Д. И. Менделеева Новомосковский институт Б. П. Сафонов, А. В. Бегова инженерная трибология оценка износостойкости и ресурса трибосопряжений учебное пособие
 Скачать 0.85 Mb.
|
|
Министерство образования Российской федерации Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева Новомосковский институт Б.П. Сафонов, А.В. Бегова ИНЖЕНЕРНАЯ ТРИБОЛОГИЯ ОЦЕНКА ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И РЕСУРСА ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ Учебное пособие Новомосковск 2004 2 Министерство образования Российской федерации Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева Новомосковский институт ИНЖЕНЕРНАЯ ТРИБОЛОГИЯ ОЦЕНКА ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И РЕСУРСА ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ Учебное пособие Новомосковск 2004 3 УДК 621.891 ББК 34.41 И 622 Рецензенты доктор технических наук, профессор Московского автомобильно- дорожного институту (ГТУ) Гриб В.В. кандидат технических наук, доцент РГТУ им. К.Э. Циолковского – «МАТИ» Ерошкин В.П. Б.П. Сафонов, А.В. Бегова И622 Инженерная трибология оценка износостойкости и ресурса трибосопряжений. Учебное пособие для студентов специальности 170515 / РХТУ им. Д.И. Менделеева, Новомосковский институт Б.П. Сафонов, А.В.Бегова. Новомосковск, 2004. – с. ISBN_________ В учебном пособии рассмотрены вопросы классификации видов нарушения фрикционных связей и видов изнашивания элементов трибосопряжений; методического подхода к разработке критериев износостойкости сталей для условия микрорезания на контакте оценки расчетного срока службы опоры граничного трения и гидродинамической опоры. Представлены численные примеры построения статистических моделей вида «износостойкость-свойство», рядов износостойкости и расчета на ресурс сопряжения «вал-втулка». Ил. 20. Табл. Библиогр. список 17 назв. УДК 621.891 ББК 34.41 © Б.П.Сафонов, А.В. Бегова, 2004 © Новомосковский ин-т Российского химико-технологического унта им. Д.И.Менделеева, 2004 4 Предисловие Учебное пособие написано в соответствии с учебным планом специальности 170515 Оборудование и технология восстановления систем химического оборудования для курсов Основы теории трения и изнашивания и «Триботехника химического оборудования. Повышение эффективности работы технологического оборудования напрямую зависит от долговечности подвижных сопряжений (опоры, уплотнения, передачи и др) и исполнительных органов (перемешивающие, дозирующие, транспортирующие и др. устройства) машин, механизмов и аппаратов. Незапланированные простои крупнотоннажных химических и мощных энергетических установок приводят к многомиллионным убыткам. Внезапные отказы транспортных средств часто приводят к катастрофическим последствиям. О значимости проблем трения и изнашивания в машинах для развития общества говорят следующие цифры. В нашей стране до 25% станочного парка занято на ремонте и восстановлении изношенных и разрушенных деталей машин. Потери от трения еще более впечатляют. Так поданным экспертов от 1/4 до 1/3 всей вырабатываемой человечеством энергии безвозвратно теряется на преодоление сил трения в подвижных сопряжениях машин. В этой связи нет сомнений в актуальности проблем, связанных с реализацией мероприятий по снижению затрат, обусловленных трибологическими проблемами. Успешное решение любой научно- технической проблемы возможно лишь на основе ее всестороннего изучения. В учебном пособии рассмотрены вопросы классификации видов нарушения фрикционных связей и видов изнашивания элементов трибосопряжений; методического подхода к разработке критериев износостойкости сталей для условия микрорезания на контакте оценки расчетного срока службы опоры граничного трения и гидродинамической опоры, представлены примеры построения статистических моделей вида «износостойкость-свойство», рядов износостойкости и расчета на ресурс сопряжения «вал-втулка». Данное учебное пособие, направленное на углубление трибологической подготовки студентов-механиков, будет полезно также специалистам, работающим в области проектирования и эксплуатации оборудования. 