Ускоренные испытания сложнонагруженных деталей трибосопряжений

УДК 621.891:669.018.44

Л. И. Ивщенко, В. В. Цыганов, В. И. Черный

УСКОРЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ СЛОЖНОНАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ

Рассмотрены конструкции стендов для моделирования процессов контактного взаимодействия в трибосопряжениях газотурбинных двигателей, которые работают в условиях сложного нагружения, а также исследований их износостойкости. Показана возможность проведения ускоренных испытаний моделей фрикционных пар, приближенных к реальным условиям эксплуатации трибосопряжений с различными видами нагружения.

Успешное решение одной из основных задач машиностроения — повышения надежности, работоспособности и долговечности машин и приборов, в том числе газотурбинных двигателей, тесно связано с проблемой износостойкости промышленных материалов, базирующейся на комплексном использовании достижений механики, физики, химии. Основной задачей триботехнологии является исследование и создание оптимальных пар трения, узлов трения, обеспечивающих заданную надежность и долговечность механических систем в установленных условиях эксплуатации. Анализ отказов узлов трения показывает, что причины их формируются на различных стадиях создания новой техники, но подавляющее большинство рождается на технологическом этапе. Решение проблемы износостойкости связано с изучением и поиском закономерностей процессов в зоне контактного взаимодействия твердых тел, необходимых для разработки новых методов снижения вредного воздействия трения и изнашивания.

Однако при исследованиях процессов в зоне контактного взаимодействия твердых тел обычно встречаются с трудностями, связанными с противоречивыми данными исследований износостойкости трибосопряжений и невозможности сопоставления различных методов исследования. Рядом авторов в большей мере проводились исследования износостойкости фрикционных пар с использованием стандартных или модернизированных машин трения в процессе качения или скольжения образцов. Полученные при этом результаты исследований не позволяют создать картину процесса изнашивания, отвечающую реальному процессу, так как большая часть трибосопряжений работает в условиях более сложного нагружения. Сложное взаимодействие твердых тел в контактной зоне должно учитываться при построении моделей контактирования и прогнозирования поверхностной прочности материалов при динамических нагрузках.

В связи с этим, предпочтительным является применение при исследованиях фрикционных

© Л. И. Ивщенко, В. В. Цыганов, В. И. Черный, 2009

процессов специальных установок, работающих при контактных нагрузках, прикладывающихся в разных направлениях, например, при трении с соударением [1, 2]. Данные установки позволяют моделировать соударение с проскальзыванием при возвратно-поступательном перемещении за счет крепления испытуемых образцов на плоских пружинных держателях и привода от электродвигателя через диск с неуравновешенной массой или специального кулачка. Для проведения испытаний при температурах, которые отличаются от комнатных, предусмотрена возможность проведения испытаний в камере, где поддерживаются необходимые температуры. Однако нерегулируемость параметров нагружения и двухмерность нагружения ограничивают использование этих установок.

Необходимо учитывать, что большая часть деталей трибосопряжений различных машин и механизмов в процессе эксплуатации находятся в условиях трехмерного нагружения, в связи с функциональными взаимными перемещениями в разных направлениях, наличием вибраций или их комбинациями.

Например, особенности нагружения трибосоп-ряжений, структурно и кинематически входящих в механические системы летательных аппаратов, предъявляют специфические требования к испытательному оборудованию. Большинство три-босопряжений работают в условиях сухой или граничной смазки. Поверхности трения воспринимают высокие динамические удельные нагрузки, законы изменения которых могут носить стохастический или детерминированный характер. Возможно изменение температуры окружающей среды от -60 до +1000 °С. Относительное скольжение трущихся поверхностей носит качатель-ный, осциллирующий или возвратно-поступательный характер. Так, в условиях трехмерного на-гружения находятся антивибрационные полки вентиляторных лопаток авиационных газотурбинных двигателей, а также некоторые конструкции бандажных полок рабочих лопаток турбины газотурбинных двигателей.

