На правах рукописи

ПРУДНИКОВ МАКСИМ ИВАНОВИЧ РАЗРАБОТКА НОРМАЛИЗОВАННОГО МЕТОДА И АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ИСПЫТАНИЙ НА МАШИНАХ ТРЕНИЯ Специальность 05.02.04 - Трение и износ в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Брянск 2009

Работа выполнена на кафедрах "Триботехнология" и "Автоматизированные технологические системы" ГОУ ВПО Брянский государственный технический университет Научный руководитель доктор технических наук, профессор Горленко Александр Олегович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Буглаев Анатолий Михайлович кандидат технических наук Жостик Юрий Владимирович Ведущая организация ГОУ ВПО Брянская государственная сельскохозяйственная академия

Защита состоится 24 марта 2009 г. г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.021.01 при Брянском государственном техническом университете по адресу: 241035, г. Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, 7, в учебном корпусе № 2, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Брянский государственный технический университет.

Автореферат разослан л20 февраля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Хандожко А.В.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации рассматривается вопрос научно обоснованной разработки нормализованного метода и автоматизированной системы триботехнических испытаний поверхностей трения.

Актуальность темы В условиях постоянного повышения требований к качеству машиностроительной продукции и сокращения сроков на техническую подготовку производства особое значение приобретают методы и средства, позволяющие за короткое время устанавливать оптимальные способы достижения требуемых эксплуатационных свойств, в том числе триботехнических. В настоящий момент основой определения показателей триботехнических свойств является эксперимент. Однако отсутствие единого нормализованного метода испытаний применительно к наружным цилиндрическим, внутренним цилиндрическим и торцовым (плоским) поверхностям цилиндрических образцов в условиях постоянных, жестко регламентированных режимов трения привело к многообразию экспериментальных методик и получению несопоставимых данных. Это подчеркивает актуальность темы.

В значительной степени триботехнические свойства изделий определяются технологическими условиями обработки контактных поверхностей. Поэтому практический интерес представляет установление прямой взаимосвязи условия обработки - триботехнические свойства, создание соответствующих справочных материалов по одноступенчатому технологическому обеспечению триботехнических свойств, что возможно лишь на основе применения единых методов испытаний. Ведущая роль по ускорению экспериментальных исследований отводится автоматизации испытаний и регистрации их параметров непосредственно в процессе трения.

Цель работы. Разработка, практическая реализация и апробация нормализованного метода и автоматизированной системы триботехнических испытаний поверхностей трения.

Задачи исследования Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать показатели триботехнических свойств поверхностей, а также теоретические и экспериментальные методы их оценки.

2. Научно обоснованно разработать нормализованный метод триботехнических испытаний поверхностей трения.

3. Разработать, изготовить и апробировать опытный образец автоматизированной системы научных исследований (АСНИ) для реализации предлагаемого метода.

4. Провести экспериментальные исследования по влиянию условий механической обработки на показатели триботехнических свойств поверхностей с помощью АСНИ на основе предложенного метода испытаний.

Методика проведения исследований. Теоретические исследования базируются на основных положениях усталостной теории изнашивания, теории контактного взаимодействия деталей, технологии машиностроения, современной статистической теории и методологии, а также на широком применении математических методов исследований. Экспериментальные исследования базируются на современных методах математической статистики, математических методах обработки экспериментальных данных, теории планирования экспериментов, широком применении ЭВМ и автоматизированных систем научных исследований.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Нормализованный метод триботехнических испытаний поверхностей трения.

2. Автоматизированная система научных исследований триботехнических свойств поверхностей.

3. Математико-статистические модели взаимосвязи показателей триботехнических свойств поверхностей с условиями их механической обработки.

Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждается результатами лабораторных испытаний.

Научная новизна работы: на основе концепции неизменности условий трения научно обоснованно выбрана схема и разработаны нормализованный метод и автоматизированная система триботехнических испытаний на машинах трения.

Практическая значимость:

1. Разработана и создана автоматизированная установка для нормализованных триботехнических испытаний наружных цилиндрических, внутренних цилиндрических и торцовых поверхностей трения образцов.

2. Создан справочный материал по возможностям технологических методов обработки (точения и алмазного выглаживания) в управлении триботехническими свойствами поверхности.

Реализация полученных результатов. Нормализованный метод и автоматизированная система триботехнических испытаний поверхностей с комплектом технической документации применяются при выполнении хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ, кандидатских и магистерских диссертаций, дипломных проектов и в лабораторном практикуме студентов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всерос. конф. Территории развития: образование, наука и инновации (Брянск, 2006 г.); на Междунар. науч.-техн. конф. Менеджмент качества продукции и услуг (Брянск, 2007 г.); Международной молодёжной научной конференции XV Туполевские чтения (Казань, 2007 г.); научной конференции профессорско-преподавательского состава БГТУ (2007 г.); 14-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов Микроэлектроника и информатика - 2007 (Зеленоград, 2007 г.);

6-й Международной научно-технической конференции Проблемы качества машин и их конкурентоспособности (Брянск, 2008 г.); заседании кафедры Триботехнология (БГТУ, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них три - в журналах из перечня ВАК, рекомендованного для опубликования результатов диссертационных работ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и результатов, списка литературы и приложений. Материалы диссертации содержат 152 страницы основного текста, 25 таблиц, 53 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложены ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе анализируется состояние вопроса классификации, определения и принципов обеспечения триботехнических свойств.