5 Введение Машиностроение является технической основой материального производства. Научную базу машиностроения составляет специализированная техническая наука – машиноведение. Важной частью в машиноведении являются теория трения, исследование износа и износостойкости деталей машин. В рамках этих разделов машиноведения решаются вопросы повышения качества сопряженных деталей, их смазывания, увеличения коэффициента полезного действия и ресурса работы машины. Трибология – наука о трении и процессах, сопровождающих трение. Трибология, как раздел машиноведения, охватывает экспериментально-теоретические исследования физических механических, электрических, магнитных, тепловых, химических) и других явлений сопутствующих трению. Инженерная трибология – это применение трибологических знаний для решения практических задач при проектировании, изготовлении, испытании и эксплуатации трибологических систем узлов трения машин, приборов, а также режущего, деформирующего и породоразрушающего инструмента. Изнашивание – поверхностное разрушение взаимодействующих элементов трибосистемы, является неизбежным процессом, сопровождающим штатную работу технического устройства. Поэтому одной из задач инженерной трибологии является разработка критериев оценки износостойкости материалов и методик оценки расчетного ресурса трибосопряжений. В настоящее время в нашей стране сложились признанные школы трибологии в ИМАШ РАН им. А.А.Благонравова, РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, МГТУ им. Н.Э.Баумана, ВНИИЖТе и другие. Большой личный вклад в трибологию внесли отечественные ученые – лауреаты международной золотой медали по трибологии И.В.Крагельский, Г.В. Виноградов, А.В.Чичинадзе, Н.А.Буше. 1. Трение и изнашивание в трибосопряжениях 6 1.1. Процессы контактного взаимодействия при трении Трение – комплекс физико-химических явлений в зоне контакта поверхностей двух перемещающихся относительно друг друга тел, в результате чего в этой зоне возникают контактные силы. Трение как физико-химический феномен принято разделять на виды по двум идентифицирующим признакам • по области проявления • по наличию движения. Классификация видов трения, реализуемого в конкретных трибосопряжениях технических устройств, представлена на рис. Как видно из рисунка, трение присуще всем без исключения техническим устройствам, в которых имеет место контактирование деталей, поэтому в настоящее время трибология, фундаментальная и инженерная, развиваются бурными темпами. В общем виде физическая картина трения может быть представлена следующим образом. При функционировании технического устройства на дискретных площадках фактического контакта развиваются высокие удельные давления, которые в сочетании со скольжением, обусловливающим значительные температурные градиенты в объемах материала контактирующих элементов, прилежащих к зонам касания, создают в них специфическое напряженно-деформированное состояние, которое не имеет аналога при объемном нагружении. Интенсивное механо-термическое воздействие на материал, осложненное влиянием окружающей среды на свойства поверхностных слоев, приводит к модифицированию материала в микро- и макрообъемах, прилежащих к поверхности контакта. Вторым процессом контактного взаимодействия при трении является изнашивание взаимодействующих элементов. Изнашивание – это процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) его остаточной деформации. Локальные свойства модифицированного поверхностного слоя в сочетании с объемными свойствами материала определяют сопротивление взаимодействующих элементов контактному нагружению, называемому износостойкостью материала. 7 Рис. Классификационная схема видов трения Трение Область проявления Внутреннее Деформация твердых тел Слои жидкости или Упругие элементы Гидросистемы, транспортирующие Внешнее Сухое Жидкостное Граничное ТС, где наличие смазки недопустимо или невозможно ТС, где поверхности разделены смазкой. Трение определяют вязкостью Слой смазки малой Наличие движения Покоя Неподвижные соединения с натягом, клеммовые Зажимные устройства Движения качения Скольжения Качения + скольжения Опоры качения, центроидные м-мы Направляющие, опоры скольжения, режущий инструмент Зубчатые передачи, колесный транспорт, исполнительные м-мы 8 1.2. Характеристики изнашивания При соприкосновении под нагрузкой двух элементов технического устройства сопряженными поверхностями, сопровождающемся их относительным перемещением, в поверхностных слоях элементов возникают механические и молекулярные взаимодействия, которые приводят к развитию контактных деформаций, после достижения которыми предельных значений наступает контактное разрушение, именуемое износом. Износ – результат изнашивания, определяемый в установленных единицах. Существуют разнообразные методы измерения износа от простейших, когда обычными средствами производят измерение размеров изнашивающихся деталей, до методов, использующих ядерно-физические процессы. Классификация методов измерения износа