Еволюційні моделі фретинг-процесу у номінально-нерухомому фрикційному контакті

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

ХМЕЛЬНИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ЕВОЛЮЦІЙНІ МОДЕЛІ ФРЕТИНГ-ПРОЦЕСУ У НОМІНАЛЬНО-НЕРУХОМОМУ ФРИКЦІЙНОМУ КОНТАКТІ

Спеціальність 05.02.04 - Тертя та зношування в машинах

ШАЛАПКО ЮРІЙ ІВАНОВИЧ

Хмельницький 2009

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

тертя фретинг малоамплітудний фрикційний

Актуальність теми. Створення нової високоефективної техніки й вдосконалення існуючих наукоємних інженерних конструкцій - невід'ємна й важлива ланка науково-технічного прогресу. Вона тісно пов'язана з прийняттям, розробкою і впровадженням нових інженерних рішень при виборі матеріалів та процесі конструювання якісно вищих за рівнем механічних систем та вузлів. Суттєві зміни в ідеології сучасного виробництва, виникнення нових механічних систем та їх експлуатація пов'язані з бурхливим розвитком комп'ютерних технологій. Очевидна невідповідність між ефективністю механічної системи та тими можливостями, що на сьогодні дають прогресивні комп'ютерні технології, безумовно стримують подальший розвиток складної техніки. Насиченість готового виробу різноманітними механічними функціями в умовах обмеженого робочого об'єму, зменшення жорсткості елементів конструкції, дефіциту матеріалу та підвищенні динамічного навантаження, вимагає особливої уваги до місць спряження деталей вузлів у галузях складного машинобудування, енергетичного комплексу, аерокосмічної техніки, мікроелектрономеханічних системах, біоінженерних конструкцій.

Винятково важлива роль при цьому відводиться цілісності номінально-нерухомих фрикційних з'єднань (ННФЗ). Відомо, що однією з головних причин втрати цілісності з'єднання є фретинг-процеси (ФП), рушійними чинниками якого є характерний відносний рух та мікрозношування контактних поверхонь. Ці два явища до сьогоднішнього часу, як правило, досліджувались відокремлено один від одного. Перебіг фретинг-процесів при таких амплітудах характеризується складною динамікою та нестійкістю відносного руху. Тому картина динамічних та зносостійких явищ при малоамплітудному фретингу ще далека від цілісного завершення. Так, поняття верхньої границі малоамплітудного фретингу залишається досить невизначеною. Це пояснюється тим, що при малих зміщеннях поверхонь і навіть достатньо великій кількості осциляцій, важко визначити ступінь пошкодження контакту. На сьогодні серед науковців склалася думка, що верхньою межею малоамплітудного фретингу є 30…35 мкм. Однак, існує багато свідчень про те, що і при значно менших амплітудах відносного руху поверхонь має місце значна інтенсивність руйнівних процесів. Також залишається не ясним, яке співвідношення повинно бути між проковзуванням та зчепленням у відносному переміщенні поверхонь аби фретинг вважати малоамплітудним. Величина нижньої границі фретингу також є дискусійне. Тому на сьогодні практично не можливо коректно передбачити довготривалу динамічну поведінку та достовірний контроль за станом контактних поверхонь ННФЗ. Особливо це важливо для експлуатації відповідальної техніки пов'язаною з безпекою та здоров'ям людей.

У зв'язку з цим, актуальною є проблема визначення характеристики тертя при реверсивному малоамплітудному русі, дійсних параметрів фретингу та вплив їх природної еволюції на експлуатаційні якості ННФЗ.

Розглядаючи ФП як еволюційні, важливо визначити критерії рівня упорядкованості процесу тертя. Без таких критеріїв, приймаючи до уваги латентність таких контактних явищ, важко буде відрізнити процес незворотної деградації поверхні від процесу самоорганізації, спрогнозувати й продіагностувати працездатність контактної пари. Актуальними також є реалізація технології поверхневої модифікації елементів ННФЗ.

Розбудова нових напрямів і розвиток теорії тертя та зношування, з подальшою їхньою практичною реалізацією, закріпить інтелектуальний пріоритет України у вищезазначених наукових доробках, інтенсифікує інтеграційні процеси у світовий науково-технічний простір, сприятиме виходу наукоємної і високотехнологічної продукції на світові ринки.

Зв'язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у Науково-експериментальному центрі Хмельницького національного університету у тісному зв'язку та координації із Законом України “Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки”, згідно пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки (постанови Кабінету Міністрів України № 1716 від 24.12.2001 “Про затвердження переліку державних наукових і науково-технічних програм з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки на 2002-2006 роки” та № 516 від 18.04.2006 “Про затвердження Державної програми розвитку машинобудування на 2006-2011 роки”) та середньостроковим пріоритетним напрямом “Машинобудування і приладобудування як основа високотехнологічного відновлення усіх галузей виробництва” (стаття 8 Закону України “Про пріоритетні напрями інноваційної діяльності в Україні”), затвердженої програми наукової діяльності Хмельницького національного університету, в закінчених наукових розробках, у яких автор був відповідальним виконавцем: “Конструкторсько-технологічне обґрунтування рішень по поліпшенню експлуатаційних характеристик з урахуванням економічних чинників нових виробів, впроваджених на Городоцькому верстатобудівному заводі” - НДР №01910020472 (1993 р.), “Експлуатаційна цілісність з'єднань елементів конструкцій при динамічному навантаженні в умовах розвитку фретинг-корозії контактних поверхонь” ? НДР № 0103U001205 (2004 р.); “Підвищення зносостійкості та працездатності обладнання паливно-енергетичного та машинобудівного комплексів” - НДР № 0105U000721 (2007 р.), а також у реалізації наукової діяльності згідно договорів про співпрацю між Хмельницьким національним університетом та Технічним університетом “Краківська Політехніка” від 14.10.2004 та 05.05.2008 та планами держбюджетних робіт кафедри машинознавства.

