Проблемы повышения надежности механических систем и конструкций

Секция механики

УДК 621.515:621.01

В.И. Бутенко, А.Д. Захарченко, В.И. Косов, Д.С. Дуров, Т.А. Рыбинская, А.Н. Максимов

ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

И КОНСТРУКЦИЙ

Важнейшим направлением решения проблемы повышения качества и конкурентоспособности выпускаемых машин является правильный выбор материалов для деталей машин, учет закономерностей формирования их структуры. По мнению многих ученых [1—4], разрабатываемые материаловедческие аспекты строения сталей и сплавов открывают новые возможности в обеспечении износостойкости и конструкционной прочности деталей машин. Решение этих вопросов имеет большую значимость при создании, например, волновой зубчатой передачи с учетом возможных форм деформирования гибкого колеса по основным критериям: нагрузочной способности, долговечности и К.П.Д. передачи. При этом следует иметь в виду, что в настоящее время отработаны 2-3 формы деформирования, которые реализуются соответствующими механическими генераторами волн: для приборных устройств - роликовыми генераторами волн, для средненагруженных -дисковыми и для тяжелонагруженных передач - кулачковыми генераторами волн принудительной деформации.

В последнее время в машиностроении возросла роль проблемы создания высокопрочных и сверхпрочных состояний металлов и сплавов. Для определения перспективных технологических направлений повышения прочности материалов и сплавов экспериментально были изучены силовые и энергетические условия зарождения, медленного докритического подрастания и последующего устойчивого роста трещины в районе локального концентратора напряжений, вызванного, например, отпечатком алмазного наконечника твердомера [4]. Установлено, что характер изменения критериев трещиностойкости на всех трех стадиях роста трещин для большинства сталей и сплавов не зависит от формы и угла вдавливания переменного индентора [4], поэтому с достаточно высокой степенью достоверности (с коэффициентом корреляции 0,9) были установлены следующие силовые и энергетические условия упругопластического деформирования и хрупкого разрушения материала твердого тела.

1. Микрохрупкость, имеющая место при соотношении е=(1,3-1,4)Т, где е -относительно упругая деформация в направлении действия нагрузки; Т - относительное упругое уменьшение площади отпечатка после снятия нагрузки.

2. Поскольку в плоскости нагружения возникают растягивающие напряжения (решение Герца), которые уменьшаются обратно пропорционально квадрату расстояния от линии действия силы Р (решение Буссинеска), то прочность материала в общем случае может быть определена по формуле [4]

а = ^,

I

где стз - напряжение материала в зоне зарождения микротрещины; /з - длина зародышевой микротрещины; / - текущая длина микротрещины в материале.

При /=/тах ст=сттах=ствр (здесь сттах - максимально допустимое материалом напряжение, т.е. предел его прочности аер).

Так как сттах=(1,3-1,4)Т£, то для идеального упругого тела теоретический предел прочности материала будет равен

Свр=0,1Е,

где Е - модуль упругости материала.

3. Удельная работа хрупкого разрушения материала 3А определяется из соотношения

^=А128=0,25ЕЬр=сот\,

где А - работа упругопластического материала при вдавливании пирамиды; 25" -суммарная поверхность образующейся микротрещины; 5р - величина раскрытия трещины в материале.

Принимая для идеально упругого тела 5р=2/ц, формулу удельной работы хрупкого разрушения материала 3А перепишем в виде [4]

Е1

¿л =— ,

л 20

где /ц - расстояние между центрами атомов, входящих в состав стали или сплава; - свободная поверхностная энергия материала.

Приведенные рассуждения об упругопластичном деформировании и хрупком разрушении материала могут быть использованы при анализе прочностных возможностей стержневых конструкций, которые должны быть геометрически неизменяемые. Примером такой конструкции является шарнирный четырехугольник, для которого условием неизменяемости является зависимость вида

5=2К,

где 5 - число стержней в неизменяемой конструкции (системе); К - число узлов конструкции (систем) без учета опорных. Решение проблемы повышения надежности механических систем и конструкций невозможно без совершенствования процессов механической обработки материалов. Особенно остро этот вопрос стоит при разработке технологических путей повышения износостойкости деталей. Анализ результатов выполненных исследований [2, 3, 5] позволил определить следующие технологические пути повышения износостойкости деталей механических систем и конструкций:

♦ оптимизация режимов обработки и геометрии заточки используемых инструментов;

♦ применение комбинированных инструментов и способов обработки;

♦ совершенствование процессов финишной обработки поверхностей деталей, например, применением шлифования с предварительным упроч-

нением поверхностного слоя, абразивной обработки текстолитовым притиром и т.д.;

♦ адаптивное управление процессом обработки с целью получения заданных показателей качества поверхностного слоя деталей;

♦ применение процессов легирования материалов деталей узлов трения.

