Моделювання процесів тертя та зношування у трибосистемах гідромашин як основа рішення задач проектування

Наявність коефiцiєнтiв поряд з похідними вищих порядків у правих частинах диференцiальних рiвнянь дозволяє видати рекомендації щодо ефективних режимів припрацьовування, якi повинні проходити із змінним навколишнім впливом на трибосистему, тобто похідні у правих частинах не повиннi дорівнювати нулю. До таких режимiв можна віднести припрацьовування з навантаженням, яке збільшується ступiнчасто або з навантаженням на межі заїдання.

На підставі отриманих диференціальних рівнянь розроблена методика математичного моделювання нестаціонарних процесів для граничного тертя. Методика дозволяє назначити оптимальні режими припрацьовування та оцінити запас стійкої роботи, а також визначити триботехнiчнi характеристики трибоспряження у будь-який час.

Сьомий розділ присвячений практичному впровадженню наукових результатів, а саме розробці методології оптимального проектування вузлів тертя гідромашин. На пiдставi отриманих наукових результатiв, які складають єдиний комплекс досліджень, запропоновано методологію застосування розроблених методик щодо оптимізації конструктивних рішень вузлiв тертя на етапі проектування гiдромашин. В основу методологiї покладено модель багаторівневої оптимiзацiї об'єкта проектування. Оцінку та вибір проектних рiшень трибосистем гідромашини необхідно проводити за такими етапами.

1. Оцінка принципових схем об'єкту проектування. Даний етап заснований для аналізу різноманітних типів об'ємних гiдромашин. Внаслідок виконання даного етапу вибирається структура об'єкта проектування.

2. Конструктивна оптимізація об'єкту проектування. Недостатня увага до конструктивної оптимiзацiї гiдромашин пов'язана з тим, що творчі здібності людини при вирішенні цих завдань перевершують можливості ЕОМ. У той же час, значення вірного вибору конструкції багато в чому перевершує ефект від параметричної оптимiзацiї. Дійсно, при помилковому виборі конструкцiї окремих трибосистем та гiдромашин в цілому методи оптимiзацiї вибору матеріалів, підбору мастильного середовища, режимів припрацьовування не в змозі компенсувати збитків на обслуговування та ремонт.

У найбільш загальному виді завдання конструктивної оптимiзацiї можна сформулювати як завдання вибору найкращої конфігурації трибосистем, для чого необхiдно, по-перше, розбити гідромашину на трибосистеми, які входять до конструкцiї; по-друге, ввести деякі критерії переваги однієї конструкції над іншою. Такими критеріями є наявність прямих та зворотних пар в конструкцiї та коефіцієнт форми цих пар.

Згідно з висновками до третього розділу, конструктор повинен прямувати до використання тільки прямих пар тертя та до максимального коефіцієнту форми.

3. Параметрична оптимізація повинна виконуватись після вибору конструкцiї трибосистеми для виробу; це відбивається, головним чином, в рішенні задач: у виборі матеріалів для вузлу тертя; у підборі мастильного або робочого середовища до вибраних матерiалiв, забезпечуючи добру взаємовідповідність тріади цих матерiалiв; у визначенні параметрів швидкості об'ємного зношування, сили тертя, ресурсу спроектованої трибосистеми з їх подальшою оптимізацією.

За вихідні дані для виконання параметричної оптимізації використовуються попередньо призначені розміри спряжених деталей.

Одним з основних висновків четвертого розділу є схема вибору взаємовідповідних матерiалiв у вузол тертя. Згiдно з даною схемою для взаємовідповідності в трибовузлi допускається приймати для рухомого елементу пари матеріал із мінімальним внутрішнім тертям та можливістю його підвищення під час припрацьовування.

Потрібно приділяти особливу увагу вибору структури матеріалу нерухомого елементу. Внутрішнє тертя початкової структури таких елементів повинно бути високим та мати велику можливість до його збільшення в процесі припрацьовування за рахунок різноманітних механізмів релаксації енергії.

За допомогою методик фізичного та математичного моделювання, розроблених у п'ятому та шостому розділах, проводиться визначення таких параметрiв виділених трибоспряжень: швидкість об'ємного зношування, сила тертя, ресурс. Вхідними даними для розрахунку є: потрібний строк служби та (або) величина допустимого зазору в спряженні; менша робоча площа тертя одного з елементiв пари; коефіцієнт форми пари тертя; діапазон зміни внутрішнього тертя структури спряжених матеріалів; трибологичні властивості мастильного середовища та його витрати крізь вузол тертя, а також навантаження та швидкiсть ковзання. Навантаження та швидкiсть ковзання беруть, в основному, з завдання на проектування.

