Контактная приспособляемость упругих тел при сухом трении и ее использование в решении задач снижения фреттинга неподвижных соединений с натягом

Александрова, Маргарита Юрьевна

Контактная приспособляемость упругих тел при сухом трении и ее использование в решении задач снижения фреттинга неподвижных соединений с натягом тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

Александрова, Маргарита Юрьевна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Самара МЕСТО ЗАЩИТЫ

2015 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.04 КОД ВАК РФ

Автореферат по механике на тему «Контактная приспособляемость упругих тел при сухом трении и ее использование в решении задач снижения фреттинга неподвижных соединений с натягом»

Автореферат диссертации на тему "Контактная приспособляемость упругих тел при сухом трении и ее использование в решении задач снижения фреттинга неподвижных соединений с натягом"

На правах рукописи

Александрова Маргарита Юрьевна

КОНТАКТНАЯ ПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ УПРУГИХ ТЕЛ ПРИ СУХОМ ТРЕНИИ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В РЕШЕНИИ ЗАДАЧ СНИЖЕНИЯ ФРЕТТИНГА НЕПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С НАТЯГОМ

Специальность 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 ФЬВ 2015

005559379

Самара-2015

005559379

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» на кафедре «Механика».

Научный руководи гель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

Клебанов Яков Мордуховач доктор технических наук, профессор,

Сеницкий Юрий Эду ардович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Сопротивление материалов и строительная механика» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный

архитектурно-строительный университет»

Лазуткин Геннадий Васильевич доктор технических наук, старший тучный сотрудник ФГАОУ ВО «Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)»

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения» (СамГУПС)

Защита состоится « 8 » апреля 2015 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.217.02 при ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская, 141, корпус № 6, ауд. 33.

С диссертационной работой можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Самарский государственный университет» и на сайте диссертационного совета Д 212.217.02 1221702.samgtu.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, проси! направлять по адресу: Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244 СамГТУ, Главный корус, на имя ученого секретаря диссертационного совета , 212.217.02. В отзыве просим указывать почтовый адрес, номер телефон, электронную почту, наименование организации и должность.

Сведения о защите, автореферат и диссертация размещены на официальных сайта ВАК Министерства образования и науки РФ www.vak.ed.gov.ru и ФГБОУ ВП< «Самарский государственный университет» www.sarngtu.ru

Автореферат разослан 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Денисенко А.Ф.

Ob ШЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Возможности повышения надежности и исснлуатацконных характеристик машин во многих случаях ограничиваются несущей способностью неразъемных соединений с гарантированным натягом. Одним из основных факторов, снижающих долговечность соединений в условиях циклических нагрузок и вибраций, являются взаимные перемещения малой амплитуды, которые вызывают процессы фреттинга.

Большой вклад в развитие теории трения в неподвижных соединениях с гарантированным натягом и методов решения прикладных задач работоспособности этих соединений внесли работы российских и зарубежных ученых: Л. А. Галина, И. Г. Горячевой, H.A. Одинга, А.Н. Петухова, И .Я. Штаермаиа, Г.Р. Герца, К. Каганео, Г. Дерсевича, К.Л. Джонсона, Р.Д. Миндлина, Р. В. Ватерхауза и др.

Главные усилия ученых сосредоточены на исследовании процессов фреттинга и создании условий, снижающих их интенсивность в условиях взаимного проскальзывания контактных поверхностей. Методам, предотвращающим взаимное проскальзывание или существенно уменьшающим размеры областей и величины скольжения, длительное время уделялось недостаточно внимания. Вместе с тем, наряду с отмеченными направлениями, определение условий, при которых источник фреттинга - взаимное проскальзывание контактирующих деталей - или исключен, или существенно ограничен, имеет исключительно важное значение.

В наибольшей степени преимуществами такого подхода обладают методы обеспечения контактной приспособляемости - явления, при котором частичное проскальзывание контактирующих поверхностей после нескольких первых циклов нагружения прекращается и сцепление охватывает всю область контакта.

Актуальность развития теории контактной приспособляемости в неподвижных соединениях с натягом и создание методов ее приложения к решению задач предотвращения фреттинга обуславливается рядом научных и прикладных аспектов.

