Наукові основи та реалізація методу розрахунку зносу вузлів тертя способом трибоелементів

Основні висновки

1. У результаті проведених теоретичних та експериментальних досліджень розв'язана науково-практична проблема розрахункової оцінки ресурсу вузлів тертя шляхом теоретичного обґрунтування і практичної реалізації чисельного методу розрахунку зносу вузлів тертя - методу трибоелементів. Теоретичне обґрунтування полягає в побудові імовірнісних моделей тіла, що зношується; розробленні методів визначення параметрів моделей процесу зношування; формулюванні концептуальних засад методу трибоелементів; оцінці точності методу. Практична реалізація методу включає трибоелементну постановку зносоконтактних задач з врахуванням різних схем конструктивного виконання, кінематичної та силової взаємодії пар тертя; розв'язок; чисельну реалізацію і аналіз результатів; спільне використання методу трибоелементів і методу скінчених елементів для розв'язку триботехнічних задач.

2. Аналіз відомих методів розрахунку зносу вузлів тертя, показав, що головною причиною недостатнього використання розрахунків вузлів тертя на стадій проектування є те, що існуючі методи не орієнтовані на використання переваг чисельних методів для комп'ютерного аналізу в інженерній практиці. Необхідно розроблення методів розрахунку зносу вузлів тертя, які ґрунтуються на сучасному рівні науки про тертя та зношування і інформаційних технологіях проектування. Розроблення чисельних методів розрахунку зносу вузлів тертя, що використовують уніфікований математичний апарат і методологічний підхід для моделювання різних видів трибосистем, з метою подальшої автоматизації розрахунків шляхом створення програмних продуктів, орієнтованих на використання в інженерній практиці, є найважливішою задачею, розв'язок якої направлений на підвищення надійності та зносостійкості машин і обладнання.

3. Запропонована і реалізована імовірнісна модель, що описує зношування тіла випадковим марківським процесом, яка дозволила визначити, що головною характеристикою, яка пов'язує зношування поверхневих шарів і макрорівневі зміни тіла, що зношується, в процесі функціонування трибосистеми, є сумарна інтенсивність потоку зношування.

4. Сформульовано і обґрунтовано основні засади методу чисельного моделювання, в основу якого, покладено ітераційний підхід, що передбачає розгляд ряду дискретних станів, через які проходить трибосистема в процесі функціонування. Знос поверхні в кожному стані описується масивом векторів ймовірностей величин зносу дискретних точок поверхні, названих «трибоелементами». Трибоелементи моделюються, в загальному випадку, нестаціонарними випадковими процесами марківського типу. Форма зношеної поверхні визначається за допомогою кубічної сплайн-апроксимації математичних очікувань зносу в точках розміщення трибоелементів, що забезпечує мінімум потенційної енергії поверхні зносу.

5. Запропоновано і обґрунтовано метод визначення параметрів марківської моделі зношування, заснований на відповідності між параметрами математичної моделі і фізичними характеристиками процесу зношування, що дозволяє визначати компоненти матриці перехідних ймовірностей через функцію швидкості зношування. Правомочність використання методу підтверджено порівняльним аналізом розрахункових та експериментальних даних впливу на величину зносу нестаціонарності режимів навантаження.

6. Отримано оцінки точності методу трибоелементів, що дозволяють визначати оптимальну ступінь дискретизації поверхні з метою оптимізації обчислювальних алгоритмів.

7. Вивчено вплив на знос нестаціонарності режимів навантаження і величин розсіювання початкового радіального зазору підшипників ковзання, конструктивно виконаних у вигляді прямої та оберненої пари тертя, шляхом розв'язування методом трибоелементів відповідних зносоконтактних задач. Отримано, що відхилення значень величин зовнішнього навантаження і початкового радіального зазору можуть призводити до 30% збільшення зносу даного типу вузлів, що підтверджено експериментальними даними інших авторів.