Использование указанных технологических путей повышения износостойкости деталей на практике позволило повысить надежность узлов трения гидронасосов, доведя вероятность их безотказной работы до 0,95-0,98 за установленный срок службы.

Особенности физико-механических свойств авиационных материалов и требования, предъявляемые к деталям из них, вызывают необходимость при разработке технологических процессов предусматривать условия для стабилизации вибраций, связанных, например, с устойчивостью материала на передней поверхности используемого инструмента. Используя полный факторный эксперимент для двух независимых переменных, варьируемых на двух уровнях (планирование типа 22), были получены зависимости параметров шероховатости обработанной поверхности Яг, Бш и Д от вибрационных характеристик при токарной обработке стали 12Х2Н4А следующего вида:

& = 0,530/265Ж а18;

= 6,55 • 102/м°^895+0,2561о/;

Д = 4,01 •ю-2 /0 532ж0476,

где Ынар - частота срывов материала с передней поверхностью инструмента;

/н - удельная сила сцепления обрабатываемого материала с передней поверхностью инструмента.

По результатам выполненных исследований вибрационных процессов в зоне резания и их влияния на стойкость используемого инструмента, производительность обработки и качественные показатели получаемого поверхностного слоя деталей с учетом зависимостей (6) были разработаны практические рекомендации по совершенствованию процессов токарной обработки авиационных материалов. Так, было предложено при черновой и чистовой обработке авиационных материалов производить смену резцов и перенастройку станка в соответствии с рекомендуемыми режимами обработки и геометрией заточки инструмента. Для снижения частоты срывов материала с передней поверхности инструмента Ынар и уменьшения параметров шероховатости обработанной поверхности Яг, Бш и Д рекомендуется резец устанавливать в резцедержателе на специальном «точечном» демпфере. Повысить эффективность токарной обработки авиационных материалов можно в результате использования разработанной системы динамического мониторинга механической обработки деталей [3, 5, 6].

Большой теоретический интерес и практическую значимость представляют исследования, направленные на раскрытие механизмов превращений и эффектов в материалах поверхностных слоев деталей трибоконтакта и рассмотрение трибо-сопряжения как единой синергетической системы взаимосвязанных координат состояния [2, 3]. В связи с этим важнейшим этапом развития теории трения и износа, на наш взгляд, является раскрытие динамики трибосопряжений как единой системы силовых взаимодействий подсистем машины, приведенных к трибосоп-ряжению, и определение характеристик процесса трения как динамической связи, раскрывающей характер изменения сил контактного взаимодействия от простран-

ственных колебательных смещений контактирующих поверхностей и силовым шумом трибосопряжения, отражающим множество случайным образом распределенных во времени и в пространстве актов микроконтактного взаимодействия [2]. Этот этап фактически формирует новое научное направление в трибологии и открывает новую информационную базу в построении систем динамического мониторинга трибосопряжений.

Алгоритмы диагностирования состояния различных трибосопряжений, а также результаты, имеющие научное значение для трибологии, могут быть получены на основе анализа временных рядов сил, колебаний и температуры в зоне контактирования в широком диапазоне. На базе машины трения МТ-2 разработан стенд для исследования процесса трения [2, 3], который позволяет одновременно записывать в память ЭВМ до шестнадцати различных временных реализаций наблюдаемых временных последовательностей (силы контактного взаимодействия в нормальном и силовом направлениях, величины линейного износа в направлении, нормальном к контактируемой поверхности, среднюю температуру масляной ванны, мгновенную температуру в трибосопряжении в частотном диапазоне до 1-5 кГц, вибрационную последовательность индентора в двух ортогональных направлениях в управляемом компьютером частотном диапазоне вплоть до 50 кГц с заданной дискретностью во времени, электрическое сопротивление перехода «индентор - контробразец», путь трения, скорость относительного скольжения и др.). Установка позволяет осуществлять также программное управление процессом проведения экспериментов в реальном масштабе времени, что дает возможность использовать ее в производственных условиях при выборе материалов пар трения гидронасосов, других машин и конструкций.

