Махкамов К.Х. Расчет износостойкости машин: учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство высшего и среднего специального образования

Республики Узбекистан

Ташкентский государственный технический университет

имени Абу Райхана Беруни

К. Х. Махкамов

РАСЧЕТ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ МАШИН

Учебное пособие

Ташкент - 2002

УДК 621.81.28.

Махкамов К.Х. Расчет износостойкости машин. Учебное

пособие. Ташкент: ТашГТУ, 2002. - 144 с.

Учебное пособие посвящено оценке износа машин на стадии их

проектирования. Расчёты основываются на математической модели

распределения и накопления энергии в процессе изнашивания.

Приведены примеры по расчёту износостойкости деталей машин.

Пособие предназначено для магистров, обучающихся по

специальностям 5А521101 – «Автомобили», 5А521102 – «Тракторы»

и 5А520710 – «Сельскохозяйственные машины и оборудование».

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор А.Б. Джумабаев

Доктор технических наук, профессор Ш.В. Саидов

Рекомендовано к изданию учебно-методическим советом

Ташкентского государственного технического университета имени

Абу Райхана Беруни.

 Ташкентский государственный технический университет им.

Беруни

ВВЕДЕНИЕ

Для обеспечения конкурентоспособности машиностроительной

продукции на мировом рынке требуется сократить сроки

проектирования и освоения производства новых типов машин.

Несмотря на многолетний опыт создания и эксплуатации

машин, существующие машины еще не полностью отвечают

современным требованиям. В частности, простои этих машин из-за

отказов узлов трения велики. Более 80 % отказов машин

происходит вследствие износа, поэтому в последние годы быстро

развивается разработка методов расчета и прогнозирования износа

деталей машин.

Разнообразие и, подчас, противоречивость данных,

имеющихся в технической литературе по природе и механизму

изнашивания деталей машин, затрудняет разработку единых

методов расчёта на изнашивание.

Существующие методы расчета износа машин ориентированы

на изучение одного из ведущих факторов и в широком интервале

изменения внешних условий и режимов трения, когда имеет место

смена ведущих факторов, они дают значительные отклонения от

реального процесса. Например, изменение нагруженности детали

во время работы влияет на характер деформирования

поверхностных слоев, использование другой марки смазочного

материала отражается в интенсивности окислительных процессов.

Существуют два подхода к изучению изнашивания. Если

исследователь желает выявить влияние того или иного фактора на

величину износа, то предполагается, что износ -

детерминированный. Если быть более точным, то в этом случае

устанавливается связь между изучаемым фактором и

математическим ожиданием величины износа. Во втором подходе

износ принимается за процесс случайный. Такой подход, очевидно,

более реалистичен, так как в действующих машинах и процессы

нагружения, характеристики материалов, и состояние

контактирующих поверхностей и, наконец, условия работы имеют

случайный характер. Только вероятностным подходом к процессу

износа могут быть определены показатели износостойкости

реальных машин.

Применение чисто экспериментальных методов оценки

износостойкости реальных машин наталкивается иногда на

технические трудности, которые, вообще говоря, можно

преодолеть, но срок испытаний могут растягиваться на несколько

лет. Здесь на помощь практике должна прийти теория, которая

позволило бы прогнозировать поведение машины по ограниченной

информации об её эксплуатации.

Теоретические методы расчета узлов трения на износ еще

полностью не реализованы, так как: во-первых, еще не полностью

раскрыта физика явлений изнашивания, и - во-вторых, из-за

известной сложности и громоздкости, а иногда и недостаточной

разработанности общих положений методологии теоретико-

вероятностных исследований.

Не исключено, что наибольшие успехи будут достигнуты в

совместных, дополняющих друг друга, опытных и теоретических

исследованиях. Скажем, к примеру, изучается опытным путем

изменение какого-либо из факторов, действующих на изнашивание,

а изменение характеристик изнашивания по этой причине

определяется теоретически. Во всяком случае, информацию о

величине износа, полученную после изготовления машины,

следует считать запоздалым. Наиболее ценным является

информация об износе деталей на стадии проектирования

машин.

Энергетический подход, использованный для расчета деталей

на износ, в некоторой степени обобщает имеющиеся исследования

в данном направлении и не противоречит общепризнанным

теориям трения и изнашивания.

