УДК 621.891:669.018.44
В. В. Циганов, Л. Й. вщенко
ЗВ' ЯЗОК СТРУКТУРНОГО СТАНУ ПОВЕРХНЕВОГО
ШАРУ ТА ЗНОСОСТ1ЙКОСТ1 ДЕТАЛЕЙ ТРИБОЗеДНАНЬ ПРИ ТРИМ1РНОМУ НАВАНТАЖЕНН1
Проведенi до^дження зношування конструкцшних матерiалiв при тримiрному на-вантаженнi. Застосуванням фгзичних методiв до^джень поверхневого шару обфунто-вано його структурний стан, що дозволяе сформулювати триботехнiчний принцип мiнiмiзацii зношування.
Одшею з головних проблем сучасного машино-будування е збшьшення терм^ служби машин i механiзмiв. Вщомо, що головною причиною вихо-ду з ладу машин е не !х поломка, а знос рухливих з'еднань i робочих органiв тд впливом сил тертя. При проектуванш й експлуатацп машин не завжди використовуються найбiльш ефективнi засоби зни-ження зносу, що враховують конкретш умови робо-ти. Спроби застосувати традицiйнi методи науки про мщшсть твердих тiл до задач тертя i зносу виявили-ся неефективними. Вимушеш просто! машин при ремонт рухливих з'еднань приводять до великих втрат. Сучасне становище дослiджень в обласп зношування матерiалiв в особливо важких (екстремаль-них) умовах механiчного, теплового та хiмiчного на-вантаження, що носять динашчний характер, не доз-воляють з високим ступенем достовiрностi вибрати (або розробити) п чи iншi конструктивно-техно-логiчнi заходи, як1 спрямованi на тдвищення дов-говiчностi виробiв.
Наприклад, вiдомо, що ресурс авiацiйного газо-турбiнного двигуна визначаеться значною мiрою такими деталями, як лопатки, у тому чи^ i венти-ляторш. При експлуатацп газотурбiнного двигуна спостертаеться знос контактуючих поверхонь анти-вiбрацiйних полиць вентиляторно! лопатки, що обу-мовлюе збiльшення амплiтуди !х коливань та може призвести до злому лопатки.
При робоп двигуна спостертаеться iстотне роз-сiювання по колу ротора умов навантаження кожно! з пар полиць по тиску в зонi контакту, амплiтуцi про-слизання, частотi коливань. Тому, наприклад, в одному робочому колей турбши через неконтрольо-ванi умови навантаження виникають зони тдвище-ного i зниженого зносу, причому розкид, за даними ще! роботи, може складати ±650 %. Положения таких зон у даний час спрогнозувати неможливо.
Тому единим виходом з цього становища е дос-лщження в модельних умовах, яш б вiдтворювали параметри навантаження, близью до реальних.
Процеси тертя та зношування, а також руйнуван-
ня поверхневих шарiв деяких деталей, таких як, наприклад, антивiбрацiйнi полищ лопаток вентилятора, визначаються динамiчнiстю навантаження у кон-тактi, амплпудами взаемного перемiщення в двох взаемно перпендикулярних площинах при наявностi нормального навантаження, що створюе специфiчнi умови контактно! взаемодп. Такий комплекс умов навантаження викликае складний об'емний напру-жений стан поверхневих шарiв матерiалiв пар, що контактують. Цим пояснюються обмеженi можли-востi загальних положень теорш тертя, а також бшьшосп результатiв експериментальних дослщ-жень.
Урахування тримiрностi навантаження, склад-ностi його розпод^, геометрi! контакту, властивос-тей матерiалу та впливу середовища ускладнюе картину процесу руйнування контактуючих поверхонь, але е необхщним при визначенш довговiчностi контактуючих деталей. Вщомо, що зношування може ввдбуватися за дек1лькома рiзними механiзмами. Змшення того чи iншого фактора або поява нового фактора приводить до змшення мехашзму зношування. Мехашзм зношування в цих умовах е невщо-мим, i його дос-лщження е актуальним, що дае мож-ливiсть керувати процесом.
