область значений толщины демпфирующего подслоя адгезива, в пределах которого обеспечивается.^ работоспособность данного узла трения. '""'

4. Установить основные закономерности развития процесса фреттинг-коррозии в функционально неподвижных соединениях рассматриваемого класса и предложить методы прогнозирования их остаточного ресурса.

5. Провести промышленную оценку эффективности разработанного метода демпфирования вибрации в узлах трения буровой установки.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлены основные этапы развития процесса фретгинг-коррозии с учетом взаимосвязи динамических процессов, протекающих на фрикционном контакте и в механической системе, позволяющие сформулировать базу его текущего диагностирования.

2. Реализованы конструктивные мероприятия по снижению и устранению фретингообразования за . счет усиления диссипативной составляющей фрикционных связей (комплексного коэффициента трения) введением внешнего высокодемпфирующего слоя, образованного полимерными связями и структурой адгезива.

3. Разработана методика расчета на прочность клеевого шва между валом и кольцом ПК с учетом особенностей конструкции, нагружения и ' эксплуатационных режимов, определяющих температуру узла трения.

. 4- Обосновано использование амплитудно-фазово-частотных характеристик (АФЧХ) в качестве идентификационных параметров для исследования закономерностей энергетических преобразований, протекающих на . фрикционном контакте в режиме фреттинг-коррозии, и влияние на эти процессы внешних диссипативных связей.

5. Разработана физико-математическая модель процессов трения в режиме фреттинг-коррозии, обеспечивающая адекватные динамические свойства фрикционных контактов механических систем натуры и модели для диагностики натурных систем в процессе эксплуатации.

6. Разработана методика оценки эксплуатационных характеристик демпфирующего клеевого слоя для узлов трения, подверженных износу фреттинг-коррозией.

Практическая ценность:

— Разработана методика прогнозирования и диагностики триботехнических характеристик фрикционно-механических систем, эксплуатирующихся в условиях фреттинга в закрытых узлах трения на основе анализа его АФЧХ.

- Определена область рациональной эксплуатации узлов трения с демпфирующим слоем, подверженных фреттинг-коррозии, обеспечено повышение износостойкости данного класса сопряжения на 25-30 %.

— Сформирован банк триботехнических, трибоспектральных и ампшпудно-фазо-частотных характеристик, давший возможность диагностировать развитие фреттинг-коррозии в реальном узле трения.

- Для снижения влияния фреттинг-коррозии на износостойкость соединения предложены технологии восстановления посадочных мест ПК при различных стадиях фреттинг-коррозии (Положительное решение о выдаче патента РФ № 2004117513).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Физико-математическая модель процессов трения в режиме фреттинг-коррозии с учетом диссипативных связей, обеспечивающая адекватные динамические свойства фрикционных контактов трибосистем натуры и модели, применительно к буровой установке.

2. Выявленные закономерности механизма фрикционного взаимодействия в режиме фреттинг-коррозии с использованием в качестве идентификационных характеристик АФЧХ.

3. Методика диагностирования развития процесса фреттинг-коррозии в реальном узле трения при помощи анализа его АФЧХ и прогнозирование критического состояния поверхности узла трения по величине их износа.

Реализация работы. В целях проверки разработанных мероприятий по повышению долговечности работы ПК были проведены эксплуатационные испытания на буровой установке СКБ 4100. Данный ПК был установлен и испытывался в течение одного года на буровой установке, показав запланированное увеличение ресурса работы, что подтверждено актами эксплуатационных испытаний.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на международном конгрессе «Механика и трибология транспортных систем -2003» (Ростов-на-Дону, 2003), на Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт - 2006» (Ростов-на-Дону, 2006), научных семинарах кафедр «Детали механизмов и машин», «Транспортные машины и триботехника», «Теоретическая механика» РГУПСа.

Публикации. По результатам исследований, проведенных в диссертационной работе, опубликовано 10 научных работ, получено положительное решение о выдаче патента по заявке № 2004117513.

Структура и объем работы. Диссертации состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 162 страницах, списка литературы и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности проблемы и приведены основные научные положения, составляющие предмет диссертационной работы.

В первой главе приведен анализ современного состояния вопроса работы трибосистем в режиме фреттинг-коррозионного изнашивания. В основе материалов этой главы использованы работы отечественных и зарубежных ученных в данной области: А.Я. Алябьева, А. Бартель, Н.П. Голего, Ю.А. Евдокимова, В.И. Колесникова, Б.Н. Костецкого, И.В. Крагельского, К.Г. Райта, Г. Улинга, Р.Б. Уотерхауза, И. Фенга, Г.Н. Филимонова, И.С. Холидей, A.B. Чичинадзе и др.

В результате анализа этих работ установлены основные этапы развития фреттинг-коррозии, проведен анализ факторов, влияющих на развитие этого вида изнашивания, и приведена классификация продуктов износа. Особенно

этот процесс опасен в ПК, кольца которых устанавливаются по различным посадкам в зависимости от условий нагружения. Эти повреждения возникают в результате микроперемещений контактирующих поверхностей не только во время работы, но и при транспортировке машины. Нарушение посадки при фреттинг-коррозии приводит также к появлению несоосности, что является дополнительным источником микроперемещений, увеличивает вибрации и, в конечном счете, вызывает значительные повреждения деталей узла трения.

Для повышения износостойкости трибосопряжений в условиях фреттинг-коррозии широкое применение нашли конструктивные и технологические методы. Наиболее перспективным представляется совмещение этих двух направлений.

