Файл: Д. И. Менделеева Новомосковский институт Б. П. Сафонов, А. В. Бегова инженерная трибология оценка износостойкости и ресурса трибосопряжений учебное пособие.pdf

24 прогнозирование ресурса узлов трибосопряжений в условиях абразивного изнашивания. Механические свойства закаленной стали можно подразделить на две группы в соответствии с теми зависимостями, которым они следуют при отпуске группа прочности (HRC, В, σ
0,2
и др) и группа пластичности (δ, ψ) и ударной вязкости (KCU). При повышении температур t отп отпуска прочность стали снижается, а пластичность возрастает (рис. В настоящее время оценка сопротивления изнашиванию выполняется одним из методов
- лабораторные испытания
- экспериментально-расчетный метод по критериальным зависимостям. Лабораторные трибологические испытания металла позволяют получить наиболее точные оценки по износостойкости, но требуют больших материальных затрат и времени. При проведении лабораторных трибологических испытаний стремятся к соблюдению кинематического подобия натурного и модельного трибосопряжений. Поэтому в настоящее время созданы лабораторные установки для определения износостойкости материалов применительно к тормозным устройствам, опорам качения и др. Второе направление в развитии лабораторных методов трибологических испытаний заключается в создании лабораторных методов испытаний, в которых воспроизводится тот или иной вид изнашивания (см.рис.5.).

25 35 40 45 50 55 60 65 100 200 300 400 500
tотп,С
HRC
ψ,%
Рис.6. Изменение механических свойств стали Д при отпуске [11] а) б) в) где) ж) Рис. Виды кинематического взаимодействия элементов
ТС при трибологическом нагружении : а- скольжение б- качение в,г- удар д- воздействие потока абразивных частиц на поверхность детали е- скольжение в массе абразивных частиц ж- взаимодействие сопряженных деталей в

26
Экспериментально-расчетные методы оценки сопротивления металла изнашиванию предполагают получение статистических моделей износостойкости, которые позволяют получать данные по износостойкости расчетным путем, опираясь на свойства материала элементов трибосопряжения, называемых критериями износостойкости. При использовании экспериментально-расчетного метода оценки сопротивления металла изнашиванию возникает проблема выбора критерия износостойкости связанная стем, что износостойкость является переменной и сложнозависимой величиной. Критериями для оценки износостойкости сталей принято использовать отдельные механические свойства (твердость, предел прочности, сопротивление срезу и т.д.) или их комплексы. Следует отметить, что наиболее перспективными являются критерии износостойкости, объединяющие прочностные и пластические свойства стали. Поэтому при оценке износостойкости сталей необходимо учитывать комплекс механических свойств металла, которые для сталей могут быть вычислены по эмпирическим зависимостям на основе стандартных механических характеристик. Проанализировав современные методы исследования абразивной износостойкости сталей при скольжении по закрепленному абразиву, можно сделать следующие выводы о влиянии метода и условий испытаний на закономерности изнашивания материалов
1. Изменение скорости скольжения при изнашивании в диапазоне 0,15 – 1,4 мс не оказывает существенного влияния на износостойкость сталей и сплавов
2. В диапазоне изменения удельной нагрузки 1-15 МПа наблюдается линейная зависимость между номинальной нагрузкой и величиной износа материалов
3. Исследования необходимо проводить при твердости абразива выше твердости исследуемого материала
4. Для получения стабильных результатов необходимо контролировать абразивность поверхности или проводить изнашивание по свежему следу абразивной поверхности. Следовательно, с целью выявления закономерностей износа различных сталей достаточно провести испытания на изнашивание по режиму в указанном диапазоне удельной нагрузки и скорости скольжения. Ряд износостойкости сталей, полученный при этом для конкретных условий изнашивания на лабораторной установке, будет сохраняться в указанном интервале изменения условий изнашивания.

