Оценка износостойкости смазываемых трибосопряжений по микромеханическим характеристикам приповерхностного слоя
Диссертация
Автор: Костыгов, Василий Тихонович
Название: Оценка износостойкости смазываемых трибосопряжений по микромеханическим характеристикам приповерхностного слоя
Справка: Костыгов, Василий Тихонович. Оценка износостойкости смазываемых трибосопряжений по микромеханическим характеристикам приповерхностного слоя : диссертация доктора технических наук : 05.02.04 Ростов-на-Дону, 2003 336 c. : 71 04-5/533
Объем: 336 стр.
Информация: Ростов-на-Дону, 2003
Содержание:
1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ
11 Анализ методов прогнозирования трибохарактеристик
12 Анализ количественных оценок процессов трения и изнашивания
13 Анализ работ по структурному состоянию металлов при трибодеформировании 2^
14 Структурные способы влияния на процессы разрушения приповерхностного слоя металла
15 Оценка роли смазочных материалов в исследуемых трибопроцессах 4^
16 Связь химического состава стали с ее механическими и триботехническими характеристиками
17 Основные выводы по разделу и постановка задачи исследований
2 МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
21 Обоснование выбора методики исследований материалов для тяжелонагруженных смазываемых узлов трения
22 Методика проведения трибоиспытаний на моделях 6^
23 Методика моделирования процесса заедания зубчатых колес
231 Лабораторная установка и оборудование для определения нагрузки заедания
24 Методика расчета толщины смазочной пленки в контакте зубьев ведомой и ведуньей шестерен осевого редуктора ф>
25 Методы исследования поверхностей трения и приповерхностных слоев сталей
251 Исследование микроструктуры, топографии и микрогеометрии поверхностей трения
252, Методика измерения микротвёрдости по глубине тонкого приповерхностного слоя
26 Физические методы исследования поликристаллических материалов
27 Методика рентгеноструктурных исследований стальных трибообразцов и оборудование
28 Сравнительный анализ эффективности методов исследования тонких приповерхностных слоев металлов
29 Ретгенографический метод оценки адекватности трибопроцессов в контакте
210 Оценка погрешности измерений
2101 Оценка погрешности измерения интенсивности изнашивания
2102 Оценка погрешности измерения нагрузок заедания
Выводы по разделу НО
3 КОМПЛЕКСНЫЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДИКА ВЫБОРА СТАЛЕЙ ДЛЯ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ СМАЗЬЮАЕМЫХ УЗЛОВ ТРЕНИЯ
31 Триботехнические особенности объектов исследований
32 Анализ теоретических и экспериментальных исследований по износу тяжелонагруженных смазываемых узлов трения
33 Определение интенсивности изнашивания сталей в режиме граничной смазки Ш)
34 Определение нагрузок заедания смазываемых трибоповерхностей
35 Комплексная оценка материала для тяжелонагруженного узла трения
36 Влияние режимов химико-термической обработки стали на ее триботехнические характеристики
Выводы по разделу
4 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ МАСЛЯНЫХ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ УЗЛОВ ТРЕНИЯ
41 Теоретическая оценка влияния различных масел на величину формируемого масляного слоя в трибоконтакте, как функции интенсивности изнашивания
42 Исследование продуктов износа и механизма их образования в зубчатых передачах осевых редукторов
43 Исследование взаимовлияния сталей и смазочных масел с различными химсоставами на трибопроцессы в контакте в условиях граничного трения
44 Рентгенографические исследования приповерхностных слоев стальных образцов
45 Исследование взаимовлияния сталей и смазочных масел с различными химсоставами на несущую способность масляного слоя
46 Разработка оптимальных составов масляных сред для сталей различного химсостава методом математического планирования эксперимента
47 Влияние масляных сред на состояние структуры т поверхностных слоев стали
Выводы по разделу
5 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ИЗНАШИВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ В РЕЖИМЕ ГРАНИЧНОЙ СМАЗКИ
51 Кристаллическая структура легированных сталей и ее дефекты
52 Влияние диффузии и температуры при химико-термической обработке на состояние структуры и интенсивность изнашивания стали 2^
53 Влияние химсоставов сталей на состояние структуры и скорость разрушения приповерхностного слоя 2^
54 Влияние различных масляных сред и присадок к ним на механизм разрушения трибоповерхностей
55 Структурная приспосабливаемость приповерхностных слоев стальных смазываемых трибосопряжений 2^
56 Оценка физико-химической активности смазочных масел по состоянию структуры деформированных трением приповерхностных слоев стали 2^35
Выводы по разделу 2^
6 КОРРЕКЦИЯ РАСЧЕТНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ТЕОРИИ ТРЕНИЯ И ИЗНАШИВАНИЯ
61 Уточнение механических характеристик в расчетных зависимостях теории трения и изнашивания 2^
62 Расчет параметров контакта с учетом реальных механических характеристик трибоповерхности