Установлено, что основными триботехническими свойствами, определяющими долговечность и экономичность машин, являются износостойкость, антифрикционность и прирабатываемость. Триботехнические свойства узлов трения характеризуют взаимодействие их контактных поверхностей при относительном перемещении и зависят от триботехнических свойств конструкционных и смазочных материалов, конструктивных особенностей узла, технологии изготовления и условий работы.

Методы оценки показателей триботехнических свойств можно условно разделить на расчетные и экспериментальные. Ввиду множества факторов, влияющих на триботехнические свойства, достаточно точно теоретически установить их показатели в настоящее время затруднительно. Основой решения этого вопроса является эксперимент. Вопросам экспериментального исследования триботехнических свойств, а также методологии триботехнических испытаний посвящены работы таких ученых, как Э.Д. Браун, К. Дж. Будински, И.А.

Буяновский, Ю.Н. Дроздов, И.И. Карасик, В.С. Комбалов, И.В. Крагельский, Н.М. Михин, Л.Ю. Пружанский, А.Г. Суслов, А.В. Чичинадзе, В.С. Щедров и других.

В условиях постоянно увеличивающегося количества триботехнических материалов и технологических методов воздействия на поверхностный слой возникает необходимость систематизации данных, полученных средствами трибометрии, организации автоматизированных баз данных, информационнопоисковых и экспертных систем на основе единых методов испытаний и их реализации в виде АСНИ. Большинство существующих стандартных методов предназначено для оценки износостойкости материалов в условиях различных видов абразивного изнашивания, однако ряды износостойкости материалов при различных видах изнашивания не имеют однозначной корреляции.

Фактически существующие стандартизованные методы лабораторных испытаний предназначены для оценки триботехнических свойств материалов.

Поэтому в методике, как правило, заранее оговаривается способ подготовки испытуемой поверхности образца. Однако машины одинаковых конструктивных схем, с деталями из одних и тех же материалов часто имеют различную надежность. В настоящий момент актуально рассмотрение триботехнических свойств поверхности трения, получившей определенное технологическое воздействие. Для предварительных оценок возможности использования материала или метода обработки поверхности детали в узле трения важно иметь набор информативных характеристик поведения поверхности трения в некоторых заранее оговоренных и научно обоснованных стандартизованных условиях трения и смазки.

Установлено, что из-за отсутствия единого метода испытаний поверхностей трения применительно к условиям трения скольжения при граничной смазке и усталостном изнашивании результаты различных экспериментальных исследований оказались несопоставимы: поверхности, обработанные при одних и тех же технологических условиях, по данным различных исследований, имеют износостойкость, отличающуюся в десятки раз.

На основе анализа работ отечественных и зарубежных ученых определены цель и задачи исследования.

Во второй главе описываются методика проведения исследований, применяемое оборудование и измерительные приборы.

Детали типа тела вращения (валы, оси, втулки) в основном изготовляют из конструкционных и легированных сталей, к которым предъявляются следующие требования: высокая прочность, хорошая обрабатываемость, малая чувствительность к концентрации напряжений, а также способность подвергаться термической обработке. Для таких деталей наиболее часто применяется сталь 40Х (ГОСТ 4543-71). Поэтому для проведения экспериментальных исследований на образцах использовалась эта сталь.

С целью установления технологических возможностей в управлении триботехническими свойствами поверхностей исследовались методы обработки точением после термообработки и алмазным выглаживанием.

Микротвердость поверхностного слоя определялась на микротвердомере модели ПМТ-3М.

Для измерения геометрических параметров качества поверхности применялся цеховой портативный профилометр модели MarSurf PS1.

Третья глава посвящается разработке нормализованного метода триботехнических испытаний поверхностей на основе концепции определения показателей триботехнических свойств в условиях определенных, жестко регламентированных режимов трения, изнашивания и смазки.

При испытаниях поверхностей обоснована необходимость применения схемы трения с сосредоточенным (герцевским) контактом, имеющая следующие преимущества для рассматриваемой области:

- минимизация погрешностей, связанных с установкой образца и контр- тела;

- возможность использования в качестве контртел идентичных сменных трущихся элементов, применяемых для производства стандартных изделий;

- исключение режима приработки на макроуровне, сокращение длительности приработки и в целом испытаний;

- возможность использования малогабаритных, относительно простых, но высокоточных систем нагружения средств испытаний;

- обеспечение минимального коэффициента взаимного перекрытия, что позволяет в значительной степени исключить влияние фрикционного разогрева, в том числе на измерительные датчики триботехнического оборудования, и избежать появления катастрофических видов изнашивания;

- вследствие высоких давлений и формы контактирующих поверхностей возникают наилучшие условия для обеспечения граничной смазки и наихудшие - для образования гидродинамического масляного клина.

В качестве контртела применена твердосплавная пластина по ГОСТ 19070-80, рассматриваемая как абсолютно жесткий, гладкий и неизнашиваемый индентор (рис. 1). В процессе испытаний индентор скользит по поверхности образца в режиме многократных проходов по ранее образованному им следу. Номинальная геометрия контакта остается постоянной в течение всего испытания, и показатели триботехнических свойств поверхности определяются по отношению к практически неизменному, фиксированному качеству поверхностного слоя индентора. Предложенная схема обеспечивает максимальное постоянство номинального контактного давления, коэффициента взаимного перекрытия и меры конформности сопряженных тел, что доказано сравнительным теоретическим анализом всех геометрически возможных схем трения.

Рис. 1. Схемы испытаний поверхностей: а - наружных цилиндрических; б - внутренних цилиндрических; в - торцовых (плоских) Нагрузочно-скоростные параметры испытания назначаются из условия недопустимости достижения предельной теоретической величины относительного контактного сближения (=0,35) и обеспечения условий граничной смазки.