Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы фреттинга и фреттинг-усталости неподвижных соединений 10
1.1. Развитие представлений о природе фреттинга и механизм его возникновения 10
1.2. Особенности напряженно-деформированного состояния фрикционного контакта упругих тел 14
1.3. Методы экспериментального исследования процессов относительного скольжения контактирующих поверхностей и их влияния на работоспособность соединений 22
1.4. Существующие способы повышения сопротивляемости номинально неподвижных соединений возникновению фреттинга 29
1.5. Контактная приспособляемость 35
1.5.1. Развитие теории контактной приспособляемости 37
1.5.2. Методы решения проблемы контактного взаимодействия в условиях циклического нагружения 42
1.5.3. Коэффициент трения фрикционного взаимодействия 46
Выводы по главе 1 49
2. Исследование условий наступления контактной приспособляемости 51
2.1. Теорема контактной приспособляемости 51
2.2. Моделирование контактной приспособляемости методом конечных элементов на примере программного комплекса ANSYS 57
2.2.1. Обоснование размера КЭ при численном методе расчета 64
2.2.2. Модель трения при численной оценке контактной приспособляемости 66
2.2.3. Влияние геометрии края модели 68
2.3. Численный анализ условий наступления контактной приспособляемости 69
2.3.1. Диаграммы Q max /P – f 69
2.3.2. Связь с картами фреттинга 76
2.4. Контактная приспособляемость при взаимодействии тел, на поверхность одного из которых нанесен микрорельеф 79
2.5. Метод экспериментального исследования процесса циклического относительного скольжения контактирующих поверхностей и их влияния на
работоспособность соединения типа «вал-втулка» на примере материалов, используемых
для шарошечных долот 84
Выводы по главе 2 95
3. Применение явления контактной приспособляемости для решения практических задач снижения фреттинга в номинально неподвижных соединениях 97
3.1. Алгоритм методики снижения фреттинга в номинально неподвижных соединениях 98
3.2. Реализация методики снижения фреттинга в соединении с гарантированным натягом зубка R5929 и шарошки бурильного долота 215,9VU-NLS43ZF-R206A 100
3.3. Реализация методики для снижения фреттинга в стыковом соединении бандажных полок ротора универсального газогенератора на примере рабочего колеса 2 ступени 108
Выводы по главе 3 117
Общие выводы по работе 118
Библиографический список 119
- Особенности напряженно-деформированного состояния фрикционного контакта упругих тел
- Развитие теории контактной приспособляемости
- Моделирование контактной приспособляемости методом конечных элементов на примере программного комплекса ANSYS
- Реализация методики снижения фреттинга в соединении с гарантированным натягом зубка R5929 и шарошки бурильного долота 215,9VU-NLS43ZF-R206A
Особенности напряженно-деформированного состояния фрикционного контакта упругих тел
Номинально неподвижные соединения нередко подвергаются циклическим и, в том числе, вибродинамическим нагрузкам, например, болтовые соединения, соединение типа ласточкин хвост, соединения с натягом и т.д. В этих условиях отказ может произойти вследствие, фреттинга вызванного периодическим проскальзыванием в отдельных зонах области контакта. Механизм фреттинга является сложным интегрированным процессом, который включает в себя микропроцессы фреттинг-коррозии, усталости и макропроцессы фреттинг-износа.
Процесс фреттинга характеризуется величиной взаимных перемещений в зоне контакта, максимальными напряжениями, энергией диссипации. Предельные значения этих характеристик используются в качестве критериев интенсивности фреттинга [117]. В литературе достаточно примеров введения подобных критериев. Например, влияние значений напряжений на интенсивность фреттинга в работе [128] выражено через эффективное напряжение, а в работе [102] определяется диапазоном касательных напряжений, вызванных взаимным относительным перемещением в области контакта. Д.Л. Макдеамид [105] предложил учитывать комплексное влияние на интенсивность процесса фреттинга контактных напряжений и характеристик материала - пределов прочности при сдвиге и растяжении. На примере соединения типа ласточкиного хвоста К. Руиз и другие [115] показали возможность использования критерия от8, где - максимаьное нормальное напряжение, - максимальное напряжение сдвига, - амплитуда относительного скольжения в области контакта. Несмотря на согласованность критерия с экспериментом в одних случаях, в других [102] он не дает адекватного результата. Линейную комбинацию амплитуды касательных и нормальных напряжений т + к-а предложил В.Н. Финдли [78], где к - коэффициент, зависящий от свойств материала. Но и этот критерий не является универсальным, т.к. не дает точный прогноз разрушения, например, для хрупких материалов [117].
