Введение к работе
Актуальность темы Прогресс в машиностроении, на транспорте и в других областях тесно связан с проблемой повышения долговечности узлов трения, в решении которой важную роль играют материалы с покрытиями. Трибологические характеристики узла определяются напряженно-деформированным состоянием (НДС) в области контакта, а также в тонких приповерхностных слоях. Сегодня общепризнанно, что наиболее рациональным путем, позволяющим направленно изменять напряженно-деформированное состояние в приповерхностном слое, является нанесение покрытий и модифицирование поверхностного слоя.
Использование покрытий на рабочих поверхностях деталей машин позволяет успешно решать задачу создания поверхностей трения с определенным комплексом требуемых эксплуатационных параметров.
Специфика работы узлов трения транспортных машин заключается в высоком уровне динамических нагрузок. Одним из путей повышения их работоспособности является использование в них двухслойных композиций, в которых покрытие обеспечивает антифрикционные свойства, а подложка – несущую способность и демпфирование.
При рассмотрении тел с покрытиями обычно в качестве модели используют двухслойное основание – полуплоскость с тонким покрытием. При этом для описания покрытия часто применяются упрощенные модели мягких или твердых покрытий (модели пластин, накладок, стрингеров).
Отличительной особенностью рассматриваемого круга задач является то, что толщина подложки соизмерима с толщиной покрытия и поэтому для описания покрытия и подложки необходимо использование уравнений теории упругости без использования прикладных теорий тонкостенных элементов.
Кроме того, при скользящем контакте необходимо учитывать влияние на напряженное состояние касательных напряжений в зоне контакта, что резко усложняет задачу.
Оптимизация технологических процессов создания материалов с покрытиями предполагает проведение предварительных расчетов, по меньшей мере, на прочность и ресурс. Расчеты на прочность связаны с определением напряженно-деформированного состояния в каждой точке детали и сравнении его с предельно допустимым. Определение же НДС внутри взаимодействующих тел, невозможно без знания закона изменения контактного давления по области контакта. Определение же распределения контактных напряжений сводится к решению контактных задач.
С другой стороны, вопросы определения долговечности (ресурса) детали связаны с необратимым изменением формы взаимодействующих тел, обусловленных их изнашиванием. Эти изменения соизмеримы с деформациями тел и поэтому должны приниматься во внимание при оценке эволюции контактных характеристик (распределения давлений, размера области контакта, сближения) и внутренних напряжений. Таким образом, проблема расчетной оценки долговечности связана с решением соответствующих износоконтактных задач.
Работа выполнялась в рамках «Программы создания перспективных технических средств и технологий» ОАО РЖД, Федеральной целевой комплексной программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 г.г» проект № И-0371/1377, а также по грантам Российского Фонда Фундаментальных Исследований: проекты 05-01-00306, 06-08-01257, 07-08-00730, 08-08-00873, 08-08-900021-Бел.
Целью работы является разработка на основе закономерностей механики контактного взаимодействия композиции «подложка-покрытие» теоретических основ создания двухслойных материалов триботехнического назначения, обеспечивающих повышение долговечности узлов трения.
Основная идея работы заключается в построении математических моделей композиции «основной материал-покрытие», отражающих связь показателей качества узла трения с его конструктивными характеристиками и физико-механическими свойствами используемых материалов.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
-
Постановка контактных задач теории упругости для композиции «подложка-покрытие» в случае плоской, цилиндрической и сферической формы деталей и сведение рассматриваемых контактных задач к интегральным уравнениям.
-
Разработка метода решения полученных интегральных уравнений, позволяющего строить достаточно точные решения для любых значений параметров задач.
-
Установление степени влияния конструктивных характеристик и физико-механических свойств используемых материалов на напряженно-деформированное состояние и деформационно-силовые параметры контактных зон.
-
Проведение сравнения полученных результатов с известными решениями контактных задач для узлов трения;
-
Определение влияния нагрузочно-скоростных параметров на коэффициент трения и интенсивность изнашивания рассматриваемых композиций.
-
Разработка методики по рациональному конструированию двухслойной композиции триботехнического назначения.
Научная новизна
– на основе закономерностей механики контактного взаимодействия создана модель двухслойной композиции триботехнического назначения, описывающая связь показателей качества узла трения с его конструктивными параметрами и физико-механическими свойствами используемых материалов;
– методика расчета толщин покрытий для достижения максимальной износостойкости поверхностей с учетом влияния напряженно-деформированного состояния поверхностных слоев деталей с покрытиями;
– результаты теоретических и экспериментальных исследований: влияние геометрических и физико-механических характеристик композиции на напряженно-деформированное состояние узла, установление основных закономерностей трения и изнашивания материалов с покрытиями и определение влияния нагрузочно-скоростных параметров на интенсивность изнашивания;
– общий методический подход к оптимизации узлов трения с покрытиями.
Практическая значимость работы. Предложенные в работе методы расчетной оценки прочности, фрикционной термостойкости и долговечности двухслойных композиций триботехнического назначения были использованы при разработке и создании новых высокоэффективных антифрикционных самосмазывающихся композитов для узлов трения железнодорожного транспорта. Предлагаемые расчетные формулы доведены до инженерного уровня, что позволило значительно сократить объем проводимых натурных испытаний, а также рекомендовать конструктивные параметры узлов.
На защиту выносятся:
-
Комплексный метод расчета долговечности двухслойной композиции, основывающийся на системно методологическом подходе, позволяющий установить количественную связь между режимом эксплуатации, физико-механическими свойствами материалов и конструктивными параметрами узла трения с одной стороны и расчетной долговечностью – с другой.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния внешних и внутренних факторов на текущие эксплуатационные параметры двухслойной композиции.
-
Инженерная методика расчета ресурса подшипников скольжения с двухслойными втулками по износу, учитывающая механические, теплотехнические и трибологические свойства материалов, геометрию сопряжения и условия их нагружения.
-
Методика проектирования двухслойных трибосопряжений с оптимальны- ми свойствами.
Аппробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на 18 международных и 5 Всероссийских научно-технических конференциях, в том числе на VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Екатеринбург, 2001 г.), 4-th Euromech Nonlinear Oscillations Conference (Москва, 2002 г.), «Mechanical Engineering Technologies 04» Fourth International Congress Proceedings (Варна, Болгария, 2004); Международном симпозиуме по транспортной триботехнике «Транстрибо 2005» (Санкт-Петербург, 2005 г.) Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Самара, 2007 г.); XXXV Summer School-Conference «Advanced Problems in Mechanics» (Санкт-Петербург, 2007 г.), Международной конференции «Актуальные проблемы механики сплошной среды» (Ереван, 2007 г.).
Работа в целом доложена, обсуждена и одобрена на заседании кафедры «Теоретическая механика» РГУПС.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 45 печатных работах, из них 12 работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 215 стр. машинописного текста, который содержит 85 рис., 26 табл. Библиография 208 наименований.