Окремими авторами [1-4] проводилися дос-лiдження при поеднанш деяких з вище зазначених факторiв навантаження: тертi або ударi при зниже-них температурах; двонаправленому тертi, ударi з проковзуванням в одному напрямку. Автори цих дослщжень приходять в цiлому до однакового вис-новку: неможливiсть охопити процеси в умовах складного навантаження, в рамках едино! теори, що обумовлюе провщну роль експерименту у тдабних дослiдженнях. Нехтування складнiстю комплексiв факторiв навантаження приводить до спотворення результапв дослiдження i створення картини процесу зношування, що мало вщповщае реальному процесу. За допомогою сучасно! теори удару не можна аналогично вирiшити задачу розрахунку контактно! мщносп i зносу поверхонь при !х зiткненнi. Тому
© В. В. Циганов, Л. Й. 1вщенко, 2008
при дослщженш мехашзму й основних закожмрно-стей зношування при ударi необхiдно базуватися насамперед на експериментальнш основi. Рiшення задачi про поверхневу мiцнiсть пар тертя при наяв-ностi вiбрацiй буде можливе лише тодi, коли будуть з'ясованi основний механiзм i деталi контактного руйнування двох твердих тш, номiнально нерухомих вiдносно одне одного i пiдданих одночасно впливу вiбрацш [1].
Додавання однократного чи перюдичного удар -ного навантаження може приводити до власних кон-тактних коливань як у нормальному, так i в тангенц-iйному напрямках. Це, у свою чергу, може приво-дити до зниження сили тертя, що i вiдзначалося в рядi робгт [4, 5, 6]. При ударi, крiм розглянуто! тут взаемодп в нормальному i тангенцiйному напрямках, може здшснюватися процес накладення дефор-мування матерiалу як у контактнш зонi, так i в об'емт Спiввiдношення швидкостей удару, розмiрiв i мате-рiалiв твердих тш може бути таким, що за час кон-тактування ударна хвиля багаторазово пройде усе-редиш тiл. Амплитуда ударно! хвилi може бути дос-татньою, щоб багаторазове передеформування ма-терiалу в об'eмi привело до тдготовки процесу ут-ворення трiщини i И поширення в контактнш зот.
Викладене вказуе на складшсть процесiв контактно! взаeмодi! твердих тш, що вiдбуваються при на-кладеннi динамiчних навантажень навiть одного спря-мування. Однак складна взаeмодiя твердих тiл у контактнiй зош повинна враховуватися для побудо-ви достовiрних моделей контактування i прогнозу-вання поверхнево! мiцностi матерiалiв при динашч-них навантаженнях. Незважаючи на те, що приблиз-но ясно, який внесок може вносити у процес по-
верхневого руйнування кожний з факторiв комбшо-ваного навантаження , чiткi кiлькiснi залежносп, що показують цей вплив, поки не отриманi. Ще бiльш складним е одержання залежностей, що установ-люють взаемний вплив один на одного кожного з факторiв комбшованого навантаження.
Втрата працездатностi деталей вшбуваеться пiд впливом екстремальних умов експлуатацп за раху-нок змiн у поверхневих шарах металу. При цьому встановлено, що на дослiджених поверхнях змiн фазового складу не спостертаеться, але помiтнi слщи штенсивно! пластично! деформацл.
У зв'язку з цим е актуальним комплексне досл-щження процесiв контактно! взаемодi! в трибовуз-лах, яю експлуатуються при тримрному навантаженнi з встановленням зв'язку мiж структурним станом поверхневого шару та зносостшшстю деталей.
Одшею з задач дослщження було визначити вплив кожного з факторiв навантаження окремо та у взаемодп. Випробування проводилися на зразках в мо-дельних умовах. Для цiе!' мети використано експери-ментальну установку що дозволяе моделювати стан тривимiрного динамiчного навантаження у контакп зразшв, яю в хода випробувань проковзують у двох взаемно перпендикулярних напрямках при ствуда-реннi. Зразки виготовлено з матерiалiв натурних деталей та мають на сво!х поверхнях вирiзи, призначен-ня яких - залишити на поверхш контрзразк1в дiлян-ки поверхнонь, яш не перебували у контакп. Для випробувань на зношування при безударному режимi передбачено регулювання постiйного нормального навантаження за рахунок змiнення жорсткостi пру-жини (рис. 1).