приведена в табл. Наиболее целесообразны дифференциальные методы измерения износа (микрометрирования, искусственных баз и др, которые позволяют определить распределение износа по всей поверхности трения взаимодействующих элементов и оценить влияние, которое оказывает неравномерность износа на выходные параметры изделия. В ряде случаев применяются также методы оценки износа по выходным параметрам сопряжения. В инженерной практике для расчета трибосопряжений используют две количественные характеристики протекания процесса изнашивания во времени и пространстве. Кинетической характеристикой процесса изнашивания является скорость изнашивания, а пространственной – интенсивность изнашивания. Скорость изнашивания γ- отношение величины износа ко времени, в течение которого он возник. Скорость изнашивания может определяться, опираясь на различные характеристики износа ( толщину, массу или объем, в этом случае будем иметь скорость изнашивания линейную γ h , по массе γ m или объему γ v . Следует различать среднюю и мгновенную скорость изнашивания. Средняя скорость изнашивания представляет собой отношение конечного приращения величины износа Δh, Δm, Δv к интервалу времени Δt γ h = Δh/Δt, γ m = Δm/Δt, γ v = Δv/Δt. (1) 9 Таблица 1 Классификация методов измерения износа поверхностей трения Метод измерения Разновидности метода Оценка суммарного износа По изменению массы образца ( массовый ∆m) По изменению объема образца ( объемный ∆V) Измерение зазора сопряжения линейный износ ∆h) Интегральный Продукты износа в смазке Химический анализ Спектральный анализ При помощи радиоактивных изотопов Микрометрирован ие Измерение размеров Профилографирование Метод искусственных баз Метод отпечатка Метод лунок Метод слепков Дифференциальный Метод поверхностной активации Активация участка Применение вставок Изменение выходных параметров сопряжения Измерение Коэффициента трения Утечек или расхода смазки Температуры Мгновенная скорость изнашивания находится как отношение бесконечно малых приращений износа и времени, те. отношение их дифференциалов. Скорость изнашивания имеет размерность, соответствующую размерностям входящим в формулу для ее определения величин [γ h ] = мс [γ m ] = кг/с; [γ v ] = мс. Линейная скорость изнашивания используется при расчетах трибосопряжений на долговечность. Скорость изнашивания по массе и объему находит в инженерных трибологических расчетах значительно меньшее применение. 10 Второй, пространственной характеристикой протекания процесса изнашивания является интенсивность изнашивания. Интенсивность изнашивания I – отношение величины износа к пути трения l, на котором происходил этот износ. Если в качестве износа принята линейная характеристика Δh, то это будет линейная интенсивность изнашивания I h . Может быть также интенсивность изнашивания по массе I m , и объемная интенсивность изнашивания I v I h = Δh/Δl, I m = Δm/Δl, I v = Δv/Δl. (2) Линейная интенсивность изнашивания величина безразмерная, поскольку в числителе и знаменателе величины с одинаковой размерностью. I m и I v – величины размерные [I m ] = кг/м; [I v ] = мм. Количественно износостойкость И определяют как величину, обратную или износу, или скорости изнашивания, или интенсивности изнашивания Ив этом случае Им Ив этом случае И = кг -1 И = Δv -1 ; в этом случае Им -Износостойкость применяется в основном для анализа качественного характера процесса изнашивания материала, а интенсивность изнашивания удобна для построения статистических моделей при трибологических исследованиях. Государственным стандартом на термины и определения в трибологии (ГОСТ 27674) введен еще ряд терминов, необходимых в инженерных расчетах по трибологии, среди них - предельный износ – износ, соответствующий предельному состоянию изнашиваемого изделия или его составной части состояние отказа) ∆h пред ∆m пред пред - допустимый износ – значение износа, при котором изделие сохраняет работоспособность 11 [∆h]; [∆m]; [∆V]. Трибосопряжение будет сохранять работоспособность, пока допустимый для него износ не превысит установленное предельное значение. Условие работоспособности трибосопряжения имеет вид [∆h] < ∆h пред (3) С понятием допустимого износа непосредственно связано понятие ресурса трибосопряжения. Под ресурсом трибосопряжения Т понимается срок его штатной эксплуатации, в течение которого параметры трибосопряжения находятся в заданных рамках. Ресурс трибосопряжений – паспортная характеристика технического устройства. Следует подчеркнуть, что назначение величины допустимого износа элементов пар