Итогом раздела является постановка задач исследования.

Во второй главе разработана методика расчета клеевого шва на прочность. Деформации в клеевом шве (рис. 1), по мнению ряда авторов, возникают от радиальных Лд, касательных Л^ и осевых нагрузок N2 и могут быть найдены по известной зависимости:

и — (Аг+В/г), (1)

где и — функция перемещения, А, В — частные коэффициенты, определяемые из граничных условий.

4

Рис. 1. Схема узла трения — (а) и элемента клеевого слоя — (б): 1 - внутреннее кольцо ПК, 2 - тела качения, 3 - наружное кольцо, 4 - клеевой слой, 5 — корпус

Исходными выражениями для радиальных и окружных напряжений являются:

оц=(Е/(1-ц2))(с1иМг+ци/г), (2)

ае=(Е/(1-ц))(и/г+цаи/<1г), (3)

где ц — коэффициент Пуассона, Е — равновесный модуль упругости клеевого слоя.

Соответствующие деформации определяются:

ег = (1/Е)(а,гцаа) ; (4)

ее = (1/Е)(од-цав) • (5)

Граничные условия решаемой задачи: в - 0, zR = 0, г = г30+ Ьь-bt = const, где eR — относительная радиальная деформация.

Значения коэффициентов А иВ определим из граничных условий:

2N(1 -м2)

(6)

В =

кВк Е

М + 1

Р ~ 1

А =

О» + btf

2N(1 - А2)

2

Г 30

ko +bkf

м-1

2

Т" 30

(7)

Сгруппировав члены А и В и подставив функцию перемещений из (1) в уравнение (2) и (3), определим напряжения в клеевом шве:

«г« = Ecos e/(l-fih[A (1 +ц)+(В/г7)(и-1)] ; (8)

cre = Ecos 0/(1-ц )[А (1 +(B//)(l-fi)] . (8а)

Расчеты позволили установить номенклатуру клеев, у которых допускаемые величины напряжений (на сдвиг, сжатие и эквивалентного) выше расчетных значений. Для окончательного выбора типа демпфирующего материала необходимо было определить максимальную температуру, до которой может нагреваться клеящей шов в процессе эксплуатации.

Система стационарных уравнений при условии осесимметричной постановки задачи (рис. 2) имеет вид:

я, 1А.(Г ецвт^ ^

r' г дг дг дг dz2

1,2,3,

(9)

Рис. 2. Схема к расчету температуры клеевого шва

Формулируются условия сопряжения: Г/ (г/, г)= Т; (г/, г); Тг (г21 г)— Тз (,г& 2);

Лг5Ь\ ; (Ю)

-Г, ОГ I г-»-;

5г |,.„ ' " Зг |,.ч ' Эг

и граничное условие при г = гз

дТ,

Л.

-б, (И)

ГШ Г,

дг

а на плоских торцах температура равна температуре узла трения.

Л

Введя обозначения к/' = —— и применив метод Фурье, получим

г/г.г)=-кХ^рЛ™^ , (12)

где 10 - модифицированная функция Бесселя; Ко — функция Макдонольса, Ип = л*.

Неизвестные постоянные в (12) находятся из следующих выражений:

4*-/.(Дал); Л. •/.(ДГ^)- -лСл/^.л);

)+ ад, (Ум^Ь (&„/•,)+ в1пк0{4к^гг )=

\ • ) ~ ВгпКх (у/Мл п = 0 . (13)

Расчеты показали, что для условий работы ПК, характерных для буровой установки СКБ-4100, максимальная температура может достигать 110 °С. Это существенно ограничивает номенклатуру применяемых клеев.

В третьей главе приведена методика комплексного физического моделирования механической системы для определения зависимости выходных характеристик ФМС от входных факторов с учетом свойств контактирующих материалов и динамических характеристик механической системы.

На первом этапе моделируется динамическое подобие механической системы на основе анализа дифференциального уравнения. На рис. 3 представлена простейшая модель механической системы. Так, для схемы (см. рис. 3.1, б) кинетическая и потенциальная энергия системы определяется выражениями:

Т = 0,5 • (/,?>,2 + 1гф\ ) 1

и =0,5-[/12 ■(?>, -е>2)2П

Движение механической системы можно описать уравнением Лагранжа 2-го рода:

где I — время, Т — суммарная кинетическая энергия системы, — / - ая обобщенная координата, П — суммарная потенциальная энергия системы, Ф — суммарная диссипативная функция рассеивания, Q¡ви — внешняя активная сила.

О-т-О

Махобак

Подшипник

б)

В)

Рис. 3. Простейшая модель механической системы: N — нагрузка, т — масса, С — жесткость, х — координата На основе равенства кинетической и потенциальной энергий объекта и модели выведены следующие критерии подобия:

— — С,;

- = Сг

е

=с„

(16)

с, а

где ш, шм — масса; С, См — жёсткость упругой связи; С?м — внешнее силовое воздействие; х, — перемещение; I, (:м — время работы соответственно натуры и модели.

Определенные масштабные коэффициенты перехода от объекта к модели: С(=1; Сп=1 ,Сга=Сс, где С[, Сщ ,Сс, Сп — константы подобия времени, массы, жесткости и частот собственных колебаний.

На втором этапе моделировалось динамическое подобие узла трения. При фрикционном взаимодействии твердых тел на поверхностях трения происходят сложные механические и физико-химические процессы: окисление, диффузионное перераспределение, фазовые и структурные превращения, упругое и пластическое деформирование микронеровностей, разрушение поверхностных слоев.

