Моделирование износостойкости и долговечности судовых технических средств на основе структурно-энергетического подхода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.04, доктор технических наук Голубев, Николай Федорович

• Голубев, Николай Федорович
• доктор технических наук
• 1997

Оглавление диссертации доктор технических наук Голубев, Николай Федорович

ПРВДЮЛОБИЕ.

1. АНАЖЗ ПРОБЕЕМЫ. ЗАДАЧИ ИСШВДОВАНИЯ

1.1. Введение .II

1.2. Особенности моделирования процессов изнашивания материалов

1.3. Общая проблема и частные задачи исследования

2. СОВРЕМЕННЫЕ ШЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОВЩЕНИЯ

МАТЕРИАЛОВ ПРИ ТРШИИ И ИЗНАШИВАНИЙ.

2.1. Критерии оценки долговечности и износостойкости материалов

2.2. Структурно-энергетическая модель износостойкости металлических материалов с позиций механики неоднородных сплошных сред.

2.3. Выводы по главе I.

3. ОБОБЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ИЗНАШИВАНИЯ МАТШШОВ

С ГЕТЕРОГЕННОЙ СТРУКТУРОЙ

3.1. Влияние масштабных эффектов на долговечность и износостойкость материалов

3.2. Обобщенная модель изнашивания материалов.

3.3. Особенности диссипации энергии при ротационных механизмах деформации материалов

3.4. Анализ кинетических функций в уравнениях изнашивания Ю

3.5. Структурно-энергетический критерий износостойкости с учетом жесткости напряженного состояния поверхности металлических материалов.

3.6. Выводы по главе

4. МОДЕШРОВАНИЕ ВДР0ЭР03И0НН0Й СТОЙКОСТИ МАТЕШМОВ

Ш СУДОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

4.1. Установки доя гидроэрозионных испытаний материалов 149 4.1Л. Исследование эрозионной способности струйных гидродинамических излучателей.

4.1.2. Установка для исследования закономерностей совместного кавитадонно-гидроабразивного изнашивания

4.2. Исследование повреждаемости поверхности материалов при повторном гидродинамическом нагружении.

4.3. Влияние масштаба внешнего динамического нагружения на критическую скорость разрушения сплавов

4.4. Зависимость эрозионной стойкости от механических свойств материалов

4.5. Влияние энергоемкости на износостойкость сплавов при гидроэрозии.

4.6. Использование структурно-энергетической модели гидроабразивного изнашивания для повышения долговечности грунтонасосных установок.

4.7. Выводы по главе

5. ШДЕЖРОВАШЕ ГАЗОАБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ

И КАПЖЬШЙ ЭРОЗИИ СТО

5.1. Структурно-энергетическая модель эрозии выпускных клапанов судовых двигателей внутреннего сгорания

5.2. Сопоставление аналитической модели газоабразивной эрозии с результатами стендовых испытаний клапанов

5.3. Методика прогнозирования долговечности выпускных клапанов судовых двигателей.

5.4. Пример расчета долговечности выпускного клапана

5.5. Выводы по главе 5.

6. ЮДЕПИРОВАНЙЕ ИЗН0С0СТ0ЙК0СШ СТС ЮТ ТРЕНИЙ СКОЛЬЖЕНИЯ

6.1. Особенности изнашивания цилиндровых втулок СДВС

6.2. Структурно-энергетическая модель изнашивания материалов при трении скольжения

6.3. Сопоставление аналитической модели изнашивания с результатами лабораторных испытаний материалов

6.4. Результаты статистического анализа скоростей изнашивания втулок цилиндров в зависимости от условий эксплуатации СДВС

6.4.1. Закономерности изнашивания втулок двигателей

I группы

6.4.2. Закономерности изнашивания втулок двигателей

П и Ш групп

6.4.3. Методические основы прогнозирования ресурса цилиндровых втулок СДВС .<

6.5. Выводы по главе 6.

Обйше выводы по диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование износостойкости и долговечности судовых технических средств на основе структурно-энергетического подхода»

Наблюдаемый в настоящее время в России катастрофический спад промышленного производства, релаксация научного потенциала, прежде всего потеря высококвалифицированных научных кадров и фактическое свертывание работ в головных НИИ и других организациях, ответственных прежде за реализацию государственной технической политики в судо- и машиностроении, металлургии, технологии материалов и в других приоритетных направлениях, определяющих в итоге жизнеспособность государства, эффективность его бюджета и уровень жизни населения, возвращает некогда благополучные отрасли на технологический уровень 60.70-ых годов со сравнительно высоким уровнем ручных операций, особенно при выполнении различного рода ремонтных работ. Однако в отличие от 60.70-ых годов парадокс современности заключается ни в отсутствии высокопроизводительных и надежных технологий, а в том, что нищие предприятия не могут в полной мере воспользоваться современными (наукоемкими) технологиями, приобрести дорогое технологическое оборудование, а также обеспечить суда сменно-запасными деталями, в частности, предназначенных для двигателей внутреннего сгорания зарубежной постройки.

