Повышение эффективности функционирования рабочих органов и трибосистем технологических машин лесного комплекса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.01, доктор наук Пилюшина Галина Анатольевна

• Пилюшина Галина Анатольевна
• доктор наук
• 2020

Оглавление диссертации доктор наук Пилюшина Галина Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ

1. МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛЕСОЗАГОТОВОК И ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСНОГО СЫРЬЯ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

1.1 Функциональное назначение и особенности производственного использования технологических машин и оборудования лесного комплекса

1.2 Условия эксплуатации технологических машин лесного комплекса и причины их отказов

1.3 Влияние эксплуатационных факторов на работоспособность рабочих органов при взаимодействии с перерабатываемой древесиной

1.4 Характерные отказы и долговечность деталей ответственных узлов технологических машин лесного комплекса

1.5 Выводы

2. ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДЕТАЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА С ДРЕВЕСИНОЙ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ

2.1 Особенности эксплуатационного нагружения шиповых элементов фрикционно-механических подающих устройств

2.2 Нагружение сучкорезных устройств многооперационных лесозаготовительных машин

2.3 Химические и электрохимические аспекты изнашивания железоуглеродистых материалов при их фрикционном взаимодействии с древесиной

2.4 Особенности фрикционного механохимического взаимодействия и изнашивания рабочих органов технологических машин древесиной

2.5 Выводы

3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ И ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ МАШИН ЛЕСНОГО КОПЛЕКСА

3.1 Основные процессы и факторы, определяющие сопротивление материалов деталей машин и оборудования коррозионному изнашиванию при контакте с древесными веществами

3.2 Основные процессы и факторы, определяющие сопротивление материалов деталей механическому изнашиванию

3.3 Особенности изнашивания деталей технологических машин лесного комплекса по механизму микровыкрашивания

3.4 Особенности изнашивания деталей рабочих органов лесозаготовительных машин при абразивном воздействии

3.5 Синергетические явления при изнашивании деталей древесиной

3.6 Выводы

4. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА

4.1 Обоснование рациональной формы и назначения материалов подающих вальцов

4.2 Обоснование требований к прочностным параметрам шипов

4.3 Минимизация нагрузок, действующих при работе ножевых устройств.. ..143 4.4. Обоснование химического состава и структуры материалов деталей, взаимодействующих с древесиной

4.5 Минимизация сил трения при фрикционном контакте функциональных поверхностей деталей с древесиной

4.6 Перспективы использования высокоуглеродистых сплавов с шаровидным графитом для обеспечения износостойкости деталей подающих вальцов

4.7 Повышение износостойкости и демпфирующих характеристик подшипников скольжения шарнирных соединений манипуляторов

4.8 Выводы

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА

5.1 Обоснование условий и режимов упрочняющей обработки подающих вальцов

5.2 Деформирующая упрочняющая обработка эластичным проволочным инструментом

5.3 Формирование герметизирующих слоев неподвижных разъемных соединений повышенной износостойкости

5.4 Повышение износостойкости ножей сучкорезных устройств электроискровым и электродеформационным упрочнением

5.5 Выводы

6. МЕТОДОЛОГИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

6.1 Исследование особенностей фрикционно-механического контактирования и изнашивания рабочих элементов подающих вальцов при технологическом взаимодействии с древесиной

6.2 Методика исследований изнашивания в условиях жидкостно-абразивной среды

6.3 Методика исследования коррозионно-механического изнашивания деталей при фрикционном взаимодействии с древесиной

6.4 Определение теплофизических и триботехнических параметров исследуемых материалов

6.5 Исследование контактных характеристик неподвижных стыков деталей гидравлических систем

6.6 Методы оценки износа образцов

6.7 Методы оценки физико-химических характеристик исследуемых образцов

7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОДАЮЩИХ И СРЕЗАЮЩИХ УСТРОЙСТВ МАШИН ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА

7.1 Исследование влияния геометрических характеристик шипов на уровень их фрикционно-механического сцепления с древесиной

7.2 Исследование влияния геометрических характеристик ножевых устройств на силовые параметры срезания сучьев

7.3 Исследование материалов для изготовления подающих и срезающих устройств при изнашивании их древесиной

7.4 Исследование изнашивания материалов в присутствии абразива и жидкости в зоне трения

7.5 Исследование эффективности поверхностной упрочняющей обработки исследуемых деталей

7.6 Выводы

8. ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОДШИПНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ МАНИПУЛЯТОРОВ

8.1 Исследование подшипников скольжения шарнирных узлов манипуляторов лесозаготовительных машин

8.2 Влияние режимов нанесения покрытий на функциональные параметры соединения

8.3 Исследование контактной жесткости стыков неподвижных разъемных соединений и ее влияние на герметичность

8.4 Выводы

9. ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ АПРОБИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

9.1 Условия проведения и результаты производственных испытаний опытных образцов трибосопряжений технологических машин лесного комплекса

9.2 Расчет экономической эффективности промышленного использования полученных результатов

9.3 Перспективы практического использования результатов диссертации для создания импортозамещающего конверсионного производства многооперационных лесозаготовительных машин

9.4 Использование результатов работы в учебном процессе

9.5 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Акты и расчеты экономической эффективности внедрения результатов научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических

работ по теме диссертации

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Выписка их протокола заседания Межведомственного совета по трибологии при РАН, Минобрнауки РФ и РосСНИО от 28 ноября 2018 г по теме диссертации

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности функционирования рабочих органов и трибосистем технологических машин лесного комплекса»

Актуальность темы исследования

Важнейшей проблемой отечественного лесного комплекса является необходимость повышения эффективности заготовки древесного сырья и производства изделий из древесины. Для успешного решения этой проблемы необходимо оснащение предприятий лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств высокопроизводительной и надежной техникой и технологическим оборудованием. При этом в целях стабильного обеспечения национальной безопасности исключительно важным является преимущественное использование для этих целей конкурентоспособной и эффективной техники отечественного производства.

В то же время за последние годы производство отечественной техники недопустимо уменьшилось. Это привело к активному продвижению на российский рынок устаревшей по мировым масштабам импортной техники с высокой степенью износа или, в лучшем случае, после предпродажного ремонта. Проведенный анализ показывает, что крупные отечественные предприятия более чем на 80% обеспечены техникой зарубежного производства, при этом стоимость многих из используемых многооперационных лесозаготовительных машин и

деревоперерабатывающего оборудования, зачастую достигает, а иногда и превышает, сотни тысяч в долларовом эквиваленте.

К тому же проблема отечественного машиностроения состоит в том, что по производимым видам оборудования технический уровень изготавливаемой техники, как правило, уступает зарубежным аналогам. Поэтому практически все крупные предприятия лесного комплекса в той или иной мере вынуждены приобретать оборудование по импорту, не имея реальных отечественных альтернатив.

Это привело к тому, что зарубежные фирмы, такие как «John Deere», «Ponsse», «Valmet» и другие вытесняют из заготовительных предприятий

технику российского производства, поскольку опыт эксплуатации таких машин показывает, что они имеют существенные преимущества по производительности, надежности и комфортности использования в сравнении с отечественной техникой. Например, эффективность заготовки при использовании сортиментных машин «John Deere» в 1,5 раза выше в сравнении с отечественной сортиментной технологией [78, 80].

Кроме того, практическое отсутствие подобной отечественной техники, существенно ограничивает возможности снижения себестоимости продукции лесной отрасли из-за высоких амортизационных отчислений в структуре производственных затрат. Кроме того указанная техника, запасные части к ней и расходные материалы в ряде случаев подпадают под санкционный режим, введенный против ряда отраслей промышленности России. В результате произошло снижение объемов машинной заготовки леса с 60% до 25%, что обусловило возврат к валке леса бензопилами [172].

Вместе с тем многие из этих проблемных вопросов вполне могли быть решены за счет организации внутрироссийского конкурентоспособного производства указанной техники. Однако решение этой проблемы существенно затруднено отсутствием организационно-технических возможностей изготовления конкурентоспособных образцов, прежде всего, из-за недостатка научно-инженерных основ обеспечения их надежности, требуемой эксплуатирующими организациями, особенно в части обеспечения работоспособности многочисленных триботехнических узлов рассматриваемых машин.

Для существенного увеличения безотказности и долговечности по показателям износостойкости многих ответственных деталей лесозаготовительных и деревоперерабатывающих машин необходимо выработать рекомендации по рациональному использованию перспективных инновационных разработок в области применения эффективных триботехнологий при создании и производстве техники, соответствующей общемировым стандартам и удовлетворяющей и опережающей современные

потребности промышленности. К таким требованиям относятся: расширение универсальности машин и увеличение времени их использования в течение года; повышение надежности и ремонтопригодности машин; минимизации расхода эксплуатационных материалов и запасных частей; снижение стоимости машины и критерия «цена/качество»; производительности и ряда других важных эксплуатационных параметров. А именно, металлоемкости конструкции, приспособленности к лесной среде, проходимости и маневренности и т.д. Решение указанных задач в существенной степени может быть достигнуто путем совершенствования технологий и систем машин, используемых для заготовки древесины и ее переработки в готовую продукцию.

При этом необходимо учитывать, что основными причинами производственных отказов лесозаготовительных и деревоперерабатывающих машин является предельный износ ответственных деталей и узлов. Такой характер основных отказов во многом обусловлен тем, что эксплуатация указанных машин и оборудования происходит в условиях действия динамических нагрузок, ударов, вибрации, в различном диапазоне температур, абразивных и активных сред. Все это в совокупности приводит к повышенной интенсивности изнашивания деталей и узлов исследуемых машин и оборудования, и как следствие к отказам рассматриваемой техники.

Износ приводит к увеличению зазоров взаимного расположения ответственных деталей, снижению технологической точности рабочих органов машин, нарушению герметичности соединений и узлов силовых гидравлических систем, увеличению рабочего давления, нагрузок и т.д. Это существенно увеличивает энергозатраты на выполнение технологических операций, снижает передаваемые усилия, и в конечном итоге приводит к потере производительности техники и безопасной ее эксплуатации.