Внаслідок проведених заходів визначається "слабка ланка" в конструкції гідромашини. Під "слабкою ланкою" у конструкцiї розуміється трибосистема, яка має мінімальний ресурс або максимальну швидкiсть об'ємного зношування. Така трибосистема буде визначати ресурс всієї гiдромашини в цілому, а якщо виділена трибосистема є зворотною парою, то, як показує досвід стендових випробувань та експлуатації, така трибосистема буде визначати i час обкатки гiдромашини, обмежуючи режими обкатки.

4. Вхiдними даними щодо виконання останнього етапу багаторівневої оптимізації є параметри швидкості об'ємного зношування, сили тертя, та ресурсу "слабої ланки" в конструкцiї гiдромашини. Саме ця трибосистема є тою, яка визначає вибір оптимальних режимів обкатки та експлуатацiї всiєї гiдромашини.

З урахуванням ресурсу "слабкої ланки" можна знизити сумарні витрати на виготовлення та експлуатацію гiдромашини на етапі проектування. Якщо "слабка ланка" є лімітною за строками експлуатації гідромашини в цілому, то доцільніше забезпечувати ресурс решти трибосистем без значного перевищення ресурсу "слабкої ланки". В цьому випадку, очевидно, можливо скоротити вартість застосованих матерiалiв у трибосистемах із більшим ресурсом за рахунок використання менш коштовних матеріалів.

Оптимізацію режимiв експлуатацiї зручніше всього робити за критерiєм питомої роботи зношування та пошкодження, яка визначається для "слабкої ланки".

Оптимiзацiю режимiв обкатки необхідно робити за часом припрацьовування "слабкої ланки", виконуючи умову пр min. Здійснити даний етап можна, використовуючи методику моделювання нестаціонарних процесів, розроблену в шостому розділі.

ВИСНОВКИ

1. Внаслідок проведеного аналізу вітчизняної та іноземної літератури, присвяченої моделюванню тертя та зношування, розроблено загальний методологічний підхід у дослідженні процесiв граничного тертя, який базується на поняттях системного аналiзу i при "побудові моделі" використовує такі етапи: визначається об'єкт, ціль та завдання дослідження; окреслюються межі досліджуваної системи та визначається її структура; проводиться параметризацiя системи.

2. Визначено структуру модельної трибосистеми, яка складається з чотирьох елементів, розташованих на чотирьох функціональних площинах. Функціональні площини являють з себе площини для моделювання інтенсивності зношування, сили тертя, шорсткості, трибохiмiчних процесiв, які відбуваються на поверхнях тертя. Показано, що для вирішення задач фізичного та математичного моделювання необхідне застосування критерiального підходу, без якого не може бути достатньо точної та обгрунтованої подібності, отже, i моделювання.

3. Запропоновано поділ пар тертя на прямі та зворотні, в основу якого покладено розташування матеріалів у рухомих та нерухомих елементах за твердістю та робочими площинами тертя. Показано, що всі пари можна поділити на: прямi пари; зворотнi пари за матеріалами; зворотнi пари за геометрією; зворотнi пари за матерiалами та геометрiєю одночасно. Експериментально виявлено різницю в зносостійкості прямих та зворотних пар. Показано, що мінімальну інтенсивність зношування мають прямi пари. У зворотних пар інтенсивність зношування значно вища, особливо у зворотної пари за матерiалами та геометрiєю одночасно. Коефіцієнт тертя на прямих та зворотних парах не змінюється.

4. Для оцінки масштабного фактору прямих та зворотних пар тертя розроблено та запропоновано параметр, названий коефіцієнтом форми пари тертя. Експериментально доведено, що коефіцієнт форми є функцією інтенсивності зношування, коефіцієнту тертя та процесів, які відбуваються в поверхневих шарах матерiалiв. Показано, що чим більший коефiцiєнт форми, тим кращими триботехнiчними характеристиками володіє пара тертя. За допомогою даного коефіцієнта можна робити експертну оцінку проектованих вузлів тертя та виявляти шляхи підвищення їх зносостійкості на етапі проектування.

5. Виявлено закономірність зміни внутрішнього тертя структури спряжених матерiалiв у процесі роботи вузла тертя. Встановлено, що збільшення внутрiшнього тертя матерiалiв трибоелементiв пов'язане з утворенням зміцнених поверхневих шарів. Показано, що існують матеріали, якi можуть значно збільшувати внутрішнє тертя в процесi припрацьовування. Це, в основному, гетерогенні та одночасно пластичні матерiали. При цьому існує клас гетерогенних матеріалів, якi не в змозі збiльшувати внутрiшнє тертя на етапi припрацьовування, хоча спочатку мають високе внутрiшнє тертя.