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є забезпечення працездатності номінально-нерухомих фрикційних з'єднань, підвищення їх фретингостійкості на основі експериментальних досліджень та розробки теорії динамічної фрикційної взаємодії контактних пар в умовах малоамплітудного фретингу.

Основні завдання наукового дослідження:

узагальнити теоретичні та прикладні аспекти впливу циклічних тангенціальних контактних навантажень і відповідних мікропереміщень на забезпечення структурної цілісності ННФЗ;

вдосконалити існуючу експериментальну базу та створити нові методи досліджень малоамплітудного фретинг-процесу;

встановити комплексну роль мікропереміщень у встановленні напружено-деформованого стану квазістатичного контакту;

встановити закономірності малоамплітудного реверсивного тертя з врахуванням механіки повного попереднього зміщення, впливу Штрибек-ефекту, в'язкості тертя, параметра пластичності, мікрогеометрії поверхонь та перебігу відносної швидкості поверхонь при переході від зчеплення до повного ковзання;

розробити теорію динамічного зчеплення-проковзування для умов малоамлітудного фретингу;

обґрунтувати показники малоамлітудного фретингу та критерії цілісності номінально-нерухомого фрикційного контакту;

на основі вирішення контактної задачі з проковзуванням визначити енергетичні втрати при змішаному циклічному контакті та відповідний механізм зношування поверхневих шарів;

спеціальними методами математичної обробки часових рядів виявити приховані особливості у динамічному русі поверхонь, ідентифікувати динамічні режими у контактній парі та дослідити роль початкових умов контактування на перебіг довготривалого фретинг-процесу;

запропонувати методи модифікації поверхонь з використанням дії висококонцентрованих джерел енергії на локальні місця контактної взаємодії.

Об'єкт дослідження - процеси тертя, контактної взаємодії та зношування при динамічному тангенціальному навантаженні елементів номінально-нерухомих фрикційних з'єднань.

Предмет дослідження - номінально-нерухомий фрикційний контакт у з'єднаннях деталей машин та конструкцій.

Методи дослідження. Часовий перебіг кінематичних та силових параметрів фретинг-процесу визначався знаходженням аналітичних рішень систем диференційних рівнянь, що описують динамічний рух поверхонь розділу контактної пари. На основі експериментальних вихідних даних, у глобальну еволюційну модель впроваджувались параметри еволюції змінних у часі відповідних чинників фретингу і визначався вірогідний динамічний стан контактної пари після відповідного напрацювання. Методом комп'ютерної симуляції досягнуто максимальне наближення математичних моделей до їх реального відтворення в експерименті. Компонент напружень у контакті знаходились за допомогою чисельного рішення сингулярних інтегральних рівнянь першого роду у напівпросторі із заданим розподілом нормальних і тангенціальних зусиль. Границі інтегрування встановлювались у залежності від розмірів областей зчеплення, проковзування, які визначались аналітично та коректувались за результатами експерименту.

Експериментальні дослідження виконувались за схемами “площина-кулька”, ”площина-площина” у широкому діапазоні нормальних тисків, частот та амплітуд вібраційного збурення. Дослідження мікрогеометрії та визначення кількісних характеристик мікропошкоджень здійснювалось методом лазерного сканування поверхонь у тривимірному просторі. Комплексні покриття конструкційних матеріалів створювались електроіскровим легуванням твердим сплавом ВК8 та послідуючим лазерним опромінюванням. Адгезійна міцність покриття визначалась скретч-методом.

Амплітудно-частотна характеристика вібраційних сигналів від контактної пари визначалась швидким перетворенням Фур'є. Пошук особливостей у вібросигналах, енергетичні характеристики мікропроковзування, довгострокові тенденції та тренди визначались за допомогою вейвлет-аналізу часових рядів ФП. Характеристика динамічного стану контактних поверхонь для експериментальних даних та модельних часових рядів визначалась за показниками Ляпунова, Херста та побудовою перерізів Пуанкаре. Комп'ютерна апробація чисельної моделі номінально-нерухомого контакту проводилась методом скінченних елементів.

Наукова новизна отриманих результатів. У результаті теоретичних та експериментальних досліджень сформований науковий напрямок - динамічна цілісність номінально-нерухомих фрикційних з'єднань як еволюція чинників малоамплітудного фретингу при переході квазістатичного тертя у режим динамічного зчеплення-проковзування. При цьому отримані такі наукові результати:

1. Розроблена еволюційна модель ФП як цілісного явища динамічного руху контактної пари з врахуванням особливостей тертя при малих відносних швидкостях, впровадженням нових математичних моделей для швидкісної характеристики тертя, рівнем циклічних зсувів поверхневих шарів, мікрогеометрії поверхні та кінетики її адсорбційної активації.

2. Встановлені математичні залежності, що дозволяють описати внутрішні рушійні процеси збільшення амплітуди контактних мікропереміщень, які призводять до інтенсифікації динамічних та фрикційних явищ у ННФЗ.

3. Знайдено нове аналітичне рішення для опису швидкісної характеристики вібраційного тертя з врахуванням параметра пластичності на стадії повного попереднього зміщення, Штрибек-ефекту при переході до ковзання, а також в'язкості при переході до кінематичного тертя.

4. Теоретично отримані величини максимально можливих відносних зміщень поверхонь та відповідних їм швидкостей проковзування, нижче яких номінально-нерухомий контакт знаходиться в стані попереднього зміщення. Уточнені критерії динамічних режимів фретингу за геометричними параметрами гістерезисних петель.

5. Амплітудно-частотний аналіз та проведений комплекс фізичних, комп'ютерних експериментів дали підстави вперше виділити у самостійний напрямок досліджень (як додаток до відомих механізмів “зчеплення”, “часткового проковзування” і “повного ковзання”) такий стан фрикційного контактування, який встановлюється на границі переходу від статичного тертя до кінематичного і класифікується нами як режим динамічного зчеплення-проковзування (РДЗП).

6. Аналітично визначена верхня границя малоамплітудного фретингу за критеріями якісних переходів у динамічній поведінці поверхонь, а також за амплітудно-частотною характеристикою вібраційного руху відносного переміщення елементів контактної пари та інтенсивністю руйнування контакту.

