Введение к работе
Актуальность проблемы. Известно, что долговечность пар трения лимитирует срок службы, а безотказность – определяет технико-экономическую эффективность и безопасность эксплуатации машин. Поэтому методам оценки фактического состояния деталей трущихся соединений и прогнозирования их ресурсных характеристик с целью предотвращения аварийных отказов в настоящее время уделяется большое внимание. Среди различных механизмов повреждаемости поверхностей при трении наиболее важным является изучение процесса усталости, который лежит в основе большинства видов изнашивания материалов. Несмотря на большое количество работ, посвященных описанию физических механизмов и расчетных моделей усталостной повреждаемости поверхностных слоев, выполненных И.В. Крагельским, Е.А. Марченко, Л.И. Бершадским, Л.М. Рыбаковой, Л.И. Куксеновой, Д.Г. Громаковским и др. учеными, эти исследования продолжают оставаться актуальными. Открытыми являются вопросы: о выборе физических параметров, контролирующих кинетику усталостной повреждаемости; о кинетике изменения этих параметров в процессе усталостной деградации; об оценке влияния на долговечность материалов совокупности силовых, химических, термических воздействий; о методах и технических средствах для диагностики фактического состояния поверхностных слоев и др.
В последние годы развивается кинетический подход к моделированию усталостного изнашивания, основанный на теории абсолютных скоростей химических реакций Аррениуса, молекулярно-кинетической теории Я.И. Френкеля и термофлуктуационной концепции прочности академика С.Н. Журкова. Указанные теории основаны на применении фактора Больцмана, в котором основным параметром, определяющим скорость кинетических процессов, является энергия активации разрушения. Однако для исследования энергетических параметров разрушения тонких поверхностных слоев отсутствуют простые в применении методики и приборы, что является серьезным препятствием для применения в инженерных расчетах на изнашивание моделей кинетического типа.
Проблема обеспечения надежности узлов трения затрагивает все этапы их жизненного цикла и ее решение требует комплексного подхода, который может быть реализован при организации системы управления сроком службы узлов трения. Для этого, в свою очередь, необходимо создание методов диагностики и прогнозирования ресурса материалов пар трения.
Диссертационная работа посвящена разработке новых методов и приборов для оценки энергетических параметров усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев и созданию расчетных моделей для прогнозирования усталостного изнашивания поверхностей деталей из конструкционных металлов и сплавов.
Тема диссертационной работы поддерживалась грантами, полученными по научно-технической программе "Интеграция академической и вузовской науки" (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999-2001г.г.); научно-технической программе "Научно-инновационное сотрудничество Минобразования РФ и Министерства РФ по атомной энергетике" (МИФИ, 2000-2001г.г.); федеральной целевой программе «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы» (СамГТУ, 2004г.); внутривузовской программе «Развитие научного потенциала университета» (СамГТУ, 2005г.); региональной научно-технической программе: «Развитие научно-технического и инновационного потенциала Самарской области в 2006 году» (СНИЦ «Перспектива», 2006г.); региональной научно-технической программе «Ориентированные фундаментальные исследования» (РФФИ, 2007, 2008, 2009 г.г); аналитической ведомственной целевой программе “Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)».
Объект исследований. Поверхностные слои конструкционных металлов и сплавов, модифицированные в результате процессов трения, усталости и взаимодействия с внешней средой.
Предмет исследований. Критерии повреждаемости, модели, методики и приборы для оценки энергетических параметров усталостного разрушения поверхностных слоев, необходимые для прогнозирования ресурса материалов.
Цель диссертационной работы. Разработка моделей повреждаемости поверхностных слоев при усталостном механизме изнашивания, создание новых приборов и методик экспериментальной оценки энергетических параметров деформации и разрушения поверхностных слоев и разработка на их основе метода прогнозирования остаточного ресурса материалов пар трения.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи.
1. На основе применения структурно-энергетической теории разработать кинетическую модель, описывающую закономерность роста внутренней энергии в материале поверхностного слоя в процессе усталостной повреждаемости с учетом влияния совокупности внешних и внутренних факторов и показать области ее возможного применения.
2. На основе анализа и обобщения расчетных моделей усталостного изнашивания, синергетического подхода к интерпретации физических механизмов усталостного разрушения поверхностей при трении разработать расчетную модель для оценки скорости усталостного изнашивания металлов и сплавов и предложить новые методы оценки ее параметров.