Можно полагать, что в ближайшие 10.15 лет будет происходить постепенное первоочередное возрождение и техническое переоснащение главным образом добывающих отраслей народного хозяйства, быстрее других приносящих дивиденды за счет продажи (в основном за рубеж) природных богатств страны. На их фоне остальные отрасли, в том числе водный транспорт и обслуживающие его предприятия, будут мучительно искать пути выживания. Выживут, видимо, те отрасли и предприятия, которые будут непосредственно обслуживать добывающие комплексы. Если в этих условиях водный транспорт в борьбе за перевозки нефти и нефтепродуктов, сжиженного природного газа, рудных и нерудных полезных ископаемых, леса и других грузов, например контейнеров, сможет конкурировать с железнодорожным и автомобильным транспортом, то он выживет и получит дальнейшее развитие. Наиболее вероятным итогом такой конкуренции окажется частичное выживание водного транспорта, в первую очередь в регионах с низкой плотностью современных автомобильных и железных дорог» а это: Сибщ>ь, Дальний восток и Север европейской части страны. Пассажирские перевозки мо£ут оказаться рентабельными только после того, когда жизненный уровень основной массы населения страны поднимется до уровня, когда проблема пропитания перестанет быть первостепенной и появится возможность удовлетворить другие потребности, связанные с необходимостью переездов. Это в первую очередь относится к перевозкам на судах на подводных крыльях, на воздушной подушке и т.н., т.е. на сравнительно короткие расстояния с достаточно высокой скоростью.

Поскольку на завершение процесса самоорганизации отрасли потребуется примерно 10.15 лет, то ее практически не возобновляемая материальная база, уже в настоящее время требующая 80^-ой замены, вследствие неизбежного физического и морального старения, в первые 5.7 лет существенно уменьшатся, а в последующие 5.7 лет будет наращиваться. В силу указанных выше обстоятельств возрождение отрасли будет интенсивным и неравномерным в отдельных регионах по принципу: где густо, а где пусто.

В период стагнации отрасли первостепенное значение приобретает ремонт судовой техники и оптимизация режимов ее эксплуатации, чтобы хоть как-то свести концы с концами и подольше продержаться на плаву. Очевидно, что целью оптимизации в этих условиях окажется установление щадящих режимов эксплуатации судовой техники, прошедшей ремонт, не гарантирующий требуемой надежности.

В период возрождения отрасли начнется проектирование и постройка новых или модернизированных типов судов, наиболее полно удовдбтворявдих потребностям отдельных регионов страны и конкретным условиям эксплуатации, в том числе условиям смешанного (река-море) плавания. При проектировании и строительстве флота, судовых энергетических установок и другого оборудования важно будет учесть накопленный разносторонний опыт, особенно по надежности судовых технических средств, в частности: по надежности и коррозионной стойкости корпусных конструкций, но ресурсу деталей дизелей, работающих на тяжелых сортах топлива, по долговечности рабочих устройств судов технического флота, используемых на добыче строительных материалов и погрузочно-разгрузочных операциях в портах и т.п.

Эвристическая ситуационная модель состояния ж развития отрасли на ближайшие два временных периода позволяет сформулировать три укрупненных проблемы, необходимость последовательного решения которых диктуется жесткими объективными обстоятельствами, связанными с приходом государственно-монополистического капитализма. Вот эти проблемы;

1. Разработка и реализация малозатратных (упрощенных) технологических процессов восстановления судовых технических средств и изготовления сменно-запасных деталей;

2. Установление оптимальных (щадящих) условий эксплуатации судовой техники пониженной надежности, используемой на стадии исчерпания ресурса ведущих деталей, а также после ремонта;

3. Проектирование и строительство судовой техники второго тысячелетия с учетом обобщенного опыта эксплуатации прототипов и с использованием расчетных методов оценки надежности наиболее нагруженных механизмов, узлов и отдельных деталей.

Важно отметить, чт© общим для всех tpex проблем является необходимость: достаточно точной идентификации ведущих разновидностей изнашивания и повреждений судовых технических средств; установления масштабных (энергетических) уровней повреждаемости (разрушения) деталей; моделирования процессов изнашивания материалов (деталей) в зависимости от условий эксплуатации судовой техники и наконец - расчетного прогнозирования ресурса ведущих деталей и принятия окончательных решений, включающих режимные, конструктивные, материаловедческие и технологические мероприятия.

Ясно, что без обоснованного решения (в различных сочетаниях) перечисленных укрупненных задач квалифицированное решение трех сформулированных выше отраслевых проблем не представаяется возможным. В то же время для решения укрупненных (частных) задач необходим общий концептуальный подход, который еще до конца не разработан, но который крайне необходим, особенно для указанной выше третьей (магистральной) проблемы, от решения которой будет зависеть эффективность отрасли и ее место в экономическом пространстве страны в начале второго тысячелетия.