Доказано, что при натурных и модельных испытаниях на трение и износ определяющим критерием достоверности модельного эксперимента для трибосистем является условие создания аналогичных видов изнашивания. Поверхности трения приобретают характер равновесной шероховатости и характеризуются относительно стабильными геометрическими очертаниями микронеровностей только при создании такого же вида изнашивания. В результате этих заключений для моделирования узла трения были выведены константы подобия для микрогеометрии контактной поверхности.

На заключительном этапе моделировалось динамическое подобие фрикционного узла трения на основе анализа размерностей функциональных параметров, с выведением симплекс критериев я. В качестве основных

базисных параметров были взяты: коэффициент теплоотдачи — а, нагрузка - N, скорость качения — V, жесткость линейная — С/ ; в качестве граничных: частота колебаний — к, контактное давление — q и градиент температуры — АО. Моделирование проводилось в системе MLT© (масса, длина, время и температура).

Исследуемый процесс фреттингообразования представлен в виде критериального уравнения зависимости этой функции от основных факторов, влияющих на фреттингообразование:

. от,

где а — коэффициент теплоотдачи; V— скорость качения; к — частота колебаний; Р - контактное давление, Па; Л0 - градиент температуры; Кг!2 — комплекс геометрических размеров; m — масса; J — момент инерции; Ск — жёсткость крутильная; ¡5 — демпфирование; НВ — твёрдость; Е — модуль упругости; t — время трения; L — путь трения; Аа — площадь трения; F-сила трения.

На основе методики анализа размерностей с ограничениями были введены критериальные зависимости: гомохронности, Ньютона, Фурье, Фруда, Нуссельта и сформулирован критерий фретингообразования, связывающий между собой факторы частоты и амплитуды колебаний и демпфирования фреттингообразования (згр0), равный

( Ш Л ( LC , Л ( PV \ kLN

и позволяющий смоделировать фреттинг-процесс на модели, аналогичный процессу на объекте исследования.

С учетом полученных значений механических критериев подобия был разработан лабораторно-измерительный комплекс, включающий стенд (рис. 4), в котором обеспечена идентичность динамических и тепловых процессов объекта исследования и модели в режиме фретгинг-коррозии.

Предложенная физико-математическая модель позволила выполнить экспериментальные исследования, результаты которых при помощи полученных констант подобия переносились на объект исследования.

При планировании эксперимента использовался ортогональный центральный композиционный план второго порядка, положительные свойства которого заключаются в том, что его реализация позволяет получать оценки коэффициентов уравнения регрессии независимо друг от "друга и отсеивать факторы с незначимыми коэффициентами. Уравнение регрессии, описывающее данный процесс, является полиномом второго порядка.

Рйс. 4. Схема машины трения для исследования износа: 1 — станина; 2,3 — образцы; 4 - подвижной патрон; 5 — рычаг для создания необходимой вибрации образца; 6 — толкатель; 7 - отжимная пружина; , 8 — рычаг; 9 — эксцентрик; 10 — нагружающий механизм;-11 — грузы; 12 — датчик силы трения; 13 — механизм регулировки амплитуды колебания

Доя проведения эксперимента были определены основные факторы, влияющие на фреттингообразование, проведено ранжирование факторов методом экспертных оценок и выявлены базисные факторы. В результате эксперимента получено уравнение, связующее параметры давления, скорости и толщины клеевого слоя с интенсивностью изнашивания:

Г = 2,82+1,72 • х, + 0,47 • х2 - 0,57 • хг + 0,28 ■ д:, • хг -.

-0,30-д:1-д:з -0,41-дг2 -д:1+1,18-х|:г+1,28-д:22+0,38-д:з ' ^

где XI (Р), х2 (V), хз (Ь/) — соответственно варьируемые значения факторов в кодовых значениях; У- — значение выходного параметра оптимизации (отклика, безразмерной величины интенсивности изнашивания образца).

Полученная зависимость позволила установить влияние основных факторов на интенсивность изнашивания.

На основе регрессионной модели (19) с учетом условий работы узла трения (Р — 24,89 МПа, скорости V = 0,142 см/с) оптимизирована толщина демпфирующего слоя : Ьк = 13,09 мкм.

На заключительном этапе была выполнена графическая интерпретация поверхности отклика в зависимости от двух варьируемых факторов с возможностью изменения сочетаний факторов (рис. 5).

В четвертой главе приведена методика идентификации триботехнических и трибоспектральных параметров. С помощью данной методики исследовалось влияние демпфирующих свойств адгезива на величину изнашивания фретгинг-коррозии. Количественную оценку демпфирования проводили при использовании различных пар трения. Испытания проводились в парах трения сталь—сталь, стал—сталь+клеевая композиция. Результаты триботехнических испытаний позволили установить интенсивность изнашивания образцов при фреттинге и характер микрогеометрии поверхности трения.

Трибоспектральные характеристики регтстрировались ЭВМ с помощью аналогово-цифрового преобразователя. Измерительный комплекс снабжен программным обеспечением регистрации сигналов и математической обработки полученных сигналов на МАТЪАВ при помощи быстрого преобразования Фурье, комплексной частотной передаточной функции и методики комплексного коэффициента трения.