Все это создает необходимость постановки и комплексного решения теоретических, методологических и экспериментальных задач повышения уровня работоспособности рассматриваемой техники, который может быть

достигнут путем оптимизации параметров состояния функциональных поверхностных слоев применительно к различным условиям эксплуатации исследуемых деталей и узлов, работающих в широких интервалах скоростей, температур, действующих нагрузок, вибраций, абразивных и активных сред.

Поэтому важным является научное обоснование и выработка требований к уровню параметров функциональных поверхностных слоев, поскольку от этого в значительной степени зависит долговечность и безотказность машин и технологического оборудования лесозаготовок и деревопереработки. При этом поставленные задачи формирования качества и работоспособности машин должны согласованно решаться на всех стадиях разработки, изготовления и применения по назначению рассматриваемой техники.

Таким образом, решение задач теоретико-экспериментального обоснования и производственной реализации перспективных путей конструкторско-технологического обеспечения и эксплуатационного сохранения требуемого уровня триботехнических показателей на всех стадиях жизненного цикла лесозаготовительных и деревоперерабатывающих машин актуально для обеспечения их надежности.

Актуальным для решения поставленных перспективных задач развития отрасли является формирование научно-интеллектуального фундамента для производства отечественных конкурентоспособных машин лесного комплекса, которое в настоящее время практически утрачено.

Наряду с вышеизложенным, важным является изыскание высокотехнологичной производственной базы для изготовления высококачественных опытных образцов машин, и последующего их серийного производства. Для решения таких задач в наибольшей степени соответствуют предприятия, относящиеся к сфере ВПК. В связи, с чем были проведены производственно-маркетинговые исследования, которые позволили определить возможное предприятие - изготовитель АО «Брянский автомобильный завод», входящий в корпорацию «Алмаз-Антей» и имеющий соответствующие производственные мощности, высвобождаемые в результате

ожидаемой конверсии производства. Актуальность и перспективность исследований по указанной тематике отмечена в протоколе заседания Межведомственного совета РАН, Минобрнауки и РосСНИО (Приложение1).

Настоящая диссертационная работа выполнена при поддержке грантов: «Исследование и создание узлов скольжения повышенной износостойкости на основе композиционных материалов» в рамках государственного задания Минобрнауки РФ, (проект № 9.10677.2018/11.12) на 2017-2020 гг. и №162 ФГБОУ ВО «Брянского государственного технического университета» на 2017-2019 гг.

Степень научной разработанности темы

Вопросы изучения условий функционирования и обеспечения надежности работы агрегатов и рабочих органов машин и оборудования лесного комплекса изложены в трудах многих отечественных и зарубежных ученых: В.В. Амалицкого, А.Е. Алексеева, В.А. Александрова, Э.Д. Авдеева, С.А. Воскресенского, В.М. Винокурова, К.Ф. Гороховского, К.И. Демьяновского, Е.Г. Есюнина, Г.А. Зотова, В.П. Ивановского, Ю.П. Иванищева, Н.А. Иванова, Н.В. Лившица, В.И. Мелехова, А.В. Моисеева, Е.А. Памфилова, Г.Ф. Прокофьева, П.Г. Пырикова, А.А. Санникова, В.И. Санева, М.Н. Симонова, А.И. Серебрянского, А.В. Скрыпникова, В.С. Сюнева, Д. Андерсена, В. Кая, М. Мейера, Д. Джонсона, Д. Харриса, М. Матуя и дргих ученых.

В части изучения проблемы повышения долговечности рассматриваемых машин существенный вклад внесен учеными -специалистами в сфере трибологии и триботехнологий, среди которых наибольший интерес представляют работы А.С. Ахматова, А.Ю. Албагачиева В.А. Белого, В.Ф. Безъязычного, Э.Д. Брауна, Л.И. Бершадского, И.А. Буяновского, В.В. Гриба, Д.Н. Гаркунова, Л.А. Галина, И.Г. Горячевой, Н.Б. Демкин, Ю.Н.Дроздова, С.М. Захарова, И.В. Крагельского, В.И. Колесникова, В.С. Комбалова, Б.И. Костецкого, Е.А. Памфилова, Ю.К. Машкова, Н.М. Михина, Н.К. Мышкина, Э.В., Рыжова, Ю.А., Розенберга, П.А. Ребиндера,

Г.М. Сорокина, А.Г. Суслова, И. Пригожина, Д.Н. Решетова, В.П. Тихомирова, М.М. Хрущова, А.В. Чичинадзе, В.В. Шульца, Х. Менга, Д.Мура, К. Фуллера, А. Тейбора, Е. Трента, Х. Чана и других отечественных и зарубежных ученых.

В то же время следует отметить недостаточность исследований применительно к трибосопряжениям машин лесного комплекса работающих в сложных условиях эксплуатации: динамических нагрузках, повышенной влажности, абразивного и коррозионно-механического воздействия, а также отсутствие достоверных инженерных методов оценки контактных и фрикционных характеристик, обусловливающих повышение надежной работы исследуемых узлов трения.

Цель и задачи исследования

Цель работы - повышение эксплуатационного ресурса, эффективности и надежности рабочих органов и трибосистем технологических машин лесного комплекса путем совершенствования технологии упрочнения и конструкции деталей ответственных узлов машин.

Достижение поставленной цели требует постановки и решения следующих основных задач:

1. Обосновать теоретические закономерности влияния внешних эксплуатационных факторов на износостойкость деталей ответственных узлов рабочих органов и трибосистем технологических машин лесного комплекса.

2. Обосновать рациональный подбор конструкционных материалов и разработать эффективную конструкцию рабочих элементов деталей ответственных узлов машин лесного комплекса.

3. Разработать комплексную методику экспериментальных исследований, воспроизводящую реальные условия работы деталей рабочих органов и трибосистем технологических машин лесного комплекса.

4. Обосновать влияние режимов физико-химической обработки рабочих поверхностей деталей ответственных узлов машин лесного комплекса на износостойкость и долговечность.

5. Провести экспериментальные исследования параметров и характеристик работоспособности конструкционных материалов и деталей триботехнических узлов машин лесного комплекса.

6. Провести технико-экономическую оценку применения в промышленности разработанных методов повышения ресурса и эффективности работы деталей ответственных узлов технологических машин лесного комплекса.

Предмет и объект исследования

Предметом исследования являются механизмы и рабочие детали ответственных узлов технологических машин лесного комплекса. Объектом исследования являются конструкция элементов рабочих деталей ответственных узлов технологических машин лесного комплекса, а также трибосистемы, работающие при динамических нагрузках в условиях низких температур, контактируя с химическими активными и абразивными средами.

Теоретико-методологическая основа исследования

Методы исследований основаны на классических закономерностях теории трения и изнашивания контактирующих поверхностей, их деградации под механическим воздействием, влиянием электрохимических и коррозионных сред, а также адаптационных и самоорганизующихся свойствах, обеспечивающих их износостойкость; имитационное моделирование процесса функционирования и износа элементов рабочих деталей и трибосистем ответственных узлов технологических машин лесного комплекса; методы системного анализа и теории исследования операций, натурные наблюдения и эксперимент. Обработка результатов производилась методами математической статистики: теория вероятностей, регрессионный и корреляционный анализы.

Научная новизна исследования

Результатами диссертационной работы, обладающими научной новизной, являются:

1. Методика исследования износостойкости рабочих элементов деталей ответственных узлов и трибосистем технологических машин лесного комплекса, отличающаяся возможностью моделирования процессов фрикционного взаимодействия контактных поверхностей деталей с древесиной.

2. Метод оптимизации физико-механических свойств элементов рабочих деталей ответственных узлов машин лесного комплекса, отличающийся совершенствованием качественных показателей рабочих органов за счет геометрической оптимизации и рациональной формы рабочих поверхностей.

3. Принцип моделирования реальных условий работы элементов рабочих деталей машин, отличающийся возможностью имитации процессов фрикционно-механического контакта, жидкостно-абразивного и коррозионно-механического изнашивания, а также микровыкрашивания.

4. Уникальные опоры скольжения трибосистем технологических машин лесного комплекса, отличающиеся повышенными антифрикционными и демпфирующими свойствами.

5. Способ герметизации неподвижных разъемных соединений гидросистемы, отличающийся защитой от фреттинг-коррозии за счет локализации микроперемещений деталей в объеме промежуточной уплотняющей среды.

6. Метод технико-экономической оценки повышения ресурса и эффективности функционирования деталей ответственных узлов технологических машин лесного комплекса, отличающийся возможностью корреляции качественных показателей надежности триботехнических узлов силовых элементов и неподвижных разъемных соединений гидрооборудования.

Научные результаты, выносимые на защиту

1. Методика исследования износостойкости элементов рабочих деталей ответственных узлов и трибосистем технологических машин лесного комплекса, позволяющая моделировать влияние внешних эксплуатационных

факторов на процесс фрикционного взаимодействия контактных поверхностей деталей рабочих органов машин с древесиной.

2. Способ оптимизации рациональной формы рабочих поверхностей деталей ответственных узлов технологических машин лесного комплекса, позволяющий совершенствовать и оптимизировать качественные показатели формы рабочих поверхностей подающих вальцов, при которой обеспечивается минимизация изнашивания.

3. Метод комплексной и дифференцированной расчетно-экспериментальной оценки износа деталей рабочих органов, позволяющий формировать рациональный уровень триботехнических параметров.

4. Методика моделирования режимов физико-химической обработки рабочих поверхностей деталей ответственных узлов технологических машин лесного комплекса, позволяющая качественно прогнозировать влияние процессов фрикционно-механического контакта, жидкостно-абразивного и коррозионно-механического изнашивания, а также микровыкрашивания на износостойкость и долговечность.

5. Способ герметизации неподвижных разъемных соединений гидросистем, позволяющий за счет локализации микроперемещений деталей в объеме промежуточной уплотняющей среды обеспечить герметичность и защиту от фреттинг-коррозии.

6. Метод технико-экономической оценки ресурса и эффективности деталей ответственных узлов технологических машин лесного комплекса, позволяющий совершенствовать качественные показатели надежности.

Теоретическая и практическая значимость

Значимость для науки: разработана общая методология формирования рационального уровня триботехнических параметров, расчетно-экспериментально определен вклад механической, химической и синергетической составляющих процессов в общую величину износа функциональных деталей, контактирующих с древесиной и ее компонентами.