Доказательство возможности прекращения контактного проскальзывания при циклическом нагружении системы упругих тел в условиях сухого трения является важным теоретическим результатом, определяющим общие предпосылки возникновения явления контактной приспособляемости и создающим основу для исследования и установления конкретных условий возникновения процессов контактной приспособляемости в неподвижных соединениях с гарантированным натягом с последующей разработкой и внедрением методов предотвращения фреттинга реальных соединений.

Перечисленные научные и прикладные вопросы решети задач контактной приспособляемости систем упругих тел при сухом трении отражены в содержании данной диссертационной работы.

Цель работы. Повышение долговечности неподвижных соединений с гарантированным натягом на основе разработанных методов определения условий возникновения процессов контактной приспособляемости и их использования для предотвращения фреттинга соединений с натягом.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

Распространение теории контактной приспособляемости на случай взаимодействия многих тел.

Определение условий, при которых возможно наступление полной или частичной контактной приспособляемости.

Экспериментальное исследование влияния взаимных контактных перемещений на разрушение соединений с натягом в условиях циклической нагрузки.

Разработка и реализация метода снижения фреттинга в номинально неподвижных соединениях.

Методы исследовапия. Теоретическое исследование основано на использовании положений теории упругости деформируемого твердого тела и теории сухого трения, математическое моделирование проведено с использованием метода конечных элементов для контактных задач теории упругости, экспериментальное исследование проведено на установке для усталостных испытаний типа НУ в соответствии с ГОСТ 25.502-79 «Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость»

Научпая новизна состоит в следующем:

Изучено напряженно-деформированное состояние системы упругих тел с трением Кулона при циклическом нагружении и в условиях их проскальзывания на части контактных поверхностей.

Положение о контактной приспособляемости впервые доказано для случая взаимодействия произвольного числа тел.

Исследованы и обобщены условия наступления контактной приспособляемости номинально неподвижных соединений с натягом и предложено их наглядное графическое представление.

Разработана и реализована численная процедура определения условий наступления контактной приспособляемости, в том числе для случаев, когда не накладываются какие-либо дополнительные ограничения на взаимосвязь между касательными перемещениям! и нормальной силой.

Исследовано влияние топографии контактных поверхностей стыка на условия наступления контактной приспособляемости.

Получены характеристики усталости соединения с натягом типа вал-втулка, изготовленного из сталей 14ХНЗМА и Р6М5, в условиях контактного проскальзывания.

Основные положения, выпоспмые па защиту.

Доказательство положения о контактной приспособляемости произвольного числа упругих тел при сухом трении.

Процедура численного конечно-элементного определения и анализа условий наступления контактной приспособляемости, включающая, в том числе, рекомендащш по созданию сети конечных элементов.

Способ испытаний соединений с гарантированным натягом на фрегшш-усталость в условиях, приближенных к эксплуатационным.

Методика снижения фретпшга в номинально неподвижных соединениях, основанная на использовании явления контактной приспособляемости.

Практическая значимость работы:

Разработана и внедрена методика снижения фретпшга в номинально неподвижных соединениях, основанная на использовании явления контактной приспособляемости и нанесении микрорельефа на поверхности контакта.

Разработанная методика снижения фретпшга адаптирована применительно к стыковым соединениям бандажных полок ротора компрессора.

Разработана полезная модель «шарошка бурового долота» и методика повышешм прочноста крепления твердосплавных зубков в шарошечных долотах (патент 1Ш номер 138788 Ш кл. Е21В 10/21. Шарошка бурового долота).

Разработан способ испытаний на фретпшг, с помощью которого выполнены экспериментальные испытания соединения с гарантированным натягом, изготовленного из сталей 14ХНЗМА и Р6М5.

Практическая значимость результатов диссертациошгой работы подтверждена актом об использовании методики повышения прочности крепления тведосплавных зубков в шарошечных долотах ОАО «Волгабурмаш», актом внедрения результатов научно-исследовательской работы по снижению фретпшга в стыковом соединении бандажных полок ротора компрессора ОАО «Кузнецов» и актом внедрения способа испытания на фретшнг-усталость в учебный процесс кафедры «Механика» ФГБОУ ВПО «СамГТУ» при преподавании дисциплин «Детали машин», «Сопромат» и «Прикладная механика».