7. Встановлена роль початкових умов контактування двох поверхонь на подальший перебіг відносного руху в контакті.

8. Розширений і математично описаний комплекс контактних напружень для умов змішаного фретинг-контакту, що дозволило визначити механізм деградації плями контакту при наявності зон зчеплення, проковзування.

9. Залежно від експлуатаційних характеристик вібраційного навантаження та відповідної розмірів зон зчеплення-проковзування визначені умови переходу контакту в глобальне ковзання.

10. На базі експериментальних досліджень визначена емпірична залежність між кількістю циклів тангенціального навантаження, які витримує спряження у стані повного попереднього зміщення і до моменту глобального проковзування та рівнем еквівалентних контактних напружень.

11. Уточнений механізм впливу механічного фактора, а саме субмікронних циклічних відносних зміщень у межах плям фактичного контакту на адсорбційну активність фретинг-процесу металевих поверхонь.

12. Використані методи вейвлет-перетворення та розрахунок показника Ляпунова для трибологічного аналізу нестаціонарних вібросигналів від елементів контактної пари при їх тангенціальному циклічному навантаженні. Це дозволило виділити особливості фрикційної взаємодії для різних станів контакту, ідентифікувати стадії ФП та динамічний хаос у контакті. Важливо те, що визначається не тільки тривалість перехідних процесів, а й енергетична наповненість вібросигналу від контактної пари.

13. Встановлена роль тонкого поверхневого шару з характеристиками відмінними від основного матеріалу, на еволюцію ФП, що вперше пояснює вплив товщини та густини покриття на відносну рухомість контактної пари при малоамплітудному фретингу.

14. Методами комбінованої обробки поверхонь (електроіскрове легування та наступне дискретне лазерне оплавлення) запропонований спосіб армування контактних поверхонь з метою підвищення структурної цілісності ННФЗ.

Практичне значення отриманих результатів. На базі теоретичних та експериментальних досліджень вирішена проблема підвищення працездатності, діагностування та прогнозування якісної експлуатації номінально-нерухомих фрикційних з'єднань.

Результатом виконаних досліджень є змістовне розширення та математична формалізація трибологічних явищ при циклічних мікропереміщеннях, що дозволяє при проектуванні виробу враховувати динамічні експлуатаційні показники, фізико-механічні властивості та якість поверхонь спряження, рекомендувати методи модифікації і зміцнення деталей.

Розроблена доступна методика для визначення у лабораторних умовах спроможності матеріалів контактної пари зберігати номінальну нерухомість у полі вібраційного навантаження (пат. № 59812А, пат. № 69559А).

Розроблений математичний апарат, який за вихідними експлуатаційними характеристиками контактної пари дозволяє визначити перебіг відносних мікропереміщень, швидкостей, прискорень та сил тертя у разі зриву посадки, пов'язаної з непередбаченими змінами у динамічних характеристиках роботи механічної системи. Результати досліджень використані у виробничій діяльності підприємств машинобудівного та енергетичного комплексу.

На підприємстві “Насосотехкомплект”, фірмі “Тріз” (м. Суми) були зміцнені елементи компенсуючих муфт відцентрованих насосів високонапірних газових компресорів. Обробка полягала у нанесенні тонкого шару сплаву ВК8 і у лазерній обробці окремих зон пружних мембран, де відбувається інтенсивне мікропроковзування. Ресурс пластинчастих муфт збільшився у 1,5 разів. На авторемонтному заводі (м. Суми) були проведені стендові випробування коробки передач автобуса ЛАЗ-697. Оцінені вібраційні характеристики мікропереміщень між корпусом картера коробки передач (130-1701015) та запресованим у нього зовнішнім кільцем підшипника первинного вала. Це поліпшило якість відновлених деталей та процес складання коробки передач і підвищило довговічність підшипникових вузлів на 10…20 %. Діагностичні роботи були проведені на автопідприємстві “Хмельниччина-Плюс” для таких номінально-нерухомих фрикційних з'єднань: посадочні місця валиків водяних насосів та шліцьові частини рознімних кулаків автобуса ЛАЗ-695. На науково-виробничому підприємстві “Віднова” (м. Хмельницький) впроваджені технологічні рекомендації з формування відповідної шорсткості поверхні ложементів для забезпечення фіксації напівкорпусів циліндрів екструдера моделі К-24-127-360001. Це дозволило підвищити тривалість роботи шнека та обойми на 10…15 %. Аналіз контактної поведінки елементів штучного ендопротезу при моделюванні ходи людини був використаний для підбору конструкцій металевих стрижнів і необхідного ступеня наповненості каналу стегнової кістки біоцементом у травматологічному відділенні Хмельницької міської лікарні.

Наукові положення та методики впроваджені у навчальному процесі кафедри машинознавства Хмельницького національного університету при викладанні курсів “Основи теорії коливань та віброзахисту”, “Електрохімічні та фізичні методи обробки”, “Механіка”.

На захист виносяться:

1. Модель динамічного ініціювання відносних мікропереміщень та мікропроковзувань у квазістатичному контакті шорстких поверхонь, як передумова розвитку малоамплітудного фретингу.

2. Критерії структурної цілісності ННФЗ.

3. Методи моделювання, розрахунку, аналізу та експериментального відтворення кінематичних й фрикційних складових фретинг-процесу.

4. Технологічні рішення з створення спеціальних покриттів, які забезпечують довготривалу номінальну цілісність ННФЗ.

Достовірність результатів і обґрунтованість наукових положень базується на фундаментальних законах фізики твердого тіла, теорії пружності та пластичності. Класичні методи визначення динамічних реакцій у контакті основані на точних математичних рішеннях диференційних рівнянь руху. Сучасні методи дослідження, апаратне забезпечення і обробка експериментальних даних їх узгодження з експериментами та ефективне впровадження у виробництво, підтверджують достовірність одержаних результатів.

Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних положень та експериментальних досліджень, які захищаються автором, отримані ним особисто [5, 12, 13, 15, 16, 18, 19, 26, 27, 30, 34, 36]. Автору також належить аналіз історичних надбань за темою дисертації, стану проблеми у сучасному науково-технічному розвитку, виконані оптичні дослідження та вимірювання мікропошкоджень [14, 35, 38]. У статтях [11, 29, 37] автором визначені принципи структурної цілісності номінально-нерухомих з'єднань, на базі яких вдосконалені закономірності квазістатичного тертя [22, 32] і запропонована еволюційна модель фретингу [8, 31, 40]. У роботах [3, 4, 9, 20, 24] автор здійснив зміцнення поверхневих шарів на лазерних установках, проаналізував результати випробувань на фретингостійкість [1, 2], сформулював висновки. Особисто виконані дослідження на віброактивність контактних пар після електроіскрового легування [17], гальванічного покриття [28], оброблені результати експериментів, сформульовані висновки [10, 23, 25]. Створив чисельні моделі, здійснив розрахунки та їх математичну обробку [7, 21]. У працях [39, 33] визначив динамічні особливості у динамічному русі контактних поверхонь та провів розрахунок фретинг-пошкоджень для конструкційних матеріалів. Участь у розробці дослідного обладнання полягала у обґрунтуванні схеми навантаження, тензометрії, розробці способів запису осцилограм, математичній обробці часових рядів [6, 41, 42]. Вирішення проблем математичного характеру, обговорення та висновки по роботі проводилися сумісно з науковим консультантом.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, поданих у дисертації, регулярно представлялись та обговорювались на міжнародних, республіканських конференціях, симпозіумах, семінарах: “Конструкційні та функціональні матеріали” (Львів, 1997), “Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин” (Хмельницький, 2000, 2001, 2003), ІІ Всеукраїнській молодіжній науково-практичній конференції з міжнародною участю “Людина і космос” (Дніпропетровськ, 2000), “Новые технологии, методы обработки и упрочнения деталей энергетических установок” (Запоріжжя, 2002, 2004, 2006, 2008), “Tribological problems in exposed friction systems” (Bratislawa, Slovac Republic, 2002), “Second Internetional Tribology Conference” (Zielona Gora, Poland, 2002), “Wspуіczesne technologie wytwarzania oraz modelowania” (Сатанів, 2003), “Трибофатика” (Тернопіль, 2003), 6-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків (Львів, 2004), “Optimization of Production Systems in Foundries”(Lodz, Poland, 2004), The 21st International Congress of Theoretical and Applied Mechanics (Krakow, Poland, 2004), X Sympozjum Wplyw Wibracji na Otoczenie (Janowice-Krakow, Poland, 2004), “Технічно-економічні передумови розвитку підприємництва” (Краків, 2005, Кам'янець-Подільський, 2007), I seminarium wydzialu mechanicznego “Mechanical Engineering Design and Manufacturing” (Lodz, Poland, 2005), “Надежность и качество” (Пенза, Росія, 2006), 7^th International Symposium “Tnergy and environmental aspects of tribology” (Cracow, Poland, 2006), 12^th International Scientific Conference on the Contemporary Achievements Mechanics (Zakopane, Poland, 2006), “Информационно-вычислительные технологии и их приложения” (Пенза, Росія, 2006), VIII Konferencja EM'06 “Electromachining” (Bydgoszcz - Wiktorowo, Poland, 2006), Active noise and vibration control methods (Krasiczyn, Poland, 2007), Технологии ХХI века (Суми, 2007), Mechanika w Miedycynie (Rzeszow, 2008), XII міжнародній конференції “Герметичность, вибронадежность и экологическая безопасность насосного и компрессорного оборудования” (Перемишль, 2008) тощо; на щорічних наукових конференціях Хмельницького національного університету за результатами наукової діяльності. Здобувачем був проведений семінар для співробітників кафедри прикладної механіки Краківської Політехніки (2004) на тему “Динаміка мікропереміщень у номінально-нерухомому контакті”.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладені у 42 наукових працях (з них - 12 без співавторів), у т. ч. статей у фахових виданнях - 31, патентів України - 2, статей у періодичних виданнях та в збірниках наукових праць - 9 (у т. ч. 6 - у закордонних виданнях), а також в матеріалах та тезах конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з переліку умовних позначень, вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел з 462 найменувань, п'яти додатків. Повний обсяг дисертації викладено на 475 сторінках машинописного тексту, із яких основна частина міститься на 378 сторінок. Додатки викладені в окремій брошурі на 56 сторінках. Для викладу основної частини використано 237 рисунків та 8 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрита сутність і стан наукової проблеми, її значущість, обґрунтована актуальність теми, викладено зв'язок роботи з науковими програмами, сформульовані мета й основні задачі досліджень, наведено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, представлено загальну структуру дисертаційної роботи, апробація та результати співпраці з виробничими підприємствами.

У першому розділі наведений аналіз фретинг-пошкоджень та їх наслідків для працездатності відповідальних вузлів аерокосмічної техніки, мікроелектромеханічних систем, а також для номінально-нерухомих з'єднань штучних біоінженерних конструкцій. Досвід експлуатації таких спряжень показав, що циклічні мікрозміщення з амплітудою до 15 мкм викликають значні фретинг-пошкодження, які є одним з головних чинників тих рушійних процесів, які призводять до втрати номінальної цілісності контакту. Латентність фретинг-процесів не дає чіткої відповіді про можливі сценарії еволюції станів поверхонь спряження контактної пари, а відсутність відповідних моделей та математичного апарату не дозволяє діагностувати й прогнозувати стан спряження з точки зору еволюційного розвитку малоамплітудного фретингу.