Установлено [3], что при работе двигателя наблюдается существенное рассеяние по окружности ротора условий нагружения любой из пар полок по давлению в зоне контакта, амплитуде проскальзывания, частоте колебаний. Поэтому в одном рабочем колесе через неконтролируемые условия нагружения возникают зоны повышенного и пониженного износа, причем, разброс, по данным этой работы, может составлять ±650 %. Положение таких зон в настоящее время предсказать невозможно. При этом, испытания натурного узла трения не всегда возможны из-за длительности испытаний и большой стоимости проведения эксперимента по полному циклу. Поэтому большое значение приобретают методы ускоренных испытаний пар трения, при которых необходимый объем информации об износостойкости получается в более короткий срок. Очевидно, наиболее приемлемым может оказаться метод испытаний, основанный на моделировании натурных условий на динамическом стенде.

Для исследований износостойкости подобных трибосопряжений было разработано специальное устройство, позволяющее реализовывать условия трехмерного нагружения при различных температурах окружающей среды и испытывать образцы в условиях, более приближенных к реальным условиям эксплуатации [4]. Создается трехмерное нагруженное состояние образцов — удар

и проскальзывание в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

На рис. 1 представлена схема установки, в которой проскальзывание в двух взаимно перпендикулярных направлениях обеспечивается за счет закрутки пружинных пластинчатых держателей, что дает дополнительную степень свободы держателям. При этом одновременно накладывается связь, которая согласует движения в разных степенях свободы таким образом, что соотношение передаточных чисел этих движений остается постоянным. Постоянство передаточных чисел достигается упругими свойствами пружинных держателей. Для более точного воспроизведения характера прогиба пера лопатки возможно применение державок с переменным сечением по высоте и ширине, как это имеет место в реальных лопатках.

Установка работает следующим образом.

Образцы устанавливаются в державки узла крепления образцов. Постоянное расстояние между ними в подвижном и недвижимом состояниях обеспечивается роликом, который также исключает влияние прогиба пружинных пластинчатых держателей на полноту контакта рабочих поверхностей образцов.

Движение с требуемой амплитудой обеспечивается узлом задания амплитуды. Вращение кулачка, осуществляемое электродвигателем, приво-

Рис. 1. Схема установки с закрученными держателями

1 — узел задания амплитуды колебаний; 2 — узел крепления образцов; 3 — узел задания нагрузки; 4 — рычаг; 5 — шток; 6 — упорная шайба; 7 — нагрузочная пружина; 8 — шаговый электродвигатель; 9 — ролик; 10 — пружинные пластинчатые держатели; 11 — державки; 12 — образцы; 13 — электродвигатель; 14 — шаговый электродвигатель; 15 — кулачок; 16 — ролик; 17 — рычаг-толкатель; 18 — электронный блок; 19 — камера узла задания температуры

дит к колебательному движению с требуемой амплитудой через рычаг — толкатель держателей, державок и образцов. При этом происходит соударение и проскальзывание поверхностей образцов в продольном направлении.

Требуемое давление в контакте обеспечивается передачей нагрузки образцам через рычаг от нагрузочной пружины и регулируется изменением степени сжатия последней перемещением упорной шайбы вдоль штока (узел задания нагрузки).

Возможно изменение величины нагрузки и амплитуды перемещения образцов непосредственно в ходе испытаний изменением сжатия нагрузочной пружины и перемещением кулачка, за счет включения шаговых электродвигателей в соответствии с программой, задаваемой устройством ЧПУ (электронный блок). Для проведения испытаний при температурах, отличных от комнатной, образцы располагаются в камере, в которой поддерживается нужная температура.

Наличие закрутки и разной жесткости сечений пружинного пластинчатого держателя приводит к возникновению колебаний держателей, а, следовательно, и к проскальзыванию полок образцов в поперечном направлении. В результате реализуется трехмерное нагруженное состояние поверхностей образцов: удар с последующим проскальзыванием в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Схема более многофункциональной установки, в которой проскальзывание в двух взаимно перпендикулярных направлениях обеспечивает-

ся за счет соответствующих узлов, представлена на рис. 2. Соударение образцов при испытаниях происходит в результате вращения неуравновешенной массы [5].