Достоверность получепных результатов обеспечивается корректностью и строгостью матемапгческой постановки при доказательстве положения о контактной приспособляемости, выполнением необходимых условий применения метода конечных элементов при численном решении задач напряженно-деформированного состоять неподвижных соединений с гаранпфованным натягом, хорошим соответствием полученных результатов моделирования и известных экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на конференциях: Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов, Челябинск, 2010; Международной научно-технической конференции «Современные компьютерные технологии фирмы DELKAM», Самара, 2011; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии», Самара, 2011; XVIII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Самара, 2012; Международной конференции «Современные проблемы механики», посвященная 100-летию JI.A. Галина, Москва, 2012; III Международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении». Москва, 2014; IV Международная конференция «Математическая физика и ее приложения», Самара 2014; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии». Самара, 2014.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах: 7 тезисах докладов, 6 статьях, в том числе в 4 изданиях, входящих в «Перечень ведущих рецензируемых журналов», утвержденный ВАК Российской Федерации; получен 1 патент на полезную модель.

Объём и структура диссертации.

Работа состоит из введения, 3 глав, основных выводов, библиографического списка литературы из 136 наименований, 3 приложения. Общий объём работы 134 страницы текста, включающего 64 рисунка.

Личный вклад автора.

Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим.

Автор выражает особую признательность за постановку проблемы, постоянное внимание и ценные советы научному руководителю д.т.н., профессору Клебанову Я.М.

Автор искренне благодарит за оказанную помощь в проведении экспериментальных исследований к.т.н. Бурмистрова А.Г., за полезные консультации по теме работы д.т.н., профессора Богомолова P.M. и инженера ФГБОУ ВПО «СГАУ» Давыдова Д.П., а также благодарит весь коллектив кафедры «Механика» за поддержку во время выполнения научной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описано состояние проблемы, обоснована актуальность темы диссертационной работы, раскрыть; ее научная новизна и практическая значимость. Сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные положения, выкосимыо на защиту, приведены сведения о достоверности результатов работы, се апробация. Кратко описаны структура и объем работы, изложены основное содержание диссертации и полученные в ней результаты.

В первой главе приведен обзор существующих работ российских и зарубежных авторов, посвященных решению контактных задач взаимодействия тел с гладкими и шероховатыми поверхностями, исследованию контактной приспособляемости гсл при циклическом пагружении в условиях сухого трения, изучению фреттинга в номинально неподвгокных соединениях.

Сходство поведения упругих систем тел с трением под действием циклической нагрузки с упругопластическими телами побудило различных авторов допустить, что к ним может быть применен аналог теоремы Мелана, то есть, предположить существование поля остаточных напряжений, предотвращающего дальнейшее скольжение. С.М. Чичман и Д. Хиллс сформулировали эквивалент статической теоремы приспособляемости для контакта с трением, а А. Клабрин, М. Сиаврелла, Дж. Барбер доказали его справедливость для случая взаимодействия одной контактной пары, но при условии, что нет взаимосвязи между нормальной составляющей внешних сил и касательными перемещениями. Общие условия, при которых возможна контактная приспособляемость, получены не были. Существующие подходы к нахождению этих условий не позволяют решить данную задачу в полной мере.

Взаимное проскальзывание деталей в неподвижных соединениях с гарантированным натягом является исходной причиной возникновения процессов фреттинга, в результате которых соединение может потерять работоспособность и разрушиться. Потому выявление и реализация мер предотвращения скольжения в контакте являются важным направлением обеспечения работоспособности неподвижных соединений.

В опубликованных работах обобщены многолетние экспериментальные исследования в области фреттинга, в том числе н для неподвижных соединений типа «вал-втулка». Экспериментальные исследования проводятся, как правило, в условиях неизменного контактного давления, что отличается от условий эксплуатации большинства неподвижных соединений. В этой связи необходима дальнейшая разработка и развитие методов испытаний, обеспечивающих условия, близкие к условиям эксплуатации.

Эксперименты и опыт эксплуатации показывают, что циклическое приложение нагрузок относительно высокого уровня к неподвижным соединениям с натягом вызывает в них взаимное скольжение на части контактных поверхностей, приводящее к фретгингу. Поэтому поиск условий, при которых это скольжение прекращается или уменьшается, является важной практической задачей.