Анализ выполненных исследований показывает, что в качестве исходной теоретической концепции может быть использована обобщенная структурно-энергетическая модель процессов повреждаемости и изнашивания, в наибольшей степени пригодная для решения частных задач прогнозирования долговечности и износостойкости как материалов и современных функциональных покрытий, так и разнообразных рабочих устройств судовой техники при гидроэрозии, газо- и гидро-абразявном внешнем воздействии, а также при фреттинг-коррозии, внешнем трении и контактной усталости.

Надежность, а следовательно, и эффективность судовой техники недалекого будущего будет в значительной степени зависеть от того, насколько реально мы сможем учитывать негативные последствия разномасштабного внешнего воздействия на материалы и узлы машин и механизмов в постоянно ужесточающихся условиях их эксплуатации, создающих трудноразрешимые комплексные проблемы. Так например, при работе на тяжелых сортах топлива надежность выпускных клапанов, деталей ЦПГ и топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания существенно снижается. Каждая вторая-третья втулка цилиндров ВОД и СОД имеет эрозионные повреждения на водоохяаждаемой поверхности; то же относится и к каждому четвертому гребному винту морских сухогрузов. При неоптимальных режимах эксплуатации землесосных снарядов скорость местного шдроабразивного изнашивания деталей грунтовых насосов исключительно высока и может более чем на два порядка превосходить скорость общего изнашивания. Решение этих проблем, к сожалению, переносится на более позднее время. Ограничиваясь этим, далеко не полни, перечнем объектов судовой техники, надежность которых явно недостаточна, становится очевидной актуальность моделирования процессов изнашивания, выявления общих закономерностей, свойственных различным видам изнашивания материалов, и необходимость разработки с единых теоретических позиций методик расчетного црогнозирования долговечности и износостойкости деталей и способов повышения их надежности.

ШВА I. АНАЖЗ ПР0Е1ЕМЫ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

I.I. Введение

В настоящее время сформировалось мнение о том, что при контактном взаимодействии поверхностей, например, при трении скольжения, основную роль в образовании диссипативных структур играют эффекты на мезо- и фрагментарном уровнях, то есть в пределах от

0,1.3,0 мкм (мезомасштаб) до = (3.IQ)4z (масштаб фрагментарных структур). Фрагментарный уровень обусловлен кооперативными эффектами в системах мезообъемов. При этом деформационные процессы в поверхностных слоях материалов связаны с ротационной и струйной неустойчивостью многомасштабных структур при размерах ротационных элементов в пределах от ОД до 0,5.1,0 мкм[22].

Ротационная приграничная неустойчивость материала на масштабном уровне струй аналогична турбулентному течению жидкости. Условием возникновения локальных струйных течений являются высокие скорости деформации (скорости нагружения), так называемая гидродинамическая деформация. В работе показана возможность анализа струйных течений в металлах с помощью методов гидромеханики.

Большие потоки энергии через сравнительно тонкие деформируемые слои материала создают условия самоорганизации. Например, при напряжении трения 10 МПа и скорости смещения 0,1 м/с в слой металла толщиной 5 мкм вводится поток энергии плотностью 2.10^ превышающей энергию связи атомов в рассматриваемом слое [22], Однако значительная часть потока энергии диссипирует за счет многомасштабности структуры в слое материала глубиной до 20.30 мкм. При этом процессы, происходящие на разных масштабных уровнях, взаимосвязаны во времени и пространстве, В качестве примера самоорганизации материала при трении скольжения можно привести известный факт возникновения двух типов диссипативных структур - ротационных (0,1.0,5 мкм) и периодических в виде волнистости на поверхности трения с шагом 10.20 мкм. Аналогичная картина имела место и при гидроабразивном изнашивании нержавеющих сталей, когда в зонах местного изнашивания пластическая неустойчивость деформируемого слоя сопровождалась образованием регулярного рельефа в виде ряби с шагом в пределах от 5 до 20 мкм.

Если учесть, что к макромасштабу, на котором возможно осреднение неоднородностей структуры, относят поведение материалов на глубине, превышающей 10 мкм, то нетрудно сделать вывод о том, что процессы, происходящие на фрагментарном уровне, могут быть описаны методами механики однородных сплошных сред. Б то же время определенные надежды можно возлагать на полезное применение известных уравнений механики гетерогенных сплошных сред для описания поведения материалов на неоднородном по плотности дефектов мезоскопичес-ком уровне, тем более, если учесть при этом вероятность фазовых превращений, влияние температуры и особенности протекания скрытого (аккумуляционного) периода накопления повреждений и скрытой (внутренней) энергии в повторно деформируемом слое.

Очевидно, что моделирование долговечности и износостойкости материалов при учете перечисленных факторов в общем случае потребует сращивания решений, полученных методами механики гетерогенных сплошных сред и результатов кинетического термоактивационного подхода, успешно реализованного в свое время В.В.Федоровым [Д31-133] применительно к условиям длительной прочности и ползучести материалов с оценкой структурных и активационных параметров процессов.