6. Встановлено, що добра взаємовідповідність матерiалiв в трибосистемi є функцiєю широкого діапазону змiни внутрiшнього тертя структури обох матерiалiв та властивостей мастильного середовища. На підставі цього запропонована схема вибору матерiалiв у вузол тертя, та показано, що при виборі матерiалiв є можливим мати за рухомий елемент пари матеріал з мінімальним внутрішнім тертям. До таких матерiалiв можна віднести загартовані (цементовані, азотованi) сталі. Експериментально доведено, що матерiал рухомого елементу в меншій мірі впливає на триботехнiчнi характеристики. Вибору структури матеріалу нерухомого елементу потрібно приділяти особливу увагу. Внутрішнє тертя таких матерiалiв повинно бути високим та мати велику можливість до його збiльшення в процесi припрацьовування. Показано, що спочатку високого внутрішнього тертя початкової структури матерiалу недостатньо для забезпечення доброї взаємовідповідності метаріалів у парі тертя.

7. На пiдставi положень теорії подібності та моделювання отримані критерії подiбностi, які визначають процес тертя та зношування при граничному змащуванні. З використанням отриманих критеріїв розроблена методика фізичного моделювання граничного тертя в трибосистемах. Результати експериментальної перевірки працездатності запропонованої методики підтвердили, що розроблена методика дозволяє визначати триботехнiчнi характеристики натурного трибоспряження за даними випробування їх моделей або трибосистем-прототипiв не тільки при зміні геометричних розмірів, а й кінематичної схеми, умов навантаження, матеріалів трибоелементiв та властивостей мастил. Дана методика дозволяє широко використовувати трибологiчнi бази даних, якi створюються для оцінки зносостійкості проектованих систем.

8. На підставі отриманих критерiїв подiбностi та положень критерiального планування експерименту отриманi залежності критерію швидкості об'ємного зношування та критерiю сили тертя від критерiю часу. Аналіз отриманих залежностей показав, що на зміну швидкостi зношування в першу чергу впливають релаксаційні властивості структури спряжених матерiалiв та їх взаємовідповідність між собою, а далі, в меншій мірі, - геометричні розміри вузла тертя, навантаження та швидкість ковзання. I найменший вплив з розглянутих факторів має якість мастила та його витрата крізь вузол тертя. На змiну сили тертя, в першу чергу, впливають релаксацiйнi властивостi спряжених матерiалiв та їх взаємовідповідність мiж собою, а далi в значно меншiй та майже в однаковій мірі, - геометричнi розмiри вузла тертя, навантаження, швидкiсть ковзання, мастильне середовище та його витрата крiзь вузол тертя.

9. Використовуючи отримані математичні залежностi, розроблено методику математичного моделювання стаціонарних процесів при граничному терті. Методика дозволяє проводити дослідження триботехнiчних характеристик проектованих трибосистем без попередніх лабораторних або стендових випробувань з оптимізацією конструктивних рішень та визначати межі вхідних параметрів, при досягненні яких вихідні параметри можуть вийти за межi припустимих значень.

10. На підставі положень теорії автоматичного регулювання та теорiї ідентифікації динамічних об'єктів проведено структурну ідентифікацію трибосистеми, результатом якої з'явилася побудова структурно-динамiчних схем та отримання диференціальних рівнянь процесiв тертя та зношування в умовах граничного змащування. Проведено аналіз коефіцієнтів, які входять до диференцiальних рівнянь, та показано шляхи оптимальних режимів припрацьовування та експлуатації.

11. Проведено параметричну iдентифiкацiю трибосистеми, внаслідок якої отриманi математичнi вирази для визначення коефiцiєнтiв, якi входять до диференцiальних рiвнянь. По величині цих коефiцiєнтiв можна визначити міру впливу вхiдних параметрiв на вихiднi та визначити запас стійкої роботи трибосистеми.

12. На пiдставi отриманих диференцiальних рiвнянь розроблено методику математичного моделювання нестаціонарних процесiв при граничному тертi. Методика дозволяє призначати оптимальні режими припрацьовування та оцінювати запас стiйкої роботи, а також визначати триботехнiчнi характеристики проектованих трибосистем в будь-який момент їх функціонування.

13. На пiдставi отриманих наукових результатів та розроблених методик, якi складають єдиний комплекс досліджень, запропоновано методологію застосування розроблених методик для оптимізації конструктивних рiшень вузлiв тертя на етапi проектування гідромашин. В основу методології покладено модель багаторівневої оптимiзацiї об'єкта проектування, яка дозволяє після вибору структури об'єкта зробити конструктивну та параметричну оптимізацію, а також оптимiзацiю режимiв обкатки та експлуатацiї. На конкретних прикладах аксіально-поршневих гiдромашин показано етапи конструктивної та параметричної оптимiзацiї та запропоновано шляхи підвищення їх довговічності та надійності.