Существующие методы снижения проскальзывания в стыке показали свою эффективность только для конкретных видов соединений. Многие эффективные методы получены эмпирически и не имеют ясного физико-механического обоснования, что сдерживает их распространение. Одним из эффективных методов повышения усталостной прочности деталей, работающих в условиях относительного скольжения, является метод, заключающийся в нанесении сетки канавок определенной глубины на поверхность, которую необходимо защитить от разрушения. Достоверного физического понимания, за счет чего в этом случае достигается эффект, до настоящего времени получено не было.

Во второй главе исследовались условия наступления контактной приспособляемости системы тел, подверженных циклическому нагружению, в случае, когда не накладываются дополнительные условия на взаимосвязь между силами нормального давления и касательными смещениями элементов стыка. Анализировались, в том числе, условия наступления контактной приспособляемости для случая взаимодействия любого числа упругих тел.

Пусть г - вектор сил контактного взаимодействия в одной из точек контакта поверхностей, ч, р - касательная и нормальная составляющие вектора г, / -коэффициент трения. Если при некотором г имеет место скольжение, то этот вектор лежит на поверхности конуса трения. Тильдой будем обозначать значения величин,

Рис. 1. Безопасные силы т лежат внутри конуса трения Кулона: проекция вектора г — г направлена внутрь круга радиуса |<у| = / ■ р

соответствующие некоторому безопасному состоянию, при котором взаимное скольжение отсутствует. Вектор г располагается внутри конуса трения. Из рисунка 1 видно, что в этом случае проекция разности векторов г— г на плоскость, перпендикулярную нормали к поверхности направлена внутрь круга радиуса | = / ■ р. Поскольку вектор изменения касательных смещений ® всегда направлен к центру круга, то выполняется условие отрицательности скалярного произведения $ - (/• - г ) < 0.

Введем положительно определенный функционал, характеризующий различие двух рассматриваемых состояний

П=КГ-Г)-0-5УЛ, (1)

где А - площадь всей контактной поверхности. Справедливо следующее утверждение:

Если существует независимый от времени вектор перемещений соответствующий безопасному состоянию, то фактический вектор смещения при скольжении s монотонно стремится к У при условии, что П < О, причем П = О только когда « = 0 для всех точек, принадлежащих А.

В случае конструкции, состоящей из N упругих элементов, между которыми реализуются контактные условия сухого трения, для элемента с номером а связь тензоров деформаций г" и напряжений оаа можно записать в виде закона Гука. Для

такой конструкции определим меру разности смещений при наличии скольжений и смещений, соответствующих безопасному состоянию, в виде положительно определённого функционала

Т= £ / /= 1,2,3, (2)

в=1Па

где компоненты тензора упругой податливости, Оа - область, занимаемая

элементом. Здесь е^ = в^* + с^, - безопасное поле напряжений в конструкции,

отвечающее условию отсутствия скольжения по контактным поверхностям, то есть при 5 = 0, с°к* - напряжения, при которых проскальзывание всех элементов по контактным поверхностям отсутствует - они с самого начала «сварены» друг с другом, о"; - дополнительные напряжения, для случая отсутствия

проскальзывания; Щ = с^Г + а"к1 - поле напряжений для случая, когда

проскальзывание возможно, ваы - дополнительные напряжения, при которых

проскальзывание возможно.

Пусть р - номер контактной поверхности между элементами; р •= 1,2,...М; М -обшее количество контактных поверхностей; ДеЬр - скорость скольжения. В работе

доказывается, что если существуют поля напряжений е^, а ~ 1,2,.., Л/, соответствующие безопасному состоянию, такие, что при их сложении с изменяющимися во времени напряжениями, обусловленными внешним нагружением,

создаются условия, при которых Т = 2£ -< 0, то фактический

вектор смещения Л<ар монотонно стремится к безопасному Л<Вр .

Изложенное положение приспособляемости указывает на общие условия наступления контактной приспособляемости, но, как и доказанные ранее положения для случая контакта двух тел, не может служить инструментом для определения количественных границ области приспособляемости. В этой связи в диссертации разработана процедура численного конечно-элементного определения и анализа условий наступления контактной приспособляемости.

На рисунке 2 показана конечно-элементная модель взаимодействия двух тел прямоугольной формы и схема ее нагружения.