Рис. 1. Схема експериментально! установки:
1 - рухома права стшка на напрямних; 2 - нерухома л1ва ст1йка; 3 - електродвигун вузла завдання параметр1в удар1в та проковзування у повздовжньому напрямку (повздовж-ньо! ампл1туди та енергп удару); 4 - гнучкий вал; 5 - диск з гшздами шд невр1вноважену масу; 6 - невр1вноважена маса; 7 - жорстка державка л1вого зразка; 8 - база зразка; 9 - зразки; 10 - камера вузла завдання температури; 11 -упорна поверхня; 12 - пружина; 13 - вузол тонкого регу-лювання ампл1туди поперечного проковзування; 14 -ексцентрик завдання поперечно! амп-л1туди (вузла завдання поперечного проковзування), що регулюеться; 15 - електродвигун вузла завдання поперечного проковзу-вання; 16 - державка правого зразка з двох половин, з'една-них шаршрно; 17 - передача гвинт - гайка для ручного регулювання вузла поперечного проковзування; 18 - па-кети плоских пружин на обох стшках вузла кршлення зразюв та завдання статичного нормального навантажен-ня; 19 - передача гвинт - гайка для ручного регулювання вузла кршлення зразк1в та завдання статичного нормального навантаження
Установка, в якш ствударяння вщбуваеться за рахунок обертання неврiвноважено! маси складаеть-ся з вузлiв крiплення зразк1в та завдання нормального статичного навантаження, вузла завдання по-здовжньо! амплiгуди та енергп удару, вузла завдання поперечно! амплпуди, вузла завдання температу-ри.
Вузол крiплення зразк1в мае державки зi зразка-ми, закрiпленi консольно на стшках за допомогою плоских пружин. .Шва стiйка зв'язана з вузлом завдання поздовжньо! амплпуди та енергп удару i мае на державщ закрiплений диск з неврiвноваженою масою, з' еднаний з електродвигуном через гнуч-кий вал. Вузол завдання поперечно! амплпуди зв'я-заний з правою стшкою, що мае державку, двi по-ловини яко! з'еднат за допомогою шарнiру.
Установка працюе наступним чином. Диск з не-врiвноваженою масою отримуе обертальний рух вщ електродвигуна та здiйснюе кшематичне збудження державки зi зразком на лiвiй стiйцi, що приводить до ствударянь зразк1в та проковзувань !х в перпендикулярному напрямку - у площини ствударянь. Кулачок вузла поперечно! амплпуди мае регульова-ний ексцентриситет та отримуе обертальний рух вщ електродвигуна. Шайба кулачка змушуе зсуватися державку з правим зразком, що закршлено шарнiр-но, а пружина повертае !х у початкове положення. Вщбуваеться проковзування зразк1в у напрямку про-тилежному площинi сп1вударянь, а отже дiя тривим-iрного навантаження - ствударяння та проковзування у двох напрямках. Тонке регулювання амплiтуди поперечного прослизання можливе за допомогою особливого вузла у виглядi регульованого важеля.
Енерпя (iмпульс) ударiв, а також амплиуда та частота проковзувань у площиш спiвударянь регу-люеться змiною неврiвноважено! маси до ой !! обертання, а також змшою частоти обертання валу елек-тродвигуна.
£ можлившть проводити випробування при змiнному нормальному навантаженнi з розривом та без розриву контакту. Для того, щоб розриву контакту не ввдбувалося, права стайка мае можлив^ь пере-суватися на полозках за допомогою передачi гвинт -гайка. Якщо за допомогою ще! передачi дещо набли-зити праву стайку до лiво!, а отже, встановити зразки з деяким початковим натягом, а вузол забезпечення однонапрямносп проковзувань демонтувати, то розриву контакту ввдбуватися не буде, i зразки коливати-муться та ковзатимуть в обидва боки без розриву контакту.
