CC BY
13УДК 621.7.067
А.Н. Михайлов, С.А. Матвиенко, А.В. Лукичев, Ю.Н. Стрельник
Донецкий национальный технический университет, Донецк, 283001 e-mail: [email protected]
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО РЕСУРСА ДЕТАЛЕЙ СОЕДИНЕНИЙ ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН
С НЕРАВНОМЕРНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ
Разработана методика обеспечения заданного ресурса деталей по критерию износостойкости технологическими методами формирования рабочего поверхностного слоя. Разработан алгоритм управления ресурсом по критерию износостойкости. Предложена структура аналитической оценки ресурса по критерию износостойкости. Рассмотрены структурные варианты модифицированного поверхностного слоя.
Ключевые слова: поверхностный слой, зона, ресурс, свойства, технологические воздействия.
A.N. Mikhaylov, S.A. Matvienko, A.V. Lukichev, Yu.N. Strelnik
Donetsk National Technical University, Donetsk, 283001 e-mail: [email protected]
TECHNOLOGICAL SUPPORT FOR OPTIMUM SERVICE LIFE OF DETAIL CONNECTIONS OF TRANSPORT MACHINES WITH UNEVEN IMPACT OF OPERATIONAL FACTORS
The technique has been developed to ensure a specified life of parts by the criterion of wear resistance by technological methods of forming a working surface layer. An algorithm for resource management based on the wear resistance criterion has been developed. The structure of the analytical assessment of the resource according to the criterion of wear resistance is proposed. Structural variants of the modified surface layer are considered.
Key words: surface layer, zone, resource, properties, technological impact.
Задача прогнозирования износа рабочих поверхностей деталей для обеспечения заданной надежности и долговечности деталей имеет решающее значение для назначения ресурса деталей и машины в целом.
Ресурс ответственных деталей сопряжений машин с неравномерным воздействием в пространстве и во времени эксплуатационных факторов на их рабочий поверхностный слой (ПС) напрямую определяется износостойкостью рабочего ПС, а именно износостойкостью функциональной зоны ПС с наименьшим ресурсом по сравнению с остальными зонами. Поэтому оптимальным для определения ресурса деталей сопряжений с неравномерным воздействием эксплуатационных факторов на рабочую поверхность является применение критерия износостойкости [1-9].
Алгоритм оценки ресурса детали по критерию износостойкости рабочего ПС позволяет выполнить теоретический анализ для оценки эффективности различных способов формирования модифицированных ПС и выбора наиболее целесообразных вариантов для заданных условий эксплуатации.
Общая структура расчета на износ деталей подвижных сопряжений, как правило, включает следующие этапы [7]:
1) определение расчетных давлений на контактных поверхностях;
2) определение характера контактного взаимодействия рабочих ПС;
3) расчет линейного износа;
4) определение рабочих ресурсов по критерию износостойкости.
Интенсивность изнашивания контактирующих рабочих ПС зависит от конкретных условий эксплуатации, является функцией времени и зависит от силы сжатия трущихся поверхностей, скорости скольжения, твердости материала, волнистости и шероховатости контактирующих поверхностей, вида смазочного материала, температуры, наличия вибраций, рабочей среды и других факторов [9].
Управление жизненным циклом изделия осуществляется постоянно на этапах проектирования, изготовления, эксплуатации и утилизации. На стадиях проектирования и изготовления решаются следующие основные задачи:
- управление ресурсом (сроком службы) деталей и изделия в целом;
- уменьшение себестоимости;
- обоснование увеличения полного ресурса детали за счет восстановления на следующий временной интервал.
Стратегия управления ресурсом детали включает три этапа. На первом этапе стратегии ресурс детали устанавливается в целом. На втором этапе стратегии ресурс детали ограничивается наименьшим ресурсом какой-либо из его поверхностей. На третьем этапе ресурс детали определяется наименьшим ресурсом какой-либо функциональной зоны рабочего ПС, определяемого условиями эксплуатации.
На стадии технического проекта осуществляется выбор и обоснование критических конструктивных элементов, лимитирующих ресурс детали по условиям износостойкости, проводится обоснование заданного ресурса.
На сегодняшний день рассматриваются расчеты ресурса различных трибосопряжений по критерию износостойкости. Но нет общей методики управления ресурсом деталей пар сопряжений по критерию износостойкости. Для технологических поверхностей с неравномерными эксплуатационными функциями по зонам свойственна ситуация, когда одна зона теряет свои функции раньше остальных, или когда отказы зон происходят дифференцированно. Восстановление работоспособности отдельной зоны или всей технологической поверхности связано с монтажом и демонтажем детали или узла и требует значительных экономических затрат.