Важность такого подхода связана с тем, что методами механики сплошных сред, в частности: уравнениями движения поверхностей разрыва, может быть учтена динамичность внешнего, как правило потокового, нагрукения материалов при различных видах изнашивания. Наблюдаемый при этом перенос введенной энергии волнами упругих и пластических деформаций характеризует "возбужденное" состояние материала и невозможность диссипации внешней энергии другим способом кроме волнового. Возбужденное состояние характеризуется скачкообразным локальным изменением физико-механических свойств материала, аналогичным изменению свойств твердой среды при фазовых переходах. Очевидно, что отмеченное возбужденное состояние материала проявляется при некоторой нижней критической плотности мощности деформации, достаточной для "возбуждения" материала, вплоть до верхней критической плотности потока энергии деформации, соответствующей его немедленному разрушению. При этом предыстория нагру-жения и предварительного "возбуждения" материала и связанная о ними степень накопления внутренней энергии и деструкции, запас пластичности, морфология и размеры неизбежно возникающих при этом диссипативяых структур, оказывают решающее влияние на долговечность (износостойкость) деформируемых объемов. Подобные условия нагружения в литературе принято называть микроударными, что не является правильным, так как не отражает в полной мере многомасштаб-ность диссипативных структур. Для большинства видов изнашивания более правильно было бы использовать термин мезоударное нагружение, если пренебречь вероятностью проявления смешанного разрушения, происходящего одновременно на мезо-, макро- и фрагментарном уровнях. Влияние температуры при мезоударном нагружении будет, очевидно, проявляться в степени замораживания диссипативных структур после снятия внешнего воздействия и перехода избыточной энергии в тепловую. Этот аспект динамического нагружения материала, так же как и квадастатического, полезно рассматривать с использованием термодинамических и молекулярно-кинетических (термоактивационных) представлений.

Ясно, что критериальными параметрами разрушения (износостойкости) материалов при динамическом нагружении будут предельные потоковые характеристики, например: критическая плотность потока энергии деформации, или плотность мощности деформации и соответствующие им - удельная энергия разрушения и критическая скорость удара, изменяющиеся в зависимости от жесткости внешнего нагруже-ния и масштаба диссипативных структур.

Последнее обстоятельство является принципиально важным, поскольку затрагивает вопрос о постоянстве (непостоянстве) плотности энергии разрушения в изменяющихся условиях внешнего нагружения одного и того же материала. Если учесть, что различным условиям внешнего нагружения материала соответствует ступенчатое изменение энергий активации, достаточных для начала структурных изменений, приводящих в итоге к разрушению, то по аналогии можно полагать возможным ступенчатое изменение значений критических потоковых характеристик изнашиваемых материалов, адекватных жесткости напряженного состояния материала и соответствующим уровням (масштабам) диссипативных структур.

Это предположение требует допущения о неодинаковой плотности насыщения скрытой энергией продуктов изнашивания материала в различных условиях внешнего нагружения, дискретного изменения их крупности, и как следствие, - существования нескольких модификаций общей структурно-энергетической модели изнашивания , содержащей в качестве критерия износостойкости критическую плотность мощности деформации. При переходе от динамического к квазистатическому и статическому внешнему нагружению при изнашивании, или при изменении условий контактного взаимодействия сопряженных поверхностей, например, вследствие перехода от одного преобладающего вида изнашивания к другому, критерий износостойкости будет претерпевать соответствующие изменения, при этом потоковая динамическая сущность критерия может оказаться излишней и сложный энергетический критерий может выродиться в одну из механических характеристик поверхности материала (твердость, прочность и пр.), полученную при стандартных статических испытаниях образцов,

Б диссертации использована и получила дальнейшее развитие структурно-энергетическая теория изнашивания материалов, основан -ная на соотношении потока внешней энергии к предельной плотности мощности деформации, учитывающая структуру изнашиваемых материалов, энергоемкость, критическую скорость нагружения, жесткость напряженного состояния, аккумуляционный период накопления повреждений, многомасштабно сть энергетических уровней изнашивания и соответствующих диссипативных структур, и наконец - закономерности перехода от одного масштабного уровня изнашивания к другому.

С позиций структурно-энергетической теории рассмотрены: кави-тационная, гидро- и газоабразивная, а также ударно-абразивная эрозия, изнашивание при трении скольжения и фреттинг-коррозии. Даны методические основы расчета долговечности и износостойкости судовых движителей и деталей центробежных грунтовых насосов, выпускных клапанов и деталей пилилдро-поршневой группы судовых двигателей внутреннего сгорания. Возможность прогнозирования ресурса различного оборудования оказалась возможной, в частности, благодаря впервые установленным количественным соотношениям, учитывающим многомасштабность структур и подчиняющимся закономерностям фрактальной механики разрушения.

Заключение диссертации по теме «Трение и износ в машинах», Голубев, Николай Федорович

ОБЩИЕ ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

Учитывая то, что результаты исследований нашли подробное отражение в выводах по главам, основные выводы по диссертации, во избежание повторений, целесообразно обобщить в связи с задачами работы, сформулированными в пЛ.З, с соответствующими ссылками на частные выводы по главам (п.п.: 2.3; 3,6; 4.7; 5.5 и 6.5).