Амплпуда проковзувань у напрямку, перпендикулярному площиш ствударянь регулюеться змшою ексцентриситету кулачка, частота (швидшсть) проковзувань - змшою частоти обертання вала елект-родвигуна. Нормальне статичне навантаження регу-
люеться сгупiнчастою змiною кiлькостi плоских пружин у пакета
Вузол забезпечення однонапрямносп проковзу-вань складаеться з ексцентрика (кулачка) та штов-хача, який уявляе собою два коромисла, що мають стльну вiсь та представляють собою важшь, який дiе як пересувний упор. Ексцентрик контактуе зi штовхачем сво!м найбiльшим радiусом у фазi циклу коли ведучий (лiвий) зразок вiд найбiльшого вщхилення вiд положення рiвноваги у напрямку кон-трзразка рухаеться до положення рiвноваги, i контактуе зi штовхачем сво!м найменшим радiусом у вйх iнших фазах циклу. Проковзування вщбуваеть-ся лише в одному напрямку, коли ведучий лiвий зразок вщхиляеться вбiк контрзразка у контакп разом з останнiм. Шсля цього вiн повертаеться до положення рiвноваги, а контрзразок утримуеться вiд руху штовхача. Коли ведучий лiвий зразок досягае положення рiвноваги та починае рух у протилежний бiк, штовхач зсуваеться i контрзразок швидко повертаеться до положення рiвноваги. Контакт вщбу-ваеться мiж зразками лише при !х руй в одному напрямку, а при руй в протилежному напрямку штовхач розривае контакт. Якщо коливний рух, що зумовлюе проковзування у поперечному напрямку, вщбуваеться у тш же фаз^ що i рух у повздовжньо-му напрямку, а його частота дорiвнюе або бiльша й кратна частой руху у повздовжньому напрямку, то i в поперечному напрямку вщбуваеться не реверсив-не, а однонапрямлене проковзування.
Випробування, проведенi при рiзних значеннях амплпуди нормального навантаження, вщбувалися з розривом контакту, а отже, контактна взаемодiя зразшв носила ударний характер. За умов змшного нормального навантаження розрив контакту веде до змшення його значення вщ нуля при вщсутносп кон-тактування до дуже великих значень в момент зикнення. З тдвищенням енергi! удару амплiтуда нормального навантаження збшьшувалася.
Для визначення впливу амплпуди поперечного прослизання на знос та стан поверхневого шару було проведено випробування на знос зразшв зi сплавiв ВТ20, ХТН-61, 60С2А при тримiрному навантаженнi. Умови проведення випробувань: ампл^да поперечних прослизань 0-0,2 мм; амплпуда поздовжтх прослизань 0,1 мм; частота поперечних прослизань 30 Гц; частота поздовжтх про-слизань 66 Гц; нормальне навантаження 20 Н, час дослщжень 2-4 години.
Обробка результатiв випробувань показала монотонне зростання iнтенсивностi зношування у всьо-му дiапазонi амплiтуц (рис. 2). Зростання нелшйне. Спостерiгалося зростання величини пошкоджува-носп i лiнiйно! iнтенсивностi зношування, яка виз-начаеться в1дношенням сумарно! величини пошкод-
жуваносп до кшькосп циктв.
Встановлено, що наявнiсть додаткового напрям-ку навантаження (поперечного просковзування) збшьшуе знос. Поверхня стае бшьш однотонною меншо! шорсткостi без явних поздовжшх рисок. З пiдвищенням амплиуди поперечних проковзувань зростае не тшьки шлях тертя, але й об'емна штен-сивнiсть зношування. Пiдвищення амплиуди попе-речних прослизань супроводжуеться зниженням мiцностi отримано! поверхнi.
Дослщи стану поверхневого шару зразкiв проведет на приборi «Мкрон-гама» за методикою НАУ [7] та з визначення роботи виходу електрону (РВЕ) за методикою, надано! у робот [8], вказують на те,
що зносостшшсть трибоз'еднань в значнш мiрi за-лежить вiд стану поверхневого шару контактуючих деталей (рис. 3 та 4).