С технологической стороны оптимальной будет функциональная поверхность, ресурс Япс которой будет равен ресурсу Яд всей детали, ресурсу узла в целом и ресурсу Ям машины в целом:
Япс = Яд = Ям. (1)
При формировании ПС необходимо обеспечить равенство ресурсов всех функциональных зон. Например, совокупный ресурс Япс для рабочего поверхностного слоя с четырьмя функциональными зонами равен:
Япс = Япс з1 = Япс з2 = Япс з3 = Япс з4. (2)
Ресурс любой зоны поверхностного слоя (Япс з) равен сумме ресурсов каждого функционального слоя данной зоны.
Необходимость обеспечения равного ресурса зон ПС требует дифференцированного расчета всех функциональных зон на износостойкость.
Исходя из [1-5], на ресурс деталей трения оказывают влияние твердость и коэффициент условий трения и среды. Коэффициент трения зависит от качества обработки трущихся поверхностей, скорости движения тел относительно друг друга и материала соприкасающихся поверхностей. Следовательно, на ресурс основное влияние оказывают технологии формирования рабочего ПС соответствующего качества. При финишной обработке формируется ПС, оказывающий влияние на процесс трения, износостойкость и триботехнические характеристики (линейный и весовой износ, коэффициент трения, интенсивность изнашивания).
Алгоритм управления ресурсом по критерию износостойкости:
- аналитическая оценка ресурса детали по критерию износостойкости;
- проектирование рабочих поверхностей;
- определение функциональных зон рабочих ПС;
- исследование каждой функциональной зоны на износостойкость;
- усовершенствование или разработка технологии модификации поверхностного слоя, обеспечивающей общий ресурс всей рабочей поверхности, равный ресурсу функциональной зоны поверхностного слоя;
- экономическое обоснование проектируемой детали.
Процесс аналитической оценки ресурса по критерию износостойкости можно разложить на следующие операции:
1. Определение исходных данных (конструкция сопряжения, условия эксплуатации, марка материала и др.).
2. Определение и расчет скорости качения и силы прижатия контактирующих поверхностей.
3. Расчет коэффициента трения.
4. Оценка физико-механических свойств материала контактирующих деталей с точки зрения износостойкости.
5. Расчет механической составляющей коэффициента трения в каждой функциональной зоне рабочего поверхностного слоя контактирующих поверхностей деталей.
6. Оценка скорости изнашивания каждой функциональной зоны ПС.
7. Оценка ресурса детали по критерию износостойкости.
С точки зрения потребительской полезности для деталей соединений наиболее важным показателем является оптимальная долговечность при наименьшей себестоимости. Целенаправленное формирование качества ПС имеет доминирующее значение для обеспечения оптимальной долговечности деталей. Достижение необходимой полезности решается конструкторскими и технологическими методами или их комбинацией. Особенно перспективными и необходимыми для обеспечения требуемого на сегодняшний момент уровня качества изделий являются функционально-ориентированные комбинированные технологии, разрабатываемые с учетом функционального назначения рабочих поверхностей деталей машин и условий их эксплуатации [10, 11].
Долговечность проектируемых деталей должна быть оптимальной. Оптимальная долговечность (Пит. д) - это период времени, в течение которого на нее приходятся минимальные совокупные годовые затраты [5]:
где С - совокупные затраты, приходящиеся на деталь в i-м году эксплуатации изделия; Гопт -
оптимальная долговечность детали.
Так как ресурс деталей напрямую зависит от состояния рабочего ПС, то можно сказать, что Топт. д Топт. пс. ПС состоит из определенного множества функционально-ориентированных зон. Ресурс различных зон отличается. При сравнении оптимальных ресурсов ПС и детали в целом возможны разные варианты.
При этом повышение долговечности не всегда будет связано с повышением стоимости. Это возможно за счет применения комбинированных технологических воздействий и обеспечения максимального эффекта.
Обеспечение износостойкости как приоритетного эксплуатационного свойства ПС может осуществляться следующими методами модификации ПС:
- без нанесения покрытия (ХТО, ППД, методы упрочнения) с модификацией свойств без удаления припуска с целенаправленным комбинированным воздействием на поверхностный слой (химическим, электромагнитным, деформационным, термическим);
- нанесением покрытий (как правило, с модификацией поверхностных слоев), в том числе с применением комбинированных технологических процессов;
- путем нанесения однослойных однородных покрытий;
- путем нанесения однослойных композиционных покрытий;
- путем нанесения многослойных покрытий;
- с удалением части поверхностного слоя изделия до достижения материала, обладающего требуемыми эксплуатационными свойствами;
- комбинированием операций нанесения и упрочнения покрытий.
(3)
т
опт
На рисунке представлены структурные варианты модифицированного ПС (МПС). Оси координат совпадают с плоскостью начала преобразования ПС [12, 13].
Однослойный функционально-ориентированный МПС (рис., а) модифицируется непрерывно. В этом случае по высоте слоя г его свойства и структура однородны. Однослойный функционально-ориентированный МПС в направлении х и у по поверхности детали модифицируется единовременно в двух направлениях. В направлении г или (-г) слой модифицируется непрерывно.