Целевая установка диссертации, заключающаяся в углублении структурно-энергетической теории изнашивания материалов и применении ее основных положений к условиям внешнего трения, гидроэрозии деталей, гидро- и газоабразивного внешнего динамического воздействия для выявления новых и углубления известных закономерностей процессов поверхностного разрушения материалов с различными структурами и последущего прогнозирования на их основе ресурса судовых (и других) технических средств с учетом условий эксплуатации последних, определила архитектонику работы и реализована по традиционной схеме: исходная (ИСЭШ) и обобщенная (ОСЭМИ) структурно-энергетические модели изнашивания частные (ЧСЭШ) структурно-энергетические модели изнашивания —>- основные закономерности различных видов изнашивания методы прогнозирования скорости изнашивания и долговечности деталей; способы оптимизации условий эксплуатации СТО; технологические приемы восстановления (упрочнения) деталей (см.схему).

Кроме указанных этапов исследований на схему нанесены порядковые номера выводов из 2-6 глав диссертации с оценкой их относительной научной и практической значимости.

Подводя итог выполненной работе, целесообразно в сжатой форме отметить наиболее важные полученные результаты.

I. На примерах моделирования процессов эрозии широкого круга материалов и покрытий в абразивных и неабразивных жидких и газоабразивных средах, а также при изнашивании деталей в условиях гра

-т

Схема алгоритмической последовательности и результатов вып олненных исследований У г f S5 a I

Co to новые HQtfYH67e и практические, результаты соответственно• □}0- то же So л ее высокой, ценности-tfi, — новые результаты, имеющие одновременно ларч-ную и практическую ценность, ординарную и гювбгшенную соответственно^

В 5 (СЙ - особо важные новые научные и одновременно научно - пракп?игески& результаты, соат£етстЗенноj практические и одновременно наухно - практические результаты, oS-ладающие злеженталси новизны,. ничного трения, показана эффективность структурно-энергетического подхода, основанного на использовании энергетических потоковых характеристик внешнего воздействия и энергоемкости материалов (покрытий) , представленных критической плотностью мощности деформации, а также связанными с ней: разномасштабными структурными характеристиками, критическими скоростями нагружения, продолжительностью аккумуляционного периода накопления повреждений, энергиями активации элементарных процессов атомно-молекулярных перегруппировок, эквивалентными теплофизическими характеристиками, коэффициентами интенсивности напряжений у вершин трещин и другими механическими характеристиками деформируемых (изнашиваемых) объемов, а также их сочетаниями.

Б работе показана аналогия между ротационной и вихревой структурами в твердом теле и в жидкости на мезомасштабном уровне; приведены примеры оптимизации характеристик микроструктуры для достижения наибольшей износостойкости гетерофазных материалов. Показана решающая зависимость скорости изнашивания СТО от структуры внешней среды, в частности: от вихревой структуры гидроабразивного потока в грунтовых насосах, и обоснованы методы ее оптимизации в макромасштабе, снижающие интенсивность вихрей и повышающие долговечность деталей.

2. Впервые установленные при кавитационной эрозии, гидроабразивном изнашивании и граничном трении деталей количественные соотношения, характеризующие самоорганизацию трибосистем на различных масштабных (энергетических) уровнях внешнего воздействия, открывают новые возможности при моделировании различных видов изнашивания, расчетной оценке износостойкости и долговечности материалов и деталей машин; например: возможность предсказания изменения скорости изнашивания СТО при переходах с одного энергетического уровня с известной скоростью изнашивания на другие, где ииш неизвестна.

3. Исследованная в работе трехуровневая зависимость повреждаемости материалов от скорости (давления) внешних импульсов при гидроэрозий, характеризуется соответствующими энергиями активации, коэффициентами жесткости напряженного состояния поверхности и значениями показателей степени при скорости (давлении) в уравнениях повреждаемости ^акС^пр) » ступенчато изменяющихся в пределах от 2 до 16, представляет собой основу методики расчетного прогнозирования долговечности СТС при кавитахшонной эрозии, например, ресурса водоохлаждаемых поверхностей втулок и блоков цилиндров судовых высоко- и среднеоборотных двигателей. Для этого необходимо располагать кривой повреждаемости (усталости) материала, амплитудно-частотными характеристиками вибрирующей стенки втулки и коэффициентом пересчета долговечности материала с лабораторных на натурные условия нагружения. Масштабный коэффициент можно определить по относительным глубинам пластически деформированного слоя материала образца и цилиндровой втулки, а также путем использования параметров кинетических зависимостей эрозии, построенных по статистическим данным эксплуатации "эталонных" двигателей.

4. Вследствие впервые установленного влияния на энергетические критерии износостойкости и скорость изнашивания материалов жесткости напряженного состояния поверхностных слоев, поведение последних на различных масштабных уровнях нагружения существенно неодинаково. Один и тот же материал на макромасштабном уровне может проявлять хрупкость, а в мезомасштабе быть пластичным. При этом критические скорости макро- и мезоударного нагружения могут различаться более, чем на порядок.