Расчеты на износ позволяют:

1. Выявить требования к физико-механическим свойствам

материалов узлов трения с учетом заданных условий работы и

научно обоснованно подбирать материалы при конструировании

машин, работающих в различных условиях.

2. Выделить основные факторы, оказывающие наиболее

значимое влияние на процесс изнашивания, что позволяет при

изготовлении, эксплуатации и ремонте машин снизить их вредное

влияние.

3. Расчетным путем определить ресурс машины на стадии

проектирования, что позволит избегать долгосрочных и дорогих

испытаний.

В пособии использованы результаты научно-исследовательских

работ, проведенных под руководством автора на кафедре

“Тракторы и автомобили” ТашГТУ.

Глава 1. Методы расчета износа машин.

1.1. Существующие методы расчета деталей машин на износ.

В настоящее время наибольшее развитие получили

экспериментальные, материаловедческие аспекты оценки

изнашивания трущихся поверхностей деталей, заключающиеся в

подборе материалов с высокой износостойкостью. Однако этим

путем можно лишь снизить скорость изнашивания, но не управлять

самим процессом изнашивания и, что особенно важно, теми

изменениями состояния и работоспособности деталей, которые

вызываются износом. Вместе с тем, подбор материалов не всегда

экономически может быть целесообразным, не только из-за высокой

стоимости, дефицитности материалов, трудностей перестройки

технологического процесса в машиностроении, но и большим

объемом экспериментальных исследований по подбору

материалов. Увеличение долговечности трущихся деталей машин

немыслимо без создания инженерных методов расчета на износ,

в которых учитывались бы физико-механические характеристики

материалов трущихся пар, режимы работы узла трения (нагрузка,

скорость), внешние условия трения (окружающая среда, смазка) и

конструктивные особенности фрикционного сочленения [29].

Долговечность машин закладывается на стадии

конструирования и зависит от конструкции, применяемых

материалов, защитных покрытий, смазочных материалов и других

факторов. Большое значение имеют также применяемые при

проектировании методы расчета износостойкости деталей и

сопряжений [14].

Применение расчётных методов для нахождения

конструктивных оптимальных решений существенно может

облегчить процесс создания долговечных машин в отношении

износостойкости их деталей. Используя их, можно решить очень

многие задачи: выбрать и обосновать конструктивные

оптимальные параметры деталей, обеспечивающие минимальную

скорость изнашивания; установить предельные износы деталей;

подобрать типоразмеры унифицированных элементов для

применения в данной конструкции машин; обеспечить

равностойкость узла или детали с несколькими изнашивающимися

поверхностями; подобрать износостойкие материалы и методы

упрочнения, обосновать требования к физико-механическим

свойствам; произвести сравнительную оценку сроков службы

деталей (узлов) нескольких вариантов конструктивного

исполнения; прогнозировать сроки службы деталей по результатам

кратковременных стендовых или эксплуатационных испытаний [42].

Существующие методы математического описания

изнашивания деталей и сопряжений машин можно условно

разделить на две группы: первая - основанная на физических

закономерностях изнашивания, учитывающих влияние различных

факторов на износ; вторая - основанная на анализе

количественных изменений износа без учёта физических процессов

[14].

В Узбекистане и за рубежом различными исследователями

получены аналитические выражения, описывающие процесс

изнашивания (см. таблицу 1).

Таблица 1. Аналитические выражения интенсивности изнашивания

Выражение Автор Примечание

()

J= h

max p

εν

AdnA

/ +1

И.В.Крагельский

[30]

Усталостное

изнашивание

М.М.Хрущев [63] Абр.изнашив

dn A

+()

А.В.Чичинадзе

[65]

ρψ

Т.Малхерн, Л.Са-

муэльс [14]

Абразивное

изнашивание

J=zP/H Д.Холм [14]

J=kA

Д.Арчард [14]

J = tgθ p/6 P

Д.Екимото,

Т.Цукидзо [14]

Механическое

изнашивание

J = J

exp -[(U

-λfP)/kT]

С.Б.Ратнер [14] Для

полимеров

J = πh

(R -h/3)n

d n

У.Икрамов,

К.Х.Махкамов [16]

Абразивное

изнашивание

В таблице 1 использованы следующие обозначения: A

и A

фактическая и контурная площади контакта; P -нагрузка; h

max

, tgθ

,ν -параметры шероховатости поверхности; H -твердость; ρ -

плотность; p

, p

-среднее и номинальное давление; f -

коэффициент трения; l - путь трения; R - газовая постоянная; T -

абсолютная температура; ψ , n, r, k, λ , ϕ - эмпирические

коэффициенты; ε - относительная деформация; d - диаметр

контакта.