Теоретическая значимость заключается в анализе результатов

проведенных исследований, позволивших выработать требования к материалам, геометрии функциональных поверхностей подающих и ножевых устройств, осуществить их лубрикацию, что обеспечило значительное повышение износостойкости опорных и функциональных узлов.

Практическая значимость работы. Предложенные на основе теоретико-экспериментальных работ рекомендации позволяют:

- моделировать процессы фрикционного взаимодействия контактных поверхностей деталей с древесиной, а также оценивать влияние эксплуатационных режимов и эффективность выполненных конструктивных и технологических решений в реальных условиях работы;

- совершенствовать качественные показатели рабочих органов за счет геометрической оптимизации и рациональной формы рабочих поверхностей, подающих вальцов;

- моделировать процессы фрикционно-механического контакта, жидкостно-абразивного и коррозионно-механического изнашивания, а также микровыкрашивания;

- сформировать научные основы расчета и проектирования оригинальных подшипников скольжения из армированных древесно-металлических материалов, обладающих высокими антифрикционными свойствами;

- совершенствовать конструкции неподвижных трибосопряжений и установить диапазоны режимов нанесения триботехнических покрытий, обеспечивающих повышение герметичности рабочих поверхностей и эффективные методы их защиты от фреттинг-коррозии.

- совершенствовать технико-экономическую оценку методики повышения ресурса и эффективности работы деталей ответственных узлов технологических машин лесного комплекса.

Апробация результатов исследования

Основные положения и результаты исследований докладывались, обсуждались и были одобрены на Международных научно-практических конференциях: «Автотракторостроение - 2009» (г. Москва, МГТУ «МАМИ» (октябрь 2009 г.); «Энергетика и энергоэффективность в условиях геостратегического развития и освоения Арктического региона» (г. Архангельск, апрель 2011 г.); «Обеспечение экологической безопасности путем создания наукоемких технических средств и технологий в лесном комплексе» (г. Воронеж, март 2015г.); Трибология - машиностроению» (г. Москва, ИМАШ РАН, ноябрь 2016, 2018 годов); «Актуальные проблемы лесного комплекса» и «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2008-2019 гг.); «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении» (г. Москва, ИМАШ РАН, ноябрь 2017 г.). «Проблемы механики современных машин» Россия, г. Улан-Удэ, июнь 2018 г. На Всероссийских научно-технических конференциях: «Наука и техника: новые вызовы и решения» (г. Воронеж, декабрь 2015г.); «Современные ресурсосберегающие технологии и технические средства лесного комплекса» (г. Воронеж, ноябрь 2018 г.); «Современная техника и технологии: проблемы, состояние и перспективы» (г. Рубцовск, октябрь 2017 г.); Научные чтения им. чл.-корр. РАН И.А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов» (г. Москва, ИМЕТ РАН, сентябрь 2018 г.); XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (г. Уфа, август 2019 г) и др.

Реализация работы. Основные научные разработки внедрены: ОАО «Брянский завод мебельных деталей» (город Брянск, 2004 г., для повышения износостойкости деталей подающих устройств лесопильного оборудования; для определения износостойкости формоизмененных рабочих элементов подающих вальцов лесопильных рам), ОАО «Брянскмебель» (город Брянск, 2010 г., для использования подшипников скольжения с вкладышами из древесно-металлических композиционных материалов), ООО «Дятьково-ДОЗ»

(Брянская область, Дятьковский район, город Дятьково, 2012 г., для испытания опытных образцов разъемных соединений гидравлических систем), ЗАО «Брянский арсенал» (город Брянск, 2012 г., для испытания опытных образцов неподвижных разъёмных соединений гидравлических систем), ООО «Дятьково-ДОЗ» (Брянская область, Дятьковский район, город Дятьково, 2014 г., для внедрения технологии восстановления ножевых валов стружечных станков) и др. Чистый дисконтированный доход от использования рекомендаций в ценах по состоянию на 01.06.2017 г. и составляет суммарно по всем разработкам 32,21 млн. рублей.

Личное участие автора

Личный вклад соискателя заключается в глубоком анализе теории и реального уровня лесозаготовительной и деревообрабатывающей техники, позволивших корректно сформулировать общую цель и задачи исследований. Спроектированные соискателем экспериментальные установки обеспечили изучение многофакторных синергетических и электрохимических механизмов изнашивания и разработку конструкторско-технологических мероприятий по решению поставленных задач. Итоги работы полностью освещены в публикациях, прошли апробацию на всероссийских и международных научных конференциях и позволили получить экономический эффект 4,77 млн. рублей.

Публикации

Содержание диссертации полностью отражено в 70 печатных работах, в том числе 13 статей в журналах из Перечня ВАК Минобрнауки России, 10 - в научных журналах, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus, 2 монографиях, 39 публикаций в сборниках материалов международных и всероссийских конференций, 6 патентах РФ. Основное содержание диссертации достаточно полно опубликовано в печатных работах общим объемом 27,55 печатных листов, из них 18,68 авторских печатных листов. В опубликованных работах автору принадлежат идеи, теоретический и экспериментальный материал, выводы.

Соответствие диссертации паспортам научных специальностей

Диссертация соответствует специальности научных работников: 05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства» по следующим пунктам:

4. Исследование условий функционирования машин и оборудования, агрегатов, рабочих органов, средств управления.

8. Обоснование технологий и оборудования лесообрабатывающих производств на лесопромышленных и лесохозяйственных предприятиях.

11. Исследование надежности машин и технологического оборудования с целью обоснования нормативов их безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости;

Одновременно существенная часть выполненных разработок соответствует паспарту научной специальности 05.21.05 - «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки» по следующим пунктам:

8. Разработка методов повышения надежности и эффективности функционирования производственных процессов, использования агрегатов, звеньев, технологических комплексов и поточных линий.

13. Исследование и разработка технологии и средств восстановления и упрочнения изношенных деталей.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из 374 страниц машинописного текста и включает в себя введение, девять глав, заключение и общие выводы, библиографический список из 263 наименований 2 приложений, в том числе 37 таблиц и 136 рисунков. Основное содержание изложено на 325 страницах.

1 МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛЕСОЗАГОТОВОК И ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСНОГО СЫРЬЯ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ

ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

В настоящей главе представлены особенности функционирования базовых рабочих органов машин лесного комплекса, оцениваются отдельные и комплексные показатели их работоспособности, от которых в существенной мере зависят долговечность рассматриваемой техники и эффективность выполняемых работ. Здесь же анализируются причины недостаточной работоспособности основных узлов, выявляются возможные пути ее повышения. В том числе определяются эффективные методы увеличения износостойкости, как одной из основных эксплуатационных характеристик. По результатам аналитического обзора формируются цель и задачи предстоящих исследований.

При этом имеется в виду, что лесозаготовительная и деревоперерабатывающая отрасли представляют разветвленную систему, для которой характерны географическая разобщенность предприятий, многие из которых расположены в труднодоступных районах; сезонный характер лесозаготовок и т.д. В своей совокупности предприятия лесного комплекса обеспечивают выполнение широкого перечня работ, осуществляемых с использованием разнообразных машин и оборудования, начиная от ручного инструмента до сложнейших роботизированных систем [7, 81]. Основные виды машин и оборудования, используемые для заготовки и переработки древесины, схематично представлены на рисунке 1.1.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Пилюшина Галина Анатольевна, 2020 год

И - Я

Р

аНВАс1т у

(5.8)

где Ас - контурная площадь поверхности; а - коэффициент, а =1/2 - упругий контакт, а =1 - пластичный контакт; 1т, V - параметры опорной кривой [200].

Фактическая площадь контакта при данной нагрузке определяется в зависимости от уровня деформации.

Фактическая площадь контакта [178]:

А - Рр

Рг

(5.9)

где рг - фактическое давление, рг = НВ при насыщенном контакте; Р -прилагаемая нагрузка.

Сближение поверхностей при насыщенном контакте:

И - Я

Г Л1^ Рс

V Рг ^т J

(5.10)

где Р - прилагаемая нагрузка, Р - РсАс; рс - контурное давление; Ас -контурная площадь

1

Сближение стыка необходимо прогнозировать с учетом волнистости, шероховатости, погрешностей формы и пористости поверхностей деталей соединения.

Учитывая выражение 5.8, 5.9, 5.10 объем материала необходимого для заполнения деформированных поверхностей соединения [190]:

V = ЯЛ

1 -

с Л1^'

Рс

КМ Рг 1т у

(5.11)

Для конических или овальных поверхностей с учетом пористости объем

материала:

V

ж

^I й 2

4

т ■ а

(5.12)

где й1 - диаметр детали без погрешности формы; й2 - диаметр детали с погрешностью формы; т - пористость материала детали; а - ширина контакта.

Из контактной задачи Герца [188]: а « / с12К

Тогда:

V =

ж

а 2 - а2

4

й2Н ■

т

(5.13)

На основе фрактальных представлений пористость материала [185]:

2-0

т

= © " , (5.")

где ¡о -размер пор, I -длина в направлении течения рабочей среды, Б -фрактальная размерность профиля (1<Б< 2).

С учетом выражения (5.14) формула (5.13) примет вид:

ж

а| а 2

4

й2И ■

¡0

К I У

(5.15)

Таким образом, из формулы 5.15 находим объем материала для заполнения возможных пустот деформированного стыка и обеспечить герметичность соединения.

Материал для герметизации стыка целесообразно наносить на поверхности деталей неподвижного соединения. Согласно работам [23,18,39,80 и др.] прочное сцепление основного металла с материалом покрытия достигается за счет действия сил адгезии (металлической связи) вследствие диффузии в пределах контактного слоя.

Покрытия могут создаваться различными способами: электролитическим осаждением; распылением; металлизацией или (ФАБО) финишной антифрикционной безабразивной обработкой (таблица 5.3). Следует отметить относительную простоту и эффективность использования метода финишной антифрикционной безабразивной обработки и газоплазменной пульверизации для нанесения аморфных функциональных покрытий [128].