а) б) в)

Рис. 2. Конечно-элементная модель взаимодействия двух тел прямоугольной формы и схема ее нагружения: а) Конечно-элементная модель - нижнее тело закреплено по боковым линиям и снизу, а к верхнему телу прикладываются силы; 6)увеличенное изображение сетки конечных элементов в зоне контакта; в) графики изменения сил от времени:: нормальная сила Р постоянна, касательная сила циклически изменяется в диапазоне ±()тш- Касательная нагрузка прикладывается к верхней поверхности или к вертикальным граням верхнего тела.

Анализ предполагает определение зон сцепления, скольжения и разъединения в стыке, наблюдение изменений границ этих зон при циклической нагрузке. Для этого выполняется серия пошаговых расчетов с разным значением амплитуды отношения тангенциального О и нормального усилий Р. Совокупность результатов исследования можно наглядно представить графически на диаграммах в координатах Отау/Р - / Такие диаграммы разделяют области с разным характером контактного поведения деталей при циклическом нагружении и, в частности, образуют границы области контактной приспособляемости в этих координатах (рисунок 3).

Рис. 3. Диаграмма в координатах "отношение амплитуды касательного усилия к нормальной силе — коэффициент трения", в которых можно выделить области с различным характером контактного взаимодействия: / - полное сцепление при первичном нагружении, И -полное скольжение контактных поверхностей, III - полная или частичная контактная приспособляемость, IV - скольжение возникает в нескольких местах контактной поверхности, большое скольжение, V - скольжение возникает с одной стороны, незначительное уменьшение скольжения.

Установлены особенности частичного скольжения на контактных поверхностях соединений с натягом при циклическом нагружении. Показано, что при коэффициенте трения ниже некоторого критического значения fcr система никогда не приспособится, хотя и может наблюдаться незначительное уменьшение зоны скольжения. В случае, когда значение коэффициента трения выше критического, при определенных соотношениях сил возникает частичная или полная контактная приспособляемость. В последнем случае скольжение полностью прекращается и, соответственно, снимается проблема фреттинга. Частичная

приспособляемое!!- характеризуется кратным уменьшением величины скольжения и размера области, где оно наблюдаегся.

Изучены особенности моделирования процессов контактного проскальзыаания методом конечных элементов. Учтено изменение коэффициента трения при фреттинге. Обоснован размер конечных элементов, примыкающих к контактным поверхностям. Он должен составлять несколько длин волн микронеровностей на этих поверхностях. Меньшее значение недопустимо, поскольку коэффициент трения Кулона отражает среднее соотношение нормальных и касательных сил на контактной поверхности, которая предполагается идеально ровной.

Анализ результатов, полученных при моделировании, показывает, что для каждой контактной пары имеющей индивидуальные геометрические особенности или сочетание свойств материалов, для определения границ контактной приспособляемости необходимо использовать численные методы.

Во многих работах экспериментальные результаты исследования фреттинга представляются в виде карт фреттинга, построенных в координатах нормальная сила Р - амплитуда относительных тангенциальных смещений в стыке и. На этих картах каждая линия соответствует характерному значению безразмерного параметра

5 = —разделяющего области с разной интенсивностью процесса фреттинга. Здесь

j - касательная податливость стыка.

В диссертации установлена тесная взаимосвязь диаграмм, построенных в координатах QmJP -/, и карт фреттинга. Действительно, линии Л и В на рисунке 3 являются функциями коэффициента трения деталей в области стыка:

=9А,в(Г)- (3)

А,В

В области I с первого цикла нагружения выполняется линейная зависимость d = jOmax. После достижения контактной приспособляемости эта же зависимость справедлива и для области III. Тогда нетрудно убедиться, что

(4)

Таким образом, линии на картах фреттинга, построенных для конкретного значения коэффициента трения (рисунок 4), отвечают соответствующим точкам диаграмм Qmax/P-f.

А _______ В

— — / /

—I—1 /

/ У

/ /

/ К у

/ Ш ✓ / р, /

/ /

' / п

У У

0,0001 0,001 0,01 о . мкм

Рис. 4. Карта режимов фретгинга для модели взаимодействия двух тел прямоугольной формы. Области 1-1V соответствуют областям рисунка 3.