Если математическое описание явления изнашивания

проводят по результатам обработки данных, полученных в

эксплуатации, то строят статистическую модель изнашивания. Как

правило, статистическая модель отражает закономерность

изнашивания строго определенного сопряжения в конкретных

условиях эксплуатации и не может быть использована в

качестве обобщенного математического описания. Основным

недостатком статистических моделей является то, что они не

позволяют раскрыть механизм процесса и характеризуют влияние

определяющих факторов на изнашивание в неявном виде [14].

Динамический расчёт базируется на анализе механизма

процесса разрушения деталей при различных видах и режимах

трения и позволяет получить с той или иной степенью приближения

скорости изнашивания различных материалов и их сочетаний.

Ценность этого метода заключается ещё и в том, что,

основываясь на расчётных данных, можно уже при

конструировании заложить основы высокой износостойкости.

Закон изнашивания материалов должен и в общем виде

выражать в аналитической форме зависимость износа от

многочисленных факторов и все эти закономерности необходимо

описать во времени.

Естественно, получение таких зависимостей является

чрезвычайно сложной задачей, которая в настоящее время

находится в стадии становления. Хотя всегда желательно получать

общие закономерности, однако зависимости, охватывающие лишь

некоторый диапазон условий изнашивания и выраженные в

аналитической форме, также позволяют решить многие вопросы

расчёта и прогнозирования ресурса изделий [29].

И.Б.Тартаковский [52], рассматривая скорость изнашивания

детали как случайную величину, а износ - как случайную

функцию времени, предложил статистическую теорию

изнашивания. Согласно этой теории для многих деталей машин

в условиях эксплуатации скорость изнашивания с достаточной

для практических целей точностью можно считать линейной

функцией отклонения размера детали от номинала. Так, например,

для втулок насоса НШ - 32У по размеру 26

+0,015

полученное нами

уравнение износа имеет вид

U = 10

t/874

⋅4,56 + 2,54 (1.1).

Используя уравнения износа деталей, можно прогнозировать

срок их службы до достижения предельного износа.

Расчётом величины абразивного износа занимались многие

исследователи. Однако расчёты велись без учёта особенностей

физической природы изнашивания, заключающейся в её

энергетическом анализе.

М.М.Тененбаум [54] предлагает определять износ по выражению:

U = c h, (1.2).

где с - коэффициент пропорциональности. Предложенная

формула учитывает лишь один из многочисленных факторов, а

именно, глубину внедрения частиц в поверхность - h.

М.А.Григорьев и Н.Н.Пономарев [7], анализируя имеющиеся

статистические методы прогнозирования износа деталей и

сопряжений, пришли к выводу, что практическое использование

рассмотренных методов затруднено необходимостью сбора и

обработки экспериментальных зависимостей для определения

входящих в формулы соответствующих коэффициентов как по

двигателям, по которым уже имеется большой опыт эксплуатации,

так и особенно вновь создаваемых конструкций двигателей. Они

предлагают прогнозировать износ деталей двигателей,

основываясь на допущении о постоянности скорости изнашивания

деталей и сопряжений при эксплуатации.

Интенсивность изнашивания пар трения во время приработки

не является постоянной и она уменьшается от максимальной до

величины, установившейся в период нормальной эксплуатации

kJ=−

. (1.3),

В.М. Шпинев и другие 18] из выражения (1.3) получили

U J dL J e dL

ïð ïð

ïð

,== =−

∫∫

−

1()

(1.4)

где J

, J

пр

- интенсивность износа детали в начальный период

приработки и во время приработки; L - приработочный путь трения;

k - коэффициент пропорциональности, учитывающий физико-

механические свойства материала, условия трения и смазывания.

Здесь интенсивность изнашивания может быть определена по

известной формуле И.В.Крагельского [29]

, (1.5)

Г.Я.Ямпольский и А.В.Южаков [69] предложили метод расчёта

абразивного изнашивания деталей цилиндропоршневой группы

двигателей внутреннего сгорания. С учетом дробления

абразивных частиц на участке максимального износа гильз

цилиндров, авторы суммировали повреждения от каждой

абразивной частицы, с учетом вероятностного представления их

скорости.