Таблица 5.3 - Способы нанесения металлических покрытий на стыки соединения

Способы создания покрытий Металлы и сплавы для покрытий

Электролитическое осаждение Металлы: хром, никель, цинк, кадмий, медь, свинец, олово. Сплавы: №-8п, №-Со, Сг-№, бронза

Газплазменное распыление Металлы: алюминий, олово, медь, свинец, хром, цинк Сплавы: латунь

Химическая металлизация Металлы: никель, цинк, медь, кобальт, сурьма, олово

Вакуумная металлизация на холодной подложке Металлы: алюминий, кадмий, хром, цинк, медь, олово, титан. Сплавы: гп-Л1, РЪ-2п, РЪ-Са, Бе-Мп-№, №-Бе-Сг и др.

ФАБО Металлы: медь Сплавы: бронза, латунь

Немаловажным фактором является аморфное состояние получаемых слоев, которые должны обеспечить в процессе эксплуатации соединения явление внутреннего трения. Наиболее приемлемым из имеющихся способов (таблица 5.4) создания аморфных покрытий является химическое и электрохимическое осаждение. Преимуществом химического осаждения

является технологичность и доступность материалов для нанесения покрытий толщиной 2 .. .10 мкм и более.

Таблица 5.4 - Диффузионные покрытия на металлической подложке

Методы формирования покрытий Металлы и сплавы

Плакирование, в том числе детонационным способом Металлы: медь, алюминий, никель. Сплавы: бронза, латунь, нержавеющая сталь

Плазменное напыление Металлы: вольфрам, молибден, никель, алюминий, хром

Погружение в расплав металлов Металлы: цинк, олово, алюминий, свинец

Электрофорез Металлы: вольфрам, молибден, алюминий, хром, медь

Вакуумная металлизация на нагретой подложке Металлы: хром, титан, алюминий Оксиды: (Л12О3), (2г02) и др.

Электролитические покрытия с последующей термообработкой Металлы: хром, цинк, алюминий, кадмий, никель

Осаждение чистых металлов из карбонильных соединений в газовой фазе Металлы: хром, кобальт, никель, вольфрам молибден, тантал и др.

Диффузионная металлизация Металлы: олово, цинк, алюминий, вольфрам, молибден, хром, никель, ниобий. Сплавы: Сг-Л1, Л1-Сг-81, П-Сг^ и др.

Равномерность покрытия по всей поверхности химического осаждения достигается мелкокристаллическим строением материала и низкой пористостью, что обеспечивает малую дефектностью получаемой структуры. Однако это затрудняет аморфизацию покрытия. В качестве материала покрытия рекомендуется медь и ее сплавы, наносимые электрохимическим способом. Перспективно латунирование функциональных поверхностей.

Для создания защитно-герметизирующего слоя в стыке неподвижного разъемного соединения предложена новая схема формирования промежуточного покрытия [125], технология формирования которого приведены на рисунке 5.3.

Формирование газотермического и химического покрытия, наносимых на стыки соединения, осуществляется за счет действия достаточно прочных адгезионных связей, которые препятствуют срыву покрытия с материала

подложки при приложении смещающей или вибрационной нагрузки. При этом все относительные микроперемещения реализуются во внутреннем промежуточном слое соединения.

Зона химической металлизации,

Приработка промежуточного слоя:

1 - возвратно-вращательное движение;

2 - колебательные движения;

^ 2 3 - осевая нагрузка

Рисунок 5.3 - Технологическая схема создания герметизирующего и износостойкого стыка: 8 -толщина покрытия

Технологический процесс формирования промежуточного слоя разъемного соединения происходит в четыре этапа [128]. На первом этапе выполняется нанесение газотермического медного покрытия на предварительно нагретую поверхность штуцера (350-400°С) на расстоянии

100-150 мм от сопла технологической установки до обрабатываемой поверхности и температуре распыления 1050-1100°С, толщиной 8-10 мкм.

На втором этапе на поверхность ниппеля химическим осаждением наносится слой меди толщиной 2-4 мкм. Для чего стыковую часть ниппеля помещают в специальную ванну, заполненную раствором сернокислой меди (10г/л) и серной кислоты (10г/л) и выдерживают при температуре 15-25°С. Скорость наращивания меди составляет ~ 10 мкм/ч.

Третий этап создания промежуточного слоя заключается в технологической приработке деталей соединения с режимами: осевая нагрузка 30Н, технологическая смесь: 90% глицерин, 10% уксусная ледяная кислота, возвратно-вращательное движение 3-5 оборотов в каждую сторону, осциллирующее движение под углом 3-5° с частотой 10Гц.

На четвертом этапе на одну из деталей соединения наносится специальный лабиринтный микрорельеф высотой микронеровностей 20-30 мкм и шагом 0,2-0,3 мм.

Выполнение указанной технологической приработки позволяет достичь прочности сцепления материала покрытия с подложкой и обеспечить последующую трансформацию его структуры в процессе эксплуатации.

Кроме предложенного, рассматривался вариант создания защитно-герметизирующего покрытия методом финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО) на одной из рабочих поверхностей соединения, например, на охватывающей поверхности штуцера. Сущность метода ФАБО заключается в нанесении путем фрикционного контакта медесодержащего сплава, например, латуни Л-62 на поверхность детали. Для интенсификации процесса покрытия в зону трения обрабатываемой детали и латунного прутка подается активирующая среда, того же состава, как в предыдущем способе. Ширина нанесения покрытия равна контактной зоны деталей соединения и составляет 5 мм, толщина наносимого покрытия определяется диаметром используемого технологического прутка.

5.4 Повышение износостойкости ножей сучкорезных устройств электроискровым и электродеформационным упрочнением

По результатам наших исследований установлено, что одним из перспективных путей повышения износостойкости ножевых устройств, для срезания суков со стволов заготавливаемых деревьев является электроискровое упрочнение или совмещение его с одновременным или последовательным деформированием поверхностных слоев. Это касается, прежде всего, поверхностного насыщения упрочняемых слоев высокотвердыми карбидообразующими элементами, осуществляемого следующим образом. Для этого упрочняемые поверхности обезжиривают и подвергают электроискровому легированию поочередно электродами из хрома, молибдена и вольфрама с продолжительностью обработки, соответствующей условию (3-4):(1-3):(1-2) [105], с дополнительным введением в зону фрикционного контактирования медной составляющей, позволяющей минимизировать процесс водородного изнашивания, а также для создания благоприятного уровня микрогеометрии, остаточных напряжений и степени упрочнения. Легирование осуществлялось на установке ЭФИ-46А при силе тока короткого замыкания I Кз3= 3,8 - 4,0 А. После легирования выполняют деформирование гибкими щетками с нормальной нагрузкой 10-15 Н на величину 0,1 - 0,2 мм. Общая глубина легирования составляла 0,2-0,3 мм.

В результате можно полагать, что эффективность такой комплексной электроискровой обработки достигается в случае выполнения деформирующего воздействия сразу после электроискрового разряда, пока обрабатываемый участок поверхности находится в разогретом состоянии. Однако разделение по времени электроискрового и деформирующего воздействия может быть использовано весьма эффективным. Предложены комбинированные процессы обработки, сочетающие электроискровое воздействие и деформационное упрочнение обрабатываемых поверхностей [22], что позволяет одновременно с достижением высокого упрочнения,

снижать шероховатость и переформировывать остаточные напряжения растяжения, в благоприятные напряжения сжатия, обеспечивая высокую износостойкость режущих элементов.

Одним из вариантов реализации предложенной схемы (рисунок 5.5) является обработка с помощью эксцентрично установленного вращающегося электрода.

Разряд при замыкании цепи Ударное деформирование Разряд при размыкании цепи

поверхности при механическом воздействии электродом

Рисунок 5.5 - Обработка эксцентрично установленным роликом

Колебательное перемещение относительно упрочняемой поверхности позволяет осуществлять одновременно электроискровую обработку и деформирование поверхности. Такая обработка может осуществляться методом электроискрового упрочнения вращающимся диском-электродом и пластическим деформированием роликами [14] (рис. 5.6).

Ролики являются катодом и при контакте с обрабатываемой поверхностью замыкают и размыкают цепь. При этом осуществляют деформирование поверхностного слоя. Во время движения ролика возможно разбрызгивание металла, поэтому могут образоваться вмятины или борозды.

Последующий электроискровой разряд при замыкании цепи анод-катод обеспечивает перенос легирующего материала, выравнивание обрабатываемой поверхности электродом, что существенно снижает шероховатость. При замыкании цепи анодом-катодом, легирующий расплав удерживается электрическим полем в процессе обработки.

Рисунок 5.6 - Обработка электродом с деформирующими роликами

Скорость вращения диска-электрода, которая обеспечивает постепенное затвердевание расплава при контакте обрабатываемой поверхности с диском-электродом и окончательное затвердевание в процессе прохода роликом может быть определена экспериментально. Это позволяет формировать упрочненный слой за один полный цикл и наращивать толщину за последующие циклы.

В связи с тем, что при выполнении электроискровой обработки за счет электроискрового разряда происходит разогрев и оплавление локальных зон, деформирование микрообъема материала можно осуществлять при температурах, соответствующих низкотемпературной термомеханической обработке и высокотемпературной термомеханической обработке. В этом случае термоциклическая обработка позволяет из деформированного аустенитного зерна получить мелкозернистую структуру мартенсита, что повышает прочность на 10-20%, и ударную вязкость в 1,5 - 2 раза [27, 165, 192].

При выборе режимов электродеформационной обработки следует иметь ввиду, что промежуток времени между разрядом и деформационным упрочнением должен обеспечить охлаждение до требуемой температуры деформирования, для чего необходимо знать скорость охлаждения микрообъемов материала после локального нагрева.

Скорость охлаждения поверхности после окончания действия электроискрового импульса может быть рассчитана по формуле [20]:

до

Уг =

(я-тк) (5Л7)

фтЛСр

где д0 — максимальное значение плотности потока подводимой энергии, умноженное на поглощательную способность обрабатываемой поверхности; X - теплопроводность обрабатываемого материала; Ср - объемная теплоемкость обрабатываемого материала; - длительность электрического разряда; t -время окончания действия электрического разряда.