3. Разработать новые, экспрессные методики экспериментальной оценки энергетических параметров деформации и разрушения поверхностных слоев, основанные на методе склерометрии и создать программно-аппаратурные комплексы для реализации данных методик.
4. Исследовать влияние внешних и внутренних факторов на энергетическое состояние поверхностных слоев. Оценить чувствительность склерометрического метода определения энергетических параметров деформации поверхностных слоев и разработать методику экспериментальной оценки влияния среды на состояние поверхностных слоев.
5. Провести комплексные экспериментальные исследования кинетики усталостной повреждаемости и разрушения материала поверхностного слоя при различных видах усталости. Выявить закономерности изменения энергетического состояния поверхностных слоев и обосновать применимость энергетического подхода к задачам диагностики состояния материалов и прогнозирования их ресурса.
6. На основе энергетических критериев прочности разработать новую методику и программное обеспечение для прогнозирования остаточного ресурса материала поверхностного слоя при усталостной повреждаемости ответственных узлов трения.
Методы исследований. Проведенные в работе исследования базируются на применении основных положений и математического аппарата термодинамики, статистической физики, синергетики, физической теории надежности, механики разрушения, сопротивления материалов, трибологии, термофлуктуационной концепции прочности твердых тел, теории вероятности и математической статистики. Для компьютерных исследований использовались лицензионные программные продукты Delphy 7.0 и ANSYS 8.0.
Экспериментальная часть работы содержит исследования: энергетических характеристик деформации и разрушения поверхностных слоев (патент РФ №2166745 от 2001.05.10); энергии активации деструкции смазочных материалов (патент РФ №2119165 от 1997.23.01); ресурсных характеристик материалов (патент РФ №2277232 от 2006.18.01); микротвердости по Виккерсу; скорости изнашивания материалов на возвратно-поступательной машине трения; кинетики контактной усталости твердых сплавов при циклическом ударном нагружении.
Автор выражает искреннюю признательность сотрудникам Научно-технического центра «Надежность технологических, энергетических и транспортных машин», кафедры «Технология машиностроения», лаборатории «Наноструктурированные покрытия» ГОУ ВПО СамГТУ, научно-исследовательской лаборатории ОАО «Волгабурмаш» за помощь в организации и проведении экспериментальных исследований.
Достоверность результатов. Достоверность изложенных в работе результатов и адекватность разработанных моделей обеспечиваются строгостью использованного математического аппарата, корректностью обработки экспериментальных данных, удовлетворительной корреляцией результатов расчетов и данных, полученных при испытаниях.
Результаты, выносимые на защиту
-
Кинетическая расчетная модель накопления внутренней энергии при усталостной повреждаемости материалов и энергетический критерий разрушения, учитывающие взаимодействие поверхностных слоев с внешней средой.
-
Расчетная модель для оценки скорости усталостного изнашивания конструкционных материалов.
-
Новые методики: склерометрической оценки энергетических параметров деформации и разрушения тонких поверхностных слоев; исследования влияния граничных слоев смазочного материала на энергетическое состояние поверхностей; прогнозирования остаточного ресурса материалов при усталостной повреждаемости.
-
Лабораторные и переносные склерометрические программно-аппаратурные комплексы для диагностики состояния и прогнозирования остаточного ресурса поверхностных слоев.
-
Результаты экспериментальных исследований кинетики повреждаемости и разрушения конструкционных материалов при трех видах усталости (усталостном изнашивании, контактной усталости и объемной усталости).
-
Результаты экспериментальных исследований влияния различных внешних и внутренних факторов на энергетическое состояние поверхностных слоев.
Научная новизна работы, заключается в следующих положениях.
Разработана новая кинетическая модель накопления внутренней энергии в деформируемом материале поверхностного слоя с учетом влияния среды. Показан физический смысл и вклад параметров модели в общее энергетическое состояние материала.
Предложены две методики склерометрической безобразцовой, экспрессной оценки мольной энергии пластической деформации и разрушения поверхностных слоев. Показано, что при пластическом оттеснении материала поверхностного слоя индентором Виккерса возможна оценка кинетических параметров – энергии активации разрушения и структурно-чувствительного коэффициента – термофлуктуационного уравнения долговечности твердых тел.