В связи с этим обычно наблюдаемое на практике снижение предела выносливости высокопрочных сталей можно объяснить происходящим с ростом прочности перераспределением упругой и пластической составляющих критической скорости макронагружения в неблагоприятном направлении, т.е. в направлении уменьшения пластической и роста упругой составляющих и адекватного изменения соответствующих энергетических характеристик,

5. Оценку износостойкости и долговечности материалов следует производить с учетом жесткости напряженного состояния поверхности по энергетическому критерию и другим свойствам материалов, наиболее достоверно характеризующих поведение последних на конкретных масштабных (структурных) уровнях нагружения (изнашивания), соотносящихся между собой по правилу, близкому к геометрической прогрессии в соответствии с закономерностями фрактальной механики разрушения.

6. Результаты моделирования процессов взаимодействия потока жидкости, содержащей абразивные частицы, с ограждающими поверхностями СТО, сопровождающихся интенсивным вихреобразованием и местным гидроабразивным изнашиванием со скоростями, достигающими

0,2.0,6 мм/ч, показали, что ресурс СТО прежде всего зависит от режимов их работы и структуры двухфазного потока. В связи с этим решение частных задач, например: оптимизацию условий эксплуатации землесосных снарядов и гидроперегружателей с целью повышения долговечности ведущих деталей грунтонасосов, особенно при неоптимальных исходных условиях работы, целесообразно проводить поэтапно: сначала следует улучшить структуру двухфазного потока в проточных каналах насоса и уменьшить потери энергии на вихреобразование, определяющие масштабные уровни изнашивания, а затем заменить менее -на более износостойкие материалы для быстроизнашивающихся деталей.

На первом этапе оптимизации, например, путем согласования гидравлических и геометрических параметров грунтовых насосов, в качестве критериев оптимальности целесообразно использовать: на первом этапе - себестоимость тонны переработанного грунта, на втором - наибольшее значение критерия износостойкости Ж* материала о учетом ограничений, связанных со спецификой эксплуатации и технологией изготовления деталей.

7. Моделирование цроцесса газоабразивного изнашивания СТО на основе структурно-энергетического подхода и сопоставление частных теоретических зависимостей скорости изнашивания от характеристик газоабразивного потока, свойств твердых частиц и энергоемкости изнашиваемых материалов с соответствующими экспериментальными результатами, выявило их хорошую взаимную корреляцию.

На основании выполненного моделирования впервые разработана методика расчетного прогнозирования долговечности выпускных клапанов СЩВС в условиях газоабразивной и капельной эрозии. Расчеты по предложенной методике показывают, что переход на "тяжелые" сорта топлива (высоковязкие с повышенным содержанием серы, натрия и ванадия) уменьшают ресурс выпускного клапана из сильхрома примерно в четыре раза, что соответствует накопленному опыту эксплуатации дизельных двигателей на высоковязких моторных сортах топлива.

8. В результате сопоставления исходной и детализированной структурно-энергетической модели изнашивания материалов и покрытий при граничном трении, учитывающей возможность суперпозиции результатов одновременного протекающих в зоне контакта нескольких процессов повреждаемости (изнашивания), с данными стендовых испытаний на износостойкость нескольких пар трения и с результатами анализа статистических данных об износах цилиндровых втулок 36-и судовых среднеоборотных двигателей в зависимости от продолжительности эксплуатации, периода замены масла, температуры охлаждающей воды, среднего эффективного давления, частоты вращения коленчатого вала и содержания серы б топливе оказалось возможным не только убедиться в целесообразности структурно-энергетического подхода при моделировании процессов изнашивания при внешнем трении, но и получить ряд важных для практики множественных и частных (парных) зависимостей скорости изнашивания сопряженных деталей от триботехнических характеристик и перечисленных выше параметров внешнего воздействия на трибосистему, положенных в основу впервые разработанной методики расчетного прогнозирования скорости изнашивания и долговечности цилиндровых втулок двигателей.

8.1. Скорости изнашивания втулок цилиндров трех групп двигателей нефорсированных 8НФД36У и с наддувом 8НФД36АУ, рассчитанные по предлагаемой методике, составили ряд геометрической прогрессии и оказались близкими к скоростям изнашивания большого количества втулок цилиндров судовых двигателей в условиях эксплуатации.

8.2. Для двигателей (I и II групп), имеющих температуру охлаждающей воды на 20.25°С ниже оптимальной, соответствующей наименьшей скорости изнашивания "зеркала" втулок, целесообразно применять с наружной (водоохлаждаемой) стороны специальные коррозионно-эро-зионностойкие теплоизоляционные синтетические покрытия, позволяющие, как показал опыт эксплуатации СДВС, на 20.30% уменьшить зеркала" втулок и сэкономить при этом до 5. .10% топлива и моторного масла. Для двигателей Ш группы с оптимальной T0g "утепление" втулок не даст положительных результатов.