а) _______6>

ПН 31) Ьу НоЬв|[ Ваушеп! ПИВ

В)

Рис. 5. Графическая интерпретация полученной математической модели (а — в плоскости факторов «давление-скорость»; б — плоскости факторов «давление—толщина клеевого слоя»; в — в плоскости факторов «скорость—толщина клеевого слоя»)

Фотографии поверхностей модели и объекта (рис. 6), отработавших в режиме фреттинг-коррозии, по структуре идентичны.

Рис. 6. Характеристики фрикционной зоны трения поверхностей модели и объекта исследований

График спектральной плотности полученного сигнала с помощью прямого преобразования Фурье, по существу переводящего временное представление сигнала в частотное, показан на рис. 7.

а

г.и

йшЮ.^иШ-ЮипЕПШШИКМЦмчГ.шчЗ

18 1 Оспшо

15 2 и

15 I V! 2 21 3 и Опито. (ЬнЬянта-ШКгеЦ

<

I и и и Ш I 12 и 11 и I Члад Нетмю»г«»ичя»П} ^

Рис. 7. Результаты обработки аналогового сигнала тензодатчиков соответственно в начале и конце испытаний ФМС без третьего тела

Сигнал виброперемещений узла трения сталь - сталь без третьего тела при давлении Р = 20 МПа представлен на рисунке 7 соответственно в начале и

конце испытаний. В начале испытаний наблюдаются значительные пульсации амплитуд вследствие приработки поверхностей трения на следующих частотах 2000, 3800, 8000, 14000, 16000 и 18500 Гц, отсутствующие на завершающих стадиях испытаний. Максимальные значения амплитуд зафиксированы на среднеарифметических частотах 17500, 5500 и 10300 Гц, форма и величина амплитудного значения перемещения которого на всех этапах испытаний практически оставалась без изменений. Выполненные исследования позволили установить значения максимальных амплитуд колебаний трибосопряжения при фреттинге, а также выявить динамику изменения этих амплитуд в процессе трения. Однако выполненные исследования не позволяют установить принадлежность амплитуд к тому или иному узлу фрикционно-механической системы. Для этой цели была применена методика трибоспектральной идентификации процессов трения в режиме фреттинг-коррозии.

На первом этапе использовался метод учета частотных и динамических характеристик на основе анализа частотной функции передачи двух сипналов. Первый сигнал должен характеризовать внешнее воздействие на узел трения (например, нормальная нагрузка), а второй — результат этого воздействия, величину тангенциальной силы трения. Метод заключен в расчете взаимного спектра,

¿„ын _вх (w) = 8ВЫХ (со)-S*x (ш) =

00 00

= J Ju(t)y(t-x) e-j01tdtdT =

—00 —00

= }u(t)-e-^'.}y(t-,).e^)d(t-x)dt =

—00 —00

=sBX(ffl)-w(ca)-s:x(®)=

= |SBX(o>f .W(a>X (20)

где — SBX(—ю) _ комплексное сопряжение спектральной плотности

входного сигнала. Если сигнал u(t—r) — чётная функция, то спектр будет чисто вещественным (будет являться чётной функцией). Если u(t—v) — функция нечётная, то спектральная функция S(W) будет чисто мнимой (и нечётной);

»к (ю)| _ энергетический спектр входного сигнала, автоспектр; W(a>)— комплексный коэффициент передачи системы.

Обработка сигнала велась при помощи программы MATLAB v.6.5.

Результирующим является значение комплексного коэффициента трения, действующего в зоне трения испытываемых образцов:

Х/йМ^'^ФНУ^ (21)

где ~ |/(,й,)| _ амплитудно-частотная характеристика коэффициента трения;

цг(а>) — ы^/(/<у) _ фазово.частотная характеристика коэффициента трения; и(со)-Кс/(1(о) _ вещественная частотная характеристика коэффициента трения;

У{(о) -1ш/(/<у) _ мнимая частотная характеристика коэффициента трения.

В результате расчета были установлены 6 частот, которые обусловлены следующими факторами: 1) работой ФМС, 2) взаимодействием микроповерхностей трения, где каждый выступ работает на некоторой конкретной частоте.

Применение клеевой композиции позволило устранить многие динамические процессы, результаты представлены на рисунке 8. Как видно из рисунка 8 амплитуды колебаний резко падают в результате применения демпфирования. При этом реализуются не шесть основных частот, а четыре.

Оцэнка передаточной функции

0.06

0Я5

Ж

а 0.04

о

£

0.03

X

5

0.02

0.01

......

...... -Объект —— Модель

:

:

> ГГг- :

Нули и полюса \»/0<а)

1 ; ""¡ТЯГ Л • Нули Ж Полюс«

05 я -{.....Ь-М

е [ ! ( • « и..4.

| 0 \ ?

2 45.5 -1 » » » *» » < | • 1

Частотный годофлф Найквиста

Ргат: т То: Ртр

"Г

О 0.5 1 15 2 Частота, ГЦ х10»

Оцвжа передаточной футщм

-1 -0.5 0 0.5 Вещрствежая ось

Переходная функция

Ггот Рп То: Гтр

001 0.02 0.03 Веарственная ось

Функция веса

хЮ^Ргоп* Гп То: Ртр

..........

/

/ !

/ ;

/ ;

;

1

0.5 1 15 Частота, ГЦ

1 2 3 Время (тес) хю"3

0 12 3 4 Время («ее) хю"3

Рис. 8. Результаты расчёта частотных характеристик узла трения после введения в узел трения клеевого слоя

На основании критерия фретгингообразования определена модель идеального упруго-диссипативного тела.