Следует отметить, что в настоящее время возрос теоретический интерес к трибосинергетике как науке, обладающей возможностями построения единой динамической классификации состояния трибосистем при гидродинамическом (гидростатическом), «граничном» и «сухом» трении [8]. Однако, несмотря на такое принципиальное назначение трибосинергетики, она пока не стала разделом «классической» синергетики, что, по-видимому, обусловлено сложностью трибосистем (а также их физического определения) и использованием во многих случаях интуитивных понятий и определений, часто препятствующих получению достоверных и конструктивных выводов [2]. Тем не менее, анализ существующих концепций износостойкости трибосистем с учетом накопленных экспериментальных данных в области трения и износа позволил разработать концептуальную модель износостойкости трибосистем и материалов сопряженных поверхностей деталей пар трения [3], открывающую принципиально новые подходы к созданию механических систем с трибоэнергетической приспосабливаемостью.

Представленные материаловедческие, конструкторские, технологические и эксплуатационные направления по решению проблемы повышения надежности механических систем и конструкций не исчерпывают всех возможностей совершенствования машиностроения и создания конкурентоспособных изделий. Авторы статьи считают необходимым продолжить поиск эффективных направлений решения этой проблемы в рамках современных взглядов на нелинейность процессов металлообработки и трения [3, 7].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трощенко В.Т., Сосновский Л.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов. Киев: Наукова думка, 1987.

2. Бутенко В.И. Структурная самоорганизация материала поверхностного слоя обрабатываемой детали. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000.

3. Бутенко В.И. Износ деталей трибосистем. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002.

4. Бутенко В.И. Высокопрочные и сверхпрочные состояния металлов и сплавов. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003.

5. Бутенко В.И. Формирование и изнашивание поверхностного слоя детали. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999.

6. Дуров Д.С. Вероятностная модель системы динамического мониторинга механической обработки детали // Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники. Ростов-на-Дону. 2000. Вып.4.

7. Бутенко В.И. Нелинейность процессов при обработке металлов резанием. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2001.

8. Бершадский Л.И. О самоорганизациях и концепциях износостойкости трибосистем //Трение и износ. 1992. Т.13. №6. С.1075-1094.

УДК 621.3.019.3+621.891:541.138

А.Д. Захарченко, М.С. Абделькадр

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЗАКЛЕПОЧНОГО

СОЕДИНЕНИЯ

В связи с увеличением габаритных размеров самолетов и вертолетов резко возросло количество заклепок, устанавливаемых в планере. В планере самолета В-747 установлено около 2 млн заклепок, в отечественном ИЛ-86 - более 1,4 млн. Если в 50-60-х годах в конструкциях тяжелых самолетов количество болтов составляло 50-100 тыс. штук, то в самолете ИЛ-86 их уже установлено более 150 тыс. штук.

Анализ показывает, что заклепочные соединения применяют в наиболее нагруженных местах конструкции, подверженных воздействию интенсивных переменных напряжений и значительное число разрушений приходится на усталостные разрушения заклепочных соединений.

Поэтому в последнее время особое внимание уделяется разработке высокоресурсных заклепочных соединений, теоретическим исследованиям распределения напряжений в пластине с отверстием и диагностике соединений в конструкции.

В данной работе представлены результаты теоретических исследований напряженного состояния пластин с отверстием под заклепки, установленных с определенным натягом.

Анализ результатов расчета нормальных, тангенциальных и касательных напряжений в пластине с различными параметрами заклепочного соединения позволил сформулировать следующие выводы.

1. Сжимающие напряжения имеют максимальное по абсолютной величине значение по краю отверстия. По мере удаления от отверстия они убывают. Это понятно, так как отверстие является сильнейшим концентратором напряжений.

2. С увеличением величины натяга сжимающие напряжения растут по линейной зависимости, причем по мере удаления от отверстия этот рост значительно замедляется.

3. Характер изменения тангенциальных напряжений аналогичен сжимающим напряжениям, но по абсолютной величине они значительно ниже.

4. Касательные напряжения имеют максимум в зоне 6=90°, возрастая от нуля в зоне 6=0°, совпадающей с направлением растягивающих усилий.