Фундаментальні основи теорії фретинг-процесів заклали Р. Уотерхауз, Г. Томлінсон, В. В. Шевеля, А. Я. Аляб'єв, М. Л. Голего, В. І. Похмурський, Д. Хоуппнер. Подальшу феноменологію фретинг-процесів було розвинуто у змістовних працях В. В. Ковалевського, Л. Т. Балацького, Д. М. Гаркунова, Д. Г. Громаковського, Г. М. Філімонова, Г. С. Калди, В. П. Олександренко. Ними визначені основні напрямки й отримані достовірні результати у розумінні явища фретингу з точки зору матеріалознавства, методів обробки поверхонь, втоми, механохімічних реакцій, реології, систематизовані проблеми фретингу у вузлах та конструкціях. У той же час з'явилися ґрунтовні праці, які пов'язані з механікою вібраційного тертя та малоамплітудним фретингом, виконані С. Г. Костогризом, Д. Хіллом, К. Джонсоном, Д. Ноуеллом, Т. Фаррісом, І. Г. Горячєвою, Л. Й. Івщенко. Постійне удосконалення теорії контактної взаємодії та методів опису поверхні М. Ф. Семенюком, О. Е. Андрейківим, Р. Міндліним, Д. Грінвудом, Б. Бушаном, А. Г. Кузьменком, В. Є. Любімовим дозволило перейти до вирішення мультиконтактної задачі, в якій масштаби мікронерівностей співмірні з амплітудами мікропереміщень. На основі визнаних механізмів зношування та закономірностей тертя, які окреслили у своїх роботах Б. І. Костецький, І. В. Крагельський, М. О. Буше, Ф. Боуден, Д. Тейбор, Е. Рабіновіч, А. В. Верховський, Л. І. Бершадський, В. В. Запорожець, І. А. Кравець, Р. Г. Мнацаканов, Я. М. Гладкий окреслені фізико-механічні передумови руйнування контакту в результаті фрикційної взаємодії.

Аналіз попереднього наукового доробку показав, що для розуміння природи малоамплітудного фретингу, умов його ініціювання та подальшої еволюції контакту необхідно врахувати наступні ключові моменти:

зміну знака та залежність сили тертя від відносної швидкості ковзання (швидкісна характеристика тертя);

попереднє зміщення поверхонь;

пружно-пластичний характер кривої тангенціального навантаження;

невизначеність або багатозначність сил статичного тертя при нульовій відносній швидкості;

час перебування контакту в умовах квазістатичного тертя;

ефект пам'яті при терті або часове запізнення критичної амплітуди проковзування відповідно до значення сили тертя;

зростання з'єднань при тангенціальному навантаженні.

Неврахування мікропереміщень у номінально-нерухомому контакті не тільки вносить значні похибки та формальні протиріччя у розрахунках міцності та надійності вузлів, але й може призвести до катастрофічних наслідків при експлуатації відповідальних механічних систем.

Автором ставиться задача дослідити динаміку циклічних фрикційних мікропереміщень у межах малоамплітудного фретингу, їх еволюцію та вплив на цілісність номінально-нерухомих з'єднань. У розділі проаналізовані сучасні моделі тертя та закономірності ініціювання зміщення поверхонь.

У другому розділі представлена експериментальна база для виконання поставлених автором завдань наукової роботи. Описаний аналого-цифровий комплекс та програмне забезпечення для автоматичного запису сигналів від тензодатчиків та датчиків мікропереміщень, їх математичної обробки та побудови гістерезисних петель. Пристрій дозволяє виконувати вимірювання сигналів з частотою 650 вимірювань за секунду у режимі одночасного вимірювання у двох каналах, або 1300 вимірювань сигналу на одному з двох каналів. Реалізований варіант має максимальну працездатність - 1755 операцій з визначення рівня вхідної напруги за секунду для восьми бітної точності. Максимальна працездатність системи сягає 65500 операцій, що відповідає 37,32 секундам неперервного запису. Наведення таких даних є важливим з точки зору коректної часової розгортки сигналу і відтворення його у цифровому вигляді. Таким переносним комплексом були оснащені:

- установка для дослідження часткового проковзування;

- установка для відтворення циклічних мікропереміщень при великих нормальних тисках (пат. 69559А);

- установка для встановлення границь динамічної та статичної цілісності для контактної пари типу “циліндр - втулка” (пат. 59812А);

Як спосіб модифікації контактних поверхонь використана лазерна обробка та електроіскрове легування. Лазерна обробка виконувалась на установках імпульсної дії “КВАНТ-18М” та BSL-720 фірми BAASEL LASERTECHNIK, електроіскрове легування на установці ЭЛФА-541. Дослідження адгезійної міцності покриттів, як одного із факторів фретингостійкості, були здійснені на установці REVETEST, фірми CSEM.

Визначення характеристик контактних поверхонь були проведені у тривимірному просторі лазерним профілографом-профілометром Talysсan 150, фірми Rang Taylor Hobson. Сканування поверхонь відбувалось в області плями контакту з кроком 0,5 мкм. Дані, що були отримані, оброблялись за допомогою програми TALYMAP Expert і представлялись як у графічній формі, так і у цифровій. Таке дослідне обладнання дозволяло визначити та описати всі відомі параметри мікрошорсткості, будувати опорні криві, і головне, з погляду мікропошкоджень від фретингу, визначати у відсотках поверхню, яка зайнята мікровикришуванням та мікрозаглибленнями, а також об'єм мікроруйнування (мкм³/мм²). Для визначення глибини мікропошкоджень у зоні проковзування поверхонь використовувався профілограф-профілометр TALYSURF-4 з програмним забезпеченням SUFORM. Первинне візуальне дослідження реальних об'єктів, деталей та зразків проводилось на апаратах TECHNOLOCK фірми SONY, металографічному мікроскопі МИМ-10. Виявлення особливостей у динамічних характеристиках фретинг-процесу проводились перетворенням Фур'є, побудовою фазових діаграм, перерізів Пуанкаре, визначенням показника Ляпунова та вейвлет-аналізом.