63 Оценка составляющих силы трения по реальным микромеханическим характеристикам поверхности трения
631 Механическая составляющая силы трения с учетом реальных микромеханических характеристик поверхности трения
632 Молекулярная составляющая силы трения с учётом реальных микромеханических характеристик поверхности трения 2^
633 Расчет суммарного коэффициента трения по реальным микромеханическим характеристикам поверхности трения 2^
64 Расчетно-экспериментальная оценка интенсивности изнашивания по реальному состоянию структуры и микромеханическим характеристикам в тонком приповерхностном слое стали
Выводы по разделу 2^
7 ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
71 Расчетно-экспериментальная оценка интенсивностей изнашивания по состоянию структуры трибослоя 2^
72 Обкаточные испытания экспериментальных редукторов 2^
73 Результаты эксплуатационных испытаний осевых редукторов
Введение:
Развитие высокотехнологичных отраслей промышленности во всех Ф^ развитых странах характеризуются усилением внимания к проблемам трения и износа, потери от которых оцениваются от 7 до 12% валового национального продукта ежегодно. Так в системе МПС РФ до 85% всех отказов связано с износами в результате которых безвозвратно теряется более 10% металла.Наиболее тяжелый ущерб на транспорте от износов приходится на ответственные тяжелонагруженные узлы трения, которые лимитируют как безопасность эксплуатации машин, так их долговечность. До 68,6% ведущих осевых шестерен у тепловозов 2ТЭ10Л, ТГ 102, ТГМ 3, всего набора тяжелых путевых машин, редукторов подвагонных генераторов, 47,5% зубчатых колес трансмиссий автомобилей отбраковывается по предельному износу [110]. До 80% тяговых зубчатых передач электровозов ВЛ8, ВЛ10, ВЛ80 значительно раньше требуемого ресурса выходят из строя в результате усталостного выкрашивания рабочих поверхностей зубьев [19]. Таким образом, технический ресурс тяговых передач ограничевается преимущественно износостойкостью зубьев, а не их контактной и изгибной выносливостью. Одной из главных причин низких ресурсов таких узлов является проблема несовершенства инженерных методов прогнозирования их триботехнических характеристик, в основе которых лежат триботехнические характеристики используемых материалов, правильный выбор и технологическая обработка которых является важнейшей конструкторско-технологической задачей.Большой вклад в изучение проблем, связанных с прогнозированием работоспособности тяжелонагруженных смазываемых узлов трения, внесли Алисин В.В., Баер РГ (IBM США), Браун Э.Д., Буше Н.А, Буяновский И.А., Бирюков И.В., Дроздов Ю.Н., Захаров СМ., Евдокимов Ю.А., Крагельский И.В., Костецкий Б.И., Комбалов B.C., Семенов А.П., Фляйшер Г. (ГДР) и др.Существуют три основных направления при решении проблемы прогнозирования ресурса узлов трения. Это проведение натурных испытаний узлов и материалов в условиях эксплуатации или полномасштабные стендовые испытания/ Однако воспроизведение ресурса в десятки тысяч часов непрерывной работы при интенсивности изнашивания, например, зубчатых передач равной от 2 до 6-10', а также сложность или невозможность в некоторых случаях воспроизведения эксплуатационных условий ограничивает использование этого направления.Другим направлением в решении этой проблемы является проведение ускоренных ресурсных испытаний узлов трения при более тяжелых, чем в эксплуатации нагрузочно-скоростных режимов. Однако выигрыш во времени испытания, обесценивается изменением физических условий в контакте и режимов трения, поэтому использование этого способа весьма ограничено.Наиболее перспективным направлением является расчетно-экспериментальное прогнозирование износостойкости, теоретические основы которого базируются на физических представлениях о механизме разрушения поверхности при трении. При этом во все расчетные зависимости входят физические и механические параметры, характеризующие объемные свойства материала, в то время как поверхностные слои имеют свойства отличные от объемных и определяются технологией изготовления детали, режимами трения и смазочным материалом.Одним из важнейших параметров в расчетно-экспериментальных методах прогнозирования ресурса узлов трения, особенно при фрикционноконтактной усталости материалов, является определение интенсивности изнашивания приработанных поверхностях трения, так как в процессе износа имеет место изменение исходных параметров, а именно уменьшаются контактные давления, выравнивается распределение нагрузки в пределах площадки касания, изменяются динамические нагрузки в контакте.Значительный вклад в развитие основ механизма разрушения поликристаллических материалов при трении внесли Ахматов А.С., Арчад И., Бакли д., Боуден Ф.П., Горячева И.Г., Грозин Б.Д., Иванова B.C., Кершенбаум В.Я., Крагельский И.В., Кузнецов В.Д., Костецкий Б.И., Куинн Т.Ф., Рафф А.В., Рыбакова Л.М., Марченко Е.А., Михин Н.М., Непомнящий Е.Ф., Любарский И.М., Тейбор Д., Харач Г.