Впервые приведена классификация и показана общая структура расчетных моделей изнашивания, а также разработана кинетическая расчетная модель для оценки скорости усталостного изнашивания материалов с учетом влияния среды и наложенных вибраций.
Исследована кинетика усталостного разрушения поверхностных слоев при усталостном изнашивании, контактной и объемной усталости. Показано, что склерометрическая оценка накопленной энергии позволяет оценивать степень усталостной повреждаемости поверхностей.
Предложен новый метод прогнозирования остаточного ресурса поверхностных слоев, который может быть использован для управления сроком службы ответственных элементов узлов трения машин.
Практическая ценность
Разработаны склерометрические лабораторные и переносные программно-аппаратурные диагностические комплексы, позволяющие произвести экспрессную, неразрушающую оценку мольной энергии пластической деформации и разрушения поверхностных слоев, модифицированных трением. Устройства содержат автоматизированную систему сбора данных и обеспечивают возможность диагностики состояния поверхностных слоев и прогнозирования их остаточного ресурса.
Найдены значения энергетических параметров разрушения ряда конструкционных материалов.
Разработано программное обеспечение для автоматизированной оценки энергетических характеристик и механических свойств поверхностных слоев при их склерометрировании.
Разработана методика оценки влияния смазочных материалов на энергетические характеристики поверхностных слоев.
Реализация результатов
Методики склерометрических испытаний материалов внедрены в Научно-техническом центре «Надежность технологических, энергетических и транспортных машин» СамГТУ, Научно-исследовательской лаборатории (НИЛ ДППИиР) ОАО «Волгабурмаш», лаборатории «Наноструктурированные материалы и покрытия» СамГТУ.
Результаты работы использованы при выполнении грантов, хоздоговорных работ, а также в учебном процессе СамГТУ при изучении ряда трибологических дисциплин на лекционных, практических и лабораторных занятиях, что позволило улучшить методическое обеспечение кафедры «Технология машиностроения» и добиться более глубокого понимания студентами физических механизмов усталостной повреждаемости и разрушения материала поверхностного слоя.
Апробация работы. Отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях, семинарах и симпозиумах, в том числе: Российском симпозиуме по трибологии “Актуальные проблемы трибологии”, г. Самара, СамГТУ, 1994г.; 2-nd International conference on synthetic lubricants and functional fluids, AIM-Centro Italiano di tribologia Milano, EMW In, 1995г.; международной научно-технической конференции “Надежность механических систем”, г. Самара, СамГТУ, 1995г.; VI Всероссийской конференции “Контактная гидродинамика”, г. Самара, СГАУ, 1996г.; XXVI Международном совещании по динамике и прочности двигателей, посвященном 85-летию со дня рождения Генерального конструктора академика Н.Д.Кузнецова, г.Самара, СГАУ, 1996г.; Международной научно-технической конференции “Концепция развития производства и ремонта транспортных средств в условиях постиндустриальной экономики”, г. Оренбург, ОГУ, 1997г.; Симпозиуме, посвященного итогам Международного конгресса по трибологии в Лондоне “Обеспечение надежности узлов трения машин и механизмов”, г. Самара, НИИ ПНМС СамГТУ, 1998г.; VIII Межвузовской конференции “Математическое моделирование и краевые задачи”, г. Самара, СамГТУ, 1998г.; IV Международной научно-практической конференции “Проблемы развития автомобилестроения в России”, г. Тольятти, АО “АВТОВАЗ”, 1998г.; Международной конференции «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте», СамГТУ, Самара, 1999г.; Межвузовской научно-методической конференции «Актуальные проблемы университетского образования», СамГТУ, Самара, 2000г.; Международной научно-технической конф., посвященной памяти генерального конструктора аэрокосмической техники академика Н.