Зная требуемую температуру нагрева при электроискровом упрочнении и температуру, при которой целесообразно вести пластическое деформирование микрообъема Тдеф., а также некоторую среднюю скорость охлаждения поверхности после электроискрового разряда, можно рассчитать время между упрочняющим разрядом и деформирующем воздействии по формуле:

г = Тнагр~Тдеф- (5.18)

Ус v 7

В то же время его значение может быть рассчитано:

КА

гТ = — (5.19)

1 Ы-п у 7

где N - частота вращения упрочняющего электрода; п - количество деформирующих элементов; - коэффициент зависящий от вылета деформирующего ролика над поверхностью электрода.

Приравнивая формулы (5.15) и (5.14) и подставляя (5.13), получим:

П (Тнагр -Т деф.)/^Ср^^ л/-^) ' ^ ' )

Отсюда, располагая данными о скоростных возможностях электродной головки, можно варьируя значениями N и п управлять сочетанием этих режимов для достижения необходимого теплового режима обработки.

Кроме того, важными характеристиками, определяющими результаты такого упрочнения, являются поперечные радиусы электрода и деформирующего элемента (Яэ и Яд), скорость вращения упрочняющей головки и усилие ее прижима к обрабатываемой поверхности. Однако влияние этих факторов весьма сложно поддается предварительной оценке, поэтому определение их оптимальных значений предполагается выполнить экспериментальным путем в процессе дальнейших исследований.

5.5 Выводы

1. Для обеспечения повышенной работоспособности подающих вальцов лесозаготовительных и деревоперерабатывающих машин обоснована целесообразность и установлены режимы выполнения объемной изотермической поверхностной обработки стальных и чугунных заготовок подающих вальцов для получения в поверхностном слое деталей мартенситной структуры для высоколегированной хромоникелевой стали и аустенитно - мартенситной структуры со сферическими включениями графита - у чугунов.

2. В качестве альтернативного вида поверхностной упрочняющей обработки подающих вальцов, предложено выполнение и обоснованы ее режимы поверхностной деформирующей обработки металлическими щетками.

3. Для создания защитных герметизирующих слоев предложены зависимости, позволяющие определить объем герметизирующего материала, добавляемого в контактную зону соединения.

4. Обоснована технология формирования промежуточного протекторного слоя, позволяющего обеспечить герметичность соединения и защиту поверхностей стыка от развития фреттинг-коррозии за счет оптимизации условий фрикционного контакта, локализации микроперемещений деталей и реализации процессов внутреннего трения в объеме уплотняющей среды.

5. Формирование покрытия неподвижного разъемного соединения для образования сервовитной пленки предложено осуществлять путем нанесения газотермического напыления на охватывающую деталь и химического осаждения на охватываемую деталь, с последующей их технологической приработкой в смеси из глицерина и ледяной уксусной кислоты в соотношении 9:1.

6. Для формирования оптимальных физико-механических характеристик сучкорезных ножей предложено деформационное упрочнение, позволяющее снижать шероховатость обрабатываемых поверхностей и сформировывать благоприятные напряжения сжатия, обеспечивая тем самым высокую износостойкость режущих элементов.

6. МЕТОДОЛОГИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для подтверждения корректности теоретического обоснования механизма и закономерностей протекания изнашивания деталей и узлов оборудования лесного комплекса, целесообразности назначения материалов, а также способов повышения их работоспособности были выбраны известные и разработаны новые методические основы выполнения соответствующих лабораторных и натурных исследований.

В соответствие с вышеизложенным было принято необходимым проведение следующих экспериментальных испытаний:

- исследование особенностей фрикционного контактирования и изнашивания при технологическом взаимодействии рабочих элементов подающих вальцов с древесным материалом;

- исследование коррозионно-механического изнашивания конструкционных материалов при фрикционном взаимодействии с древесиной;

- определение теплофизических и триботехнических параметров исследуемых материалов;

- исследование контактных характеристик неподвижных герметизирующих соединений гидравлических систем и их износостойкости;

- исследование состояния поверхностных слоев деталей, условий их формирования и характера внешнего воздействия на сопротивление изнашиванию в различных условиях нагружения.

Для реализации указанных исследований разрабатывались методики проведения испытаний, подбиралась, создавалась или модернизировалась испытательная техника, определялись методы оценки получаемых результатов. Для обоснования целесообразности их использования выполнен анализ и разработаны пути их адаптации к условиям эксплуатации рассматриваемых деталей и узлов машин лесного комплекса.

6.1 Исследование особенностей фрикционно-механического контактирования и изнашивания рабочих элементов подающих вальцов при технологическом взаимодействии с древесиной

Фрикционно-механический контакт рабочих элементов подающих вальцов протаскивающего механизма происходит при взаимодействии с древесиной при ее технологической обработке. При этом работоспособность вальцового подающего (протаскивающего) механизма характеризуется надежным сцеплением шипов с древесиной, которое определяется состоянием шипов, осуществляющих захват, удержание и подачу заготовок к механизму резания. Это состояние определяется параметрами шипов, которые изменяются в процессе работы механизма подачи вследствие изнашивания. Величину сцепления планируется оценивать при проведении описываемой серии испытаний.

Указанные испытания выполнялись по схеме, приведенной на рисунке 6.1, согласно которой исследуемый образец, воспроизводящий форму шипа, перемещается по круговой траектории, входит в зацепление с древесным контробразцом и заглубляется в него. Волокна древесины, сопротивляясь внедрению шипа, создают давление на вершину и образующие ее грани, препятствуя заглублению. Максимальное заглубление шипа в тело контробразца соответствует положению б на рисунке 6.1. При этом шип поступательно перемещает древесный контробразец в осевом направлении. Перемещаясь по круговой траектории, шип выходит из зацепления с контробразцом (рис.6.1, в). Затем процесс многократно повторяется.

Согласно принятой схеме длина перемещения контробразца в течение однократного акта взаимодействия определяется из следующей зависимости:

* = ^, (6.1)

где Я - радиус подающего вальца, мм; а - угол контакта шипа с контробразцом, рад., X - коэффициент учитывающий необходимость задания

зон захода и выхода исследуемых образцов при взаимодействии их с контробразцом.

Рисунок 6.1- Схема испытаний на изнашивание при фрикционно-механическом контакте и динамика изменения степени заглубления шипа в перемещаемом материале: а - начало контакта, б - максимальное заглубление, в - выход из контакта; 1 - исследуемый образец, 2 -древесная заготовка

Угол поворота шипа при исследовании определяется максимальной величиной его заглубления И в тело контробразца и вычисляется с помощью приводимой ниже зависимости:

„а Я - к

Со* у = —, (6.2)

Для проведения указанных испытаний была модернизирована установка [112]. Схема предложенного нами исполнительного узла установки, реализующей предложенный способ испытаний, представлена на рисунке 6.2.

Исследование сцепления на указанной установке выполнялось путем задания образцам вращательного движения и контактирования с периодически поворачивающимся цилиндрическим контобразцом. Исследуемые шипы 1 вращаясь по окружности поочередно находились в контакте с древесным контробразцом 3 и смещали его, сжимая пружину 2. При выходе шипа из зацепления контробразец возвращался в исходное положение. Затем процесс повторялся. Если стабильный контакт образца с древесиной нарушался, происходил срыв образца, что позволяло оценить коэффициент сцепления. Смещение контробразца записывалось на миллиметровой бумаге

специального валика. Чтобы обеспечить контакт образца но новой поверхности, контробразец поворачивался на 2°.

Условие перемещения контрольного образца исследуемым шипом:

Ртяг>Ъ ¥ «,,> (6.3)

где Етяг - тяговое усилие; 'соп. - суммарное сопротивление сил перемещению.

Рисунок 6.2 - Схема исследований фрикционно-механического сцепления: 1 -исследуемый образец; 2 - пружина; 3 -контрольный образец; 4 - самописец

Находим тяговое усилие шипа [125]:

Ртяг =МРПр, (6.4)

где Рпр - сила прижима шипа к контробразцу, Н; ц - коэффициент сцепления шипа с древесиной, ц max =1.

Подбор пружины осуществлялся с учетом условия:

YF = xc, (6.5)

¿-^ соп. ' v '

где с - жесткость пружины, Н/мм; х - величина деформации пружины, мм.

При эксплуатации подающего (протаскивающего) механизма тяговое усилие вальцов должно превышать в 1,3.1,5 раз суммарное сопротивления сил резания и трения. С учетом этого условия жесткость пружины установки:

с =

» Р

пр

3 х

(6.6)

Испытания выполнялись на базе модернизированной ранее установки [98]. Кинематическая схема привода установки для исследования фрикционно-механического сцепления и ее общий вид показаны на рисунках 6.3 и 6.4.

Рисунок 6.3 - Кинематическая схема привода установки для исследования фрикционно-механического контакта: 1- электродвигатель; 2, 4, 15 - муфты; 3 и 14 - редукторы, 5 -цепная передача; 6 - зубчатая коническая передача; 7- цилиндрическая зубчатая передача; 8, 9, 10,11,12, 13 - элементы механизма дискретного поворота; 16 - вал установки контрообразца; 17 - контробразец; 18 - пружина; 19 - крестовина для установки образцов; 21- цилиндрический редуктор

Работа установки осуществляется от электродвигателя 1 через муфту 2, редукторы 21 и 3. Крутящий момент с редуктора 3 и кулачковую муфту 4 передается на звездочку цепной передачи 5 на шестерню 6. С помощью зубчатой конической передачи вращается крестовина 19, с исследуемыми образцами с частотой 3,9 об/мин. Контробразец 17 поворачивается через кулачок 8, храповое колесо 10, редуктор 14 и вал 16 на угол равный 2°, который задается с помощью храпового механизма.

Рисунок 6.4 - Общий вид установки для исследования фрикционно-механического контакта с древесиной

Для сравнительной оценки смещения контробразца шипом предложен коэффициент фрикционно-механического сцепления к:

х

к

- , (6.7)

в у у

где х - величина деформации пружины, мм; в -длина контактной зоны шипа с контробразцом, мм.

По величине коэффициента к устанавливались зависимости влияния геометрической формы и степени изношенности образцов на фрикционно-механическое сцепление с древесиной в различных условиях. Для этого была разработана особая методика [106] исследования закономерностей контактирования шиповых устройств с древесиной при низких температурах.