трения является определяющим при разработке методик расчета долговечности трибосопряжений, поскольку завышение величины [∆h] повышает риск трибологического отказа технического устройства, а занижение [∆h] приводит к значительным простоям оборудования в ремонте, что отрицательно сказывается на эффективности его работы. Назначение допустимого износа [∆h] для конкретных трибосопряжений является комплексной задачей машиностроителей, трибологов и эксплуатационников, поэтому в данном учебном пособии эта проблема не рассматривается. Условие долговечности трибосопряжения имеет вид t ≥ T, (4) где t – расчетный срок службы трибосопряжения. Следует различать скорость изнашивания материала и трибосопряжения. Для трибосопряжения скорость изнашивания определяется как сумма скоростей изнашивания взаимодействующих элементов γ Σ = γ 1 + γ 2 , (где γ 1, γ 2 – скорость изнашивания взаимодействующих элементов ТС. Расчетный срок службы трибосопряжения t по достижении им допустимого износа [∆h] 12 [ ] Σ Δ = γ h t (6) 1.3. Кинетика изнашивания Жизненный цикл трибосопряжения состоит из определенных периодов, различающихся стационарностью. В общем случае их три приработка, установившийся износи катастрофический износ (рис. Приработка (I) является нестационарным режимом изнашивания с убывающей скоростью или отрицательным ускорением изнашивания 0 В течение приработки происходит формирование поверхности взаимодействия элементов трибосопряжения. Вовремя приработки нагрузочные параметры трибосопряжения поддерживаются пониженными, чтобы обеспечить эффективную работу технического устройства в последующем на рабочих режимах. Установившийся износ (II) – стационарный период работы трибосопряжения, вовремя которого скорость изнашивания постоянна. 0 Вовремя установившегося износа нагрузочные параметры трибосопряжения поддерживаются на рабочем режиме. Рациональная конструкция и оптимальная эксплуатация технического устройства характеризуется продолжительным периодом установившегося износа. Катастрофический износ (III) – заключительный период жизненного цикла трибосопряжения, характеризующийся нарастанием скорости изнашивания 0 В процессе работы на взаимодействующих поверхностях элементов трибосопряжения происходит непрерывное изменение условий контактирования. Эти изменения приводят к накоплению отклонений параметров трибосопряжения от оптимальных, 13 сформировавшихся в период приработки и имевших устойчивые значения в период установившегося износа. Когда изменения условий работы трибосопряжения превышают некоторый уровень, наступает возрастание скорости изнашивания. Если на этом этапе не прекратить эксплуатацию трибосопряжения, то может наступить отказ технического устройства. 14 Рис. 2. Кинетические кривые износа трибосопряжений [10] h I II III t γ h I II III t а - классическая форма кривой износа ∆h I II t t ∆h II t ∆h б. Нет периода установившегося износа. в. Нет периодов I и III. Весь цикл трибосопряжение работает при const h = γ .). г. Нет периода приработки и установившегося износа 15 На риса представлена классическая кинетическая кривая трибосопряжения. Переход II → III является границей нормальной эксплуатацией трибосопряжения. В частных случаях кинетические кривые износа имеют разновидности, характерные для отдельных классов трибосопряжений. При неправильной конструкции трибосопряжения или его эксплуатации в неоптимальном режиме на кинетической кривой отсутствует установившейся износи приработка переходит в катастрофический износ (рис, б. Для трибосопряжений, работающих в тяжелых условиях рабочие органы технологических машин, взаимодействующие с перерабатываемыми абразивными массами) отсутствует период приработки и катастрофического износа, весь период эксплуатации трибосопряжение работает при γ = const (рис, в. Для трибосопряжений опор качения приработка и установившийся режим имеют незначительные величины износа элементов трибосопряжений, поэтому фиксируемые изменения на поверхностях контакта имеются лишь в период катастрофического износа (рис, г. 1.4. Виды изнашивания деталей трибосопряжений Контактное взаимодействие элементов трибосопряжения в трибологии принято классифицировать по признаку элементарных процессов разрушения, которые проф. И.В.Крагельский предложил называть видами нарушения фрикционных связей. Процесс контактного разрушения при этом предлагается рассматривать, как совокупность единичных актов возникновение и нарушение фрикционных связей (рис. Каждый вид нарушения фрикционных связей характеризуются определенным числом циклов |