автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Прогнозирование долговечности трибосопряжений на основе структурно-энергетической концепции изнашивания

• « АА оЬ 11 ^ЪЪ^/^

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ

На правах рукописи

- БАК Р АА //

г? .

, ]Ч1о

А'А

УДК 51067004624: [03414}

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ КОНЦЕПЦИИ ИЗНАШИВАНИЯ

Специальность 050204 - трение и износ в машинах

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант - дтн, профессор, действительный член Академии транспорта Погодаев Леонгард Иванович

Санкт-Петербург, 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.. . .......................... 6

ВВЕДЕНИЕ.................................................................... 7

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...... 11

1.1. Анализ современных представлений и подходов при оценке износостойкости и долговечности материалов в различных условиях внешнего трения................................................. 11

1.2. Прогнозирование процессов изнашивания материалов на основе структурно-энергетического подхода.................................... 24

1.3. Анализ особенностей изнашивания и повышения ресурса пар трения в различных условиях контактного взаимодействия........ 39

1.3.1. Изнашивание деталей с пористыми газотермическими покрытиями при трении скольжения............................................ 41

1.3.2. Изнашивание деталей машин при трении качения с проскальзыванием ................................................................ 54

1.3.3. Изнашивание инструментов при резании металлов.................. 69

1.4. Выводы по главе.............................................................. 81

1.5. Определение общей цели и постановка частных задач исследований..................................:......................................... 82

2. КОМПЛЕКСНАЯ МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ......................................................................... 84

2.1. Общая методика исследований............................................ 84

2.2. Установка и технология сульфонитроцементации изделий......... 85

2.3. Установка и технология электроэрозионной обработки зубчатых колес............................................................................ 93

2.4. Методика нанесения газотермических покрытий..................... 100

2.5. Основные методы исследования структуры и свойств компактных и пористых материалов после сульфонитроцементации

и электроэрозионной обработки.......................................... 103

2.6. Методика определения износостойкости и триботехнических свойств сульфонитроцементованной стали.............................. 107

2.6.1. Испытания на машине трения JITC-4.................................... 109

2.6.2. Испытания на машине трения СМЦ-2................................... 112

2.6.3. Испытания на машине трения ИМ-5 8.................................... 113

2.7. Методика определения износостойкости и долговечности режущих инструментов.................................................... 115

2.7.1. Обоснование моделирования условий адгезионного изнашивания инструментов при резании на машинах трения............... 115

2.7.2. Определение периода стойкости инструментов....................... 118

2.8. Методика исследования влияния электроэрозионной обработки

на контактную и изгибную прочность зубчатых колес............... 122

2.9. Методика обработки результатов экспериментальных исследований.................................................................. 127

2.10. Выводы по главе............................................................. 130

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗНАШИВАНИЯ КОМПАКТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПОСЛЕ СУЛЬФОНИТРОЦЕМЕНТАЦИИ ПРИ ТРЕНИИ СКОЛЬЖЕНИЯ.................................................. 131

3.1. Структурно-энергетическая модель износостойкости стали после сульфонитроцементации............................................ 131

3.2. Экспериментальное исследование влияния сульфонитроцементации на износостойкость и триботехнические свойства быстрорежущей стали............................................................... 144

3.2.1. Структура, химический и фазовый состав износостойких слоев............................................................................ 144

3.2.2. Износостойкость и триботехнические характеристики стали...... 150

3.3. Сопоставление теоретической модели изнашивания с опытными данными........................................................................ 160

3.4. Оптимизация процесса сульфонитроцементации для повышения износостойкости стали...................................................... 162

3.5. Анализ влияния сульфонитроцементациии на свойства трибосопряжений в условиях трения скольжения..................... 173

3.5.1. Влияние сульфонитроцементации на износостойкость арматуры. 173

3.5.2. Отработка технологии сульфонитроцементации тормозных дисков судоподъемника..................................................... 175

3.6. Выводы по главе............................................................. 180

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗНАШИВАНИЯ ПОРИСТЫХ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ПРИ ТРЕНИИ СКОЛЬЖЕНИЯ............................................................... 182

4.1. Структурно-энергетическая модель изнашивания газотермических покрытий при адгезионном взаимодействии поверхностей при трении скольжения................................................ 182

4.2. Исследование износостойкости поршневых колец с покрытиями для судовых дизелей......................................................... 199

4.3. Методические основы оценки свойств газотермических покрытий для узлов трения................................................. 213

4.4. Исследование влияния сульфонитроцементации на свойства пористых газотермических покрытий.................................... 219

4.5. Выводы по главе.............................................................. 225

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗНАШИВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ТРЕНИИ КАЧЕНИЯ С ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЕМ 230

5.1. Структурно-энергетические модели изнашивания стали при трении качения с проскальзыванием..................................... 230

5.2. Экспериментальные исследования влияния электроэрозионной обработки на износостойкость и долговечность зубчатых колес............................................................................ 248

5.2.1. Структура, химический и фазовый состав упрочненных слоев.... 248

5.2.2. Влияние технологии электроэрозионной обработки на свойства

диффузионного слоя......................................................... 254

5.2.3. Износостойкость зубчатых колес.......................................... 259