В процеа деформацп тертям вiдбуваеться структурна еволющя поверхнi метaлiв, що вщображуеть-ся в змiнi розподiлу роботи виходу електрону по поверхш. Як видно з рис. 3, стан поверхневого шару зразшв зi сплаву ХТН-61 до тертя приблизно одна-ковий i визначаеться РВЕ близько 4,1 еВ. В результат тертя з рiзною aмплiтудою поперечних просли-зань стан поверхневого шару зразшв змiнювaвся. Тертя з двомiрним навантаженням (Апоп = 0) при-зводить до отримання поверхневого шару з тдви-щеним та великим розкидом РВЕ вiд 3,90 до 4,40 еВ. Наявшсть та щдвищення aмплiтуди поперечних
0Л 0,3 ■ 0,20,1-
х
ч N Г
2
-
0,04 0,08
0,12
0,16
А пвп, мм
0,20
Рис. 2. Залежшсть штенсивност зношування вщ ампл1туди поперечних прослизань шд час зносу зразгав р1зних матер1ал1в:
1 - сплав ВТ 20; 2 - сплав ХТН-61; 3 - сталь 60С2А
Рис. 3. Розподш роботи виходу електрону вздовж поверхш зразгав з1 сплаву ХТН-61 шсля зносу з р1зною ампл1тудою попереч-
них прослизань:
1 - А = 0 мм; 2 - А = 0,05 мм; 3 - А = 0,10 мм
поп ' поп ' ' поп '
прослизань призводить до зменшення величини та розкиду РВЕ. При випробуваннях на тертя з Апоп = 0,05 мм РВЕ монотонно зменшуеться з 4,10 до 4,00 еВ, розкид в значениях РВЕ при цьому складае штер-вал 3,90-4,10 еВ. Поверхневий шар зразюв пiсля тертя з тришрним навантаженням з Апоп = 0,1 мм забез-печуе РВЕ вщ 3,95 еВ до 4,05 еВ.
Двомiрне навантаження пiд час зносу (трибог-рама 3) на ввдмшу вiд тримiрного (трибограми 1 та 2) призводить до утворення поверхневого шару з бшьш мщною та неоднорiдною структурою. Попе-речш прослизання викликають появу однорiдного поверхневого шару (трибограма 1), а тдвищення амплiтуди поперечних прослизань супроводжуеть-ся зниженням мiцностi отримано! поверхнi (рис. 4).
Таким чином, тдвищений знос вшбуваеться у трибодеталей з одноршним рiвномiцним поверхне-вим шаром. При цьому тримiрне навантаження з наявшстю поперечних прослизань призводить до отримання одноршного рiвномiцного поверхневого шару, та, як наслшок, пiдвищення зносу.
Узагальнити отримаш данi можна в наступнш феноменологiчнiй моделi руйнування поверхневого шару. Стльна д1я факторiв навантаження не зводить-ся до 1хньо! суми, а призводить до 1х взаемного по-силення. Удари i реверсивне тертя пiдвищують тем-пературний пор^ холодноламкостi, внесок ударiв i реверсивного тертя в руйнування. Взаемодiя фак-торiв виражаеться в 1хньому впливi на мшрострук-туру матерiалiв.
З огляду на роботи [1, 9] це можна пояснити з позицш теорп дислокацiй. При динашчному наван-таженнi дислокацп перемiщуються, утворюючи в площиш ковзання скупчення б™ перешкод. Вшбу-ваеться мiкропластична деформащя, при як1й скупчення дислокацш можуть розсмоктуватися (розпо-
рошуватися) тд д1ею температурних флуктуац1й. При ди тiльки ударного навантаження в циклiчно неде-формованому шарi (пiд дiею реверсивного тертя) число дислокацiй у скупченнях порiвняно мале, i для руйнування воно повинно спочатку зрости до критичного. За цей час вшбуваеться i зворотний про-цес - часткове розпорошення (розсмоктування) скупчень. Щд дiею же ударного навантаження в цик-лiчно деформованому матерiалi вiдразу може бути досягнуте руйнiвне напруження, тому що внаслiдок збiльшення щiльностi дислокацш число затриманих у перешкод дислокацш буде достатшм для цього. У циктчно деформованому матерiалi на вщм^ вiд вихiдного в зернах, що оточуе скупчення дисло-кацiй, дiе iнший механiзм блокування пластичного плину, у якому основну роль грае взаемодiя дисло-кацiй, що утворюються при ударному навантаженнi, з дислокащями, як1 утворилися внаслiдок циклiч-ного деформування, що приводить до утруднення пластично! деформацil. Таким чином, створюються умови, при яких полегшуеться зародження крихко1 трщини.
Як вiдомо, здрiбнювання зерна е тим способом керування структурою, що призводить звичайно до одночасного тдвищення мщносп i в'язкостi мета-лу, тобто до збшьшення опору крихкому руйнуван-ню. Причому, границя текучостi металу лiнiйно за-лежить вiд розмiру субзерен (фрагментiв), що фун-туеться на загальних положеннях дислокацшно! теорil [10].