В процессе указанных исследований осуществлялось фрикционно-механическое взаимодействие с контробразцом, охлажденным до температуры -20°С. Температура испытаний поддерживалась постоянной за счет подачи паров жидкого азота. Их температура в теплоизолирующем кожухе была на 5-15К ниже принятой для данного испытания. Отклонение температуры поверхности контрообразца от номинального значения не допускалось более

5К. Исходное охлаждение контробразца до заданного значения низких температур проводилось в термокамере ТУ - 1000. Контроль температуры охлажденного контробразца на работающей установке проводился каждые 10 минут. Показания термопар регистрировались с помощью потенциометра ПРС- 49.

Исследуемые образцы, имеющие различную геометрическую форму и упрочняющую обработку, представлены на рисунке 6.5.

а)

Рисунок 6.5 - Образцы для исследования: а - трехгранная пирамида; б - четырехгранная пирамида; в - расчетная формой боковых поверхностей; г - элипсоидный образец.

6.2 Методика исследований изнашивания в условиях жидкостно-

абразивной среды

К числу наиболее распространенных негативных условий эксплуатации ряда ответственных деталей машин лесного комплекса является наличие абразивных загрязнений, вносимых в зону фрикционного контакта с помощью различных сред. Как правило, такими средами являются рабочие жидкости гидросистем, жидкостные среды, формируемые при переработке древесного сырья и т.д. Для исследования изнашивания в указанных условиях была принята схема испытаний при трении с участием возобновляемых жидкостно-абразивных сред. Схемы таких испытаний приведены на рисунке 6.6 [196].

Изнашивание образца осуществлялось вращающимся контробразцом, в зону контакта которых подавалась смесь абразива и жидкости. Контробразцы имели различную геометрическую форму в зависимости от характера испытаний. Для подающих вальцов образцы имели форму шипов, а поддерживающие валики имели цилиндрическую форму. Абразивным материалом служил кварцевый песок размером 0,05 до 0,1 мм и объемной концентрацией в суспензии 5 ± 0,15%, что обеспечивало подачу 80-100 частиц абразива на 1см2 поверхности трения контрольного образца.

Для изнашивающей смеси применялись различные жидкости: минеральные масла, кислоты «искусственного» и «естественного» происхождения, древесный сок и т.п. В частности, при испытаниях материалов контактирующих с древесиной, использовалась смесь уксусной кислоты СН3СООН с ацетатом натрия №СН3СОО с рН = 3,5; 4,3; 5,3; 6,5, что соответствует диапазону кислотности многих пород древесины, а также водный раствор [145], с рН=4,3..5,7. максимально приближенный по свойствам к химическому составу древесного сока. Кислотность электролита определялась иономером И-160МИ.

Для исследования изнашивания в указанных условиях была модернизирована установка [112], представленная на рисунках 6.7, 6.8.

Удаление

остаточного

слоя

а)

Жидко стно-

абразивная

суспензия

Смазка или жидкостно-абразивная суспензия

б)

2

\ Л*' 1

\

1

1- исследуемый образец, 2 -контробразец

Рисунок 6.6 - Схема испытаний на изнашивание смесью абразива и жидкости: а) шипы подающих вальцов; б) поддерживающие валики

Рисунок 6.7 - Схема установки:1- электродвигатель, 2 и 4- клиноременные передачи, 3-редуктор, 5-шкив ременной передачи, 6- изнашивающий контробразец, 7- исследуемый образец, 8- патрон, 9- оправка, 10- пневмоцилиндр, 11- поршень, 12- манометр

1

£ £. о•9*

Рисунок 6.8 - Общий вид установки

Установка работает от электродвигателя 1 мощностью 1,7 кВт с частотой 1420 об/мин. Крутящий момент передается через клиноременные передачи 2,4, червячный редуктор 3 на изнашивающий диск 6. Изнашиваемый образец 7 закреплен в оправке 9, расположенной на станине. Нагрузка на образец контролируется манометром 12. Смесь жидкости с абразивом подается в зону трения с помощью специального устройства [194] (рисунок 6.9). Управление подачей смеси представлено на схеме (рисунок 6.10).

В корпусе дозатора находится жидкость с абразивом. В нижней части корпуса установлена перегородка 12, в которую подается сжатый воздух для перемешивания суспензии. Для подачи смеси абразива с жидкостью в токовую катушку 8 электромагнита 7 подается импульс. Якорь 9, притягивается к неподвижной части магнита, поднимая клапаны 4. Через открытые отверстия насадок 3 суспензия подается в зону трения. Продолжительность импульса тока и величина подачи суспензии контролируется реле времени. Дозатор обеспечивал подачу суспензии от 0,05 до 6 мл/мин с абразивом от 0,05 до10 % с допустимой погрешностью не более 2 %.

Рисунок 6.9 - Схема дозатора: 1 - корпус дозатора; 2 - трубка; 3 - насадка; 4 - клапан; 5 -толкатель; 6 - пружина; 7 -неподвижная часть электромагнита; 8 - токовая катушка; 9 -электромагнит; 10 -жидкость с абразивом; 11 - сжатый воздух; 12 -перегородка; 13 -полость

ъ

Рисунок 6.10 - Схема управления дозатором: 1- электромагнит; 2- дозатор; 3-трансформатор; 4- выпрямитель тока; 5- электродвигатель; 6 - размыкающий диск; 7-выключатель

Для реализации динамических нагрузок использовались методы исследования изнашивания в условиях действия циклических и ударных

нагрузок. Усилие прижима образцов в каждом из вариантов нагружения, представлены на рисунке 6.11. Значение приложения силы при плавно изменяющейся нагрузке от 0 до 40 Н. Энергия удара при испытаниях равна 0,6 Дж.

а)

б)

в)

Рисунок 6.11 - Силы, прилагаемые на образец: а) при постоянной нагрузке, б) при циклическом нагружении, в) при ударной нагрузке

В сериях испытаний при циклических и ударных нагрузках использовались апробированные и усовершенствованные нами методики испытаний [103, 151].

6.3 Методика исследования коррозионно-механического изнашивания деталей при фрикционном взаимодействии с древесиной

Протекание коррозионно-механического изнашивания деталей оборудования лесного комплекса в процессе фрикционного взаимодействия с древесиной во многом определяется совокупностью механических и химических явлений. Поэтому целью, описываемых в настоящем параграфе исследований, было установление особенностей изнашивания в различных условиях эксплуатации и выявления наиболее значимых параметров, оказывающих влияние на износ.

Для выявления показателей коррозионно-механического изнашивания необходима оценка влияния на износ как механических, так и химических параметров. При проведении указанной серии исследований ставилась задача

как совместной, так и дифференцированной оценки механической, коррозионной и синергетической составляющих коррозионно-механического процесса изнашивания. Основой методики, реализуемой в настоящей работе послужил стандарт США ASTM G119 «Guide for Determining Synergism Between Wear and Corrosion» [260].

Согласно указанному стандарту и некоторым его усовершенствованиям, выполненным в лаборатории «Инженерия материалов и адаптивных технологий» Брянского государственного технического университета [145], для изучения трибокоррозионного явления в принятых условиях было необходимо, чтобы исследуемый образец подвергался одновременно трибологическим и коррозионным испытаниям [255].

Для проведения этих испытаний была принята схема, представленная на рисунке 6.12. При разработке методики исследований устанавливались следующие требования, позволяющие обеспечить корректность получаемых экспериментальных данных:

1. При испытаниях зона контакта полностью погружаться в раствор электролита.

2. Образец закреплен неподвижно, а контробразец вращается сверху исследуемого образца.

3. Образец подключен к потенциостату и служит рабочим электродом, для чего предусмотрено наличие вспомогательного и противоэлектрода, которые позволяют регламентировать протекание электрохимических процессов при проведении экспериментов.

4. Материал контробразцов - диэлектрик, чтобы исключить гальваническую связь между образцом и контробразцом.

5. Держатель контробразца не должен проводить электричество между электролитом и аппаратурой.

Для реализации предложенной схемы испытаний была разработана опытная экспериментальная установка (рисунок 6.13) и осуществлен выбор материалов образцов для испытаний [145].

Для исследования химического износа образцов использовался комплект оборудования, состоящий из потенциостата и элекрохимической ячейки. Внутри ячейки в среде электролита находятся электрод для сравнения 5, рабочий электрод 1 и противоэлектрод 4 и соединены с потенциостатом. Исследуемый образец 1 прижимался с заданным усилием к вращающемуся деревянному контробразцу 2. Контакт образца и контробразца осуществляется в среде электролита 3, обладающего заданным химическим составом и кислотностью. Нагрузка фрикционного контакта создается поршнем, установленным под электрохимической ячейкой.

Рисунок 6.12 - Схема коррозионно-механического изнашивания: 1 - образец (рабочий электрод); 2 - контробразец (древесина); 3 - электролит; 4 -вспомогательный электрод; 5 - электрод сравнения

Рисунок 6.13 - Установка для исследования коррозионно-механических процессов

Экспериментальная установка (рисунок 6.14) состоит из персонального компьютера для обработки и регистрации результатов эксперимента и потенциостата IPC-Pro, задающего напряжение и ток. Цилиндрический модуль размером 65 х140 мм выполнен из прозрачного пластика толщиной 5мм. Снизу цилиндр закрывается герметичной крышкой, вверху размещен привод контробразца (рисунок 6.15).

Рисунок 6.14 - Исследовательский аппаратно-программный комплекс: 1 -компьютер; 2 -потенциостат; 3 -электрохимическая ячейка; Я, С- клеммы электродов; Э.С. - электрод сравнения; Р.Э. - рабочий электрод; В.Э. - вспомогательный электрод.

Рисунок 6.15 - Установка для исследования трения металлов по древесине: а - ременная передача; б - шпиндель; в - контробразец; г - образец; д - нагружающее устройство

Исследуемый образец (рабочий электрод) неподвижно закреплен внутри цилиндра. Подвижнный контробразец передает нагрузку на образец и обеспечивает их относительное перемещение. Вспомогательный электрод в виде кольца из платины, установлен внутри корпуса цилиндра у основания. Хлорсеребряный стержень (электрод сравнения) помещен в ячейку свободно. В процессе испытаний все три электрода погружены в раствор электролита.

Особенностью исследования процесса коррозионно-механического изнашивания и оценки составляющих его величин, достигаемых за счет реализации различных его механизмов, является возможность определения следующих ее составляющих механической, химической и синергетической.