Многослойный функционально-ориентированный МПС (рис., б) формируется слоями в направлении х и у единовременно, а в направлении г и (или -г) - прерывисто и относится к типу единовременно-единовременное прерывистое.
Структурные варианты МПС: а - однослойный ПС типа «единовременно-единовременно непрерывный»; б - многослойный ПС типа «единовременно-единовременно прерывистый»
При обеспечении заданного оптимального ресурса наиболее ответственных деталей с неравномерными эксплуатационными факторами, действующими на участки рабочего ПС, необходимо технологическими методами формировать ПС с равенством ресурсов каждой функциональной зоны, достигающим величины ресурса изделия в целом.
Литература
1. Модель отказов цилиндрических зубчатых передач по критерию износостойкости рабочих поверхностей / А.В. Анцупов, А.В. Анцупов, В.П. Анцупов, М.Г. Слободянский // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - М.: МГТК им. Н.Э. Баумана, 2019. - № 5. -С.3-9.
2. Методика анализа и повышения ресурса цепной передачи по критерию износа зуба звездочки с эволютным профилем / С.В. Андриенко, А.В. Устиненко, Р.В. Протасов // Вестник ХНАДУ. - Харьков, 2015. - Вып. 71. - С. 17-24.
3. Методика проектной оценки ресурса зубчатых муфт по критерию износостойкости / В.П. Анцупов, М.Г. Слободянский, А.В. Анцупов (мл.), А.В. Анцупов // Современные наукоемкие технологии. - Магнитогорск: МГТУ им Г.И. Носова, 2018. - № 7. - С. 20-25.
4. АхмедпашаевМ.М., АхмедпашаевМ.У., БеговЖ.Б. Расчет технического ресурса кинематических пар погружного винтового насоса: Сборник научных трудов Дагестанского государственного технического университета / Под общ. ред. Т.А. Исмаилова. - Махачкала, 2018. -Т. 1. - С. 54-57.
5. Повышение ресурса работы зубчатых передач на основе выбора технологий упрочнения рабочих поверхностей зубьев / Л.И. Куксенова, С.А. Поляков, М.С. Алексеева, С.В. Рубцов // Вестник научно-технического развития. - М., 2019. - № 3 (139). - С. 24-36.
6. Ахмедпашаев М.У., Бегов Ж.Б. Методика расчета деталей трибосопряжений на долговечность по критерию износостойкости и полного использования их годности. - Махачкала: Дагестанский гос. техн. ун-т, 2016. - С 413-416.
7. Суглобов В.В. Определение рабочего ресурса шарниров скольжения универсальных шпинделей по критерию износостойкости // Вестник Приазовского государственного технического университета: Сборник научных трудов. - Мариуполь: ПГТУ, 1996. - Вып. 2. - С. 103-109.
8. Богданович А.В. О расчетно-экспериментальной оценке работоспособности шаровых шарниров шасси транспортного средства. Часть 2: Расчет по критерию износостойкости и экспериментальное определение характеристик сопротивления износоусталостным повреждениям // Механика машин, механизмов и материалов. - Минск: БГУ, 2019. - С. 58-65.
9. Ряховский О.А., Сорокин Ф.Д., Марохин А.С. Расчет ресурса по критерию изнашивания резьбы планетарного роликовинтового механизма // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - М.: МГТК им. Н.Э. Баумана, 2012. - № 4. - С. 42-49.
10. Михайлов А.Н. Общий подход в создании функционально-ориентированных макро-, микро- и нанотехнологий для изделий машиностроения // Машиностроение и техносфера XXI века: Сборник трудов ХУШ Междунар. науч.-техн. конф. в г. Севастополе 12-17 сентября 2011 г.: в 4 т. - Донецк: ДонНТУ, 2011. - Т. 2. - С. 209-217.
11. Методика нанесения функционально-ориентированного покрытия на шаровой палец наконечника рулевой тяги автобуса / Ю.Н. Стрельник, Д.А. Михайлов, С.А. Матвиенко, А.В. Лу-кичев, А.Н. Михайлов // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - 2020. - № 3 (70). - С. 57-64.
12. Матвиенко С.А., Лукичев А.В. Структура и классификация модифицированных поверхностных слоев деталей машин // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Третьей междунар. науч.-техн. конф. (26 ноября 2020 г.) / Отв. за вып. О.А. Белов. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2021. - С. 118-122.
13. Михайлов А.Н. Методика оценки значимости параметров качества деталей и их поверхностного слоя с точки зрения полезности (качества) / А.Н. Михайлов, Ю.Н. Стрельник, С.А. Матвиенко, А.В. Лукичев, М.И. Литвинов // Машиностроение и техносфера XXI века: Сборник трудов XXVШ междунар. науч.-техн. конф. в г. Севастополе 13-19 сентября 2021 г. -Донецк: ДонНТУ, 2021. - С. 323-327.