М. и др. I С учетом все более возрастающих требований к общей проблеме повышения ресурсов узлов трения в самых разных отраслях современной промышленности, проблема надежного и эффективного прогнозирования противоизносных свойств смазываемых трибосопряжений, является весьма актуальной.В качестве объектов исследования в работе приняты зубчатые передачи которые относятся к средне скоростным, тяжелонагруженным зубчатым передачам, для расчета которых применяются инженерные методики, базирующиеся на оценке изгибной и усталостной прочности зубьев [66,68,69,123,158,180]. Анализ работы этих и большой группы аналогичных зубчатых передач [9,39,195], свидетельствует о том, что существующие методики не отражают всего комплекса проблем, связанных с их износостойкостью. Основной причиной такого положения является то, что они не в полной " мере отражают суть механо-физических процессов в контакте, играющих важнейшую роль в изнашивании зубьев. На выбор объектов исследования значительное влияние оказало и то обстоятельство, что в вышеуказанных парах трения, как триботехнических системах, отражается весь спектр проблем, характерных для всего многообразия тяжелонагруженных смазываемых трибосопряжений.Повышение износостойкости подобных трибопар требует решения, новых, высоких по уровню и сложности, триботехнических проблем, связанных с фундаментальными исследованиями процессов, происходящих на поверхностях контакта взаимодействующих тел, поскольку теоретически предсказать изменение этих процессов по глубине в зависимости от характера внешнего воздействия в настоящее время не представляется возможным ф\ [147]. При этом, если в эмпирических данных и механике трения имеются определенные успехи, то в области металлофизики и металловедения очевидно отставание, которое приводит к понижению теоретического уровня исследований процессов трения и изнашивания и недостаточно эффективным триботехническим инженерным решениям. Таким образом, исследования структурных изменений при трении представляет глубокий теоретический интерес и имеет важнейшее практическое значение, так как на базе данных теоретическо-экспериментальных исследований открывается реальная возможность прогнозирования выходных параметров супдествующих и вновь создаваемых трибосистем [180].С этой точки зрения наибольший практический и научный интерес представляют сведения о структурных изменениях в приповерхностных елоях (толш;иной 10" 10" м) поликристаллических материалов в которых, в ряде случаев определяются трибохарактеристики сопряженных поверхностей и которые практически не изучены. В работе [118] прямо указывается, что при трении, износе, схватывании, усталостном разрушении, основные процессы, приводящие к структурным изменениям, протекают именно в этих слоях и поэтому их свойства, являются определяющими в поведении материала в целом. При этом в силу ряда особенностей, рентгенографический дифракционный метод исследования является наиболее удобным и информативным методом [118,179]. Знание закономерностей изменения структурных состояний в активной зоне трибослоя дает возможность эффективно использовать теоретические данные в поисках эффективных методов прогнозрфования триботехнических результатов еще на стадии проектирования тяжело нагруженных смазываемых узлов трения.Изложенный в работе экспериментальный материал охватывает главным образом конструкционные стали мартенситного класса, роль которых в промышленности продолжает расти в связи с непрерывным увеличением объемов производства деталей из этих сталей, а также усовершенствованием традиционных и разработкой новых методов упрочнения. т # ' Результаты диссертационной работы реализованы в рамках программ МПС РФ "О первоочередных мерах по реализации потенциала энергосбережения на железнодорожном транспорте в 1996-2000 годах" и "Ресурсосберегаюш;ие технологии на железнодорожном транспорте" на 2000 г., 2001 г.По заказу МПС РФ разработана технология изготовления зубчатых передач приводов подвагонных генераторов повышенной износостойкости, для всего парка пассажирских вагонов импортного и отечественного производства, что кроме замены существовавшей технологии позволяет отказаться от импорта запасных частей.По нашим разработкам на головном предприятии Межгосударственного концерна "Трансмаш" Тихорецком заводе тяжелых путевых машин им. В. Воровского, заменены технологии изготовления всех зубчатых передач трансмиссий для всего набора выпускаемых путевых машин. В результате износостойкость зубчатых передач повысилась в 2,8 раза по сравнению существовавшим вариантом. П)довой экономический эффект составил 31,4 млн. руб., без учета продукции заводов, изготавливающих запасные части к осевым редукторам концерна "Трансмаш".Работа состоит из семи глав, общих выводов и приложения.Основные экспериментальные исследования проводились на научноисследовательской базе кафедры «Путевые и строительные машины» Ростовского государственного университета путей сообщения Министерства путей сообщения России.