У третьому розділі на базі відомих механізмів та стадій фретингу представлений феноменологічний підхід до створення узагальнюючої еволюційної моделі ФП. На відміну від динамічної, еволюційна модель повинна охопити всі глобальні зміни у контакті - як природного руху механічної системи до збільшення ентропії. З практичної точки зору об'єкт досліджень під час експлуатації переходить від стану абсолютного (пружного) зчеплення до повного проковзування з амплітудами, які значно перевищують повне попереднє зміщення. Цінністю даного підходу є те, що вагомість будь-якого механізму контактного руйнування поверхонь визначається його впливом на характер відносного руху елементів контактної пари. Відносний рух двох поверхонь є першопричиною та обов'язковою умовою для перебігу ФП, який надалі стає рушійною силою еволюції станів двох контактних поверхонь за умовою сталості зовнішніх чинників навантаження.

Представлення математичної моделі ФП є формулювання крайової задачі для диференціальних рівнянь математичної фізики. Незалежним змінним є час, а шуканими - фазові змінні, які характеризують стан системи (в наших дослідженнях - сила тертя, переміщення та швидкості). Початковий стан системи визначається зовнішніми параметрами навантаження і фізико-механічними властивостями поверхневих шарів. Для обґрунтування ступеня деталізації моделювання, автором запропонована ієрархічна модель з чотирьох рівнів, яка описує довготривалу працездатність контактної пари, починаючі від атомістичного нульового рівня до фретинг-процесів першого мікрорівня, динамічних явищ другого макрорівня та закінчуючи структурною цілісністю вузла в цілому. Об'єднання першого та другого рівня і є одним із ключових завдань представленої роботи. У розділі проаналізовані осцилограми відносних мікропереміщень, перебігу сил тертя та відповідні гістерезисні петлі режиму змішаного контакту

У такому режимі контакт перебуває тривалий час і практично є періодом фактичної експлуатації з'єднання. Під час цієї стадії відбувається поступовий перерозподіл контактних напружень, руйнування за механізмом багатоциклової втоми центральної зони контакту, окиснення та зношування периферійної зони контакту. Експериментально було визначені критичні відношення розмірів зон зчеплення та проковзування, при яких відбувається перехід до проковзування по всій плямі контакту.

Нами було виділено в окремий випадок один з режимів контактної взаємодії з наступних принципових міркувань):

- перебування контакту в такому режимі є межею, за якою втрачається номінальна нерухомість контакту.

- такий стан має динамічну несталість контакту, при якій найменша зміна будь-якого чинника призводить до стрибкоподібних змін у динаміці ФП.

За нашим визначенням такий перебіг ФП характеризуємо як режим динамічного зчеплення-проковзування (РДЗП). Нижню границю РДЗП встановлюємо такою, при якій проковзування поверхонь є співмірними з величинами пружно-пластичної деформації контакту в стані повного попереднього зміщення. Верхньою границею вважається така амплітуда коливань, при якій проковзування відбувається у границях плями контакту. Залежно від нормального тиску встановлено, що РДЗП відбувається на фактичних або контурних плямах контакту з амплітудами відносних мікропереміщень від 1…3 мкм до 20…30 мкм. Експериментально була відтворена природна тенденція контакту до втрати його цілісності. При цьому визначальним було зменшення нормального тиску в контакті і збільшення абсолютного значення відносного зміщення поверхонь. Таким чином була встановлена області тренду еволюції ФП, під час яких реалізовуються різні сценарії перебігу ФП.

На рис. 3 представлений результат експериментального дослідження динамічної поведінки контактної пари зі сталі 45 та ШХ15. У результаті руйнівних контактних процесів відбувається природне збільшення проковзування в контакті від 3 мкм до 25 мкм. Динамічні стани контакту наочно відображені у відповідних фазових портретах.

Надалі логічним кроком було визначення керуючих чинників ФП у контексті тих динамічних станів номінально-нерухомого контакту, які показали експерименти.

Для цього розглянута коливальна система основи 1 та тіла 2 при вібраційному русі основи за гармонічним законом. Характер тертя між тілами у першому наближенні моделювався законом Амонтона-Кулона у рамках моделі недеформованого твердого тіла, без врахування пружних властивостей контакту.

У результаті розв'язування диференційного рівняння руху  найдені умови зчеплення-проковзування при відомих значеннях амплітуди A₁, циклічної та резонансної частоти ₀, маси тіла m, жорсткості с, коефіцієнта тертя , нормальної сили N. У даному рівнянні величина має розмірність прискорення і являє собою амплітуду прискорення, яке надається тілу при його циклічному зсуві з амплітудою A₁.

Таку ж розмірність має і коефіцієнт , який дорівнює модулю прискорення тіла під дією лише однієї сили тертя. Залежно від співвідношення між q₀() і (або, іншими словами, між амплітудою сили кінематичного збурення та силою сухого тертя) в контакті можуть виникнути різні види рухів. Умові відсутності відносного руху q₀() < відповідає нерівність або . Ця нерівність дає два види розв'язків для дорезонансного ( < ₀) і зарезонансного ( > ₀) випадків. У дорезонансному та зарезонансному випадках маємо відповідно: та . Ввівши поняття параметричної частоти _п, яка є функцією параметрів з'єднання , умова зчеплення буде наступна . Слід зауважити, що у всіх випадках резонансна частота входить у частотний діапазон зчеплення тіл. Наявність двох вказаних частотних діапазонів має очевидну фізичну інтерпретацію. Умова _{0 п}, або ж відповідно сА₁ N означає, що амплітуда сил пружності не перевищує силу тертя. На рисунку 5, а показана область зчеплення поверхонь залежно від ₀ та . Видно, що за умови тіло рухається разом з основою. При одночасному виконанні умов та _n забезпечується зчеплення поверхонь. Тільки у вузькому діапазоні частот ₀ та при великих амплітудах збурення (), ймовірність сталого режиму зчеплення дуже мала, що підтверджує небезпеку пускових моментів. У розділі визначені області зчеплення залежно від комбінації параметрів , с, m, , N, А₁.

Використовуючи методи регресивного аналізу нами окреслені тенденції у поведінці у номінально-нерухомому фрикційному контакті щодо чинників ФП. Наприклад, за експериментальними даними і кореляційною функцією визначена вага часу проковзування у періоді коливань залежно від параметрів фретингу. Змінюючи пружні елементи в експериментальних установках та встановлюючи відповідну частоту, знайдені відношення часу сталого проковзування до періоду коливань. У абсолютних значеннях амплітуда проковзування була на рівні 5…14 мкм.