Дослiдженнями з оцшки впливу на границю те-кучосп металу розмiру зерна i розмiру блоку моза1-ки установлено, що бшьш висош твердiсть i границя текучосп мае крупнозернистий метал iз сильно розвитою субструктурою (кутом розорiентацii еле-ментiв субструктури, вимiрюваноl градусами). На
Рис. 4. Трибограма тангенцшно! складово! сили тертя тд час сканування зразк1в сплаву ХТН-61 п1сля зносу:
1 - А = 0,05 мм; 2 - А = 0,01 мм; 3 - А = 0 мм
поп ' ' поп ' ' поп
отр руйнуванню металу визначальний вплив мае ступiнь розорiентaцii блокiв моза!ки (фрагменпв) [10, 11].
На основД проведених триболопчних 1 металог-раф1чних дослщжень поверхонь тертя як у натурних, так { лабораторних умовах розроблено шдхвд до виз-начення основних принцитв моделювання екива-лентних сташв триболопчних пар, що експлуатують-ся в особливих умовах. Цд принципи повинш вклю-чати триболопчш, шнематичш, навантажувальш, металоф!зичнл та фiзико-мехaнiчнi критерп.
Зпдно з результатами дослщв, наведених вище, тдвищення зносостшкосп трибоз'еднань можливе за рахунок створення таких умов контактування, коли формуеться поверхневий шар з неодноршним структурним станом. Це дозволяе сформулювати триботехтчний принцип мimмiзaцu зносу та зношу-вально! здaтностi мaтерiaлiв.
Перелiк посилань
1. Рыжов Э.В. Контактирование твердых тел при статических и динамических нагрузках [ Текст]/ Э.В.Рыжов. - М.: Машиностроение, 1988. - 250 с.
2. Витман Ц. Ц. Сопротивление деформированию металлов при скоростях 10—6-102м/с [Текст]/ Ф. Ф. Витман Н.А. Златин //Журн. техн. физики. - 1950. - № 10. - С. 267-272.
3. Кеннеди А. Д. Ползучесть и усталость в металлах [Текст] / А. Д. Кеннеди - М.: Металлургиз-дат, 1965. - 312 с.
4. Алексеев Ю.Н. К вопросу о влиянии мгновен-
ного изменения нормального давления на величину силы контактного трения [Текст]/ Ю.Н.Алексеев, Г.В.Гонский, Д.Л. Лучика // Самолетостроение и техника воздушного флота. - 1972. - Вып. 29. - С. 99-104.
5. Гонский Г. В. О влиянии пульсирующего нагру-жения на величину силы трения [Текст]/ Г. В. Гонский, З.Б.Луник // Самолетостроение и техника воздушного флота. - 1972. - Вып. 29. - С. 105-108.
6. Gaylord E, W. Coefficient of static friction under static and dynamic applied loads [Тех^]/ E. W. Gaylord., H. Shu // Wear. - 1961. - № 5. - p. 401-412.
7. Запорожець В. В. Динамические характеристики прочности поверхностных слоев и их оценка [Текст] //Трение и износ. - 1980. - Т. 1. -№ 4. - С. 602-609.
8. Левитин В. В., Лоскутов С. В., Погосов В. В. Влияние деформации и остаточных напряжений в металлах на работу выхода электронов [Текст] / / ФММ. - 1990. - № 9. - С. 73-79.
9. Григорьев, Р.С. Хладостойкость сталей при статическом и циклическом нагружениях [Текст]/Р.С. Григорьев, В.П. Ларионов, Г. А. Новиков, П.Г. Яковлев. - М.: Наука, 1969. -196 с.
10. Рыбакова, Л.М. Структура и износостойкость металла [Текст]/ Л.М. Рыбакова Л.И. Куксено-ва. - М.: Машиностроение, 1982. - 212 с.
11. Регель, В.Р. Кинетическая природа прочности твердых тел [Текст]/ В. Р. Регель; М.: Наука, 1974. - 560 с.
Поступила в редакцию 28.05.2008
Проведены исследования изнашивания конструкционных материалов при трехмерном нагружении. Применением физических методов исследований поверхностного слоя обосновано его структурное состояние, что позволяет сформулировать триботехнический принцип минимизации износа.
The wear of the structural materials at the temperature loading has been investigated. Using physical methods of researches of superficial layer is ground its structural state that allows formulating tribotechnique principle of minimization of wear.