27 Методы оценки износостойкости сталей
2.1. Критерии оценки износостойкости В исследованиях по абразивной износостойкости сталей традиционным является оценка сопротивления стали изнашиванию по ее твердости, что правомерно, поскольку взаимодействие абразивной частицы на трибоконтакте с металлом при изнашивании и индентора
– при определении твердости имеют много общих черт. Однако, взаимодействие абразивной частицы и металла заканчивается микроразрушением поверхности металла и отделением частиц износа, а при внедрении индентора имеет место лишь пластическая деформация металла. Поэтому положительное влияние на износостойкость сталей помимо твердости оказывают и другие механические характеристики металла группы прочности предел прочности, предел текучести, сопротивление срезу и т.д. Несмотря на то, что твердость (прочность) стали принято рассматривать в качестве критерия износостойкости, при исследовании выборки сталей однозначной взаимосвязи износостойкости и любой отдельно взятой характеристики прочности не наблюдается (рис. Объяснение данному обстоятельству следует искать в механизме изнашивания стали абразивом (рис. Формирование частицы износа при микрорезании происходит в несколько этапов внедрение, пластическое оттеснение и контактное разрушение. Сопротивление материала изнашиванию будет контролироваться его сопротивлением внедрению абразива под действием нормальной нагрузки и способностью деформироваться при тангенциальном перемещении внедрившейся частицы абразива. При использовании такой феноменологической модели формирования контакта становится очевидным различие в воздействии на металл при измерении твердости и при изнашивании в форме микрорезания. При измерении твердости взаимодействие индентора с поверхностью металла завершается внедрением на глубину h. Величина h определяет величину твердости металла. При трибологическом нагружении за этапом внедрения следует перемещение абразивной частицы по поверхности трения, вовремя которого частица абразива пропахивает поверхность металла. Поэтому, при разработке критериев выбора сталей для условий абразивного изнашивания по механическим свойствам трибологические исследования целесообразно проводить таким образом, чтобы роль фактора внедрения абразива в поверхность

28 трения была фиксирована, те. проводить изнашивание материалов разной твердости при постоянной глубине внедрения абразивной частицы в поверхность трения h= const (см.рис.8). Практически это условие можно реализовать либо, проводя изнашивание сталей с удельным давлением, пропорциональным твердости изнашиваемого материала, либо введением поправочного коэффициента, названного коэффициентом внедрения, который нивелирует влияние на износ металла переменной глубины внедрения абразива в поверхность трения при исследовании сталей разной твердости (рис. Введение поправочного коэффициента является предпочтительным, поскольку позволяет проводить исследование износа сталей на имеющемся лабораторном оборудовании и, кроме того, позволяет использовать полученные ранее результаты многочисленных исследований абразивного изнашивания сталей и сплавов для анализа и построения статистических моделей. Введение коэффициента внедрения стали проведем, приняв в качестве эталона сталь 45 в состоянии поставки, имеющую твердость
HRC15. Твердость HRC выбрана неслучайно, поскольку метод
Роквелла является самым технологичными универсальным методом определения твердости металлов и сплавов. По определению, коэффициент внедрения К стали делает справедливым равенство
const
h
К
h
i
h
эт
=
Δ
⋅
=
Δ
, (8) здесь
i
эт
h
h
Δ
Δ
,
- глубина внедрения абразива в металл твердостью HRC
эт
, Твердость по Роквеллу измеряется при поэтапном приложении нагрузки Р = Р + Р рис. Р =10 кгс, Р =140 кгс. Численно твердость HRC выражают числом делений условной шкалы из формулы
c
h
h
HRC
0 100
−
−
=
, (9) где h – остающаяся глубина внедрения наконечника в испытуемый металл под действием общей нагрузки Р
, определяемая после снятия основной нагрузки Р h
0
- глубина внедрения наконечника в испытуемый металл под действием предварительной нагрузки Р С – постоянная, равная 0,002 мм. Обозначив h –h
0
= ∆h , выразим глубину ∆h для исследуемого металла HRC
i и эталона HRC
эт из (9)

29 мм,
002
,
0
)
100
(
⋅
−
=
Δ
эт
эт
HRC
h
, мм (10)
0 1
2 3
4 300 800 1300 1800 2300 2800
σ
Β
,

46 n = 1,2…1,5 – коэффициент запаса по ресурсу. Учитывает возможные изменения условий контактирования и свойств материалов за время эксплуатации сопряжения.
3.4. Расчет опоры жидкостного трения Опора жидкостного трения может быть реализована в виде гидродинамической или гидростатической опоры. Для реализации гидростатической опоры необходима система принудительного создания масляного клина. Конструктивно это сложно. Такие опоры используются в специальной технике. В химической отрасли получила распространение гидродинамическая опора. Опоры скольжения имеют ряд преимуществ перед опорами качения
- являются разъемными (важно для подшипников коленчатых валов двигателей и поршневых компрессоров
- хорошо воспринимают динамические нагрузки (важно для опор двигателей и поршневых компрессоров
- нет ограничений по габаритам (диаметральный практически нет ограничений по частотам вращения (важно для ц/б компрессоров, имеющих n= 10000 – 50000 об/мин);
- нет ограничений по сроку службы (при соблюдении режима жидкостного трения.
3.4.1. Конструкция гидродинамической опоры