Значения коэффициентов трения / и безразмерных параметров 5, полученные экспериментально, находятся в диапазонах 5 <0,6, 0,4 < /<0,82, а на основе моделирования методом конечных элементов получено, что < 0,62 при

/сг</<0,82, где /Сг= 0,3-Ю, 53 для большинства условий контактного взаимодействия. Совпадение количественных значений имеющихся в литературе экспериментальных данных о фреттинге соединений и результатов выполненного в работе численного моделирования процессов контактной приспособляемости свидетельствует о достоверности результатов расчетов, выполненных методом конечных элементов, и об эффективности предложенного подхода.

Наступление полной контактной приспособляемости происходит, когда поверхность контакта имеет относительно небольшой линейный размер или состоит из множества отдельных небольших зон, как, например, в случае нанесения микрорельефа. В работе в качестве примеров достижения полной контактной приспособляемости при взаимодействии деталей, на поверхность одной из которых нанесен микрорельеф в виде параллельных канавок, рассмотрены взаимодействие деталей прямоугольной формы и элементов соединения вал-втулка с квадратным сечением (рисунок 5).

Численное моделирование показывает, что в случае гладких поверхностей величина скольжения и часть контактной поверхности, на которой оно наблюдается, при соответствующих нагрузках заметно сокращаются, но полностью скольжение не прекращается, то есть наблюдается частичная приспособляемость.

б)

Рис. 5. Конечно элементная модель для численного расчета взаимодействия двух тел, на поверхность одного ю которых нанесен регулярный микрорельеф: а) два тела прямоугольной формы; 6) вал-втулка квадратного сечения.

В случае нанесения микрорельефа площадь контакта изменяется, при этом меняется и характер взаимодействия. В процессе нагружения зона проскальзывания уменьшается и затем исчезает, а сцепление охватывает всю поверхность контакта с натягом. Результаты расчетов для этих двух случаев подтвердили, что нанесение микрорельефа позволяет достигать состояние полной контактной приспособляемости.

Таким образом, анализ процессов приспособляемости и определение параметров микрорельефа, способного усилить эти процессы, позволяет на стадии проектирования неподвижных соединений исключить их взаимное скольжение в условиях эксплуатации и предотвратить фреттинг.

В диссертации разработан и реализован способ испытания на фреттинг-усталость с использованием сборки «вал-втулка», позволяющий оценивать влияние фреттиш-а в условиях, соответствующих реальным условиям эксплуатации неподвижных соединений с гарантированным натягом. На рисунке 6а показана схема сборки и ее нагружения. Натяг в контакте I обеспечивает неподвижное соединение стержня (образца) и втулки. На краю контактной области I имеется зона относительного скольжения. Изучение процессов фретгинга осуществляется в контакте II. Здесь натяг подбирается таким образом, что гарантирует взаимное перемещение точек сопряжения образца и втулки. Параметры элементов сборки, величины смещений в контактах и возникающие при этом напряженно-деформированное состояние (рисунок 66) определялись методом конечных элементов в программном комплексе АЫЯТБ.

Используя данный способ, изучено влияние контактного проскальзывания на усталостную долговечность стали 14ХНЗМА. Построена кривая зависимости амплитуды интенсивности напряжений от числа циклов до разрушения для стандартных образцов (рис. 6в, I) и для образцов с напрессованной втулкой с учетом объемно-напряженного состояния (рис. 6в, II)- Коэффициент, учитывающий влияние повреждения от фреттинга

а'

где а_[ - предел выносливости без фреттинга, полученный при усталостных

испытаниях гладких образцов; а^ - предел выносливости в условиях фреттинг-

усталости при контактном давлении.

На рисунке 6г представлены фотографии образцов для испытаний и втулка.

Щ-

994463 407Е+09 814Е+09 122Е+10 16ЭЕ+10

204Е+09 610Е+09 102Е10 142Е«10 183Е-И0

Па

« 55

С" 50

* 45

л 41)

в)

1.Е-08 '¿-V

г)

Рис. 6. Способ испытаний на фреттинг-усталость: а) эскиз сборки типа «вал-втулка» и схема погружения; 6) напряженно-деформированное состояние сборки; в) усталостная кривая (Веллера): I - для стандартных обращав, П - для образцов с напрессованной втулкой; г) Образцы (фото): 1 — образец для испытаний на фреттинг-усталость (материал стачь 14ХНЗМА), 2 -стандартный образец для испытаний на усталость (материей стачъ 14ХНЗМА). 3 - втулка (материал сталь Р6М5).