Якісний аналіз показує, що амплітуди проковзування збільшується в більшій мірі в області відносно малих частот, ніж в області малих жорсткостей. В області відносно великих частот, більших за 70 Гц, загалом, віброактивність системи зменшується, навіть при збільшені тангенціальної жорсткості.

Все це свідчило про значну нелінійність контактної взаємодії при циклічних тангенціальних коливаннях.

Перехід до нестаціонарного розгляду привело до необхідності розв'язку рівняння відносного руху тіл:

.

Розв'язок отриманий прямим інтегруванням у кожному знако-постійному інтервалі проекції відносної швидкості тіл . Самі ж інтервали часу, в яких проекція швидкості не змінює знака, знаходяться чисельними або ж графічними методами. Умова відсутності проковзування тіл . Знайшовши розв'язок диференціальних рівнянь, був здійснений функціональний аналіз рівнянь руху на предмет встановлення контактних кінематичних співвідношень: відносних швидкостей проковзування та переміщень.

Встановлено, що в межах прийнятих спрощень механізму фрикційної взаємодії, границя між РДЗП та суцільним ковзанням елементів з'єднання відповідає характерному значенню параметра с < 0,607. За цією умови відбувається “зрив” з'єднання, при якому контактні поверхні не повертаються у початкове положення.

У четвертому розділі на основі концепції третього тіла отриманий розв'язок динамічного руху у пружно-пластичному контакті. Експериментальні дослідження нероз'ємних контактних пар переконливо доводять той факт, що характер відносного руху при фретингу буде залежати від ступеня трансформації поверхневих шарів.

Фізико-механічні характеристики контактної області описувались модулем пружності, мікротвердістю, масою та тангенціальною жорсткістю, які, зазвичай, не відображають властивості всієї деталі в цілому. З точки зору динамічного моделювання акцентовано увагу на контактних мікропереміщеннях у результаті проковзування, з однієї сторони, та циклічних контактних деформаціях поверхневого шару відносно об'єму усієї деталі, з іншої.

Маса m - це тонкий поверхневий шар, що циклічно деформується за рахунок сил тертя від взаємодії з основою 1. Остання коливається за гармонічним законом у тангенціальному напрямку і є джерелом кінематичного збурення всієї системи. На відміну від силового збурення одного з тіл гармонічною силою, що традиційно розглядається в задачах з визначення рівнянь руху динамічної системи, наша задача значно ускладнюється кінематичним збуренням, за яким стає невизначеним джерело збурення, тобто сила тертя. Весь проміжок реального часу моделювання ділиться від початку t₀ на однакові проміжки тривалістю:

,

де

Інтервали часу приймаються настільки малими, щоб силу тертя на кожному з інтервалів можна було вважати постійною. Сила тертя F_j, діє на j-му проміжку часу [t_j-1; t_j]. Тоді диференційне рівняння, що описує рух складових моделі, виглядає наступним чином:

(1)

Рівняння (1) зводиться до диференційного рівняння четвертого степеня , де . Методом Феррарі знайдені розв'язки x_j(t), y_j(t), , диференційних рівнянь 4-го степеня на кожному інтервалі t, в яких постійні визначаються з початкових умов попереднього інтервалу. Умови зчеплення-проковзування були інтегровані у програму згідно результатів, отриманих у третьому розділі. За наявності проковзування, сила тертя визначається згідно характеристики тертя F_тр = F(). Остання була визначена у аналітичному вигляді і вперше в цілому враховувала стадію повного попереднього зміщення, пластичність контакту в тангенціальному напрямку, Штрибек-ефект та в'язкість тертя:

де a - постійна, яка встановлює зростаючу ділянку в'язкого тертя; b - постійна, яка встановлює спадну ділянку Штрибек-ефекту; F_ст - максимальна сила статичного тертя; ? - швидкість відносного зміщення, в стані зчеплення; n - параметр пластичності; - відносна швидкість проковзування.

Подальші зусилля були спрямовані на визначення величини ?. Важливість її визначення обумовлена коректним відтворенням динамічного руху в околицях нуля, а також часом комп'ютерного розрахунку. Чим менші відносні змішення поверхонь необхідно змоделювати, тим більше необхідно машинного часу. В основі знаходження ? лежить визначення тієї критичної дистанції відносного зміщення поверхонь D_o, після подолання якої, за версією Е. Рабіновича, тертя розвинеться до максимального перед початком проковзування. Визначення цих величин засновано на явищі зростання з'єднань при тангенціальному зсуві, фактичній площини контакту , розрахунках кількості плям контакту , комплексу умов контактування , параметрах шорсткості (R_q, R_m, Ra, m), пластичності n, відносної тангенціальної деформації , коефіцієнті тертя м, постійній Боудена-Тейбора та механічних властивостей матеріалів контактної пари. У результаті розрахунків отримані величини D_o не перевищують 3 мкм для вибраних умов контактування і повністю підтверджують висунуті до того гіпотези.

Експериментальна перевірка проводилась на полірованих поверхнях після їх динамічного навантаження в умовах зчеплення як візуальним спостереженням за плямами контакту, так і за осцилограмами мікропереміщень.

У п'ятому розділі визначається критична тривалість процесу переходу до ковзання в залежності від частоти збурення та амплітудно-частотної характеристики :

,,

де _а - амплітуда питомої зсувної сили, яка змінюється за гармонічним законом; = / - безрозмірна частота, - власна частота контакту у тангенціальному напрямку;  - логарифмічний декремент коливань; - коефіцієнт, який встановлює, яку частку повної сили тертя займає тангенціальне навантаження в межах пружної деформації.