Анализируя соотношение количественной оценки демпфирования и прочностных характеристик клеевого слоя, можно судить о целесообразности использования данного полимерного соединения. На рис. 9 нисходящая ветвь характеризует динамику уменьшения прочностных характеристик с увеличением толщины клеевого слоя. Восходящая ветвь характеризует соответственно степень демпфирования.

Масштаб построения осей демпфирования (Р) и прочностных характеристик ([о]) выбран таким образом, что предел прочности соединения и допустимый уровень степени демпфирования совпадают.

Точки А и В на рис. 9 определют максимальную и минимальную величины Ьк из условия прочности и отсутствия фреггинг-коррозии соответственно.

Построенный график позволяет выбрать рациональное клеевое соединение для демпфирования колебаний узла трения с использованием предела прочности, толщины слоя и степени демпфирования рабочих вибраций

Рис. 9. Выбор рациональной клеевой композиции

Анализ частотных характеристик функции передачи позволил установить не только снижение амплитуд колебаний фрикционного узла трения в результате введения «третьего» тела, но и выявить конкретные частоты, на которых работает фрикционный узел трения.

Собранный диагностический банк триботехннческих и трибоспектральных характеристик позволяет создать систему управления фрикционно-механической системой, которая бы заблаговременно реагировала

на изменение силовых и скоростных характеристик буровой установки и изменяла их таким образом, чтобы величина требуемого коэффициента трения всегда была постоянной, не зависящей от данных характеристик агрегата.

Пятая глава. Представленная методика выявления основных закономерностей развития фреттинг-коррозии и разработки методов прогнозирования ее этапов требует промышленной апробации данной теории в реальных узлах трения.

Для проведения эксплуатационных испытаний ПК был смонтирован во вращателе буровой установки. Буровой станок модели 4100 предназначен для бурения с поверхности вертикальных и наклонных геолого-разведочных скважин. Бурение проводите я алмазными и твердосплавными коронками при широком диапазоне скоростей работы. Возможная глубина бурения при работе твердосплавными — 300 м и алмазными коронками — до 700 м.

Межремонтный срок службы подшипника при данных условиях работы составлял полгода. Поскольку восстановление поврежденных посадочных поверхностей подшипника и вала является трудоемким и не имеет экономической целесообразности, то он (или они) заменяются новыми. При демонтаже узла трения, в результате визуального анализа поверхности, стабильно наблюдались повреждения от фреттинг-коррозии (рис. 10).

Рис. 10. Фотография колец ПК

В результате испытаний было доказано, что ресурс работы узла трения при использовании данного метода увеличивается на 25-30 %. Увеличение сроков службы узлов позволяет значительно увеличить экономическую эффективность использования узла трения и установки в целом.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана методика расчета на прочность клеевого шва между валом и кольцом ПК с учетом особенностей нагружения и температуры узла трения, определяющая номенклатуру перспективных адгезивов, обеспечивающих демпфирование.

2. На основе комплексного моделировании установлены масштабные коэффициенты перехода от модели к натуре и разработан лабораторно-измерительный комплекс, обеспечивающий адекватные динамические свойства фрикционных контактов трибосистем натуры и модели применительно к буровой установке.

3. На базе разработанных методов и способов установлены закономерности и этапы развития фреттинг-коррозии динамически нагруженных подшипниковых узлов, учитывающие влияние основных эксплутационных факторов на работоспособность исследуемого узла.

4. Анализ развития процесса фреттинг-коррозии в буровой установке позволил сформулировать критерий фретингообразования, связывающий между собой частоты, амплитуды колебаний и параметр демпфирования и позволяющий воспроизвести данный процесс изнашивания на модели, аналогичный процессу на объекте исследования.

5. Применение квадратичного двухуровневого планирования эксперимента позволило получить регрессионную модель процесса изнашивания контактных поверхностей и оптимальную толщину клеевого шва при максимальных эксплуатационных режимах.

6. С использованием результатов трибоспектральной идентификации процессов трения в режиме фреттинг-коррозии разработана методика диагностики и прогнозирования критического состояния исследуемых трибосистем.

Л. По итогам теоретических и эксплуатационных исследований рассматриваемой модели трибосистемы установлены эквивалентные динамические характеристики в виде АФЧХ системы и сформулирован банк трибоспектральных параметров, характеризующих состояние системы.

8. По результатам анализа прочностных параметров трибоузла и его АФЧХ установлена интервальная характеристика оценки области рационального применения предлагаемого метода демпфирования рабочих вибраций, влияющих на износостойкость сопряжения. На

' этой основе предложены технологии восстановления посадочных мест ПК при различных стадиях фреттинг-коррозии (Положительное решение о выдаче патента РФ № 2004117513).

9. Осуществлена промышленная оценка эффективности разработанного метода демпфирования вибрации в данном узле трения буровой установки и получено запланированное увеличение ресурса работы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Колесников В.И., Корниенко Б.Н. Износ фрикционных систем железнодорожной техники фреттингом. Методы повышения сроков службы и надежности. // Вестник РГУПС. - 2002. - Вып. 3. - С. 19 - 21.

2. Корниенко Б.Н. Методика расчета на сдвиг и сжатие клеевого шва наружной обоймы ПК // Вестник РГУПС. - 2003. - Вып. 2, - С. 32 - 34.

3. Колесников В.И., Евдокимов Ю.А., Корниенко Б.Н., Фокин И.Н. Неподвижное соединение деталей цилиндрической формы. Положительное решение о выдаче патента РФ № 2004117513.