Д. Кузнецова, г. Самара, СГАУ, 2001г.; 9 Международной научно-технической конференции «Организация и технология ремонта машин, механизмов, оборудования», г. Киев, УИЦ «Наука, Техника, Технология», 2001г.; Научно-технической конференции "Научно-инновационное сотрудничество", г. Москва, МИФИ, 2002г.; Научно-методической конференции «Компьютерные технологии обучения: концепции, опыт, проблемы», г. Самара, СамГТУ, 1997г.; Семинаре «Вопросы создания новых методик исследований и испытаний, сличительных экспериментов, аттестации и аккредитации», г. Димитровград, ФГУП ГНЦ РФ НИИАР, 2002г.; VII-th International Symposium "INTERTRIBO 2002", Slovak Republic, Stara Lesna, House of Technology, 2002; Международной конференции "Ашировские чтения", г. Самара, СамГТУ, 2002г.; Семинаре «Акустико-эмиссионный метод диагностики на железнодорожном транспорте», Санкт-Петербург, Некоммерческое партнерство «Объединение разработчиков и производителей наукоемкой продукции для железных дорог», 2003г.; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин», г. Самара, СамГТУ, 2003г.; Международной научной конференции «Актуальные проблемы развития транспорта России: стратегические, региональные, технические», посвященной 75-летию РГУПС, г. Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения, 2004г.; Первой научно-практической конференции «Колесо», г. Похвистнево, Куйбышевкая железная дорога, 2004 г.; II-ой Всероссийской научно-практической конференции «Надежность и экологическая безопасность трубопроводного транспорта», Российская академия транспорта, Самара, 2005г.; международной научно-технической конференции «ELPIT-2005», ТГУ, Тольятти 2005г.; Пятой юбилейной Промышленной конференции с международным участием и блиц- выставки, г. Славское, 2005г.; Международной инновационно-ориентированой конференции молодых ученых и студентов «МИКМУС», г. Москва, ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, 2005, 2006, 2008, 2009 г.г.; Международной научно-практической школы-конференции «Славянтрибо-7а», г. Рыбинск, РГАТА, 2006 г.; Международной научно-технической конференции «Физика прочности и пластичности материалов», г. Самара, СамГТУ, 2006 г.; Международной научно-технической конференции «Развитие двигателестроения в России», г. Самара, СГАУ, 2006 г.; международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии», г. Самара, СамГТУ, 2007г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности», г. Брянск, БГТУ, 2007 г.; V Международном симпозиуме «Фуллерены и фуллереноподобные структуры в конденсированных средах» (ФФС-2008), Республика Беларусь, г. Минск; региональной научно-технический семинар «Актуальные проблемы трибологии», г. Самара, СамГТУ, 2008 г.; VIII Междунардной конференции «Трибология и надежность», г. Санкт Перетбург, ПГУПС, 2008г.; II Международном научном семинаре «Техника и технологии трибологических исследований», Иваново, ИвГУ, 2009; в полном объеме диссертационная работа была заслушана на Семинаре им. М.М. Хрущева, г. Москва, ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, 2007 г. и на семинаре в Лаборатории элементарных процессов разрушения в Физико-техническом институте им. А.В. Иоффе РАН, 2008 г.
Защищаемые диагностические приборы были представлены: на выставке научно-технических работ научной сессии МИФИ (Москва, 2002г.); в ВК «ЭКСПО-ВОЛГА EMG», промышленный салон (Самара, 2004г.); в ВК «ЭКСПО-ВОЛГА EMG», промышленный салон (Самара, 2005г.); на третьей ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов Приволжского федерального округа «Российским инновациям - Российский капитал» (Самара, 2005г.); на VIII Межрегиональной специализированной выставке "Ресурсосбережение и экология 2005" (Пенза, 2005г, получен диплом выставки); в ВК «ЭКСПО-ВОЛГА EMG», "Expo-Tool. Мир инструмента" (Самара, 2006); в ВК «ЭКСПО-ВОЛГА EMG», "Деревообработка" (Самара, 2006г.); в ВК «ЭКСПО-ВОЛГА EMG», промышленный салон (Самара, 2006г).
Публикации. Материалы диссертации отражены в 74 опубликованных работах, 39 из них включены в автореферат. В рецензируемых журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК, опубликовано 15 статей. В других изданиях (журналах, сборниках, трудах конференций) опубликовано 25 работ. Опубликована одна монография. Патентами РФ защищены 8 технических решений.
Объем и структура работы. Диссертация написана на русском языке и состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 452 страницы, включая 116 рисунков и 31 таблицу. Перечень литературы включает 292 наименования. Семь приложений размещены на 72 страницах.