Влияние деформации на процесс фреттинга в работе [75] также представляется суммой предельных значений нормальной и касательной составляющих смещений. Этот параметр считается важным, т.к. с его помощью можно определить местоположение зарождения трещины.
К.Н. Смитом, П. Ватсоном и Т.Х. Топпером был предложен SWT-критерий фреттинга [120], который является по сути энергетическим SWT = a„,„v— , где am„r - максимальное нормальное напряжение, а As V 2 Jmax амплитуда касательных деформаций. Этот параметр часто используется для анализа усталостной долговечности контактного соединения в условиях относительных перемещений в стыке [102, 116, 122].
Первые сведения о повреждении материала в области контакта под действием вибродинамической нагрузки представлены в 1911 году Е.М. Эденом [73]. Первые попытки описать механизм фреттинга были предприняты Д.А. Томлинсоном в 1927 году [124]. Опираясь на тот факт, что фреттинг наблюдается при очень малых перемещениях (для разных материалов диапазон амплитуд может быть от 3-10 нм до 500-1000 мкм [32]), совместно с П.Л. Торпом и Х.Д. Гафом он предложил молекулярную теорию фреттинга [125], согласно которой под действием нормальной силы контактные поверхности сближаются настолько, что возникает молекулярное взаимодействие. При относительном смещении связи разрушаются, атомы вырываются из кристаллической решетки и окисляются.
Однако некоторые продукты износа имеют размер намного больше атомарных. К.Г. Райт в работе [37] связывал начальный этап фреттинга с адгезией и образованием «мостиков схватывания». При относительном смещении мостики разрушаются с образованием твердых частиц. Окислы продуктов износа, не имея возможности выхода из области контакта, втираются в поверхность, что, по мнению автора, является причиной трещинообразования. Он предложили формулу для подсчета потерь массы металла вследствие фреттинга с учетом механического и химического факторов.
Согласно представлениям И.М. Фенга и Б.Д. Райтмайера [76, 77], в механизме фреттинга преобладает механический фактор. На участках фактического (реального) контакта происходит деформация шероховатостей. Продукты износа скапливаются между участками контакта, что усиливает абразивное действие. Свободные частицы образуются лишь при малых адгезионных взаимодействиях и переносятся из одной контактной поверхности на другую. Роль химического фактора взаимодействия окружающей среды с поверхностью отрицается.
Так же второстепенным химический фактор в механизме фреттинга считали Д. Годфри и И.М. Бейли [82]. Они пришли к выводу, что разрушение происходит благодаря сильной адгезии. Окисление происходит тем быстрее, чем мельче частицы. Изучая износ поверхности неокисляющихся материалов (стекло, кварц, слюда и др.) они обнаружили, что количество продуктов износа обратно пропорционально твердости материала. Начальный этап фреттинга сопровождается разрыхлением материала тем больше, чем сильнее адгезия.
И.С. Холлидей и В. Хирст в работе [84] установили закономерности механизма фреттинга в зависимости от амплитуды нагружения, частоты и других параметров.