4. Корниенко Б.Н. Фреттинг как один из ведущих износов узлов трения подвижного состава и ж.-д. пути. Причины и методы борьбы с ним. Сб. докл. междунар. конгресса «Механика и трибология транспортных систем-2003» в 2-х томах. Том 1. - Ростов н/Д: РГУПС, 2003. - С. 421 -423.

5. Евдокимов Ю.А., Перфильев Д.П., Корниенко Б.Н. Оценка влияния главных факторов на трение и износ. Производство, эксплуатация и ремонт машин: Межвуз. сб. науч. тр. — Ростов н/Д: РГУПС, 2001. — С.151 -154.

6. Евдокимов Ю.А., Щербак П.Н., Перфильев Д.П., Корниенко Б.Н. Теоретическая оценка влияния смазочной среды на трение и износ при ударных нагрузках. Производство, эксплуатация и ремонт машин: Межвуз. сб. науч. тр. - Ростов-н/Д: РГУПС, 2001. - С. 145 - 147.

7. Евдокимов Ю.А., Перфильев Д.П., Корниенко Б.Н. Методика расчета фрикционных систем на износ при трении без смазки // Вестник РГУПС, 2002. - Вып. 1. - С. 26 - 28.

8. Евдокимов Ю.А., Щербак П.Н., Перфильев Д.П., Корниенко Б.Н. Механика ударно-усталостного износа. Его влияние на сроки службы фрикционных систем ж.-д. транспорта. Межвуз. сб. науч. тр. с междунар. участием. - Самара: СамИИТ, 2002. - С. 201 - 203.

9. Евдокимов Ю.А., Фокин И.Н., Корниенко Б.Н. Экспериментальная установка для определения и анализа износа фреттинг-коррозией / Повышение безопасности движения, надежности, долговечности узлов и деталей технических средств транспорта: Межвуз. сб. науч. тр. — Ростов н/Д: РГУПС, 2003. - С.197 -202.

Ю.Евдокимов Ю.А., Корниенко Б.Н. Перспективы использования трибофатики для повышения эксплутационной надежности ж.-д. техники. Юбилейный сборник ф-та ДСМ, - Ростов н/Д: РГУПС, 2005.-С.48 - 51.

П.Озябкин А.Л., Корниенко Б.Н. Выбор рациональной клеевой композиции для предотвращения развития фреттинг-коррозии в подшипниковых узлах. Транспорт — 2006 // Тр. всероссийской науч.-практ. конф. — Ростов н/Д: РГУПС, 2006. - С. 38 - 40.

КОРНИЕНКО БОРИС НИКОЛАЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ФРЕТТИНГ-КОРРОЗИИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 16.06.06 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,2. Уч.-изд.л. 1. Тираж 100. Заказа № ZB67-

Ростовский государственный университет путей сообщения.

Ризография РГУПСа.

Адрес университета: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2

Введение.

1. МЕХАНИЗМ ИЗНАШИВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ, ПОДВЕРЖЕННЫХ ФРЕТТИНГ-КОРРОЗИИ.

1.1.Характерные узлы машин, подверженные износу фреттинг-коррозией.

1.2. Анализ факторов, влияющих на изнашивание.

1.3.Методы повышения долговечности фрикционных систем, подверженных износу фреттинг-коррозией.

1.4.Современные методы диагностирования и прогнозирования изнашивания.

1.5.Цель и задачи.

2. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЙ В ДЕМПФИРУЮЩЕМ КЛЕЕВОМ ШВЕ.

2.1. Расчет предельных напряжений в клеевом шве.

2.2. Влияние температуры на напряжения в клеевом шве.

2.3. Определение допускаемых напряжений.

2.4. Расчет напряженного состояния клеевого шва.

2.5.Вывод ы.

3. КОМПЛЕКСНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФРИКЦИОННЫХ СИСТЕМ С УЗЛАМИ ТРЕНИЯ ПРИ ФРЕТТИНГ-КОРРОЗИИ.

3.1. Методика комплексного моделирования.

3.1.1. Динамическое подобие механических систем.

3.1.2. Динамическое подобие узла трения.

3.1.3. Физическое подобие узла трения.

3.1.4. Устранение противоречий теории физического моделирования.

3.2. Описание лабораторной установки.

3.3. Планирование и методика эксперимента.

3.4. Выводы.

4. ТРИБОСПЕКТРАЛЬНАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ФРЕТТИНГООБРАЗОВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ.

4.1. Триботехнические характеристики поверхностей трения при фреттинг-коррозии.

4.2. Трибоспектральная идентификация процессов фреттингообразования.

4.3. Корректировка параметров расчета фрикционной механической системы на базе модельной оптимизации.

4.4. Выбор рациональной клеевой композиции для защиты узлов трения от фреттинг-коррозии.

4.5. Создание системы управления приводом.

4.6. Выводы.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ.

5.1. Экономический эффект от предложенных методов.

Первостепенным направлением развития современного машиностроительного и ремонтного производства является повышение надежности и износостойкости машинного парка.

Также в комплексе решаемых в машиностроении масштабных первостепенных задач увеличение продолжительности срока службы узлов и механизмов и обеспечение безопасной работы машин остается одной из первых. Соблюдение этих тенденций позволяет обеспечить конкурентоспособность отечественных машин и механизмов, выполняющих комплекс работ по текущему обслуживанию пути при его капитальном ремонте и строительстве новых железных дорог, проведению геолого-разведочных работ.