8. Розв'язки, розробленим методом, зносоконтактних задач вузлів тертя при зворотно-обертальному русі елементів, дозволили вивчити процес формоутворення поверхні зносу. Виявлено особливості зношування, які полягають в утворені двох зон максимального зносу, розміщених симетрично відносно лінії дії зовнішнього навантаження та пояснено першопричини і умови виникнення двохзонної схеми зношування. Встановлено, що при змінних випадковим чином навантаженнях і амплітуді реверса, формування двох зон максимального зносу зберігається, але може змінюватися розміщення їх відносно осі прикладення навантаження. В умовах, коли амплітуда реверса і швидкість ковзання представляють собою гармонічні затухаючі коливання, зношування поверхневого шару іде асиметрично відносно осі прикладення навантаження.

9. Моделювання зношування підшипників ковзання при взаємному перекосі осей вала та втулки дозволило виявити та пояснити особливості перехідної зони зносу і збільшення контактного тиску на кордонах поверхні. Виявлено, що для багатошарового покриття, порядок слідування шарів з різними трибологічними властивостями може суттєво вплинути на довговічність пари тертя, а зміна пружних характеристик шарів покриття не призводить до суттєвої зміни довговічності трибовузла. Отримано, що оптимальним, з точки зору довговічності, антифрикційним багатошаровим покриттям при взаємодії вала та втулки підшипника ковзання перекосом, буде матеріал, у якого шари з підвищеною зносостійкістю розміщені на деякій відстані від поверхні і будуть вступати в роботу після формування поверхні контакту. Використання, отриманих результатів на стадії проектування підшипників ковзання, які працюють в умовах взаємного перекосу осей вала та втулки, дозволить обґрунтовано сформулювати вимоги до товщини, взаємного розміщення і чергування шарів покриття, його механічних та трибологічних властивостей з урахуванням конструктивних особливостей вузлів тертя.

10. Запропоновано і практично реалізовано, з метою розширення області застосування методу трибоелементів для розв'язування широкого кола триботехнічних задач, алгоритм використання, в якості вхідних даних для визначення параметрів трибоелементної моделі зношування, результатів скінчено-елементного аналізу пружно-деформованого стану вузлів тертя. Підтверджено, шляхом розв'язування зносоконтактних задач методом трибоелементів в середовищі скінчено-елементного пакета Ansys, що як для прямої так і оберненої пари тертя використання моделі вінклеровської основи для описування пружно-деформованих тонких шарів не вносить суттєвої похибки в результати, а вплив сил тертя в даному випадку незначний. Вивчено механізм формоутворення поверхні зносу підшипників ковзання в процесі зношування при взаємному перекосі вала та втулки. Отримано, що найбільш суттєвий вплив на розподіл зносу та контактного тиску по поверхні контакту має кут перекосу вала та втулки, який визначає площу контакту в початковий момент часу.

11. В результаті експериментальних досліджень особливостей формоутворення в процесі зношування, підтверджено можливість утворення максимального зносу в двох зонах, розміщених симетрично відносно лінії дії зовнішнього навантаження, якщо значення кута реверса перевищують кут контактної взаємодії пари тертя при зворотно-обертальному русі. Отримано, що на процес формоутворення в даному випадку суттєво впливає жорсткість системи, поява додаткових ступенів вільності сприяє розвитку процесів зношування та утворенню більшої нерівномірності зносу. Експериментально підтверджено утворення перехідної зони зношування в елементах пари тертя підшипника ковзання у випадку взаємного перекосу осей вала та втулки, визначено її кількісні параметри. Отримано, що для даної схеми зносоконтактної взаємодії, початковий, відносно невеликий часовий період зношування, є періодом активного формоутворення поверхні зносу, після якого трибосистема виходить на стаціонарний режим зношування. Встановлено, що ширина перехідної зони залежить від кута взаємного перекосу осей елементів пари тертя і збільшується при зменшені кута перекосу. Порівняльний аналіз результатів експериментів та чисельного моделювання свідчить про достатньо високу точність методу трибоелементів і можливість використання його для розрахунків зносу вузлів тертя.

Список публікацій за темою дисертації

1. Сорокатый Р.В. Метод трибоэлементов. Монография / Р.В. Сорокатый. - Хмельницкий: ХНУ, 2009. - 242 с.

2. Сорокатый Р.В. Моделирование поведения трибосистем методом трибоэлементов / Р.В. Сорокатый // Трение и износ. - 2002. - Т. 23, №1. - С. 16-22.