В своих работах, в частности в [131], Р.Б. Уотерхауз обобщил представление о механизме фреттинга. Вместе с К.Г. Райтом, отдавая предпочтение механическому фактору природы фреттинга, они выделили три стадии: отделение частиц от поверхности материала, окисление свободных частиц, взаимодействие продуктов износа с материалом. А.С. Ахматов и М.С. Островский [2, 23] в своих работах также отмечают, что механические повреждения поверхности сопровождаются окислением частиц износа. Граничные слои контактных поверхностей, так называемая смазка, препятствуют развитию фреттинга. Накопление продуктов износа ведет к разрушению смазки и развитию фреттинга. Длительность латентного периода, после которого сплошность граничного смазочного слоя нарушается, зависит от нормальной нагрузки, амплитуды смещения, частоты и других параметров.
Развитие теории контактной приспособляемости
Согласно другому способу испытания цилиндрический образец материала приводят во вращение, нагружают его изгибающей силой, прижимают к цилиндрической поверхности образца с противоположных сторон два вкладыша и создают нагрузку на вкладыши силами равными по величине и противоположными по направлению [26]. В этом способе для создания нагрузки на вкладыши необходимо размещать инерционные массы, которые обеспечивают неизменность усталостного нагружения (рис. 1.8, б).
Испытания на усталостную прочность соединений при наличии скольжения в зоне контакта позволяют определить взаимосвязь факторов, влияющих на интенсивность процесса фреттинга. В монографиях А.Н. Петухова [30] и Н.А. Махутова [19] на основе комплексных исследований удалось установить влияние амплитуды относительных перемещений, величины нормального давления, частоты нагружения, длительности нагружения, коэффициента трения на фреттинг-усталость для различных пар конструкционных материалов.
К недостаткам испытаний на усталостную прочность номинально неподвижных соединений при наличии скольжения можно отнести сложность выявления степени влияния разных факторов, присущих процессу фреттинга: концентрации напряжений, износа и др. К близким по характеру экспериментальным испытаниям можно отнести испытания на усталостную прочность, которые проводят согласно ГОСТ 25.502-79 [12], а также методики испытания материалов на трение и износ с различными условиями контактного сопряжения [17]. Сюда же можно отнести испытания материалов на изнашивание при фреттинге и фреттинг-коррозии, которые регламентируются ГОСТ 23.211-80 [10].
Существующие методы экспериментального исследования процессов скольжения и образования фреттинга предполагают задание на контактной поверхности условий силового воздействия. Однако при эксплуатации соединений с натягом в присутствии относительного проскальзывания, нагрузка не является постоянной. В результате фреттинга натяг ослабевает, и это изменение нагрузки зависит от материала контактной пары.
Существующие способы повышения сопротивляемости номинально неподвижных соединений возникновению фреттинга Негативное влияние фреттинга на усталостную прочность неподвижных соединений является актуальной проблемой в машиностроении. В связи с этим разрабатываются методы снижения фреттинга.
Выделяют два направления повышения прочности номинально неподвижных соединений в условиях фреттинга: - создание условий в области контакта, которые снижают проскальзывание; - подбор способов нагружения, исключающих вибрации с проскальзыванием.
В 1971 году А.А. Бартель [59] сделал попытку систематизировать различные методы предупреждения фреттинга, выделив четыре основных группы: - конструктивный: трение скольжения заменяется на трение качения, плотно подгонять призматические и сегментные шпонки; вместо цилиндрической посадочной поверхности - шарообразную; применение специальных разъемных втулок и втулок с нарезанной резьбой; использование различных демпфирующих устройств для гашения вибрации использование бесконтактных лабиринтных уплотнений; и т.д.; механический: создание предварительных напряжений в контакте; предварительная дробеструйная обработка посадочных мест; применение смазки под давлением в тяжело нагруженных узлах и т.д.; - подбор материалов: использование материалов, слабо восприимчивых к фреттинг-коррозии [102], например, с высоким содержанием карбидов; физико-химическая модификация контактирующих поверхностей; нанесение плазменных покрытий; азотирование с дополнительным нанесением порошка дисульфида молибдена; нанесение гальванического слоя хрома; обработка поверхности пескоструйным методом с последующим нанесением металлической пыли свинцовистой бронзы; использование смазки с примесью графита или дисульфида, а также покрытие из неметаллических материалов, например, тефлон или резина дают возможность успешно бороться с фреттинг-коррозией; монтажный и производственный: тщательная подгонка сопряжений, горячая посадка при монтаже соединений; посадка подшипников скольжения и качения с натягом и т.д.