Повышение силовых и производственных характеристик выпускаемых агрегатов напрямую приводит к росту температурно-силового нагружения их узлов, в частности, пар трения. Срок службы любого механизма зависит от работы отдельных узлов. Основными видами отказов (более 80 %) является преждевременный износ трущихся узлов и деталей машин. Подшипники являются составной частью практически любого агрегата, машины или механизма и, как свидетельствует накопленный опыт их эксплуатации, в большей мере определяют их надежность и долговечность.

Одним из важнейших вопросов машиностроения и ремонтного производства является обеспечение работоспособности закрытых узлов трения, ограничивающих работоспособность механизмов и машинного парка в целом, контролировать работу которых постоянно практически невозможно. В таких закрытых узлах, подверженных виброколебаниям, одним из основных видов изнашивания является фреттинг-коррозия. Фреттинг наблюдается в различных прессовых посадках (например, ступицы колеса и оси, бандажа и колесного центра, подшипниках качения и скольжения), в шлицевых, шпоночных, болтовых и заклепочных соединениях (например, подкладках, накладках, болтах, гайках рельсовой колеи, карданных передачах путевых дрезин, контактных поверхностях рессор и пружин-тележек вагонов и локомотивов), в путевых машинах (приводе подбоек путевой машины ВПР-1200 и др.). Специфика данных узлов трения связана со сложностью контроля их работоспособности и широкими диапазонами изменения внешних условий их эксплуатации.

Задачу повышения долговечности узлов трения предлагается решить путем закрепления внутренних колец подшипников качения композициями из клеевых соединений, что дает возможность значительно увеличить степень защиты от износа фреттинг-коррозией. Однако особенности поведения подобных материалов требуют разносторонних комплексных исследований и эксплуатационных испытаний.

Использования клеевых соединений в узлах трения, типа подшипников качения, усложняются проблемой отсутствия требуемых методик расчета триботехнических характеристик и возможности использования клеевого соединения в данных условиях. Кроме того, практически отсутствуют теоретические основы методики диагностирования развития фреттинг-коррозии в реальном узле трения, а также схема механизма фретингообразования динамически нагруженных фрикционных систем. При решении поставленной задачи необходимо учитывать зависимость полимерных материалов и защитных покрытий от значений температур. Кроме этого, весьма актуальными являются вопросы оценки несущей способности покрытий по пределу вынужденной эластичности композитов с учетом температурно-силового воздействия и возможности неравномерного нагружения клеевого шва и подшипников качения в целом, возможности возникновения высокой концентрации нагрузок при длительных остановках. Проведенный анализ современного состояния вопроса и методов повышения надежности и износостойкости узлов трения в настоящий период времени показывает вынужденную необходимость и целесообразность проведения исследований в данной области.

Изучение данных трибосистем выявляет сложность проведения исследований в лабораторных условиях из-за габаритных размеров механизмов. При решении поставленной задачи необходимо учитывать связь параметров модели узла трения с параметрами объекта, значительное влияние микроструктуры поверхности, шероховатости, теплопроводности, давления, скорости скольжения и целого рядя других переменных параметров на выходные трибохарактеристики. Поэтому при моделировании объекта необходимо учитывать совпадение основных динамических, теплофизических, трибологических, деформационных параметров.

Целью работы является повышение долговечности динамически нагруженных подшипников качения, работающих в условиях фреттинг-коррозии путем демпфирования вибраций полимерными покрытиями.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Установлены основные этапы развития процесса фреттинг-коррозии с учетом взаимосвязи динамических процессов, протекающих на фрикционном контакте и в механической системе, позволяющие сформулировать базу его текущего диагностирования.

- Реализованы конструктивные мероприятия по снижению и устранению фретингообразования за счет усиления диссипативной составляющей фрикционных связей (комплексного коэффициента трения) введением внешнего высокодемпфирующего слоя, образованного полимерными связями и структурой адгезива.

- Разработана методика расчета на прочность клеевого шва между валом и кольцом ПК с учетом особенностей конструкции, нагружения и эксплуатационных режимов, определяющих температуру узла трения.

- Обосновано использование амплитудно-фазово-частотных характеристик (АФЧХ) в качестве идентификационных параметров для исследования закономерностей энергетических преобразований, протекающих на фрикционном контакте в режиме фреттинг-коррозии и влияние на эти процессы внешних диссипативных связей.

- Разработана физико-математическая модель процессов трения в режиме фреттинг-коррозии, обеспечивающая адекватные динамические свойства фрикционных контактов механических систем натуры и модели для диагностики натурных систем в процессе эксплуатации.

-Разработана методика оценки эксплуатационных характеристик демпфирующего клеевого слоя для узлов трения, подверженных износу фреттинг-коррозией.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- Разработана методика прогнозирования и диагностики триботехнических характеристик фрикционно-механических систем, эксплуатирующихся в условиях фреттинга в закрытых узлах трения на основе анализа его АФЧХ.

- С целью значительного снижения влияния фреттинг-коррозии на износостойкость соединения вал-деталь с отверстием разработана новая конструкция подшипника качения (решение о выдаче патента РФ № 2004117513) с тонкостенной разрезной втулкой, дающей исключение проворачивания сопрягаемых деталей и возможность лёгкой разборки соединения.

- Определена область рациональной эксплуатации узлов трения с демпфирующим слоем, подверженных фреттинг-коррозией, обеспечено повышение износостойкости данного класса сопряжения на 25-30 %.