Для решения этой задачи необходимо общую величину износа дифференцировать по данным механизмам изнашивания. Для этого требуется как проведение значительного перечня экспериментальных исследований, так широкое привлечение расчетных методов. Для расчета определены входные (задаваемые) параметры (нагрузка, скорость, электролит и т.д.) и измеряемые параметры, приведенные на рисунке 6.16.

Рисунок 6.16 - Блок-схема оценки значений параметров при исследовании коррозионно-механического изнашивания при трении по древесине

На первом этапе исследований осуществлялась оценка отдельных составляющих коррозионно-механического изнашивания в общей величине износа. Для получения достоверных результатов перед проведением экспериментов осуществлялась тщательная механическая обработка образцов. Затем они промывались и незамедлительно погружались в раствор электролита, заполняющего испытательный блок. После этого включались электрическая система, и образцы выдерживались в нем вплоть до стабилизации значения анодного тока ¡а. Затем на образец накладывался внешний анодный потенциал Е и он подвергался фрикционному взаимодействию с контробразцом.

Анодный ток в условиях трения увеличивается до значения Динамика изменения значения анодного тока в процессе этих действий показана на рис. 6.17.

Рисунок 6.17 - Динамика изменения тока в условиях коррозионно-механического изнашивания

В условиях равновесного потенциала системы исследования трибокоррозии, помимо сведений о величине износа, к сожалению, не дают информации о кинетике протекающих электрохимических реакций, но позволяют судить о химической активности металла: низкое значение Еос показывает, что металл активно растворяется, высокое значение Еос говорит о

его пассивности.

Для исследования закономерностей изнашивания образцов, погруженных в электролит, выполняемых без наложения внешнего потенциала, возможно использование следующих методов оценки получаемых результатов: мониторинг значения потенциала Eoc; выявление гальванических связей; электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) [260].

Метод мониторинга значений потенциала Eoc заключается в регистрации показаний до приложения к образцу нагрузки, в течение процесса и по его завершению. Недостатком является невозможность дать количественную оценку механической и химической компонентам коррозионно-механического изнашивания.

При оценке величины износа Wtr полагается, что он состоит из отдельных компонент, связанных с различными процессами протекания поверхностного разрушения, что может быть представлено:

Wr = WCact + Wmact + W'repass + W™ repass, (6.8)

где Wtr - суммарный износ материала; W^ - износ активного материала в результате коррозии; W act - износ активного материала в результате трения; WVepass - износ пассивной массы материала в результате коррозии; Wnrepass -износ пассивной массы материала в результате механического изнашивания. Wrepass определяется измерением EIS до износа и после стабилизации потенциала Еос.

Износ материала в результате механического износа:

W™repass = Wr - W'act ~ W™ act ~ W°repass (6.9)

Особенностью метода оценки механического износа является проведение испытаний при установленном электродном потенциале Еос, когда электрохимические параметры системы не изменяются. Это позволяет определить различные составляющие коррозионно-механического износа.

Чтобы определить механические и химические явления в процессе коррозионно-механического изнашивания разрабатывалась методика

исследования указанных параметров на сопротивляемость материалов изнашиванию, как в совокупности, так и отдельно каждого из них.

В частности, для оценки интенсивности потери массы образца М (г/с) в результате протекания электрохимических реакций:

г м г

М = -^ , (6.10)

пГ ' v '

где ¡а (Л) - анодный ток, Ма (кг/моль) - атомная масса, п - число валентных электронов, F - постоянна Фарадея.

Предложенная схема [242] испытаний позволяла при необходимости исключать химическое или механическое проявление, что обеспечивало определение доли механической, коррозионной и синергетической составляющих в суммарном износе образца. При проведения исследований потенциостат работал в потенциостатическом режиме и потенциодинамическом. Потенциостатический режим характеризуется определенным потенциалом Е, возникающем между исследуемым образцом и электродом сравнения, за счет действия тока между рабочим электродом и противоэлектродом при электрохимических реакциях на металлическом образце. Сила тока замерялась в течение испытаний при постоянном потенциале, что позволяло следить за изменениями электрохимических реакций в зоне контакта. Используя показания силы тока, вычислялась потеря массы образца в результате электрохимического растворения, согласно закону электролиза Фарадея.

При потенциодинамическом режиме работы потенциал Е менялся с постоянным шагом в пределах задаваемого диапазона, что позволяло вычислять равновесный потенциал, поляризационное сопротивление и постоянную Тафеля, для оценки химической составляющей износа [232, 233, 239, 241, 243, 260].

Выходные параметры интенсивность изнашивания, стационарный потенциал и поляризационное сопротивление позволяли определить

закономерности влияния механической и электрохимической составляющих на величину износа.

Потенциостат IPC-PRO обеспечивал работу трехэлектродной электрохимической ячейки, что позволяло задавать и измерять потенциалы и токи при протекании химических процессов в зоне фрикционного контакта [108]. С помощью программного обеспечения IPC-2000 выполнялись записи результатов в математическом и графическом представлении.

В процессе испытаний применялись составы электролитов с кислотностью pH 3,5^6,5, что соответствовало кислотности древесины разных пород. Один электролит представлял собой смесь уксусной кислоты СН3СООН и ацетата натрия №СН3СОО [107, 110]. Другой электролит изготовляли из древесных опилок, настаивая их в дистиллированной воде в течение семи суток в соотношении 1:9. Растворы были изготовлены из древесины разных пород, и в разных пропорциях. Кислотность электролита определяли лабораторным иономером И-160МИ.

Образцы для исследований имели форму дисков (рисунок 6.18), изготовленные из материалов, обладающие различными структурами поверхностных слоев: мартенсит (сталь 40Х, закалка и низкотемпературный отпуск), феррит-перлит (сталь 40Х, улучшение), аустенит (сталь 12Х18Н10Т), бейнит (сталь 7Х15ВМФСН, изтотермическая закалка и отпуск) и высокопрочный чугун с шаровидным графитом ВЧ60.

Рисунок 6.18 - Образец для испытаний: 1- крепеж; 2 - исследуемая поверхность

Контрольные образцы изготовлены из стали 40Х и из древесины осины, березы, сосны влажностью до 70% в форме полых цилиндров с наружным 45 мм и внутренним - 25 мм диаметрами и высотой 200 мм (рисунок 6.19).

Рисунок 6.19 - Контробразцы из древесины

6.4 Определение теплофизических и триботехнических параметров

исследуемых материалов

Для исследования антифрикционных и теплофизических характеристик древесно-металлических армированных материалов для изготовления поворотных узлов манипуляторов многооперационных лесозаготовительных машин и оценки их термической стойкости в процессе трения, была разработана методика для проведения соответствующих испытаний. При этом в качестве основного показателя использовалась сравнительная теплопроводность, определяемая по схеме, приведенной на рисунке 6.20.[148].

В качестве базового экспериментального устройства использовался прибор ИТП-МГ4 «100», который создавал стационарный тепловой поток, направленный перпендикулярно к лицевым граням образца для измерения его толщины и температуры.

Рисунок 6.20 - Схема определения теплопроводности древесно-металлических образцов для изготовления подшипников скольжения шарнирных соединений манипуляторов: 1-нагреватель; 2- тепловой источник; 3- теплоотдающая пластина; 4 - исследуемый образец; 5 - теплоприемная пластина; 6- термопары; 7 -теплоизолирующий элемент; 8 -теплоизолирующая оболочка

Нагревательная установка прибора включает блок управления нагревателем и холодильником, а также источник питания. Прибор использовался в четырех различных режимах: «Измерение». «Архив», «Установка часов», «ПК». В Режиме «Архив» осуществляется просмотр записанных в память результатов измерений, выполненных ранее.

В режиме «Установка часов» осуществляется установка даты и часов реального времени. В Режиме «ПК» производится передача данных, записанных в архив, на компьютер.

Согласно приведенной методики определения теплопроводности, исследуемый образец 4 устанавливался на теплоотдающую контактную пластину 3, которая нагревалась до температуры 120°С. Теплоприемная пластина 5 закреплялась на противоположной стороне исследуемого образца. Между теплоприемной пластиной и образцом размещались термопары, подключенные к потенциометру. Для уменьшения теплоотдачи прибор изолировали специальным кожухом. Общий вид прибора для нагрева образцов и их внешний вид представлен на рисунках 6.21 и 6.22.

Рисунок 6.21 - Общий вид прибора для нагрева образцов ИТП-МГ4 «100»

После 5 минут нагрева образца, замерялся условный показатель теплопроводности, который соответствовал температуре противоположной поверхности образца. Отношение температур нагреваемой и противоположной поверхностей образца принималось за сравнительный показатель теплопроводности исследуемого антифрикционного материала.

Ьь £

^ 1 ■

Рисунок 6.22 - Антифрикционные армированные материалы для испытаний

Для оценки теплопроводности образцов сравнивали полученные показатели температуры: чем выше значение показателя, тем более теплопроводен материал. Кроме того, для измерения локальной объемной температуры в поверхностном слое исследуемых вкладышей подшипников скольжения изготовленных из древесно-металлических армированных материалов применялись термопары ХК, подсоединяемые к потенциометру ПСР-49. Термопары в древесно-металлическом образце размещались как показано на рисунке 6.23.

Рисунок 6.23 - Схема размещения термопар в образце: 1,2,3 - термопары.

Термопары позволяли оценивать температуру вкладыша по поперечному сечению образца, а также среднюю температуру поверхностной зоны вкладыша в зависимости от задаваемых условий триботехнических испытаний. Испытательная машина и измерительное оборудование представлены на рис.6.24.

2

1

Рисунок 6.24 - Испытательное оборудование: 1- испытательная машина СМЦ-2; 2-потенциометр ПСР-49

Коэффициента теплопроводности X (эффективной теплопроводности) и термическое сопротивление Я определяется по формулам:

Н • q

Л =

Т - Т

н х

(6.11)

т - т

R = - 2rk (6.12)

где: Я - эффективная теплопроводность, Вт/мК; RH - термическое

Л

сопротивление испытываемого образца, м К/Вт; RK - термическое сопротивление между лицевой гранью образца и рабочей поверхностью плиты

Л

прибора, м К/Вт; Н- толщина образца в процессе испытаний, м; q - плотность теплового потока, Вт/м2; Тн ,Тх - температура нагретой и холодной лицевых граней исследуемого образца, К.