3. Сорокатый Р.В. Решение задачи об изнашивании подшипником тонкого упругого слоя, закрепленного на жестком валу, методом трибоэлементов / Р.В. Сорокатый // Трение и износ. - 2003. - Т. 24, №1. - С. 35-41.

4. Сорокатый Р.В. Анализ работоспособности подшипников скольжения при возвратно-вращательном движении / Р.В. Сорокатый // Трение и износ. - 2003. - Т. 24, №2. - С. 136-143.

5. Сорокатый Р.В. Анализ работоспособности подшипников скольжения при перекосе осей вала и втулки / Р.В. Сорокатый // Трение и износ. - 2006. - Т. 27, №1. - С. 24-32.

6. Сорокатый Р.В. Анализ работоспособности подшипников скольжения с тонким антифрикционным многослойным покрытием при перекосе осей вала и втулки / Р.В. Сорокатый // Трение и износ. - 2006. - Т. 27, №2. - С. 155-164.

7. Сорокатий Р.В. Застосування методу трибоелементів для розв'язування зносоконтактних задач циліндричних шарнірів / Р.В. Сорокатий // Машинознавство. - 2003. - №6. - C. 51-55.

8. Сорокатый Р.В. Определение параметров модели процессов изнашивания представляемых в виде цепи Маркова / Р.В. Сорокатый, А.Г. Кузьменко // Проблеми тертя та зношування: Науково-технічний збірник. - К.: КМУЦА, 1998. - Вип. 44. - С. 18-24.

9. Sorokatyi R. Wykorzystanie metody triboelementуw dla modelowania proceњow zuїywania іoїysk њlizgowych z cienkimi powіokami antyfrykcyjnymi / R. Sorokatyi // Proceedings of 7^th International tribological Symposium «INSYCONT 2006», «Energy And Environmental Aspects of Tribology», Cracow, Poland, 14-16^th September 2006. - Р. 341-352.

10. Сорокатый Р.В. Вероятностная модель изнашиваемого тела / Р.В. Сорокатый // Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 1998. - №3. - С. 84-91.

11. Сорокатий Р.В. Визначення параметрів трибоелементної макромоделі процесу зношування / Р.В. Сорокатий // Вісник технологічного університету Поділля. - 2003. - №1, Ч. 2 (48). - С. 106-110.

12. Сорокатий Р.В. Оцінка точності чисельних процедур та оптимізація обчислювального алгоритму методу трибоелементів / Р.В. Сорокатий // Вісник технологічного університету Поділля. - 2003. - №4, Ч. 2 (53). - С. 10-14.

13. Сорокатый Р.В. Решение задачи об изнашивании жестким подшипником тонкого упругого слоя малой толщины, закрепленного на жестком валу методом трибоэлементов / Р.В. Сорокатый // Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 1998. - №2. - С. 3-6.

14. Сорокатий Р.В. Дослідження кінетики зношування циліндричних шарнірів / Р.В. Сорокатий // Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 2003. - №1. - C. 140-144.

15. Сорокатий Р.В. Моделювання поведінки трибосистем методом трибоелементів. / Р.В. Сорокатий // Zbiуr Prac II Polsko-ukraiсskiej konferencji naukowej «Techniczno-ekonomiczne uwarukowania rozwoj przedsiкbiorczoњci». - Krakуw, Politechnika Krakowska, 2005. - C. 277-285.

16. Сорокатый Р.В. Оптимизация вычислительного алгоритма метода трибоэлементов путем оценки точности сплайн-аппроксимации / Р.В. Сорокатый // Информационно-вычислительные технологии и их приложения: сборник статей IV российско-украинского научно-технического и методического симпозиума. - Пенза: РИО ПАСХА. - 2006. - С. 209-214.

17. Сорокатый Р.В. Обобщение метода трибоэлементов для моделирования процессов изнашивания подшипников скольжения / Р.В. Сорокатый // Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 2007. - №2. - C. 36-45.

18. Сорокатый Р.В. Решение износоконтактных задач методом трибоэлементов в среде конечно-элементного пакета ANSYS / Р.В. Сорокатый // Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 2007. - №3. - C. 9-17.