9. Установленная многоуровневая регулярность и фрактальная размерность параметров, определяющих скорость изнашивания (разрушения) материалов при трении скольжения и виброконтактном взаимодействии сопряженных поверхностей, при гидродинамической и вибрационной кавитации, гидро-, газо- и ударноабразивном внешнем воздействии, указывает на существование фундаментальных закономерностей, единых для любых (открытых) трибосистем в широком диапазоне изменения интенсивности и уровней энергообмена между активной внешней средой и "пассивными" деформируемыми (изнашиваемыми) сплошными средами.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Голубев, Николай Федорович, 1997 год

1. Абачараев М.М. Выбор параметра кавитационной стойкости сплошных металлических материалов и покрытий./ Защитные покрытия на металлах. Киев: Наукова думка, 1983, вып.17, С.70-74.

2. Алексеев Н.М., До бычин M.I. Модели изнашивания./ Трибология: Исследования и приложения: опыт США и стран СНГ. М.: Машиностроение, 1993, С.66-87.

3. Алексеев В.К., Бодрышев В.В., Денисов Ю.Д. и др. Экспериментальное исследование прочности при имиульсных каплеударных нагружениях.// Проблемы прочности, 1977, № 6, C.II0-II3.

4. А.с. 1452Ш7 СССР МКИ3 01 Л Зё56. Способ испытания материалов при кавитационном изнашивании. В.П.Родионов и другие (СССР) 4633818. Заявлено 6.01.89.

5. Атрошенко С.А. Многомасштабные процессы локализации динамического деформирования ж разрушения и их связь с механическими характеристикам! металлов. Автореф. докт. дис., СПб, йн-т проблем машиноведения РАН, 1994.

6. Байло В.Г. Разработка методов прогнозирования характеристик усталости конструкционных сталей и титановых силавов на основе эргодинамического подхода. Дисс. канд. техн. наук. Ташкент, ПИТ, 1987.

7. Богачев И.Н.» Минц P.M. Кавитационное разрушение железоуглеродистых сплавов. М., 1959.

8. Богачев И.Н. Кавитационное разрушение и кавитационностойкие шлаш. М.: Металлургия, 1972, 286 е.

9. XX. БорщевскиЁ Ю.Т., Федоткин И.М., Погодаев Д.И. Повышение эффективности землесосных снарядов. Киев, Будгвельник, Х974, 247 с.

10. Борщевский Ю.Т. Теория одно- и двухфазного турбулентного пограничного слоя. Каев, Выща школа , 1975, 192 с.

11. Борщевский Ю.Т., Мирошниченко А.Ф., Погодаев Л.И. Жовшение кавитационной стойкости двигателей внутреннего сгорания. Киев: Выща школа, 1980, 208 е.

12. Браун Э.Д., Евдокимов Ю.А. , Чичинадзе А.В. и др. Моделирование трения и изнашивания. М.: Машиностроение, 1982, 192 с.

13. Буше Н.А. Трение, изаос в усталость в машинах: Транспортная техника. М.: Транспорт, 1987, 223 с.

14. Буше Н.А., Копытько В.В. Совместимость трущихся поверхностей. М.: Наука, 1981, 127 с.

15. Буяновский М.А. К оценке нижних температурных пределов действия химически активных присадок.// Трение и износ. 1981, Т.2, М 4, G.703-707.

16. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Шрейбер Г.К. Ударно-абразивный износ буровых долот. М.: Недра, 1975, 165 о.

17. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Албагачиев А.Ю. Изнашивание при ударе. М., 1982.

18. Вшоградов В.Н., Сорокин Г.М. Износостойкость сталей и сплавов. М.: Нефть и газ, 1994, 246 с.

19. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М. Механическое изнашивание сталей и сплавов. М.: Недра, 1996, 364 с.

20. Владимиров В.И. Проблемы физики и изнашивания. ФХОМ, 1974, Л 2, С.23-30.

21. Гавранек Б.В., Болынуткин Д.Н. Исследование кавитационной стойкости и кинетики разрушения металлов./ Кавитационная и гидроабразивная стойкость металлов в гидротурбинах. М.: Машиностроение, 1965. С.65-74.

22. Георгиевская ЕЛ. Кавитационная эрозия гребных винтов и методы борьбы с ней. Л-г Судостроение, 1978, 208 с.

23. Голего Н.1., Алябьев А,Я., Шевеля В.А. Фреттинг-коррозия металлов. К.: Техника, 1974, 271 с.

24. Голубев Н.Ф. Современные методы исследования и предупреждения коррозионных и эрозионных разрушений. Материалы П Всесоюзн. науч. школы-семинара. Гидро струйная установка УТСЭ 63/320. Ижевск Севастополь, 1991, С.34-35.

25. Голубев Н.Ф. Повышение долговечности цилиндровых втулок дизельных двигателей газотермическими покрытиями. Автореф.,канд. дисс., JL: ЛЙВТ, 1986.