контактной

применяется

практических

фреттинга

неподвижных

Представлена

контактной

неподвижных

основанная

В третьей главе явление приспособляемости для решения задач снижения в номинально

соединениях, методика оценки приспособляемости соединений, на использовании методов конечных элементов и, при необходимости, подмоделирования.

Методика включает в себя также подбор микрорельефа одной из контактных поверхностей, обеспечивающего наступление

контактной приспособляемости.

Методика снижения фреттинга в номинально неподвижных соединениях, основанная на теории контактной приспособляемости, представлена в виде блок-схемы на рисунке 7.

Разработанная методика использована для исследования соединения с натягом твердосплавных зубков 115929 и шарошки бурильного долота 215.9Уи-М^8432Р-К206А (рисунок 8).

Рис. 7. Блок-схема осуществления методики снижения фреттинга в номинально неподвижных соединениях, основанный на теории контактной приспособляемости

а.

Рис. 8. Моделирование соединения зубок -шарошка долота: а) общий вид модели соединения; б) контактный статус соединения на третьем шаге нагрузки, отдельно показана часть контактной поверхности, где темно-желтым цветом представлена область проскальзывания.

На основе результатов исследования получены рекомендации по нанесению микрорельефа на контактные поверхности соединения зубок-шарошка долота. Рельеф выполнен в виде параллельных канавок с шагом 0,12 мм и глубиной 0,03 мм по нижнему краю боковой поверхности отверстия под зубок. В этом случае при циклической нагрузке О = 8 кН зона сцепления охватывает всю поверхность, где было проскальзывание. Предложено устройство для нанесения микрорельефа на боковую поверхность твердосплавной вставки.

Методика принята для проектирования шарошечных долот на ОАО «Волгабурмаш».

Методика снижения фреттинга с использованием явления контактной приспособляемости реализована также для стыковых соединений бандажных полок ротора универсального газогенератора на примере рабочего колеса 2 ступени ГТД (рисунок 9). Конструкция ротора включает в себя соединения с натягом диска и многочисленных лопаток. Стыковые соединения бандажных полок лопаток являются критическими с точки зрения эксплуатационных характеристик ротора. Рекомендовано нанесение микрорельефа на одну из поверхностей соединения бандажных полок. Микрорельеф выбран в виде параллельных канавок с соотношением ширины канавки и выступа 1:1, шагом 0,12-0,2 мм, глубиной около 0,02 мм.

Рис. 9. Конечно-элементная модель пера лопатки с элементом рабочего колеса и ответной части: а) вид сбоку, вид сверху, б) напряженно-деформированное состояние в области стыка бандажных полок, отдельно показан элемент области скольжения.

Канавки должны быть направлены вдоль края стыковой поверхности бандажной полки. Этот рельеф исключил взаимное проскальзывание в стыке. Микрорельеф обеспечивается двумя последними проходами шлифовального инструмента по контактной поверхности. Инструмент - алмазный чашечный круг конического типа АЧК, его абразивный материал - синтетические алмазы на органической связке ACO, зернистость шлифзерна 125/100, 250/200, на бакелитовой

основе, для общего назначения с повышенной режущей способностью Б1. концентрацией 100%.

Методика снижения фрегтинга используется при обработке поверхности поверхностей бандажных полок на ОАО «Кузнецов».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнен детальный анализ современного состояния теории контактной приспособляемости при сухом трении. Показано, что положения о контактной приспособляемости доказаны только для случая взаимодействия двух тел при ограничениях на характер этого взаимодействия. Проведен аналитический обзор современных методов снижения фрегтинга в неподвижных соединениях, из которого следует, что они не учитывают явления контактной приспособляемоста, что существенно ограничивает их эффективность.

2. Изучено напряженно-деформированное состояние системы упругих тел с трением Кулона при циклическом нагружении и в условиях их проскальзывания на части контактных поверхностей.

3. Положение контактной приспособляемости впервые доказано для случая взаимодействия произвольного числа тел.

4. Разработана процедура численного конечно-элементного анализа условий наступления контактной приспособляемости, обоснована величина конечных элементов.