14. Розроблена методологія впроваджена в НДI Гiдропривод, м. Харків, у вигляді методичних рекомендацій та програмного забезпечення на етапi проектування гiдромашин.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Войтов В.А., Подригало М.А., Венцєль Є.С. Конструктивна зносостійкість вузлів тертя гідромашин. -Х.:Центр Леся Курбаса, -1996. -134 с.

2. Войтов В.А. Конструктивна зносостійкість вузлів тертя гідромашин. Частина 2. Методологія моделювання граничного змащування в гідромашинах. -Х.:Центр Леся Курбаса, -1997. -154 с.

3. Войтов В.А., Яхно О.М., Абі-Сааб Ф.Х. Принципи конструктивної стійкості вузлів тертя гідромашин проти спрацювання: Монографія. _К. 1999, 192 с.

4. Iнформативнiсть акустичного сигналу, який виникає в зоні фрикційного контакту /Л.I.Бершадській, I.Г.Носовській, I.А.Жігалов, Ф.С.Смагленко, В.А.Войтов, О.В.Пархоменко. //Проблеми тертя та зношування: Респ.мiжвiд.наук.-техн.зб., -1988, -Вип.34.-С.44-47.

5. Лабунець В.Ф., Войтов В.А., Свірід М.М. Оцінка впливу легування борідних шарів на їх трибологiчнi властивості за допомогою акустичної емісії. //Проблеми тертя та зношування: Респ. мiжвiд. наук.-техн. зб. -1989, Вип.35, -С.31-34.

6. Вибір інформативних критеріїв функціонування вузла тертя на підставі аналізу амплітудного розподілу сигналів акустичної емісії /I.Г.Носовській, Ф.С.Смагленко, В.А.Войтов, М.М.Потьомкiн, О.В.Пархоменко. //Проблеми тертя та зношування: Респ. мiжвiд. наук.-техн. зб. -1989, -Вип. 36, -С.60-64.

7. Застосування методу акустичної емісії для діагностики процесів зношування матеріалів /В.А.Войтов, В.Ф.Тесля, О.М.Белас, М. М.Краснощоков. //Підвищення властивостей ливарних сплавів та вдосконалення методів їх дослідження: Зб.наук.пр.АН.УРСР. Iн-т пробл. лиття. - Київ. -1988, -С.80-85.

8. Діагностика та прогнозування надійності вузлів тертя на підставі iнформацiйно-термодинамiчних уявлень /Л.I.Бершадській, В.А.Ляшко, Ф.С.Смагленко, М.М.Потьомкiн, В.А.Войтов. //Надійність та довговічність машин та споруд: Респ. мiжвiд. зб. наук. пр. -Київ, Наукова думка. -1990. -Вип.18. -С.42-47.

9. Войтов В.А., Баздьоркiн В.О. Універсальна машина тертя //Тертя та зношування. -1992. Т.13. -N3. -С.501-506.

10. Войтов В.А., Жерняк А.I., Суханов М.I. Масштабний фактор пари тертя та його урахування на етапі проектування машин та механізмів //Тертя та зношування. -1994. Т.15. -N1, -С.109-116.

11. Войтов В.А. Про розташування матеріалів в парах тертя за твердістю та конструктивні способи підвищення зносостійкості //Тертя та зношування. -1994. Т.15. - N3. -С.452-460.

12. Войтов В.А., Лур'є З.Я., Жерняк А.I. До питання пiдвищення зносостiйкостi вузлів тертя об'ємних гідромашин //Вісник машинобудiвництва. -1995. -N1. -С.6-11.

13. Войтов В.А., Лур'є З.Я., Жерняк А.I. Масштабний фактор пари тертя та його урахування на етапі проектування гiдромашин //Вiсник машинобудiвництва. -1995. -N6. -С.15-18.

14. Шевєля В.В., Войтов В.А., Суханов М.I., Iсаков Д.I. Закономірності зміни внутрішнього тертя в процесі роботи трибосистеми, та його урахування при виборі взаємовідповідних матеріалів //Тертя та зношування. -1995. Т.16. -N4. -С.734-744.

15. Войтов В.А., Ісаков Д.І. Моделювання граничного тертя у трибосистемах. 1. Методика фізичного моделювання //Тертя та зношування. -1996. Т.17. -N3. -С.298-306.