19. Сорокатый Р.В. Анализ изнашивания цилиндрических шарниров при переменных амплитудах реверса и скорости скольжения / Р.В. Сорокатый // Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 2008. - №4. - C. 89-95.

20. Сорокатый Р.В. Решение износоконтактных задач методом трибоэлементов / Р.В. Сорокатый, А.Г. Кузьменко, Т.Г. Бесараба // Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 1996. - №1. - С. 15-20.

21. Сорокатий Р.В. Моделювання працездатності підшипників ковзання з перекосом осей вала та втулки методом трибоелементів з використанням програмного середовища ANSYS / Р.В. Сорокатий // Вісник Хмельницького національного університету. - 2007. - №5 (96). - С. 79-87.

22. Сорокатый Р.В. Анализ современного состояния методов расчета износа и прогнозирования ресурса узлов трения / Р.В. Сорокатый // Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 2007. - №1. - C. 23-36.

23. Сорокатий Р.В. Використання програмного середовища ANSYS для розв'язку зносоконтактних задач методом трибоелементів / Р.В. Сорокатий // Вісник Хмельницького національного університету. - 2007. - №3, Т. 2 (93). - С. 37-44.

24. Сорокатий Р.В. Моделювання процесу зношування циліндричних шарнірів методом трибоелементів / Р.В. Сорокатий // Збірник праць І Українсько-Польської науково-технічної конференції «Сучасні технології виробництва в розвитку економічної інтеграції та підприємництва». - Сатанів, 2003. - С. 45-46.

25. Cорокатый Р.В. Исследование формообразования изнашиваемых поверхностей / Р.В. Cорокатый, О.П. Бабак, А.А. Пасечник // Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 2009. - №4. - C. 14-29.

26. Розробка системи автоматизованого проектування підшипників ковзання з тонкими антифрикційними покриттями / [Р.В. Сорокатий, О.Л. Пипа, Є. І. Кондратюк, О.О. Юзіков] // Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 2005. - №3. - C. 107-109.

27. Сорокатый Р.В. Алгоритм оценки надежности трибосистем цепью Маркова при ограниченном объеме исходной информации / Р.В. Сорокатый // Проблеми сучасного машинобудування: зб. наук. праць. - Хмельницький, ТУП, 1996. - С. 67-69.

28. Сорокатый Р.В. К вопросу определения параметров марковской цепи процесса изнашивания / Р.В. Сорокатый, А.Г. Кузьменко // Зб. пр. III наук.-техн. конф. «Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництва». - Хмельницький, 1995. - С. 204-205.

29. Сорокатий Р.В. Застосування методу трибоелементів для розв'язування зносоконтактних задач підшипників ковзання / Р.В. Сорокатий // Шостий міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові: Тези доповідей. - Львів: КІНПАТРІ ЛТД, 2003. - С. 166-167.

30. Сорокатый Р.В. Моделирование поведения трибосистем методом трибоэлементов / Р.В. Сорокатый // Тези допов. міжнар. наук.-техн. конф. «Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2000)». - Хмельницький, 2000. - С. 10-11.

31. Сорокатый Р.В. Трибоэлементная марковская модель изнашиваемого тела / Р.В. Сорокатый, А.Г. Кузьменко // Тезисы докл. Науч.-техн. конф. «Механика и новые технологии». - Севастополь, 1995. - С. 46-49.

32. Сорокатий Р.В. Аналіз працездатності підшипників ковзання з урахуванням стохастичності процесу зношування / Р.В. Сорокатий // Тези допов. міжнар. наук.-техн. конф. «Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2001)». - Хмельницький, 2001. - С. 9.

33. Сорокатый Р.В. Моделирование поведения трибосистем методом трибоэлементов / Р.В. Сорокатый // Тези допов. міжнар. наук.-техн. конф. «Проблеми математичного моделювання сучасних технологій (ПММ-2002)». - Хмельницький, ТУП, 2002. - С. 132.

34. Сорокатый Р.В. Анализ процесса изнашивания цилиндрических шарниров методом трибоэлементов / Р.В. Сорокатый // Тези допов. міжнар. наук.-техн. конф. «Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2003)». - Хмельницький, 2003. - С. 16-17.

Размещено на Allbest.ru