5. Спроектировано и изготовлено устройство для испытаний на фреттинг-усталость соединения с гарантированным натягом типа «вал-втулка». Проведено испытание соединения из материалов, используемых в шарошечных долотах сталь 14ХНЗМА - образец, и сталь Р6М5 - втулка.

6. Разработана методика снижения фрегтинга в номинально неподвижных соединениях, основанная на использовании явления контактной приспособляемости и нанесения микрорельефа на поверхности контакта.

7. Предложенная методика внедрена при проектировании шарошечных долот на ОАО «Волгабурмаш» и изготовлении поверхностей бандажных полок на ОАО «Кузнецов».

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ", (включенных в международные базы цитирования)

1. Клебанов Я.М., Александрова М.Ю. Контактная приспособляемость при кулоновском трении упругих тел // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2012. - №4. - С. 56-63.

2. Клебанов Я.М., Александрова М.Ю. Влияние контактной приспособляемости на фреттинг неподвижных соединений деталей // Вестник машиностроения. - 2014. - №4-С. 32-38.

(не включенных в международные базы цитированияй

3. Клебанов Я.М., Александрова М.Ю. Исследование процесса контактной приспособляемости упругих тел при кулоноЕСком трении // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 20i 1. - Т. 13. - №4(42)(3). - С. 748752.

4. Александрова М.Ю. Физические аспекты контактной приспособляемости упругих тел при кулоновском трении // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: технические науки. - 2013. -№1(37). - С. 87-92.

Статьи в других научных журналах и изданиях:

5. Клебанов Я.М., Александрова М.Ю. Механическая приспособляемость, как метод антифрикционной защиты // Научно-аналитический журнал «Научная перспектива». - 2011. - № 2. - С. 78.

6. Патекг RU 138788 U1 Е21В 10/16 Шарошка бурового долота / Богомолов P.M., Клебанов Я.М., Александрова М.Ю.; заявит. ФГБОУ ВПО «СамГТУ»; опубл. 20.03.2014. - Бюл. №8. - 2с.

Материалы конференций:

7. Клебанов Я.М., Александрова М.Ю. Трибосистемы с кулоновским трением в условиях циклического нагружения // Приложение к журналу «Физика и технические приложения волновых процессов»: Тезисы конференции IX Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов». - Челябинск: ЧелГУ, 2010. - С. 129.

8. Александрова М.Ю. Исследование полей скольжения элементов шарошечной сборки с целью повышения износостойкости // Современные компьютерные технологии фирмы DELKAM в науке, образовании и производстве: Тезисы докладов международной научно-технической конференции. - Самара: СамГТУ, 2011.-С.62.

9. Александрова М.Ю. Физические аспекты контактной приспособляемости упругих тел при кулоновском трении // Физика прочности и пластичности материалов: сборник тезисов XVIII Международной конференции - Самара: СамГТУ.-2012.-С. 105.

10. Клебанов Я.М., Александрова М.Ю. Исследование процесса контактной приспособляемости при кулоновском трении упругих тел. Международная конференция «Современные проблемы механики», посвященная 100-летию JI.A. Галина: Тезисы докладов. - Москва: ИПМех РАН, 2012. - С. 43.

11. Клебанов Я.М., Бурмистров А.Г., Александрова М.Ю. Экспериментальные исследования фретгинг-усталости // Математическое моделирование и краевые задачи: Труды IX Всероссийской научной конференции с международным участием. 4.1: Математические модели механики, прочности и надежности элементов конструкций. Самара: СамГТУ, 2013. - С. 116-118.

12. Александрова i-Л.Ю. Контактная приспособляемость номинально-неподвижных соединений в условиях сухого трения // Научные груды Ш международной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении». - М.: Институт машиноведения имени A.A. Благоправова РАН, 2014. - С. 14-17.

13. Александрова М.Ю. Контактная задача с трением в условии циклического нагр\жения // Четвертая международная конференция «Математическая физика и ее приложения»: материалы конф. — Самара: СамГТУ, 2014. - С. 47-48.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.02 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (протокол № 77 от 21.01.2015 г.).

Заказ № 59 Тираж 100 экз. Формат 60x84/16

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» Отдел типографии и оперативной печати 443100 г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244