Эта установка является наиболее приемлемой для проведения модельных испытаний износостойкости в условиях, приближенных к натурным условиям эксплуатации большинства трибосоп-ряжений, так как позволяет регулировать параметры нагружения по трем направлениям. Кроме того, в случае необходимости выделения процессов в «чистом виде», есть возможность проводить испытания с различным нагружением образцов с разрывом и без разрыва контакта, т.е. только с колебаниями и проскальзыванием в двух взаимно перпендикулярных направлениях. При этом специальный узел, при необходимости, позволяет обеспечить контакт между образцами только при движении в одном направлении, а при движении в противоположном направлении контакт разрывается. Если колебательное движение, которое обеспечивает проскальзывание в поперечном направлении, происходит в той же фазе, что и движение в продольном направлении, то в поперечном направлении будет происходить не реверсивное, а однонаправленное проскальзывание.

Необходимо учитывать, что в условиях нормального переменного нагружения разрыв контакта ведет к изменению его значения от ноля при отсутствии контактирования до очень больших значений в момент соударения. С повышением энергии удара амплитуда нормального на-гружения увеличивается.

Рис. 2. Схема установки с неуравновешенной массой

1 — правая стойка; 2 — левая стойка; 3 — электродвигатель продольной амплитуды и энергии удара; 4 — гибкий вал; 5 — диск; 6 — неуравновешенная масса; 7 — державка левого образца; 8 — база образца; 9 — образцы; 10 — камера узла задания температуры; 11 — упорная поверхность; 12 — пружина; 13 — узел тонкого регулирования амплитуды поперечного проскальзывания; 14 — эксцентрик; 15 — электродвигатель узла задания поперечного проскальзывания; 16 — составная державка правого образца; 17, 19 — передача винт-гайка; 18 — пакеты плоских пружин

С целью выяснения влияния доли ударной нагрузки при сложном нагружении на величину и характер износа, может быть использована установка, схема которой приведена на рис. 3. На этой установке возможно проведение исследований по изучению процессов трения и изнашивания при наличии только удара в области упругого и упруго-пластического контакта при нормальном приложении нагрузки. Установка также позволяет повысить точность моделирования процессов при контактном взаимодействии реальных деталей путем приложения пульсирующей нагрузки в зоне контакта деталей, моделирования взаимного перемещения деталей и создания в области контакта образцов только нормальной нагрузки без тангенциальной составляющей. Испытания на изнашивание могут производиться как при нормальной, так и повышенных или пониженных температурах [6].

Предложенные стенды могут быть использованы для оценки на моделях фрикционных пар работоспособности фрикционных материалов в узлах реальных конструкций. При испытании узлов трения на стендах в широком диапазоне реализуются основные режимные параметры, обеспечивающие проведение испытаний по методу натурного моделирования и методу ускоренных испытаний на износостойкость большо-

го числа реальных трибосопряжений. Появляется возможность обеспечить необходимый комплекс факторов механического нагружения — трехмерная динамическая нагрузка, разделять факторы нагрузки, а также объединять в разных комбинациях, регулировать и контролировать параметры нагружения, в том числе в ходе цикла испытаний (в натурных условиях это невозможно).

Управление работоспособностью трибосопря-жений невозможно без применения комплекса современных методов оценки состояния поверхностного слоя образцов после испытаний на указанных установках. Как показали предварительные исследования, эффективным является использование трибоспектрального метода (метода идентификации структурного состояния поверхностного слоя статистическими характеристиками при сканировании алмазным индентором) на установке НАУ [7] и метода анализа электронного строения металлов на основе изменения работы выхода свободных электронов [8]. Они позволяют оценить изменение формирования в поверхностном слое кристаллитов с различными прочностными и деформационными свойствами, структурное и энергетическое состояние поверхности, степень пластической деформации. Появляется возможность рассмотреть, как деформирование металлов при трении с различными схемами на-

Рис. 3. Схема установки для исследования контактного взаимодействия при нормальном приложении нагрузки

1 — корпус; 2, 9 — держатель; 3 — образец; 4 — пластинчатые пружины; 5 — пружина; 6 — рычаг; 7 — эксцентрик; 8 — электродвигатель; 10 — контробразец; 11 — механизм возвратно-поступательного перемещения; 12 — механизм

вращения образцов вокруг своей оси

гружения приводит к структурным преобразованиям на поверхности и соответствующему изменению энергетического рельефа поверхности, что позволит сформировать триботехнический принцип минимизации износа и установления износостойкой способности материалов [5, 9].