J = 0,0166 A P/ M . (1.6)

В формулу входит группа факторов, характеризующих: A -

абразивное воздействие среды (концентрация, размер и

прочность частиц); P - конструктивные параметры двигателя

(размеры и режим работы); M - физико-механические свойства

материалов (твердость, пластичность и коэффициент усталости).

Однако проведенные проверочные расчеты и сопоставление их с

результатами испытаний двигателей АМЗ дали значительные

отклонения [21].

Изучение литературы по рассматриваемому вопросу и наши

собственные исследования показывают, что имеются несколько

методов, которые, так или иначе, определяют износ деталей

машин.

Однако разработаны все они недостаточно для того, чтобы их

можно было использовать в практических целях. Ниже коротко

рассматриваются эти основные способы, их достоинства и

недостатки, намечаются возможные области применения, а также

указываются возможности их обобщения и совершенствования.

Метод, основанный на усталостной теории изнашивания.

В России (институт машиноведения) разработан метод

расчета на износ трущихся поверхностей [29,38]. Метод

основывается на закономерности фрикционной усталости и

параметры микрогеометрии поверхностей трения. Авторы впервые

попытались предложить аналитическую методику расчёта на износ,

которая, на наш взгляд, направлена на сокращение натурных

экспериментов.

Практическая ценность этих работ - несомненна, но в то же

время следует указать и на недостатки этих работ. На наш

взгляд, слабо обоснованными являются следующие положения:

1. В процессе трения в поверхностном слое материала могут

идти различные глубокие изменения: механохимические процессы

(окисление, деструкция и т.д.), физико-химические и структурные

превращения (например, фазовые переходы, рекристаллизация и

т.д.) и другие. Эти изменения не учитываются в методике.

2. Установлено, что конкретным режимам нагружения и

условиям работы соответствуют строго определенные параметры

исходной шероховатости поверхности.

3. Методика не учитывает изменения интенсивности

изнашивания во времени, т.е. охватывает лишь диапазон

нормального изнашивания. В реальных условиях интенсивность

изнашивания меняется во времени. Это легко доказать тем, что

параметры шероховатости и свойства поверхностного слоя

материала в ходе процесса трения и изнашивания могут

изменяться.

Таблица 2. Результаты расчёта износа узлов трения

по методике ИМАШ

Показатель Ответ по

номограмме

Провероч-

ный расчёт

Расхож-

дение

Контактное сближение при

упругом взаимодействии

0,075 0,073 2,7 %

Контактное сближение при

пластическом

взаимодействии

0,095 0,381 75,1 %

Среднее пятно контакта 6,7 6,952 3,6 %

Разрушающее количество

взаимодействий при упругом

контакте

6000 24,54 240 раз

Разрушающее количество

взаимодействий при

пластическом контакте

78 414,5 81,2 %

Интенсивность изнашивания 5,5 10 4,1 10 34,1 %

Коэффициент k 13,5 13,47 0,2 %

Вероятно, износ необходимо рассмотреть так:

UJdt

∫

, (1.7)

где J - интенсивность изнашивания; v - скорость скольжения; t-

время.

4. Методика детерминированная, т.е. не предусмотрена оценка

рассеивания результатов.

5. Некоторая громоздкость и сложность расчетов. В работе

[38] для упрощения расчетов предлагается пакет номограмм.

Однако, расчет по номограммам и по формулам, приводимых рядом

с этими же номограммами, дают значительные расхождения

(табл.2).

Как признают сами авторы [38], методика требует дальнейшего

развития, как в теоретическом плане, так и в части накопления

необходимого справочно-нормативного материала по механическим

и усталостным свойствам поверхностей трения, по параметрам

их микрогеометрии.

Метод, основанный на протекании химических процессов.

Методики расчёта износа материалов, изложенные в работах

[2,43] основываются на образовании плёнок на поверхностях трения

при взаимодействии с окружающей средой. Хотя эти методики

учитывают глубокие физико-механические изменения,

происходящие в поверхностных слоях материалов пар трения, они

освещают только качественную сторону процесса изнашивания.

Расчёт количественных показателей износа, по рассматриваемым

методикам, не разработан.