Современные научные представления о физической природе явлений, протекающих в фрикционном контакте, механики и термодинамики процессов трения, изнашивания и смазки описаны в работе И.И. Берковича и Д.Г. Громаковского [4]. В этой работе помимо молекулярно-кинетических аспектов и термоактивационных механизмов формирования и разрушения поверхностных слоев, основ фрикционного материаловедения, рассмотрены физические методы исследования свойств поверхностных слоев и технологические способы повышения износостойкости и эксплуатационных свойств узлов трения.
В настоящее время разнообразные меры по предупреждению фреттинга реализуются в конструктивно-технологических и эксплуатационных мероприятиях по обеспечению износостойкости [41].
М.М. Тененбаум [42] провел систематизацию конструктивных способов обеспечения высокой износостойкости машин: исключение внешнего трения; улучшение условий трения; равностойкость изнашивающихся деталей; оптимизация форм деталей; компенсация износа; резервирование износостойкости; использование индикаторов износа. В конструктивные факторы входит и расчет деталей на износ, методика которого наиболее полно разработана А.С. Прониковым [35].
К основным технологическим мероприятиям, повышающим долговечность машины, можно отнести применение современных методов создания прочных материалов для различных условий эксплуатации машин и получение из них заготовок высокого качества; применение современных технологических приемов, обеспечивающих изготовление деталей заданной точности и стабильности, как по размерам, так и по физико-механическим свойствам; применение современных методов контроля качества материалов, заготовок и готовых изделий по соответствующим показателям надежности; применения процессов упрочняющей обработки для получения требуемого качества рабочих поверхностей деталей машин с высоким сопротивлением изнашиванию и поломке в различных условиях эксплуатации [7].
Моделирование контактной приспособляемости методом конечных элементов на примере программного комплекса ANSYS
Контактная приспособляемость может быть полной, когда после некоторого числа циклов нагружения проскальзывание прекращается, или частичной, когда часть поверхности, на которой наблюдается проскальзывание, и амплитуда взаимного смещения точек контактных поверхностей постепенно сокращаются до некоторых значений.
На контактном статусе результата расчета в этом случае количество элементов, выделенных желтым цветом, уменьшается в течение некоторого количества циклов, а потом стабилизируется.
Для анализа условий, при которых наступает контактная приспособляемость, был выполнен комплекс расчетов с разным значением амплитуды отношения тангенциального Q и нормального усилий Р на контактной поверхности. Совокупность результатов исследования можно представить графически, например, на диаграммах, в координатах Qmax/P -f. Такие диаграммы разделяют области с разным характером контактного поведения деталей при циклическом нагружении и, в частности, образуют границы области контактной приспособляемости в этих координатах. Подробное описание диаграмм Qmax/P -/в разделе 2.3.1.
Из доказательства теоремы контактной приспособляемости следует, что при соединении нескольких тел в области контакта скольжение, вызванное циклической нагрузкой, может прекратиться или значительно уменьшиться. Моделирование такого контактного взаимодействия было реализовано в программном комплексе ANSYS на примере взаимодействия пяти тел прямоугольной формы в предположении плосконапряженного состояния (рис. 2.4, а). Тела изотропны, обладают одинаковыми упругими свойствами Е = 2.1105МПа, ц = 0.3, коэффициент трения / = 0,7, на горизонтальных контактных линиях каждого из тел 30 элементов, на вертикальной - 15. На первом этапе нагружения прикладывается вертикальная сила Р, затем переменная сила Q. Переменная сила вызывает скольжение в области контакта. Из решения задачи получено, что скольжение на горизонтальных линиях контакта (рис. 9, б(I)) прекращается после нескольких первых циклов нагружения при соотношении сил Qmax/P от 0.42 до 0.52(рис. 2.4, б(II)).