Значение RK учитывается при калибровке приборов по образцам соответствующей теплопроводности.

6.5 Исследование контактных характеристик неподвижных стыков

деталей гидравлических систем

Работоспособность стыковых соединений неподвижных разъемных соединений определяются контактной жесткостью, которая зависит от сближения поверхностей и определяется параметром шероховатости и физико-механическими характеристиками материалов. Фактическая площадь контакта шероховатых поверхностей определяет прочность сопряжения деталей на сдвиг, герметичность, виброустойчивость, и износостойкость.

Для описания контакта взаимодействия микровыступов шероховатых поверхностей использована идеальная модель [118, 185], у которой все микровыступы имеют одинаковый радиус кривизны и находятся на одном уровне. При сближении исследуемых поверхностей количество микровыступов рассчитывают исходя из равенства фактических площадей контакта в реальной поверхности и в модели. В общем виде зависимость

перемещений у в стыке от нагрузки Р при первичном и повторном нагружениях представлена на рисунке 6.25.

Рисунок 6.25 - Зависимость перемещений у от нагрузки Р на стык: 1-5 нагрузочные кривые; 1'- 4' - разгрузочные кривые

Если при первичном нагружении (кривая 1) деформации в стыке зависят в основном от материала и исходных геометрических параметров сопрягаемых поверхностей, то при повторных нагружениях (кривые 2-5) сближение в контакте в большей мере зависит от упругих свойств материала (модуля упругости) и геометрии неровностей, сформировавшихся при последующих нагружениях. Обычно перемещения в стыках стабилизируются при 4-5. Поэтому целесообразно использование экспериментальных данных на основании которых может быть определена средняя контактная жесткость стыка:

]СР =1 Ч'"

с

.(6.13)

где сит- параметры аппроксимации зависимости перемещений (у) от давления q в стыке

т

У = с • д (6.14)

Методами планирования экспериментальных исследований могут быть выявлены зависимости между ]ср и параметрами качества стыковых поверхностей или между ]ср и технологическими факторами, под влиянием которых формируются поверхности контакта при изготовлении деталей.

Прочность и герметичность формируемого функционального стыка соединения в существенной степени определяются условиями и режимами выполнения механической обработки сопрягаемых деталей, так как в процессе ее реализации изменяются свойства и параметры поверхностного слоя, и их сопротивляемость поверхностному разрушению. Поэтому при выполнении исследований нагрузка на образец прилагалась без касательных перемещений, что обеспечивало высокую степень достоверности оценки нанесенных покрытий на деформативность стыка.

Вначале исследовалась контактная жесткость шероховатых и волнистых поверхностей. Затем волнистость устранялась абразивной шлифовальной шкуркой, закрепляемой на вращающемся жестком диске, чтобы исключить ее влияние на размеры контурной площади и величину контактной жесткости.

Для оценки контактного сближения волнистых поверхностей исследовалась деформация плоских стыков с использованием аналога прибора ПКД-5 [190], модернизированного для определения величины контактной жесткости. Принципиальная схема измерения исследуемых образцов представлена на рисунке 6.26.

Для измерения сближения образцы 1 и 2 предварительно приводились в соприкосновение, а положение стрелки индикатора устанавливалось на ноль и производилось нагружение образцов. Измерения выполнялись в интервале нагружения от 100 до 500Н. Образец 2 имеет цилиндрическую форму, внутри которого вставлена трубка 3 с выступом в виде кольца. Через трубку проходит шток 4, соприкасающийся с образцом 1. Противолежащий конец штока соединен с датчиком перемещений 5.

Рисунок 6.26 - Схема измерения контактной жесткости стыка соединения: 1,2 - образцы с плоскими торцами. Стрелкой указано направление прилагаемой нагрузки

При приложении нагрузки образец 1 смещает шток 4 в трубке 3, и эта податливость фиксируется датчиком 5. Расчет контактной жесткости стыка производится по величине измеренной податливости стыка:

о. = ^

Л

(6.15)

где Gп - величина контактной жесткости плоского стыка, Н/мкм; jп -податливость плоского стыка, мкм/Н.

Контактные деформации сфероконических стыков, воспроизводящие реальный контакт штуцера и ниппеля, осуществлялся аналогично определению деформации плоских стыков. Нагружение образцов и измерение контактных перемещений представлены на рисунке 6.27.

Соответствующим образом стыковые контактные перемещения в рассматриваемом случае имеют нормальную Лс.к.норм. и касательную Лс.к. касат. составляющие и могут быть записаны следующим образом:

Рисунок 6.27 - Схема измерения контактной жесткости сфероконических стыков:1 штуцер; 2 -ниппель

Зс.к. 8т

а/

]с.

с.к.норм.

2

_7с.к.со8д2

]

с.к.касат

2

(6.16)

(6.17)

где а - конусность штуцера,ус к. - податливость стыка, мкм.

Составляющие жесткости сфероконического стыка Gс.к.и ее касательной и нормальной составляющих определяются по формулам аналогично приведенным.

Измерение сближения шероховатых поверхностей осуществлялось с помощью приспособления, представленного на рисунке 6.28. Конструкция прибора позволяет регистрировать сближение исследуемых торцовых поверхностей, исключая объемную деформацию образцов и стыков, кроме исследуемого.С помощью прибора фиксируются значения полного а, упругого ау и остаточного И сближений образцов, изготовленными из материалов равной твердости.

Рисунок 6.28 - Приспособление для измерения сближения шероховатых поверхностей: 1 -основание; 2 - образец с полированным торцом; 3 -образец с шероховатым торцом; 4 -шайба с центрирующим шариком; 5 - индикатор; 6 - винт; 7 - втулка; 8 - корпус приспособления

Величина полного сближения а измерялась под нагрузкой, остаточное сближение И измерялась после снятия нагрузки, а величина упругой составляющей рассчитывалась по формуле:

ау =а- к (6.18)

Средняя погрешность измерений не превышала 15%.

Образцы для испытаний в форме дисков диаметром 40мм с шероховатыми торцами изготовлены из сталей 35 и 08Х18Н10Т. Торцы обрабатывали с помощью свинцовой оправки. Затем обработанный образец нагревали и удаляли оправку. Для создания шероховатой поверхности торцы образцов обрабатывали фрезерованием, шлифованием и точением, что позволяло получать широкий диапазон характеристик шероховатости и волнистости. Для испытаний контактной жесткости плоских стыков на торцы образцов были нанесены газотермические и химические покрытия, а также покрытия ФАБО.

Образцы для испытаний представлены на рисунке 6.29. Рабочими являлись параллельные торцевые поверхности цилиндра с одинаковой шероховатостью.

а) б)

н

Рисунок 6.29 - Образцы для исследования контактной жесткости плоских стыков: а) образец с полированным торцом; б) образцы с различными видами обработки

Образцы для определения контактных деформаций сфероконических стыков изображенные на рисунках 6.30 и 6.31

Рисунок 6.30 - Эскизы деталей неподвижного разъемного соединения: а) штуцер; б) ниппель.

Рисунок 6.31 - Исследуемые образцы с нанесенными покрытиями: а) штуцер; б) ниппель.

6.6 Методы оценки износа образцов

Во всех сериях испытаний использовались аналогичные методы оценки износа исследуемых образцов (рисунок 6.32). Износ оценивался по потере массы с помощью аналитических весов ALC-210d4 (разрешение до 0,1 мг) или по изменению размера образца на оптическом длиномере ИЗВ-2 с точностью 0,001 мм, а также обработкой профилограмм [138].

а)

б)

в)

Рисунок 6.32 - Схемы измерения износа: а - оценка износа с использованием длиномера ИЗВ-2; б - профилографирование поверхности; в - оценка величины износа по профилограмме (I - величина износа, М- масштаб профилограммы)

Износ образцов оценивался по изменению длины лунки формируемой на изнашиваемой поверхности образца.

Оценку износа боковых поверхностей исследуемых шипов выполняли с использованием метода отпечатков, которые наносились керном, имеющим угол при вершине 120° (рис. 6.33). По завершении цикла испытаний измеряли диаметр отпечатка и производили вычисление:

Ак = 0,5Аdtg (90 -а /2)

(6.19)

где И1 и Н2~ глубина отпечатка, мкм; dl и d2 -диаметр отпечатка, мкм; а - угол вершины конуса. При а = 120° износ ЛИ = 0,288 Ad.

Рисунок 6.33 - Схема отпечатка, нанесенного индентором-керном

Радиусы округления определялись путем измерения оттиска образца в свинцовой пластинке сравнивая с шаблоном, выполненном в таком же масштабе, что и фотографирование оттиска образца (рис.6.34).

Износ рабочих элементов оценивался площадью заключенной между исходным профилем в плоскости перпендикулярной рабочей кромки и профилем, установленным после испытаний.

Исходный профиль

АГ__

Г —1

/ / *-т Л V

Профиль изношенного шипа

Рисунок 6.34 - Оценка износа вершин шипов: 11 - высота шипа до испытаний; 12 - высота изношенного шипа; в - угол заострения шипа

Площадь износа рабочих элементов определялась с помощью профилографирования передней и задней поверхностей до и после испытаний

или с расчетом по изменению радиуса округления режущей кромки. Длина профилографирования Ь0 принималась исходя из отношения (рисунок 6.35, а):

Ц > К(I + И), мм (620)

где I - базовая длина, выбирается в зависимости от шероховатости Яа поверхности рабочего элемента; И - длина изношенного участка, устанавливается на основании предварительных опытов; К- коэффициент запаса, равный 2,0 +-2,5.

По профилограммам находили значения ординат профиля (уь у2... уп) от произвольного уровня через равные промежутки по всей реализации (рисунок 6.35, б). Первые точки на участке ОО использовались для построения средней линии профиля, а последующие К-п точки на участке О1К' для расчета износа.

Рисунок 6.35 - Схема измерения параметров износа: а) схема профилографирования; б) схема обработки профилограмм

Параметры средней линии на участке О'О1 определялись методом наименьших квадратов:

а = tga