5.3. Оценка износостойкости и долговечности зубчатых колес по энергетическому критерию................................................ 267

5.4. Исследование влияния электроэрозионной обработки на контактную и изгибную прочность....................................... 279

5.5. Разработка методических основ оценки износостойкости высокоскоростных подшипников качения по энергетическому критерию....................................................................... 285

5.6. Выводы по главе............................................................. 301

6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗНАШИВАНИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА........................... 304

6.1. Современные подходы и критерии оценки износостойкости инструментов.................................................................. 304

6.2. Структурно-энергетическая модель изнашивания режущих инструментов........................................................................ 311

6.3. Сопоставление теоретической модели изнашивания с опытными данными........................................................................ 334

6.4. Методические основы оценки долговечности инструментов по энергетическим критериям................................................. 338

6.5. Анализ данных эксплуатации упрочненных сульфоннтро-цементацией инструментов................................................ 361

6.6. Выводы по главе............................................................. 366

ОСНОВНЫЕ ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ............ 368

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................... 375

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................... 399

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ГТП - газотермическое покрытие; ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

ИСЭМИ - исходная структурно-энергетическая модель изнашивания; КПД - коэффициент полезного действия; КПП - коробка перемены передач; МСВ - магнитострикционный вибратор;

ОСЭМИ - обобщенная структурно-энергетическая модель изнашивания; ПП - приборные подшипники;

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина;

СНЦ - сульфонитроцементация;

СОЖ - смазочно-охлаждающая жидкость;

ТС - техническое средство;

ФМС - физико-механические свойства;

ХТО - химико-термическая обработка;

ЦПГ - цилиндро-поршневая группа;

ЧСЭМН - частная структурно-энергетическая модель изнашивания;

ЭВМ - электронно-вычислительная машина;

ЭЭО - электроэрозионная обработка;

УЗО - ультразвуковая обработка;

УЭС - ударно-эрозионный стенд.

ВВЕДЕНИЕ

Повышенный интерес к проблемам трения и износа вызван тем, что при высокой интенсификации производства, росте скоростей, нагрузок и других параметров, а также в связи с частичным истощением материальных ресурсов, человечество уже не может неоправданно тратить огромное количество энергии на преодоление трения, отвлекать миллионы квалифицированных специалистов на ремонты машин, механизмов и приборов по причине потери работоспособности узлов трения вследствие их износа, расходовать громадные запасы металла и других дефицитных материалов на их изготовление и реставрацию.

Одна из основных проблем, общая для всех отраслей техники, - это повышение износостойкости и долговечности машин, механизмов, аппаратов, приборов. Повышение надежности машины увеличивает ее эксплуатационные и межремонтные сроки, сокращает время простоя в ремонте и снижает его стоимость, повышает безопасность работы. Увеличение долговечности машин равноценно увеличению их выпуска. Все это в конечном счете повышает безопасность и производительность труда, уменьшает стоимость продукции.

Россия располагает огромным парком уникальных путевых и строительных машин и механизмов, которые до 30-40% времени, однако, простаивают в ремонте или в ожидании его. Причиной выхода большей части деталей и узлов этих машин (до 80-85%) является интенсивный износ.

Исследования показали, что за счет увеличения износостойкости только деталей рабочих органов путевых машин, механизмов и инструментов можно повысить их производительность и надежность примерно на 20-50%, снизить трудоемкость ремонта на 20-30%.

Статистика показывает, что более 80% машин и механизмов выходит из строя в результате износа деталей, работающих на трение - подшипников, цапф, зубчатых колес, деталей уплотнений, муфт, шлицевых соединений, скользящих направляющих и др. Известно, что износ находится в прямой зависимости от скоростей, нагрузок, мощностей и режимов эксплуатации машин. В

связи с этим многие отрасли техники столкнулись с серьезной проблемой: материалы «старого» типа себя исчерпали. Детали трущихся пар, изготовленные из таких материалов, не отвечают требованиям износостойкости и долговечности.

Ясно, что развитие всех без исключения отраслей промышленности предполагает решение, как минимум, трех основных задач:

разработка и реализация простых и эффективных технологических процессов восстановления и упрочнения деталей машин и инструментов с использованием новых перспективных материалов;

установление оптимальных условий работы машин и механизмов при использовании совершенных смазок, отвечающих требованиям современной техники;

проектирование образцов новой техники на базе эксплуатационного опыта и методов прогнозирования износостойкости и долговечности материалов и деталей.

Возможность оценки работоспособности механизмов связана с необходимостью достаточно точной идентификации ведущих разновидностей изнашивания и повреждений технических средств с последующим моделированием процессов изнашивания и расчетным прогнозированием ресурса ведущих деталей, основанными на учете условий нагружения (в первую очередь - разномас-штабности), кинематики контакта, теплового режима работы и закономерностей изменения трибологичских характеристик.