В решении задач контактной приспособляемости методом КЭ в качестве минимального значения размера конечно-элементной сетки было рекомендовано принимать 66.5 мкм [74, 90, 102], но какие-либо физические аргументы или вычислительные аспекты этого выбора отсутствуют.
Для обоснования выбора размера КЭ в области контакта проведем сначала сравнительный анализ результатов расчетов, выполненных на моделях с разным количеством элементов. В качестве геометрической модели выберем взаимодействие двух тел прямоугольной формы (рис. 2.2, а). Рассмотрим случаи, когда на контактной линии задается 1000, 100 или 10 элементов, а размеры тел остаются неизменными. Можно отметить, что для моделей, в которых на контактной линии расположено 100 и 10 элементов, наблюдается постепенное наступление сцепления по всей контактной поверхности, что соответствует полной контактной приспособляемости. При увеличении числа конечных элементов модели до 1000 наблюдается уменьшение зоны скольжения, однако полного исчезновения этой зоны не происходит. На рисунке 2.5 представлены графики зависимости границ контактной приспособляемости, построенные по результатам расчета описанной в разделе 2.2 задачи контактного взаимодействия дух упругих тел прямоугольной формы, от числа конечных элементов на контактной линии.
Для соотношения сил Qmax/P выше верхней границы в области контакта всегда имеет место проскальзывание. При соотношении ниже нижней границы полное сцепление сохраняется.
Таким образом, поскольку решение задачи контактной приспособляемости зависит от числа элементов на поверхности контакта, то размер конечных элементов должен быть физически обоснован. Минимальный размер конечных элементов не может быть меньше нескольких длин волн микронеровностей на контактирующих поверхностях, поскольку коэффициент трения Кулона отражает среднее соотношение нормальных и касательных сил на контактной поверхности, которая предполагается идеально ровной. В то же время, увеличение размера конечных элементов, как показывают литературные данные [74], снижает точность получаемого решения, и при моделировании следует выбирать наименьший допустимый размер конечных элементов.
Следовательно, наступление полной контактной приспособляемости в рассмотренных случаях происходит только тогда, когда поверхность контакта имеет соответствующий относительно небольшой линейный размер.
Коэффициент трения значительно возрастает в процессе циклического скольжения, достигая некоторого асимптотического значения. Многократное увеличение коэффициента трения наблюдается у многих материалов [85, 88, 129]. Увеличение коэффициента трения способствует наступлению контактной приспособляемости. Поэтому очевидно, что для оценки условий контактной приспособляемости следует использовать асимптотическое значение коэффициента трения по всей поверхности контакта.
Контактная приспособляемость предполагает наличие подмножества узлов в стыке, которые все время находятся в сцеплении и в этой области коэффициент трения следует принимать равным максимальному значению. Это объясняется тем, что даже если при начальном относительно малом значении f в какой-то области наблюдалось скольжение, там под воздействием фреттинга неизбежен рост этого коэффициента. Если же с самого начала в какой-либо области скольжение отсутствовало, то условное увеличение коэффициента трения не оказывает влияние на напряженно-деформированное состояние.
В базовой модели трения Кулона программного комплекса ANSYS (рис. 2.6) определяется эквивалентное сдвигающее напряжение x = f-p + cohe, где/- коэффициент трения, р - контактное давление, cohe - составляющая, обусловленная когезией материалов, определяющая сопротивление трения покоя. На основании перечисленных выше фактов, для оценки контактной приспособляемости соединения необходимо следующее: принимать во внимание максимальное значение /, соответствующее данной контактной паре; значение cohe оставить по умолчанию равным нулю; опцию keyopt, определяющую шероховатость или связанный контакт оставить standard (в противном случае частичное проскальзывание наблюдаться не будет, т.к. другие значения этой опции предполагают бесконечное фрикционное сопротивление, несмотря на задаваемое значение коэффициента трения).