- Сформирован банк триботехнических, трибоспектральных и амплитудно-фазо-частотных характеристик, давший возможность диагностировать развитие фреттинг-коррозии в реальном узле трения.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Физико-математическая модель процессов трения в режиме фреттинг-коррозии с учетом диссипативных связей, обеспечивающая адекватные динамические свойства фрикционных контактов трибосистем натуры и модели, применительно к буровой установке.

- Выявленные закономерности механизма фрикционного взаимодействия в режиме фреттинг-коррозии с использованием в качестве идентификационных характеристик АФЧХ.

- Методика диагностирования развития процесса фреттинг-коррозии в реальном узле трения при помощи анализа его АФЧХ и прогнозирование критического состояния поверхности узла трения по величине их износа.

Апробация работы.

Основные результаты работы были доложены на международном конгрессе «Механика и трибология транспортных систем-2003» (Ростов-на-Дону, 2003), на Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2006», научных семинарах кафедр «Детали механизмов и машин», «Транспортные машины и триботехника», «Теоретическая механика» РГУПСа. Реализация работы.

В целях проверки разработанных мероприятий по повышению долговечности работы подшипников качения были проведены эксплуатационные испытания на буровой установке СКБ 4100. Данный подшипник качения был установлен и испытывался в течение одного года на буровой установке, показав запланированное увеличение ресурса работы, что подтверждено актами эксплуатационных испытаний. Объём и содержание работы.

Диссертация состоит из 5 глав, изложенных на 162 странице, содержит 11 таблиц, 54 рисунка, библиографию в количестве 127 наименований, общие выводы и приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана методика расчета на прочность клеевого шва между валом и кольцом ПК с учетом особенностей нагружения и температуры узла трения, определяющая номенклатуру перспективных адгезивов, обеспечивающих демпфирование.

2. На основе комплексного моделировании установлены масштабные коэффициенты перехода от модели к натуре и разработан лабораторно-измерительный комплекс, обеспечивающий адекватные динамические свойства фрикционных контактов трибосистем натуры и модели применительно к буровой установке.

3. На базе разработанных методов и способов установлены закономерности и этапы развития фреттинг-коррозии динамически нагруженных подшипниковых узлов, учитывающие влияние основных эксплутационных факторов на работоспособность исследуемого узла.

4. Анализ развития процесса фреттинг-коррозии в буровой установке позволил сформулировать критерий фретингообразования, связывающий между собой частоты, амплитуды колебаний и параметр демпфирования и позволяющий воспроизвести данный процесс изнашивания на модели, аналогичный процессу на объекте исследования.

5. Применение квадратичного двухуровневого планирования эксперимента позволило получить регрессионную модель процесса изнашивания контактных поверхностей и оптимальную толщину клеевого шва при максимальных эксплуатационных режимах.

6. С использованием результатов трибоспектральной идентификации процессов трения в режиме фреттинг-коррозии разработана методика диагностики и прогнозирования критического состояния исследуемых трибосистем.

7. По итогам теоретических и эксплуатационных исследований рассматриваемой модели трибосистемы установлены эквивалентные динамические характеристики в виде АФЧХ системы и сформулирован банк трибоспектральных параметров, характеризующих состояние системы.

8. По результатам анализа прочностных параметров трибоузла и его АФЧХ установлена интервальная характеристика оценки области рационального применения предлагаемого метода демпфирования рабочих вибраций, влияющих на износостойкость сопряжения. На этой основе предложены технологии восстановления посадочных мест ПК при различных стадиях фреттинг-коррозии (Положительное решение о выдаче патента РФ № 2004117513).

9. Осуществлена промышленная оценка эффективности разработанного метода демпфирования вибрации в данном узле трения буровой установки и получено запланированное увеличение ресурса работы.

1. Алябьев А.Я. «Фреттинг-коррозия и ее структурно-энергетическое описание», -сб.:»Надежность и долговечность авиационных газотурбинных двигателей», Киев, изд-во Книга, 1971.

2. Алябьев А.Я. «Методы защиты от фреттинг-коррозии»-В сб.:»Надежность и долговечность авиационных газотурбинных двигателей». Киев, 1971.

3. Алябьев А.Я. « Испытательные установки и методика для исследования фреттинг-коррозии»,- сб.: «Вопросы повышения надежности и долговечности деталей и узлов авиационной техники, Киев, изд-во Книга, 1969.

4. Алябьев А.Я., Шевеля В.В. «О некоторых особенностях механизма фреттинг-коррозии».- ФХММ, 1971.

5. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии. М: Мир, 1986.- 294 с.

6. Безухов Н.И., «Основы теории упругости, пластичности и ползучести». -М., Высшая школа, 1961 536 с.

7. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров.- М.Химия, 1969.

8. Белый В. А., Свириденок А.И. Актуальные направления развития исследований в области трения и изнашивания //Трение и износ. Минск : Наука и техника, 1987. Т. 8. № 1.

9. Белый В.А., Егоренков Н.И., Плескачевский Ю.М. Адгезия полимеров к металлам. Минск: наука и техника, 1971. -286 с.

10. Браун Э.Д., Евдокимов Ю.А., Чичинадзе А.В. Модели трения и изнашивания в машинах. М.: Машиностроение, 1982.

11. Браун Э.Д. Расчет масштабного фактора при оценке трения и изнашивания //Износостойкость. М.: Наука, 1975.

12. Богданович П.Н., Прушак В.Я. Трение и износ в машинах: Учебник для технических вузов. Минск: Высшая школа, 1999, 374 с.14,151821,2223,2425,26,27