Для умов моделювання, які відповідають фізичному експерименту, отримані залежності t(). Аналіз залежностей показує, що для даних умов контактування мінімальне значення часу t() не залежить від частоти збурення і складає 0.01 с. Таким чином, при характерній відстані D_o = 0,5…2 мкм та t = 0,01 с параметр швидкості дорівнює ? = 50…200 мкм/с. З врахуванням того, що традиційні частоти, при яких працюють у номінально-нерухомому контакті, є досить малими, можна констатувати, що час сумісного перебування контактних елементів з'єднання у стані попереднього зміщення знаходиться в межах 0,0075...0,015 с.

Загальний вигляд характеристики тертя описувався після визначення з експерименту величин a і b.

Методами комп'ютерного моделювання досліджено вплив параметрів a і b характеристики тертя на картину динамічного руху в контакті. Представлені осцилограми мікропереміщень ₁, ₂ (а), відносних швидкостей (г), фазові портрети (в), характеристики тертя (б). Явище падіння сили тертя при переході до проковзування вносить значні зміни у динаміку фретинг-процесу. При всіх сталих зовнішніх параметрів навантаження, Штрибек-ефект вносить додаткові автоколивання, збільшує амплітуду на 10 % і майже в два рази швидкість проковзування. Моделювання динамічних режимів фретингу прово-дилось за такими сценаріями, які описані в експерименті. Насамперед модель вра-ховувала зношування, втрату тангенціальної жорсткості, амплітудно-частотні харак-теристики, пускові моменти. Детально проаналізований процес динамічного пере-ходу до проковзування. Виявлено, що віброактив-ність контакту зменшується із збільшенням пластичності для стану зчеплення, і, нав-паки, збільшується при перших актах проковзування. У РДЗП пластичність однозначно відіграє пози-тивну роль. Перебіг пер-ших актів мікропроковзу-вання у відносних швид-костях показаний на рис. 16 разом із визначенням вели-чини ?. Дослідження плям контакту після дії мало-амплітудного фретингу показали, що часткове проковзування в контакті ініціюється особливим розподілом нормальних та тангенціальних напружень у контакті. Руйнування, а разом з ним і зміна динамічної картини контактування відбувається за рахунок зношування зон проковзування для пружних поверхонь та комбінацією зношування й контактної втоми в області зчеплення для пружно-пластичних поверхонь.

У зв'язку з цим був визначений розподіл контактних напружень на поверхні та еквівалентних напружень по глибині напівпростору в умовах часткового проковзування контакту та переходу до глобального ковзання поверхонь. Для напівпростору граничні умови для ділянки навантаження радіусом с задаються нормальними p(х) та дотичними зусиллями , поза контакту поверхня вільна від напружень (рис. 17). Напруження в точці А знаходимо чисельним інтегруванням виразів (2) по області навантаження, замінивши х на x-s, і отримуємо компоненти напружень у точці А від дії напружень p(x) та q(x).

(2)

(2)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Розподіл тангенціальних зусиль для змішаного контакту описується виразом (3). Головні напруження визначаємо за формулами (4), (5), (6), а максимальні еквівалентні напруження за критерієм Губера-Мізеса:

.

Аналіз процесів руйнування показав, що теоретичні розрахунки підтверджують описаний раніше механізм руйнування окремих плям контакту через процес ініціювання руху мікротріщин у зустрічному напрямку, які при циклічному навантаженні зливаються й відбувається відокремлення фрагментів поверхні

Зони поверхневого шару, в яких перевищуються максимально допустимі напруження, окреслені темним кольором. Таким чином були отримані важливі результати з визначення поверхневих та об'ємних втрат матеріалу залежно від умов навантаження, що дало можливість визначити ту частку номінальної поверхні контакту яка сприймає відповідний комплекс навантаження і не руйнується.

У розділі запропоновані критерії для визначення динамічного стану фретингу в залежності від виду гістерезисних петель. Так були введені коефіцієнти проковзування та безрозмірний параметр петлі гістерезису . Тут _s амплітуда відносного переміщення, яка визначається додаванням попереднього зміщення та глобального проковзування. Цей показник є функцією розмаху (_s < ), пружним нахилом (Н/м) та нормальної сили Р_n (Н)

Для металічних поверхонь, а також скла були встановлені границі власне фретингу при g 10, режиму переходу від зчеплення до проковзування 0,8 g 10, часткового проковзування в границях плями контакту 0,5 g 0,6 та зворотно поступальний рух g 11.

Характеристика g є також і енергетичним параметром, що пов'язує величини розсіювання енергії Е_S та E_m (рис. 19, б) виразом . Можна відмітити, що при наближенні g до 0,5, енергетичні втрати прямують до нуля (Е_S 0) і система відповідає умові абсолютного зчеплення, а при наближенні Е_S E_m - характеристика g стрімко зростає, що відповідає умові знакозмінного ковзання.

Шостий розділ практично повністю присвячений аналізу РДЗП та моделюванню довготривалого фретинг-процесу. Критерієм інтенсивності процесу зчеплення-проковзування було визначено відношення миттєвої сили тертя до максимально можливої сили статичного тертя, яке встановлюється технологічними методами (натягом) або силою ваги тіла: При умові с(t) < 1 - зчеплення, с(t) 1 - проковзування. Після визначення функції с(t) проводиться її аналіз перетворенням Фур'є. Такий аналіз показав деякі нетривіальні висновки щодо контакту зразків, виготовлених із загартованих сталей 45, 30ХГСА, Х18Н10Т та ХН78Т. Збільшення амплітуди фретингу було більш інтенсивним у випадку, коли еволюція відбувалася зі стану зчеплення. Початкове встановлення проковзування в межах 3…6 мкм уповільнює фретинг. Для титанових сплавів ОТ4 і незміцнених сталей кращим варіантом є початковий стан повного зчеплення. Так, зміна знака початкової швидкості збурення змінює динаміку контактування при переході до проковзування (збільшується абсолютна віброшвидкість і сигнал більш насичений вторинними гармоніками)

Глобальна еволюція ФП відтворювалася за допомогою вбудованих операторів моделі, які повністю відображають експериментальні часові залежності сил тертя, амплітуди відносного зміщення, частоти збурення.