26. Голубев Н.Ф. Износостойкость цилиндровых втулок двигателей, восстановленных плазменным напылением / Исследования и методы повышения эффективности технической эксплуатации СЭУ. Труды НЙЫВТ. Новосибирск: I98i, C.I20-I29.

27. Голубев Н.Ф. Моделирование износостойкости и долговечности судовых технических средств на основе структурно-энергетического подхода. Автореф. докт. дисс., С.-Петербург, СПГШС, 1997.

28. Голубев Н.Ф., Погодаев Д.й. Закономерности изнашивания втулок цилиндров в зависимости от условий эксплуатации двигателей.// Проблемы машиностроения и надежности машин. 1997, & 5.

29. Голубев Н.Ф.,Логодаев<Л.и.Основы прогнозирования износостойкости втулок цилиндров судовых ДВС.// Проблемы машиностроения и надежности машин. 1997, $ 6.

30. Гоуфорз Р.Е. Критерии штампуемости./ Высокоскоростное деформирование металлов. М.: Машиностроение, 1966.

31. Грегер Г. Расчет износа на основе гипотезы аккумулирования энергии при трении./ Исследования по триботехнике под ред. А.В.Чичинадзе. М.: Шй информ. по маш-ию, 1975, С. 187-195.

32. Гривнин Ю.А., Зубрилов С.П. Кавитация на поверхности твердых тел JL, Судостроение, 1985. 124 с.

33. Гривнин Ю.А., Зубрилов С.Н., Погодаев Л.И. Проблемы кавитации и кавитационной эрозии. С-П.: Гос. университет водн. коммуникаций, 1993. 647 с.

34. Дехтяр И.Я., Осипов К.А. Влияние дефектов кристаллического строения на разрушение металлов. Докл. АН СССР, 1955, 104, Л 2, С.229-231.

35. Дроздов Ю.Н. Температурно-временной критерий износостойкости. //Машиноведение. 1981, 11 6, С.67-69.

36. Дроздов Ю.Н., Павлов В.Г., Пучков В.Н. Трение и износ в экстремальных условиях. М.: Машиностроение, 1986. 224 с.

37. Дроздов Ю.Н. Развитие трибологии для экстремальных условий./ Трибология: Исследования и приложения: опыт США и стран СНГ. М.: Машиностроение, 1993, C.296-3II.

38. Екобори Т. Кинетический подход к распространению усталостной трещины./ Шизика прочности и пластичности. М.: Металлургия, 1972.

39. Шахин, Жену. Схлопывание кавитационного вихревого пузыря. -Теоретические основы инженерных расчетов, Л 4, 1983, С. 116121, изд-во Мир.

40. Жену, Шахин. Численный расчет поля давления, создаваемого при натекании затопленной пульсирующей струи на жесткую преграду.-Теоретические основы инженерных расчетов, Л 4, 1984, С.222-227, изд-во Мир.

41. Журков С.Н., Томашевский З.Е. Исследование прочности твердых тел. ЖТФ, 1955, Ш, вып.1, С.66-73.

42. Журков C.I. Проблема прочности твердых тел. Вестник АН СССР, 1957, Л II, С.78-82.

43. Журков С.й. Дилатонный механизм прочности твердых тел // Физика прочности и пластичности. Л.: Наука, 1986, C.5-II.

44. Запольский Н.В. Методика определения износов деталей и узлов судовых дизелей./ Вопросы износостойкости и надежности судовых дизелей. I.: Транспорт, 1973, С.15-32.

45. Иванченко Н.Н., Скуридин А.А., Никитин М.Д. Кавитационные разрушения в дизелях. I.: Машиностроение, 1970, 152 с.

46. Иванова B.C., Гордиенко U.K. Новые пути повышения прочности металлов. М.; Наука, 1964, 118 с.

47. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975, 456 с.

48. Иванова B.C. Разрушение металлов. М.: Металлургия, 1979, 167с.

49. Иванова B.C. Синергетика: Прочность и разрушение металлических материалов. М.: Наука, 1992. 160 с.

50. Иванова, B.C., Балаякин А.С., Бунин И.Ж., Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука, 1994. 383 с.

51. Канавелие Р. Струйный удар и кавитационное разрушение // Тр. Амер. общ. инж.-мех. Сер. Д.: Теоретические основы инженерных расчетов. М., 1968, Л 3, С.39-41.

52. Карелин В.Я. Износ лопастных гидравлических машин от кавитации и наносов. М.: Машиностроение, 1970. 352 с.

53. Карелин В.Я. Изнашивание лопастных насосов. М.: Машиностроение, 1983. 168 с.

54. Карпов Л.Н. и др. Исследование теплового состояния выпускных клапанов среднеоборотного двигателя. Труды ЦНИИ®, вып. 143, Л., 1971. С.30-38.

55. Клейс И.Р., Ууэмыйс Х.2. Износостойкость элементов измельчителей ударного действия. М.: Машиностроение, 1986. 157 с.58,59,60,61,62