Влияние разномасштабности нагружения на процессы трения и изнашивания трибосистем и материалов наиболее существенно проявляется при граничном трении, при трении качения с проскальзыванием и при кавитационной эрозии. При смене масштабных уровней скачкообразно изменяется скорость изнашивания трибоузла и соответствующие характеристики поверхностных слоев материалов: энергия активации процессов атомно-молекулярных перегруппировок, диссипативная структура, плотность потока энтропии, глубина

проникновения пластической деформации и т.п. При этом критерием износостойкости и долговечности материалов может служить осредненная в деформируемых объемах на каждом масштабном уровне внешнего нагружения критическая плотность мощности деформации \Укр* (* - знак осреднения).

Анализ выполненных исследований показывает, что в качестве исходной теоретической концепции может быть использована обобщенная структурно-энергетическая модель процессов повреждаемости и изнашивания, пригодная для решения частных задач прогнозирования износостойкости и долговечности не только материалов и покрытий, но и разнообразных деталей машин и механизмов а также режущих инструментов, работающих в различных условиях контактного взаимодействия. В частности, могут быть разработаны инженерные методики прогнозирования износостойкости и долговечности материалов и деталей машин, актуальность которых не вызывает сомнений.

Решение поставленных выше задач нашло отражение и в настоящей работе. В диссертации использована и получила дальнейшее развитие структурно-энергетическая теория изнашивания материалов, основанная на соотношении потока внешней энергии к предельной плотности мощности деформации, учитывающая структуру изнашиваемых материалов, энергоемкость, критическую скорость нагружения, жесткость напряженного состояния, аккумуляционный период накопления повреждений, многомасштабность энергетических уролвней изнашивания и соответствующих диссипативных структур, и, наконец, - закономерности перехода от одного масштабного уровня изнашивания к другому.

С позиций структурно-энергетической теории рассмотрены: изнашивание материалов и покрытий при трении скольжения и качения с проскальзыванием, а также инструментов при резании металлов. Даны методические основы оценки свойств газотермических покрытий, расчета долговечности и износостойкости зубчатых колес, подшипников качения, режущих инструментов. Возможность прогнозирования ресурса различного оборудования оказалась реализо-

ванной, в частности, благодаря впервые установленным количественным соотношениям, учитывающим многомасштабность структур и подчиняющаяся закономерностям фрактальной механики разрушения.

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ современных представлений и подходов при оценке износостойкости и долговечности материалов в различных условиях внешнего трения

Проблема повышения эффективности использования техники во многом зависит от ее эксплуатационных свойств и неразрывно связана с совершенствованием методов повышения долговечности материалов и прогнозирования изнашивания (повреждаемости) ее ведущих деталей.

Современное состояние науки об износе со всей очевидностью свидетельствует, что создание эффективных методов борьбы с ним невозможно без понимания механизма этого явления. Комплексный подход к изучению механизма изнашивания, включающий как изучение изменений, происходящих на фрикционном контакте, так и анализ частиц износа, показал, что все многообразие условий трения можно рассмотреть с нескольких общих позиций, одна из которых - представление об энергетике разрушения поверхностных слоев.

Можно выделить следующие основные направления в исследовании процессов внешнего трения и износа:

1. Взаимодействие поверхностей при внешнем трении объясняется как результат механического зацепления или внедрения микрошероховатосей трущихся поверхностей (Л. Гюмбель, Г.И.Епифанов Д. Лесли и др.) [13, 62, 99 и

др]-

2. Взаимодействие поверхностей объясняется как результат действия атомно-молекулярных сил притяжения между трущимися поверхностями (Ф. Боуден, В. Гарди, И. Дезагюлье, Б.В. Дерягин, В.Д. Кузнецов, Д. Тейбор, Г. Томлинсон и и др.) [13, 52, 62, 99, 114 и др.].

3. Причиной возникновения поверхностных связей считается одновременное действие атомно-молекулярных сил и механического зацепления мик-

рошероховатостей (Г. Ернст, Б.И. Костецкий, И.В. Крагельский, Ш. Кулон, М. Мерчент, и др.) [94, 95, 99, 114 и др.].

4. На основе подходов нового научного направления - синергетики деформируемое твердое тело рассматривается как синергетическая система, обменивающаяся энергией и веществом с окружающей средой, а разрушение трактуется как неравновесный фазовый переход, которому предшествует спонтанная перестройка дислокационной структуры (И.Р. Пригожин, Б.Б. Ман-дельброт, Г. Николис, В.С.Иванова, В.Е.Панин, Л.И.Погодаев, В.В. Федоров и др.) [67, 70, 137, 145, 153, 177, 201, 260 и др.]. При этом частные задачи решаются с позиций механики твердого тела на микро-, мезо- и макроуровнях; на основе законов термодинамики необратимых процессов с учетом термоактива-ционной природы процессов деформирования и разрушения материалов; например, на основе молекулярно-кинетической теории повреждаемости и разрушения твердых тел [71, 72, 142, 148, 201, 204 и др.].

Анализ работ первых трех направлений показал, что не всегда в основу гипотезы или точки зрения было положено экспериментальное исследование. Почти во всех исследованиях гл