47 Рис. Гидродинамическая опора [17] В период остановки (n=0) вал касается корпуса в нижней точке. При вращении вала прилипшая смазка затягивается между валом и корпусом, точка касания смещается от вертикали по направлению ω . При достижении некоторой минимальной скорости n min вал всплывает, образуется масляный клин n min зависит от диаметра вала.
О
1
О
2
– линия центров (рис, наклонена под углом к вертикальной оси, направлена по угловой скорости. На поверхности трения вкладыша (устанавливается в корпус) имеются специальные смазочные канавки и карманы для смазки. По ним подается масло к поверхности трения. В зависимости от расположения канавок и карманов смазка может при работе заполнять или весь зазор между валом и вкладышем или часть его. Степень заполнения зазора маслом характеризует угол охвата Ω бывают. Ω= 360º, 180º, 120º, …30º). Названия основных конструктивных элементов опоры d- диаметр вала - длина цапфы
λ
=
d
l
- относительная длина
∆= 2δ= = d
1
– d
2
– диаметральный зазор
δ =∆/2 – радиальный зазор
ψ = ∆/d = δ/r – относительный зазоре- эксцентриситету в

60 Заключение
Трибомеханические системы, являясь частным случаем механических систем, отличаются тем, что в процессе функционирования вследствие изнашивания элементов происходит неизбежное изменение их структуры. Расчет ресурса трибосопряжения позволяет прогнозировать кинетику изменения структуры трибомеханической системы. Рассмотренные в учебном пособии методы расчета ресурса трибосопряжений являются необходимым элементом современного подхода к проектированию механического оборудования гарантированной долговечности. Вторым направлением применения трибологических расчетов является оптимизации конструкции технических устройств в направлении проектирования трибосопряжений машин и механизмов равной долговечности. При решении такого рода задач необходимо комплексное использование возможностей материаловедения и машиноведения. Рассмотренные в учебном пособии методики позволяют одновременно учитывать как материаловедческие, таки конструктивные аспекты при проектировании трибосопряжений машин и механизмов оптимальной долговечности. Таким образом, применение трибологических расчетов в инженерной практике позволяет на стадии проектирования оборудования решать вопросы долговечности технических устройств.

Приложение Таблица П Значение коэффициентов регрессии в уравнении (24) для трибосопряжений граничного трения «вал-втулка» [3]
[P]= кгс·см
2
[P]= МПА Материал элемента втулка вал втулка вал втулка вал Смазочный материал А В А В А В А В Сталь 45
HRC38-43 Сталь Х
HRC60-61 Солидол ГОСТ 4366-76 3·10
-13 2,0 3·10
-13 1,7 3·10
-11 2,0 1,5·10
-
11 1,7 Сталь 45
HRC38-43 Сталь Х
HRC60-61 Солидол+ меди
5·10
-15 2,3 2·10
-13 1,5 1·10
-12 2,3 6,3·10
-
12 1,5 Сталь 45
HRC38-43 Сталь Х
HRC60-61
ЦИАТИМ 201 8·10
-16 3,0 4·10
-16 3,1 8·10
-13 3,0 5·10
-13 3,1 Сталь 45
HRC38-43 Сталь Х
HRC60-61
ВНИИ НП-242 3·10
-16 2,8 3·10
-17 3,2 1,89·10
-13 2,8 4,8·10
-
14 3,2 Сталь 45
HRC38-43 Сталь Х
HRC60-61
ЦИАТИМ-203 6·10
-20 4,8 3·10
-18 4,1 3,8·10
-15 4,8 3,8·10
-
14 4,1 Сталь 45
HRC38-43 Сталь Х
HRC60-61
УНИОЛ-1 9·10
-13 1,6 1·10
-12 1,6 3,6·10
-11 1,6 4·10
-11 1,6 Сталь 45
HRC38-43 Сталь Х
HRC60-61
ЛИТОЛ-24 6·10
-16 2,7 4·10
-15 2,4 3·10
-13 2,7 1·10
-12 2,4
Бр.ОЦС 5-
55 Сталь
HRC47-50 Солидол 5·10
-13 2,1 2·10
-12 1,2 6,3·10
-11 2,1 3,2·10
-
11 1,2 СЧ 21-40 Сталь Х
HRC58-62 Солидол 2·10
-12 1,9 4·10
-12 1,4 1,6·10
-10 1,9 1·10
-10 1,4 Сталь Х
HRC50-55 Сталь 30ХГСА
HRC43-48 Солидол 6·10
-12 1,4 2·10
-12 1,7 1,5·10
-10 1,4 1·10
-10 1,7 Сталь
30ХГСА
HRC43-48 Сталь Х
HRC50-55 Солидол 2·10
-11 1,6 3·10
-11 1,3 8·10
-10 1,6 6·10
-10 1,3