16. Войтов В.А., Ісаков Д.І. Моделювання граничного тертя у трибосистемах. 2. Методика математичного моделювання стаціонарних процесів при граничному терті //Тертя та зношування. -1996. Т.17. -N4. -С.456-462.

17. Войтов В.А., Ісаков Д.І. Моделювання граничного тертя у трибосистемах. 3. Методика математичного моделювання нестаціонарних процесів при граничному терті //Тертя та зношування. -1996. Т.17. -N5. -С.598-605.

18. Войтов В.А., Стадниченко В.Н., Борщ А.В Про деякі закономірності акустико-емісійного випромінювання пар тертя в умовах межового змащування. У кн. Сучасні проблеми машинобудування; Білоруська інженерна академія. -Гомель: 1996, с.94-98.

19. Войтов В.А., Абі-Сааб Ф.Х. Вплив конструктивних особливостей підшипників ковзання на їх ресурс та на задиростійкість//Вісник Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету. Зб.наук.праць. -Харків: ХДАДТУ. -1997. Вип.5. С.14-17.

20. Войтов В.А., Абі-Сааб Ф.Х., Савченков Б.В. Алгоритм конструювання рухомих вузлів ковзання гідромашин//Праці міжнародної науково-технічної конференції . У кн. Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я. Ч2: Моделювання робочих процесів у теплотехнічному, енергетичному обладнанні і проблеми енергозбереження. -Харків, Мішкольц, Магдебург: 1997, с.222-225.

21. Войтов В.А., Абі-Сааб Ф.Х. Конструктивна зносостійкість підшипників ковзання//Міжвузівська збірка наукових праць. -Харків:ХДАЗТ -1997. С.90-91.

22. Войтов В.А., Мурашко О.О., Левченко О.В. Алгоритм використання методу акустичної емісії для діагностування трибосистем. Зб.наук.праць ХДПУ, -1998. Вип.6. Ч.4. С.22-24.

23. Войтов В.А., Ісаков Д.І., Мурашко О.О. Аспекти моделювання процесів тертя та зношування у трибосистемах машин. //Вісник Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету. Зб.наук.праць. -Харків: ХДАДТУ. -1998. Вип.7. С.33-36.

24. А.с.1497495 СРСР М.Кл. G 01N 3/56/ Спосіб контролю службових властивостей мастил /I.Г.Носовський, В.Ф.Тесля, В.А.Войтов, О.I.Носовський, О.М.Белас (СРСР). заявлено 22.12.87; опубліковано 30.07.89, Бюл.№28, -2с.

25. А.с.1562758 СРСР М.Кл. G 01N 3/56/ Спосіб контролю припрацьовування пари тертя /I.Г.Носовський, В.Ф.Тесля, В.А.Войтов, О.I.Носовський, О.М.Белас (СРСР). заявлено 06.04.88; опубліковано 07.05.90, Бюл.№78, -3с.

26. А.с. 1573392 СРСР М.Кл. G 01N 3/56/ Спосіб випробування матерiалiв на втомленість при згинанні /I.Г.Носовський, О.М.Белас, Т.В.Цибанев, В.Ф.Тесля, В.А.Войтов, О.I.Носовський (СРСР). заявлено 11.08.88; опубліковано 23.06.90, Бюл.№23, -3с.

27. А.с.1577492 СРСР М.Кл. G 01N 3/56/ Спосіб випробування пари тертя /I.Г.Носовський, О.М.Белас, Т.В.Цибанєв, В.Ф.Тесля, В.А.Войтов, О.I.Носовський (СРСР). заявлено 11.08.88; опубліковано 07.08.90, Бюл.№25, -3с.

28. А.с. 1597694 СРСР М.Кл. G 01N 3/56/ Спосіб контролю режимів тертя металевих поверхонь вузла тертя /I.Г.Носовський, В.Ф.Тесля, В.А.Войтов, О.I.Носовський, О.М.Белас (СРСР). заявлено 25.11.88; опубліковано 07.10.90, Бюл.№37, -3с.

29. А.с. 1533426 СРСР М.Кл. G 01N 3/56/ Пара тертя /В.А.Войтов, Л.А.Котляренко, В.Х.Кадиров та iнш. (СРСР). заявлено 14.12.87; опубліковано 30.12.89, Бюл.№48, -2с.

30. А.с. 1803811 М.Кл. G 01N 3/56/ Машина для випробувань на тертя та зношування /В.А.Войтов, В.О.Баздьоркiн, О.I.Носовський та iнш. (СРСР) заявлено 05.12.90; опубліковано 23.03.93, Бюл.№11, -6с,.

Размещено на Allbest.ru