Реализация методики снижения фреттинга в соединении с гарантированным натягом зубка R5929 и шарошки бурильного долота 215,9VU-NLS43ZF-R206A
На подмодели подбирался рельеф одной из контактных поверхностей: варьировался шаг, глубина, направление рельефа. Нанесение рельефа усиливало приспособляемость. На рисунке 3.7а рельеф выполнен в виде параллельных канавок с шагом 0,24 мм и глубиной 0,06 мм по нижнему краю боковой поверхности отверстия под зубок. Такой вид рельефа лишь уменьшает зону проскальзывания по сравнению с гладкой поверхностью при внешней нагрузке на зубок Q=8 кН. На рисунке 3.7б 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 нагрузке Q=8 кН зона сцепления охватывает всю поверхность, где было проскальзывание. Результаты расчета приведены для определенных размеров зубка.
Профиль отверстия под зубок должен обеспечиваться специальным инструментом при нарезании отверстия или подбором рабочего сверла.
На поверхность твердосплавной вставки рельеф может быть нанесен с помощью устройства для шлифования тел вращения [28], отличающегося расположением шлифовального круга и наличием ограничителя, как это представлено на рисунке 3.8.
Устройство для нанесения микрорельефа на твердосплавные вставки бурового шарошечного долота I твердосплавные элементы, 2 неподвижная опора, 3 упор, 4 кронштейн упора, 5 бесконечный ремень, 6 направляющая планка, 7 шлифовальный круг, 8 регулируемые пружины, 9 ведущий и 10 ведомый шкивы, 11 подающий лоток ведомого шкива, 12 приемный лоток, 13 стойка для закрепления устройства на станке, 14 ограничитель. Твердосплавные зубки 1 устанавливают на плоскость подающего лотка II ведомого шкива, совпадающую с опорной плоскостью неподвижной опоры 2. Эластичный ремень 5 приводят в движение ведущим 9 и ведомым 10 шкивами. Упор 3 закреплен неподвижно на кронштейне 4. Эластичный бесконечный ремень затаскивает зубки с плоскости подающего лотка и с 10 помощью пружин 8 обеспечивает их радиальный поджим к упору. При этом обеспечивается непрерывное перекатывание штырей по поверхности упора, При таком перемещении зубков алмазный круг 7 равномерно наносит микрорельеф на их боковую поверхность. Осевое усилие поджима зубков, к 107 плоскости опоры 2 обеспечивается угловым смещением направляющей планки 6 в вертикальной плоскости к образующей круга. Все устройство закрепляется на станине бесцентрово-шлифовального станка с помощью стойки 13. Готовые зубки поступают в приемный лоток 12 с ограничителем 14.
Методика повышения прочности крепления твердосплавных зубков используется при проектировании шарошечных долот ОАО «Волгабурмаш», что подтверждается соответствующим актом (Приложение 1).
Реализация методики для снижения фреттинга в стыковом соединении бандажных полок ротора универсального газогенератора на примере рабочего колеса 2 ступени
Конструкция ротора газогенератора включает в себя соединения с натягом диска и многочисленных лопаток. Критическими с точки зрения эксплуатационных характеристик ротора являются стыковые соединения бандажных полок лопаток. Напыление жаропрочного материала на стыковую поверхность антивибрационной полки производится с расчетом обеспечения гарантированного натяга в замкнутой на круг системе рабочего колеса. Натяг обеспечивает неподвижное соединение бандажных полок между собой, жесткость и динамические характеристики конструкции.
В процессе работы газогенератора твердосплавное покрытие испытывает циклические нагрузки и в области стыка возникают малые взаимные перемещения.
На фотографиях (рис. 3.10, а) видны последствия фреттинга: «натиры» на твердом сплаве стыковых поверхностей бандажных полок и образование зародышевых трещин (рис. 3.10, б), которые сопровождаются необратимыми процессами: разрушением твердого сплава, ослаблением натяга и, как следствие, понижением жесткости рабочего колеса и изменением его вибрационных свойств.
Таким образом, определение мест локализации скольжения контакта и принятие мер по снижению интенсивности фреттинга в стыке бандажных полок ротора газогенератора является актуальной проблемой.