Таким образом, рассмотренные стенды могут быть рекомендованы для получения и изучения функциональных зависимостей фрикционно-из-носных характеристик материалов пары, сравнительной оценки фрикционных пар, физического моделирования реальных трибосопряжений. При этом реализуется подход к определению основных принципов моделирования эквивалентных состояний трибологических пар, которые эксплуатируются в сложных условиях нагружения. Предложенные методы ускоренных испытаний износостойкости трибосопряжений позволят существенно снизить затраты на разработку перспективных антифрикционных материалов и конструкций новых фрикционных устройств, значительно сократить сроки их внедрения в производство. Результаты испытаний создадут предпосылки для обоснованного выбора материалов пар трения для заданных условий эксплуатации и могут быть использованы при разработке новых износостойких материалов и покрытий.

Перечень ссылок

1. Ивщенко Л. И. Метод трибологических испытаний при условиях цикличного силового и контактного нагружения / Л. И. Ивщенко, А. Г. Андриенко // Металловедение и обработка металлов. — 1996. — № 3. — С. 62— 65.

2. А. с. 847151 СССР, МПК G01N3/56. Установка для исследования трения / Л. И. Ивщенко, Н. Н. Голего, (СССР). — № 2534822/25—28 ; заявл. 13.10.77 ; опубл. 15.07.81, Бюл. № 26. — 2 с.

3. Ивщенко Л. И. Моделирование процессов контактного взаимодействия деталей, работающих в экстремальных условиях / Л. И. Ивщенко, С. Г. Саксонов // Новi ма-терiали i технологи в машинобудувант. — 1997. — № 1—2. — С. 102-104.

4. Пат. 15276 Украхна, МПК С0Ш3/56. Пристрш для дослвдження тертя / 1вщенко Л. Й., Зам-ковий В. 6., Афонш В. О., Циганов В. В. ; заявник та патентовласник Запорiзький нац.-техн. утв. — № 200600110 ; заявл. 03.01.06 ; опубл. 15.06.06, Бюл. № 6. — 3 с.

5. Циганов В. В. Зв'язок структурного стану по -верхневого шару та зносостшкосп деталей трибоз'еднань при тримрному навантажент / В. В. Циганов, Л. Й. 1вщенко // Вгсник двигу-нобудування. — 2008. — № 2. — С. 57-62.

6. Пат. 18596 Украхна, МПК С0Ш3/56 . Пристрш для випробування матерiалiв на зношування / 1вщенко Л. Й., Андрiенко А. Г. Кубiч В. I., Юдш О. С., 1влев В. М. ; заявник та патентовласник Запорiзький держ.-техн. ушв. — № 94322129 ; заявл. 10.09.90 ; опубл. 25.12.97, Бюл. № 6. — 3 с.

7. Запорожець В. В. Динамические характеристики прочности поверхностных слоев и их оценка / В. В. Запорожец // Трение и износ. — 1980. — Т. 1, № 4. — С. 602—609.

8. Вудраф Д. Современные методы исследования поверхности : пер. с англ. / Д. Вудраф, Т. Делчар. — М. : Мир, 1989. — 178 с.

9. Стан поверхневого шару деталей трибоз'еднань за рiзних схем контактування : сб. науч. тр. / [Л. Й. 1вщенко, В. В. Циганов, С. В. Лоскутов, С. В. Сейдаметов] // Проблеми тертя та зношування. — Кихв : НАУ, 2008. — Вип. 49, Т. 1. — С. 72—83.

Поступила в редакцию 27.01.2009

Розглянуто конструкцп cmrndie для моделювання процеав контактног взаемоди в трибозТеднаннях газотурбтних двигунiв, що працюють в умовах складного навантаження, а також до^джень 1хньо1 зносостiйкостi. Показано можливсть проведення прискорених випробувань моделей фрикцШних пар, наближених дореальнихумов експлуатащ трибоз'еднань з рiзними видами навантаження.

The article discusses designs of benches for simulating processes of contact interaction in friction interfaces of gas turbine engines operated in intricate loading conditions, with bench wear-resistance studied. The article shows feasibility of carrying out accelerated tests of friction pair models in conditions close to actual conditions of friction pair operation under various loading types.